Naukowcy ze Swiss Federal Institute of Technology w Zurychu (ETHZ) opracowali lekki, cienki, elastyczny, przezroczysty chip, który można osadzić na powierzchni soczewki kontaktowej lub nawet owinąć wokół pojedynczego ludzkiego włosa bez uszkodzenia delikatnej elektroniki. Innowacyjna technika wytwarzania podłoży układów scalonych otwiera nowe możliwości produkcji czujników, które można umieścić na tkankach biologicznych.
Ostatnie dziesięciolecie technologii produkcji obwodów scalonych to dynamiczny rozwój giętkich, rozciągliwych, transparentnych układów. W dzisiejszych czasach osadzanie tranzystorów wyłącznie na krzemowych podłożach jest wypierane przez inne materiały, w tym polimery. Teraz, badacze ze Szwajcarii zaprezentowali nową podstawę opartą na m.in. warstwach polialkoholu winylowego (z ang. polyvinyl alcohol, PVA) oraz poli(p-)ksylilenu – PPX potocznie nazywanym parylenem. Płytkę wystarczy umieścić w wodzie, powłoki z PVA ulegną wówczas rozpuszczeniu, a cienki drukowany układ (1/60 ludzkiego włosa) opadnie na dno naczynia. Szczegółowe wyniki badań opublikowano 7 stycznia 2014 roku w internetowym wydaniu czasopisma Nature Communications.
Nowe podłoże zbudowane jest z kilku materiałów o różnych właściwościach. Rozpatrując konstrukcję chipu od warstwy umieszczonej najniżej, podstawę, czyli twardy układ nośny stanowi standardowy wafel krzemowy o średnicy 2 cali (5,08 cm). Powyżej umieszczone są dwie powłoki z PVA oraz PVAc, każda o grubości 400 nanometrów. Na nie naniesiony jest mikrometrowy (1 mikrometr – milionowa część metra) arkusz parylenu. Kolejnym etapem było osadzenie cienkowarstwowych tranzystorów i czujników z typowych materiałów półprzewodnikowych – IGZO (nazwa to akronim od słów od pierwiastków użytych do ich konstrukcji – indium, gallium, zinc, oxide, czyli ind, gal, cynk i tlen), a także przewodników w postaci złota. Wieloetapowa fabrykacja obwodów drukowanych wymagała zastosowania m.in. techniki ALD (z ang. atomic layer deposition), która polega na nakładaniu powłok warstwa po warstwie, ulegających chemisorpcji. Jej podstawy leżą w metodzie chemicznego osadzania z fazy gazowej CVD. Jest ona dedykowana głównie do zastosowań przemysłowych oraz do pilotażowej produkcji giętkich podłoży.
Sekret właściwości elastycznego układu kryje się w warstwie parylenu o grubości 1 mikrometra. Ten krystaliczny polimer jest doskonałym dielektrykiem, odpornym na rozpuszczalniki i wilgoć, o małej przepuszczalności par i gazów. Służy głównie do hermetyzacji urządzeń elektronicznych w celu ochrony przed korozją. Obwody wydrukowane na lekkiej, cienkiej folii z parylenu po rozpuszczeniu związków polialkoholi winylowych i usunięciu krzemowego podłoża utrzymywały swoją konstrukcję, a elektronika, która była mniej elastyczna niż podstawa nadal działała, mimo silnego ugięcia. Badacze z sukcesem potwierdzili teoretyczne obliczenia dotyczące kąta zgięcia materiału na obiekcie o promieniu 50 mikrometrów. Podczas testów obwody doskonale przyczepiały się i owijały dookoła włosów oraz osadzane były na sztucznym oku. W zależności od materiałów wykorzystanych do budowy sensorów i tranzystorów elementy były bardziej lub mniej przejrzyste. Inżynierowie odpowiedzialni za eksperyment jako potencjalny obszar zastosowań dla swoich elastycznych obwodów widzą segment “inteligentnych” soczewek kontaktowych. Urządzenia tego typu mogłyby mierzyć ciśnienie wewnątrzgałkowe, czyli główny czynnik powodujący uszkodzenie nerwu wzrokowego w jaskrze. Zdjęcia prototypów można zobaczyć pod adresem [4].
Mało inwazyjne aparaty mogą być umieszczane na dowolnym obiekcie, w tym powierzchniach tkanek, takich jak na ludzka skórę i liście roślin. Póki co, naukowcy muszą pokonać jeszcze kilka przeszkód technicznych zanim rozwiązanie stanie się opłacalne i możliwe do powszechnego stosowania. Konieczna jest optymalizacja sposobu nakładania układów na soczewki, biorąc pod uwagę skutki osadzania w tranzystorów w środowisku wodnym. Ponadto, obwody wymagają do działania energii elektrycznej, która obecnie musi być dostarczana ze źródła zewnętrznego. W przyszłości, badacze mają nadzieję na wykorzystanie elastycznych chipów w innych dziedzinach nauk biometrycznych, np. układów wszczepianych w organizmie po operacji do bezprzewodowego śledzenia ciśnienia krwi lub dyskretnie przymocowanych do skóry oraz mechanizmów monitorujących dane środowiskowe w ekosystemie.
Źródło:
[1] Wafer-scale design of lightweight and transparent electronics that wraps around hairs. Giovanni A. Salvatore, Niko Münzenrieder, Thomas Kinkeldei, Luisa Petti, Christoph Zysset, Ivo Strebel, Lars Büthe & Gerhard Tröster. Nature Communications 5, Article number: 2982 doi:10.1038/ncomms3982
[2] http://www.nature.com/ncomms/2014/140107/ncomms3982/full/ncomms3982.html [09.01.2014]
[3] http://www.tested.com/science/life/459681-transparent-flexible-circuit-fits-contact-lens/ [09.01.2014]
[4] http://blogs.smithsonianmag.com/science/2014/01/this-clear-flexible-electronic-circuit-can-fit-on-the-surface-of-a-contact-lens/ [09.01.2014]
[5] http://www.nature.com/ncomms/2014/140107/ncomms3982/extref/ncomms3982-s1.pdf [09.01.2014]
[6] The Meaning of Life by Steve Jurvetson (jurvetson), flickr.com, CC BY 2.0