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Circuiti pieghevoli ed estensibili
I ricercatori dell'Università dell'Illinois, della Urbana Champaign e della Northwestern University, a Evanston, Illinois, hanno dimostrato che i circuiti elettrici possono essere piegati e allungati e allo stesso tempo eguagliano le prestazioni dei circuiti costruiti su wafer rigidi. Realizzati con sottili fogli di silicio su plastica o gomma, questi circuiti pieghevoli potrebbero aprire la strada ad applicazioni come computer indossabili e sistemi di monitoraggio sanitario impiantabili.
Silicone elastico: L'immagine in alto è di un circuito di silicio intrecciato su un polimero flessibile. Sotto di esso ci sono micrografie ottiche degli inverter - componenti del circuito - dal circuito sopra. Le increspature nel circuito sono dovute al fatto che è stato apposto sul polimero quando il polimero è stato stirato. Visto qui, il polimero è in uno stato rilassato.
John Rogers , professore di scienza dei materiali presso l'Università dell'Illinois, e i suoi colleghi hanno dimostrato che è possibile utilizzare silicio ultrasottile per costruire interi fogli di circuiti pieghevoli ed estensibili costituiti da dispositivi come transistor, amplificatori e porte logiche. I risultati sono stati pubblicati in questa settimana Scienza . In precedenza, Rogers realizzava nastri pieghevoli ed estensibili di transistor al silicio, ma il nuovo lavoro mostra che è possibile utilizzare la tecnica per posizionare fogli di circuiti complessi su superfici estensibili. Abbiamo ampliato il concetto a livello di circuito per rendere l'intero sistema di circuiti il più sottile possibile, afferma Rogers. L'intero spessore è di 1,5 micron e questo include il substrato di plastica, la metallizzazione, il silicio, i dielettrici, tutto. Un circuito con un fattore di forma così sottile è naturalmente flessibile solo dalla meccanica.
L'elettronica pieghevole non è nuova: i ricercatori hanno precedentemente stampato, stampato e spruzzato circuiti su fogli di plastica. Tuttavia, questi circuiti sono realizzati con materiali semiconduttori organici, utili per applicazioni come i transistor nei display roll-up, ma semplicemente troppo lenti per essere utilizzati per elaborazioni più complesse.
Nel 2005, Rogers ha trovato un modo per produrre silicio monocristallino, il tipo utilizzato per realizzare i chip dei computer, piegato e allungato aderendo nastri ultrasottili a substrati simili alla gomma, e quindi lasciando che la gomma si riposiziona. (Vedi Silicio estensibile.) Poiché il silicio era così sottile, spesso solo poche centinaia di nanometri, si piegava, senza rompersi, in onde sulla gomma che potevano essere stirate ancora e ancora.
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Guarda l'instabilità di un componente ultrasottile di un circuito in silicio.
Il nuovo lavoro sfrutta quella geometria ultrasottile per realizzare due tipi di circuiti. Un tipo è semplicemente pieghevole: i circuiti a base di silicio sono stati posizionati su fogli di plastica non tesi, risultando in circuiti che possono piegarsi come un pezzo di carta. Per garantire che il circuito funzioni bene indipendentemente dalla direzione in cui è attorcigliato o piegato, i ricercatori posizionano il silicio, o qualunque parte del circuito sia più fragile, a una distanza tra la parte superiore e inferiore del foglio del circuito che subisce il minimo quantità di sforzo. Il posizionamento dei componenti fragili del circuito nella posizione appropriata all'interno del foglio del circuito ottimizza l'elettronica e consente loro di funzionare come quelli su un wafer solido, afferma Rogers.
I ricercatori hanno realizzato un secondo tipo di circuito prendendo i fogli del circuito ottimizzato e legandoli a una gomma prestirata che è stata estesa in entrambe le direzioni. Quando si lascia che la gomma si rilassi, lo strato di silicone si piega in uno schema complesso e ondulato, dice Rogers. Comprendiamo completamente, attraverso un'ampia modellazione analitica e computazionale presentata nel documento, come si formano quelle forme ondulate e come i layout dei circuiti... determinano le geometrie spaziali [delle onde], dice. Sebbene i circuiti pieghevoli siano completamente ottimizzati, afferma che la sua squadra sta ancora lavorando per ottimizzare i circuiti estensibili. Poiché i ricercatori possono individuare le posizioni attraverso il circuito in cui si formeranno le strutture ondulate quando la gomma viene rilasciata, afferma Rogers, possono scegliere queste posizioni in modo che non si sovrappongano a componenti fragili o sensibili alle sollecitazioni del circuito. Questo aspetto è un perfezionamento del lavoro attuale, osserva, e apparirà in un documento futuro.
La ricerca offre un concetto di circuito completamente nuovo, afferma Zhenqiang Ma , professore di ingegneria elettrica e informatica presso l'Università del Wisconsin-Madison. Ma ha precedentemente costruito transistor al silicio ultraveloci su substrati pieghevoli, che operano ad alte frequenze, rendendoli utili per le antenne costruite sulle ali degli aeroplani, ad esempio. (Vedi Velocità da record per il silicio flessibile.) Mentre i transistor di Rogers sono più lenti, i suoi circuiti integrati hanno il vantaggio di essere progettati pensando alla geometria ondulata del silicio sottile, in modo che possano essere ottimizzati su un substrato elastico.
Rogers afferma che un campo in cui i circuiti pieghevoli ed estensibili potrebbero essere utili è la neuroscienza. (Vedi TR10: Monitor medici personalizzati). Sta lavorando a un progetto che potrebbe consentire a un sottile foglio di elettronica di avvolgere il cervello, monitorando l'attività elettrica per gli indicatori di future crisi epilettiche nelle persone con epilessia. Inoltre, Rogers e i suoi colleghi stanno costruendo guanti chirurgici in lattice con elettronica integrata che potrebbero aggiungere funzionalità di rilevamento o, in alcuni casi, fornire feedback tattili per la formazione degli studenti di chirurgia.
Ci sono molte applicazioni per questi nuovi tipi di circuiti, afferma Ma. In alcune applicazioni... i circuiti integrati estensibili e pieghevoli possono essere l'unica scelta. Aggiunge che il nuovo concetto di circuito integrato ha colmato un'importante lacuna applicativa che i circuiti rigidi basati su chip non possono colmare.