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Circuitos plegables y extensibles
Investigadores de la Universidad de Illinois, Urbana Champaign y la Universidad Northwestern, en Evanston, IL, han demostrado que se puede hacer que los circuitos eléctricos se plieguen y se estiren y aún igualen el rendimiento de los circuitos construidos sobre obleas rígidas. Hechos de láminas delgadas de silicona sobre plástico o caucho, estos circuitos flexibles podrían allanar el camino para aplicaciones tales como computadoras portátiles y sistemas de monitoreo de salud implantables.
Estirar el silicio: La imagen superior es de un circuito de silicio retorcido sobre un polímero flexible. Debajo hay micrografías ópticas de inversores, componentes del circuito, del circuito anterior. Las ondulaciones en el circuito se deben al hecho de que se adhirió al polímero cuando se estiró el polímero. Visto aquí, el polímero está en un estado relajado.
John Rogers , profesor de ciencia de materiales en la Universidad de Illinois, y sus colegas han demostrado que es posible usar silicio ultradelgado para construir láminas enteras de circuitos plegables y extensibles hechos de dispositivos como transistores, amplificadores y puertas lógicas. Los resultados se publicaron en la revista de esta semana. Ciencias . Anteriormente, Rogers hacía cintas plegables y estirables de transistores de silicio, pero el nuevo trabajo muestra que es posible usar la técnica para colocar láminas de circuitos complejos en superficies estirables. Ampliamos la noción a nivel de circuito para hacer que todo el sistema de circuito sea lo más delgado posible, dice Rogers. El espesor total es de 1,5 micrones, y eso incluye el sustrato plástico, metalización, silicio, dieléctricos, todo. Un circuito con un factor de forma tan delgado es naturalmente flexible solo por la mecánica.
La electrónica flexible no es nueva: los investigadores ya han estampado, impreso y rociado circuitos en láminas de plástico. Sin embargo, estos circuitos están hechos de materiales semiconductores orgánicos, útiles para aplicaciones como transistores en pantallas enrollables, pero simplemente demasiado lentos para usarse en computación más compleja.
En 2005, Rogers encontró una manera de fabricar silicio monocristalino, el tipo que se usa para fabricar chips de computadora, que se pliega y se estira adhiriendo cintas ultrafinas a sustratos similares al caucho y luego dejando que el caucho vuelva a encajar en su lugar. (Véase Silicio estirable). Debido a que el silicio era tan fino (sólo unos pocos cientos de nanómetros de espesor), se doblaba, sin romperse, en ondas sobre la goma que podían estirarse una y otra vez.
Multimedia
Vea el pandeo de un componente de circuito de silicio ultradelgado.
El nuevo trabajo explota esa geometría ultrafina para hacer dos tipos de circuitos. Un tipo es simplemente plegable: los circuitos basados en silicona se colocaron en láminas de plástico sin tensar, lo que resultó en un circuito que se puede doblar como una hoja de papel. Para asegurarse de que el circuito funcione bien sin importar en qué dirección esté torcido o doblado, los investigadores colocan el silicio, o cualquier parte del circuito que sea más frágil, a una distancia entre la parte superior e inferior de la hoja del circuito que experimenta menos cantidad de tensión. Colocar los frágiles componentes del circuito en el lugar apropiado dentro de la placa del circuito optimiza la electrónica y les permite funcionar tan bien como los de una oblea sólida, dice Rogers.
Los investigadores crearon un segundo tipo de circuito tomando las láminas de circuito optimizadas y uniéndolas a una goma preestirada que se extendía en ambas direcciones. Cuando se permite que la goma se relaje, la capa de silicona se dobla en un patrón ondulado complejo, dice Rogers. Entendemos completamente, a través del modelado analítico y computacional extenso presentado en el documento, cómo se forman esas formas onduladas y cómo los diseños de los circuitos ... determinan las geometrías espaciales [de las ondas], dice. Si bien los circuitos plegables están completamente optimizados, dice que su equipo todavía está trabajando para optimizar los circuitos extensibles. Dado que los investigadores pueden ubicar posiciones a lo largo del circuito donde se formarán las estructuras onduladas cuando se suelte la goma, dice Rogers, pueden elegir estas ubicaciones para que no se superpongan con ningún componente frágil o sensible a la tensión del circuito. Este aspecto es un refinamiento del trabajo actual, señala, y aparecerá en un artículo futuro.
La investigación ofrece un concepto de circuito completamente nuevo, dice Zhenqiang Ma , profesor de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad de Wisconsin-Madison. Ma ha construido anteriormente transistores de silicio ultrarrápidos en sustratos flexibles, que operan a altas frecuencias, lo que los hace útiles para antenas construidas en las alas de los aviones, por ejemplo. (Consulte Velocidad récord para silicio flexible). Si bien los transistores de Rogers son más lentos, sus circuitos integrados tienen la ventaja de estar diseñados con la geometría ondulada del silicio delgado en mente, de modo que puedan optimizarse en un sustrato elástico.
Rogers dice que un campo en el que los circuitos plegables y extensibles podrían ser útiles es la neurociencia. (Ver TR10: Monitores médicos personalizados). Él está trabajando en un proyecto que podría permitir que una delgada hoja de componentes electrónicos se envuelva alrededor del cerebro, monitoreando la actividad eléctrica en busca de indicadores de convulsiones futuras en personas con epilepsia. Además, Rogers y sus colegas están construyendo guantes quirúrgicos de látex con componentes electrónicos integrados que podrían agregar funciones de detección o, en algunos casos, proporcionar retroalimentación táctil para capacitar a los estudiantes de cirugía.
Hay muchas aplicaciones para estos nuevos tipos de circuitos, dice Ma. En algunas de las aplicaciones ... los circuitos integrados extensibles y plegables pueden ser la única opción. Añade que el nuevo concepto de circuito integrado ha llenado un importante vacío de aplicación que los circuitos rígidos basados en chips no pueden llenar.