Door lagen rekbare circuits op elkaar te stapelen en te verbinden, ingenieurs hebben een aanpak ontwikkeld om zachte, plooibare "3-D rekbare elektronica" die veel functies kan bevatten en toch dun en klein van formaat blijft. Het werk is gepubliceerd in het nummer van 13 augustus van Natuur Elektronica .

Als proof-of-concept, een team onder leiding van de Universiteit van Californië in San Diego heeft een rekbare elektronische patch gebouwd die als een verband op de huid kan worden gedragen en kan worden gebruikt om draadloos een verscheidenheid aan fysieke en elektrische signalen te bewaken, van de ademhaling, tot lichaamsbeweging, op temperatuur, oogbewegingen, tot hart- en hersenactiviteit. Het apparaat, die zo klein en dik is als een munt van een Amerikaanse dollar, kan ook worden gebruikt om een ​​robotarm draadloos te besturen.

"Onze visie is om 3D-rekbare elektronica te maken die net zo multifunctioneel en krachtig is als de huidige stijve elektronica, " zei senior auteur Sheng Xu, een professor in de afdeling NanoEngineering en het Center for Wearable Sensors, beide aan de UC San Diego Jacobs School of Engineering.

Xu werd in 2018 genoemd op de 35 Innovators Under 35-lijst van MIT Technology Review voor zijn werk op dit gebied.

Om rekbare elektronica naar een hoger niveau te tillen, Xu en zijn collega's bouwen naar boven in plaats van naar buiten. "Stijve elektronica kan veel functionaliteit bieden op een kleine footprint - ze kunnen gemakkelijk worden vervaardigd met maar liefst 50 lagen circuits die allemaal ingewikkeld met elkaar zijn verbonden, met veel chips en componenten die dicht op elkaar zijn gepakt. Ons doel is om dat te bereiken met rekbare elektronica, " zei Xu.

Het nieuwe apparaat dat in dit onderzoek is ontwikkeld, bestaat uit vier lagen onderling verbonden rekbare, flexibele printplaten. Elke laag is gebouwd op een siliconenelastomeersubstraat met een patroon met een zogenaamd "eilandbrug" -ontwerp. Elk "eiland" is een klein, stijf elektronisch onderdeel (sensor, antenne, Bluetooth-chip, versterker, versnellingsmeter, weerstand, condensator, Spoel, enz.) die aan het elastomeer is bevestigd. De eilanden zijn verbonden door rekbare "bruggen" gemaakt van dun, veervormige koperdraden, waardoor de circuits uitrekken, buigen en draaien zonder de elektronische functie in gevaar te brengen.

Connecties maken

Dit werk overwint een technologische wegversperring voor het bouwen van rekbare elektronica in 3D. "Het probleem is niet het stapelen van de lagen. Het is het creëren van elektrische verbindingen tussen hen, zodat ze met elkaar kunnen communiceren, " zei Xu. Deze elektrische verbindingen, bekend als verticale interconnectietoegangen of VIA's, zijn in wezen kleine geleidende gaten die door verschillende lagen op een circuit gaan. VIA's worden traditioneel gemaakt met behulp van lithografie en etsen. Hoewel deze methoden prima werken op stijve elektronische substraten, ze werken niet op rekbare elastomeren.

Dus Xu en zijn collega's wendden zich tot lasers. Ze mengden eerst siliconenelastomeer met een zwarte organische kleurstof zodat het energie van een laserstraal kon absorberen. Daarna maakten ze circuits op elke laag elastomeer, stapelde ze, en raak vervolgens bepaalde plekken met een laserstraal om de VIA's te maken. Nadien, de onderzoekers vulden de VIA's in met geleidende materialen om de lagen elektrisch met elkaar te verbinden. En een voordeel van het gebruik van lasers, merkt op Xu, is dat ze veel worden gebruikt in de industrie, dus de drempel om deze technologie over te dragen is laag.

Multifunctioneel 'slim verband'

Het team bouwde een proof-of-concept 3D rekbaar elektronisch apparaat, die ze een 'slim verband' hebben genoemd. Een gebruiker kan het op verschillende delen van het lichaam plakken om draadloos verschillende elektrische signalen te bewaken. Wanneer gedragen op de borst of buik, het registreert hartsignalen zoals een elektrocardiogram (ECG). Op het voorhoofd, het registreert hersensignalen zoals een mini-EEG-sensor, en wanneer geplaatst op de zijkant van het hoofd, het registreert oogbolbewegingen. Wanneer gedragen op de onderarm, het registreert spieractiviteit en kan ook worden gebruikt om een ​​robotarm op afstand te besturen. De slimme bandage bewaakt ook de ademhaling, huidtemperatuur en lichaamsbeweging.

"We hadden geen specifiek eindgebruik voor al deze functies samen, maar het punt is dat we al deze verschillende detectiemogelijkheden op hetzelfde kleine verband kunnen integreren, " zei co-eerste auteur Zhenlong Huang, die dit werk uitvoerde als een bezoekende Ph.D. student in de onderzoeksgroep van Xu.

En de onderzoekers offerden kwaliteit niet op voor kwantiteit. "Dit apparaat is als een 'master of all trades'. We kozen voor hoge kwaliteit, robuuste subcomponenten - de beste spanningssensor die we op de markt konden vinden, de meest gevoelige versnellingsmeter, de meest betrouwbare ECG-sensor, hoge kwaliteit Bluetooth, enz. - en ontwikkelde een slimme manier om al deze te integreren in één rekbaar apparaat, " voegde co-eerste auteur Yang Li toe, een afgestudeerde nano-engineeringstudent aan UC San Diego in de onderzoeksgroep van Xu.

Tot dusver, het slimme verband kan meer dan zes maanden meegaan zonder prestatieverlies, rekbaarheid of flexibiliteit. Hij kan draadloos communiceren met een smartphone of laptop tot op 10 meter afstand. Het apparaat draait in totaal op zo'n 35,6 milliwatt, wat overeenkomt met het vermogen van 7 laserpointers.

Het team gaat samenwerken met industriële partners om deze technologie te optimaliseren en te verfijnen. Ze hopen het in de toekomst in klinische omgevingen te testen.