Opskalering af produktionen af ​​flydende metalkredsløb

Carnegie Mellon mekaniske ingeniørforskere har udviklet en ny skalerbar og reproducerbar fremstillingsteknik, der kan fremskynde den almindelige indførelse og kommercialisering af blød og strækbar elektronik.

Den næste generation af robotteknologi vil producere bløde maskiner og robotter, der er sikre og komfortable til direkte fysisk interaktion med mennesker og til brug i skrøbelige miljøer. I modsætning til stiv elektronik kan blød og strækbar elektronik bruges til at skabe bærbare teknologier og implanterbar elektronik, hvor sikker fysisk kontakt med biologisk væv og andre sarte materialer er afgørende.

Bløde robotter, der sikkert håndterer sarte frugter og grøntsager, kan forbedre fødevaresikkerheden ved at forhindre krydskontaminering. Robotter lavet af bløde materialer kan trodse havets uudforskede dybder for at indsamle sarte marine prøver. Og de mange biomedicinske applikationer til bløde robotter inkluderer bærbare og hjælpemidler, proteser, bløde værktøjer til kirurgi, medicinafgivelsesanordninger og kunstig organfunktion.

Men at skabe disse næsten umærkelige komponenter, der problemfrit kan integreres med menneskelivet, er kun det første skridt. Mainstream-adoption og kommercialisering af blød og strækbar elektronik vil kræve udvikling af nye fremstillingsteknikker, der er skalerbare og reproducerbare.

Selvom en række metoder allerede har demonstreret evnen til at fremstille flydende metal-baserede enheder i mindre skala i laboratorier, har disse metoder endnu ikke resulteret i den kritiske kombination af ønskede egenskaber, der kræves for at producere flydende metal-baseret blød og strækbar elektronik i en kommercielt levedygtig skala.

Et team af forskere fra Carnegie Mellon University's College of Engineering søger at ændre dette med en ny metode, de har udviklet til massefremstilling af flydende metal-baserede bløde og strækbare elektroniske enheder. Deres arbejde blev udgivet i Advanced Materials Technologies .

Kadri Bugra Ozutemiz, som for nylig fik sin ph.d. i maskinteknik, har udviklet en ny tilgang, der opnår skalerbarhed, præcision og mikroelektronisk kompatibilitet ved at kombinere brugen af ​​flydende metal med fotolitografi og wafer-baseret dip coating.

Ozutemiz, der arbejdede sammen med Carmel Majidi og Burak Ozdoganlar, begge professorer i maskinteknik, forklarer, at flydende metaller er blevet populære i de senere år som leder for strækbare kredsløb til at skabe sensorer og antenner samt bløde og strækbare ledninger til forskellige elektronik og robotter applikationer.

Den galliumbaserede legering, eutektisk gallium-indium (EGaIn), er flydende ved stuetemperatur, kan frit flyde inde i kanaler, har høj elektrisk ledningsevne og kan deformeres, så længe den er indkapslet i et andet medium.

"Vi var nødt til bedre at forstå de iboende egenskaber af gallium-baserede flydende legeringer for at overvinde udfordringer, der gør dem uegnede til massefremstilling," sagde Ozutemiz.

Den væsentligste udfordring var, at der hurtigt dannes en tynd galliumoxid "hud", når det flydende metal udsættes for luft, hvilket gør det vanskeligt at opnå en ensartet og kontinuerlig form eller geometri. Det flydende metal klæber overalt og flyder ind i en lang række foranderlige former.

"Vores team udtænkte en ny tilgang, der kombinerer selektiv befugtning af metallegeringer, der afsætter det flydende metal i det ønskede kredsløbslayout med en dyppebelægningsproces, der opløser den oxidhud, der opstår, når EGaln udsættes for luften," forklarede Ozutemiz.

Tynde metalspor, lavet af billigt og let tilgængeligt kobber, er først litografisk mønstret på en elastomeroverflade som et befugtningslag. Sporene tjener som skabeloner til selektiv afsætning af EGaln på silikonegummioverfladen.

For at opløse oxidhuden og samtidig opretholde den selektive aflejring af det flydende metal, udtænkte forskerne en ny tilgang, der kombinerede den selektive metallegeringsbefugtning med en dyppebelægningsproces.

Dip-coating, som er blevet brugt i mikroelektronikindustrien, men ikke med flydende metaller, letter afsætningen af ​​EGaIn selektivt på kredsløbslayoutet defineret af litografisk mønstrede kobberspor på elastomer-coatede wafere på en skalerbar måde.

Et automatiseret bevægelsessystem med høj præcision og et to-lags dyppebad bruges til at afsætte EGaIn på det mønstrede kobberbefugtningslag. Badet indeholder et tyndt lag af vandig natriumhydroxid (NaOH) opløsning på den øverste overflade, efterfulgt af EGaIn. NaOH-opløsningen letter fjernelse af oxidhud og enhver oxidation på overfladen af ​​kobbersporene, når den mønstrede wafer dyppes i badet. Vaflen nedsænkes derefter i badet, og efter en kort opholdstid trækkes den ud med en foreskreven hastighed, der styrer mængden af ​​væske, der aflejres på substratet.

Forskerne brugte en specialbygget simpel maskine til at dyppe vaflerne i badet. Ved at kontrollere tilbagetrækningshastigheden producerede de med succes repeterbare flydende metalgeometrier.

I fremtidige tests vil de arbejde på at kontrollere parametre såsom tilbagetrækningshastighed og mængden af ​​tid, waferen forbliver i badet, for bedre at forstå, hvilken indflydelse hver variabel har på den resulterende geometri. Men indtil videre har de etableret en levedygtig proces til masseproduktion af flydende metalkredsløb, der kan bruges i en lang række bløde robot- og elektronikapplikationer.

"For os var det vigtigste, at vi opnår gentagelige resultater med en standardproces, der allerede bruges af chipproducenter," sagde Ozutemiz, som forklarede, at ved at introducere et nyt materiale i en veletableret proces, vil producenterne være i stand til at skalaproduktion, der vil give mulighed for mere udbredt anvendelse af disse innovative bløde robotter og elektroniske enheder. + Udforsk yderligere

Team udvikler mekanisme til at styre aktivering, køling og energikonvertering til blød robotteknologi