Opbygning af strækbar elektronik til at være lige så multifunktionel som din smartphone

Ved at stable og forbinde lag af strækbare kredsløb oven på hinanden, ingeniører har udviklet en tilgang til at bygge bløde, bøjelig "3-D strækbar elektronik", der kan pakke en masse funktioner, mens den forbliver tynd og lille i størrelsen. Værket er offentliggjort i 13. august-udgaven af Naturelektronik .

Som et bevis på konceptet, et hold ledet af University of California San Diego har bygget et strækbart elektronisk plaster, der kan bæres på huden som en bandage og bruges til trådløst at overvåge en række fysiske og elektriske signaler, fra åndedræt, til kropsbevægelser, til temperatur, til øjenbevægelser, til hjerte- og hjerneaktivitet. Enheden, som er lige så lille og tyk som en amerikansk dollarmønt, kan også bruges til trådløst at styre en robotarm.

"Vores vision er at lave 3D-strækbar elektronik, der er lige så multifunktionel og højtydende som nutidens stive elektronik, " sagde seniorforfatter Sheng Xu, en professor i Institut for NanoEngineering og Center for Wearable Sensors, begge på UC San Diego Jacobs School of Engineering.

Xu blev navngivet blandt MIT Technology Review's 35 Innovators Under 35-liste i 2018 for sit arbejde på dette område.

For at tage strækbar elektronik til næste niveau, Xu og hans kolleger bygger opad i stedet for udad. "Stiv elektronik kan tilbyde en masse funktionalitet på et lille fodaftryk - de kan nemt fremstilles med så mange som 50 lag af kredsløb, der alle er indviklet forbundet, med en masse chips og komponenter pakket tæt inde. Vores mål er at opnå det med strækbar elektronik, " sagde Xu.

Den nye enhed udviklet i denne undersøgelse består af fire lag indbyrdes forbundne strækbare, fleksible printplader. Hvert lag er bygget på et silikone-elastomer-substrat mønstret med det, der kaldes et "ø-bro"-design. Hver "ø" er en lille, stiv elektronisk del (sensor, antenne, Bluetooth chip, forstærker, accelerometer, modstand, kondensator, induktor, osv.), der er fastgjort til elastomeren. Øerne er forbundet af strækbare "broer" lavet af tynde, fjederformede kobbertråde, lader kredsløbene strække sig, bøj og vrid uden at gå på kompromis med elektronisk funktion.

At skabe forbindelser

Dette arbejde overvinder en teknologisk vejspærring for at bygge strækbar elektronik i 3-D. "Problemet er ikke at stable lagene. Det skaber elektriske forbindelser mellem dem, så de kan kommunikere med hinanden, " sagde Xu. Disse elektriske forbindelser, kendt som vertikale sammenkoblingsadgange eller VIA'er, er i det væsentlige små ledende huller, der går gennem forskellige lag på et kredsløb. VIA'er fremstilles traditionelt ved hjælp af litografi og ætsning. Selvom disse metoder fungerer fint på stive elektroniske underlag, de virker ikke på strækbare elastomerer.

Så Xu og hans kolleger vendte sig til lasere. De blandede først silikoneelastomer med et sort organisk farvestof, så det kunne absorbere energi fra en laserstråle. Derefter lavede de kredsløb på hvert lag af elastomer, stablede dem, og derefter ramme bestemte steder med en laserstråle for at skabe VIA'erne. Bagefter, forskerne udfyldte VIA'erne med ledende materialer for elektrisk at forbinde lagene med hinanden. Og en fordel ved at bruge lasere, bemærker Xu, er, at de er meget udbredt i industrien, så barrieren for at overføre denne teknologi er lav.

Multifunktionel 'smart bandage'

Holdet byggede en proof-of-concept 3-D strækbar elektronisk enhed, som de har døbt en "smart bandage". En bruger kan sætte den på forskellige dele af kroppen for trådløst at overvåge forskellige elektriske signaler. Når det bæres på brystet eller maven, den optager hjertesignaler som et elektrokardiogram (EKG). På panden, den optager hjernesignaler som en mini EEG-sensor, og når den placeres på siden af ​​hovedet, den registrerer øjeæbles bevægelser. Når det bæres på underarmen, den registrerer muskelaktivitet og kan også bruges til at fjernstyre en robotarm. Den smarte bandage overvåger også vejrtrækningen, hudtemperatur og kropsbevægelse.

"Vi havde ikke en specifik slutanvendelse for alle disse funktioner kombineret, men pointen er, at vi kan integrere alle disse forskellige sanseevner på den samme lille bandage, " sagde co-first forfatter Zhenlong Huang, der udførte dette arbejde som gæsteph.d. studerende i Xus forskningsgruppe.

Og forskerne ofrede ikke kvalitet for kvantitet. "Denne enhed er som en 'mester i alle fag'. Vi valgte høj kvalitet, robuste underkomponenter - den bedste belastningssensor, vi kunne finde på markedet, det mest følsomme accelerometer, den mest pålidelige EKG-sensor, høj kvalitet Bluetooth, osv. – og udviklet en smart måde at integrere alle disse i én strækbar enhed, " tilføjede medforfatter Yang Li, en nanoingeniørstuderende ved UC San Diego i Xus forskningsgruppe.

Indtil nu, den smarte bandage kan holde i mere end seks måneder uden fald i ydeevnen, strækbarhed eller fleksibilitet. Den kan kommunikere trådløst med en smartphone eller bærbar computer op til 10 meter væk. Enheden kører på i alt omkring 35,6 milliwatt, hvilket svarer til effekten fra 7 laserpointere.

Holdet vil arbejde sammen med industrielle partnere for at optimere og forfine denne teknologi. De håber at teste det i kliniske omgivelser i fremtiden.