Исследователи из Университета Карнеги-Меллона (CMU, частный исследовательский центр, расположенный в Питтсбурге) в США разработали новую масштабируемую и воспроизводимую технологию производства, которая способна ускорить массовое внедрение эластичной электроники и робототехники. Об этом сообщает портал TechXplore. Перевод основных положений публикации представлен изданием discover24.ru.
Следующее поколение робототехники будет производить эластичных роботов, безопасных и удобных для прямого физического взаимодействия с людьми и для использования в хрупких средах. В отличие от традиционной «жесткой» электроники, ее эластичная версия может использоваться для создания носимых технологий и имплантируемых устройств, то есть там, где необходим безопасный физический контакт с биологическими тканями и другими хрупкими материалами.
Например, эластичные роботы, которые безопасно обрабатывают нежные фрукты и овощи, могут повысить безопасность пищевых продуктов, предотвращая перекрестное загрязнение. Роботы, сделанные из мягких материалов, могут добывать из глубин хрупкие морепродукты, а также стать основой для многих биомедицинских применений, включая носимые и вспомогательные устройства, протезы, эластичные инструменты для хирургии, устройства для доставки лекарств и контроля работы искусственных органов.
Но разработка таких инновационных компонентов, которые могут легко интегрироваться в человеческую жизнь, – это только первый шаг. Массовое внедрение и коммерциализация эластичной электроники потребует разработки новых, соответствующих ей технологий серийного производства.
Ярким примером такой ситуации служит сфера эластичных электронных устройств на основе жидкого металла. Различные исследования уже продемонстрировали возможность изготовления таких устройств в лабораториях, но методы их создания еще не привели к критической комбинации желаемых характеристик эластичной электроники на основе жидкого металла, необходимых для ее производства в коммерчески выгодных масштабах.
Группа исследователей из Университета Карнеги-Меллона, в которой ведущими специалистами являлись инженеры-машиностроители Кадри Бугра Озутемиз, Кармел Маджиди и Бурак Оздоганлар, стремится изменить такое положение дел с помощью разработанного ими нового подхода. Представленная ими технология обеспечивает масштабируемость, точность и совместимость с микроэлектроникой за счет сочетания использования жидкого металла с фотолитографией и нанесением покрытия погружением на пластину.
Сплав на основе галлия, так называемый эвтектический галлий-индий (EGaIn), при комнатной температуре пребывает в естественном жидком состоянии, и поэтому способен свободно течь внутри каналов, обладает высокой электропроводностью и может легко деформироваться, пока он инкапсулирован в другой среде.
Наиболее серьезной проблемой для этого материала было то, что при воздействии воздуха на жидком металле быстро образуется тонкая «кожа» из оксида галлия. Это затрудняет достижение им однородной и непрерывной формы или нужной геометрии: жидкий металл в итоге прилипает повсюду, перетекая в самые разнообразные изменчивые формы.
«Наша исследовательская группа разработала новый подход, который сочетает в себе селективное смачивание металлического сплава, помещаемого в желаемую схему, с процессом нанесения покрытия способом погружения, который растворяет оксидную пленку, образующуюся при контакте EGaln с воздухом», – пояснил Озутемиз.
Тонкие металлические дорожки, сделанные из недорогой и доступной меди, сначала литографически наносятся на поверхность эластомера в качестве смачивающего слоя. Они служат шаблонами для выборочного нанесения EGaln на поверхность из силиконового каучука.
«Покрытие погружением», которое и ранее широко использовалось в микроэлектронной промышленности, но не с жидкими металлами, облегчает выборочное осаждение EGaIn на заданную микросхему, определяемую медными дорожками с литографическим рисунком на пластинах с эластомерным покрытием, и делает это масштабируемым образом.
Для нанесения EGaIn на узорчатый смачивающий слой меди используются автоматизированная высокоточная система перемещения и двухслойная погружная ванна, которая включает в себя тонкий слой водного раствора гидроксида натрия (NaOH) на верхней поверхности, за которым следует EGaIn. Раствор NaOH при этом облегчает удаление оксидной пленки и любого окисления на поверхности медных дорожек.
В итоге пластину микросхемы погружают в ванну и после короткого времени выдержки извлекают с заданной скоростью, которая контролирует количество жидкости, осаждаемой на подложку. Исследователи использовали для этих целей достаточно простое оборудование. Контролируя скорость извлечения, они успешно создали воспроизводимые геометрические формы из жидкого металла.
В дальнейшем исследовательская группа CMU намерена работать над контролем таких параметров, как скорость извлечения и количество времени, в течение которого пластина остается в ванне, чтобы лучше понять, какое влияние каждая переменная оказывает на результирующую геометрию. Но на данный момент они разработали жизнеспособный процесс массового производства микросхем из жидкого металла, которые можно использовать в самых разных приложениях эластичной робототехники и электроники.
«Для нас самым важным было то, что мы достигаем воспроизводимых результатов с помощью стандартного процесса, который уже используется производителями чипов», – подчеркнул Озутемиз.