Инженеры из США и Китая научились создавать эластичные электронные устройства из нескольких слоев. Основные компоненты таких устройств, например, чипы, выполнены из жестких материалов, но соединения между ними и слоями, а также подложки микросхем каждого слоя состоят из материалов, не разрушающихся при растяжении или скручивании. Статья опубликована в Nature Electronics.

Инженеры давно разрабатывают материалы и методы, необходимые для создания функциональной растягиваемой электроники. Предполагается, что в будущем такая электроника сможет вытеснить распространенные сегодня носимые устройства, выполненные из жестких материалов и из-за этого стесняющие движения тела, а также подверженные разрушению. Несмотря на промежуточные успехи в этой области, пока у гибкой электроники остаются нерешенные проблемы, в том числе низкая надежность и сложность создания многослойных микросхем, с электрическими соединениями между слоями.

Группа инженеров из США и Китая под руководством Шэн Сюя (Sheng Xu) из Калифорнийского университета в Сан-Диего разработала метод, позволяющий реализовать подобные соединения в многослойных растягиваемых электронных устройствах. Основу каждого слоя или эластичной платы составляет подложка из силиконового эластомера. Она выполняет механическую поддержку остальных компонентов, а также изолирует слои. На каждый слой наносят два вида элементов: жесткие электронные компоненты, такие как микропроцессоры или резисторы, и эластичные проводящие дорожки. Эти дорожки состоят из меди и полиимидной пленки, и имеют зигзагообразную форму, позволяющую им растягиваться вместе с силиконовой подложкой, не разрушаясь.

Схема устройства. Zhenlong Huang et al. / Nature Electronics, 2018

Одно из главных новшеств предложенного инженерами метода заключается в способе соединения слоев между собой. Для этого, как и в случае с обычными жесткими платами, в определенных местах определенных слоев создаются переходные отверстия. Поскольку отверстия должны быть небольшими и располагаться точно, исследователи выжигали их лазерным лучом. После этого в отверстие с помощью трафаретной печати заливается припой из сплава, соединяющий два проводящих контакта.

Микроструктура переходных отверстий в слоях. Zhenlong Huang et al. / Nature Electronics, 2018

Исследователи продемонстрировали применимость метода на нескольких многослойных прототипах. В частности, инженеры создали многофункциональное устройство с датчиками растяжения, гироскопом, акселерометром, термометром, Bluetooth-передатчиком и несколькими другими компонентами. Устройство можно безопасно прикрепить к коже без какого-либо клея — оно закрепляется за счет сил Ван-дер-Ваальса. Инженеры показали, что с помощью одного такого устройства можно измерять несколько физиологических показателей. К примеру, его можно применять для измерения температуры тела, записи движений и частоты дыхания, а также в качестве электрокардиографа.

Прототип устройства из четырех слоев. Zhenlong Huang et al. / Nature Electronics, 2018

Многие другие группы инженеров работают над созданием других электронных устройств, которые можно наносить непосредственно на кожу. В прошлом году мы собрали самые заметные разработки в этой области в материале «Электронная кожа».

Автор: Григорий Копиев