Когда электронная кожа станет по-настоящему умной?

Когда электронная кожа станет по-настоящему умной?
    В правой колонке продемонстрированы примеры создания «островков» посредством различных разработок травления кремния. Травление кислотами оставляет хрупкие края и округлую выемку «островков». Более действенно анизотропное (учитывающее кристаллографические направления материала) травление, образующее сходящиеся стены. Нижний рисунок показывает сочетание анизотропного травления с реактивно-ионным, что формирует самая оптимальную форму «островков».
    В левой колонке продемонстрированы профили различных видов «умной обшивки», где многослойный «сэндвич» подвергается травлению с обеих сторон посредством сочетания различных разработок.
    Первые образцы «умной обшивки», являющейся массив микроэлектромеханических сенсоров, фиксирующих напряжение сдвига, устанавливаются на крыло БПЛА. В будущем такие покрытия включат в себя не только МЭМ-элементы, но и управляющую электронику, а обшивка получит новые функции.

Сокращение МЭМС — микроэлектромеханические совокупности — в далеком прошлом вошла в инженерно-конструкторский обиход. Под МЭМС в большинстве случаев подразумеваются устройства, каковые соседствуют с интегральными микросхемами, трудятся под их управлением, но заняты не вычислениями, а сотрудничеством с физическими проявлениями внешней среды. Это смогут быть датчики либо микроскопические актуаторы, они же аккуратные механизмы.

Мысль имеется — необходимы технологии

В большинстве случаев, МЭМ-устройства реализуют на подложках из твёрдого материала (кремний, стекло и т. п.). Но во многих областях уже давно появляются задачи, требующие установления датчиков, аккуратных устройств либо электронных схем на поверхностях объектов сложной формы, к примеру на людской теле, для чего нужно использование эластичных (конформных) подложек. В данной связи возможно упомянуть тактильные датчики, фиксируемые на пальце либо в каком-либо втором месте руки.

Еще один пример — измерение распределения давления, касательного механического напряжения либо другой физической величины на неплоской поверхности, в то время, когда требуется, к примеру, осуществлять контроль в настоящем времени течение жидкостей либо газов и руководить ими. МЭМ-датчики на эластичной подложке стали называться МЭМ-обшивки (MEMS skin). Такая «умная кожа» в будущем сможет отслеживать, например, параметры обтекания крыла набегающим потоком и легко изменять форму аэродинамической плоскости с целью понижения лобового сопротивления.

Звучит все это заманчиво и перспективно, но в действительности не все вопросы материального воплощения таких интеллектуальных конструкций решены и простора для конструкторской мысли в данной области предостаточно.

Для изготовления миниатюрных эластичных конструкций, сочетающих в себе электронно-вычислительные и электронно-механические микроприборы, создано пара способов. Самый очевидный — формирование нужного комплекта устройств конкретно на эластичной подложке по аналогии с изготовлением тонкопленочных транзисторов на подложке из пластика, полимера либо металла. Данный подход не требует больших затрат и разрешает приобретать структуры громадной площади.

Но имеется одно «но»: эластичные подложки весьма чувствительны к большим температурам, и в случае если разработка нанесения «кожи» предполагает нагрев, то всю конструкцию возможно сломать. Негодны тут и технологии изготовления измерительных преобразователей с применением высокотемпературных жёстких материалов и процессов, таких как монокристаллический кремний.

Более того, при таких условиях может оказаться неосуществимым и формирование электронных схем с применением простых промышленных разработок. А схемы новых разработок на базе электропроводящих полимеров и аморфного кремния, не обращая внимания на громадный количество изучений в данной области, не смогут обозримой перспективе сравняться по рабочим и степени интеграции чертям со схемами на монокристаллическом кремнии.

Еще одна неприятность, стоящая перед разработчиками МЭМ-обшивок, это влияние механического напряжения, появляющегося при изгибе подложки. Одно дело, в то время, когда подложка имеет форму эластичного страницы, а второе — в то время, когда она нанесена на некую искривленную поверхность. В этом случае на сгибах смогут появляться трещины, причем не только в самом материале подложки, но и в активных элементах, что вряд ли благоприятно отразится на их работоспособности.

Сэндвич для модулей

Собственный очень перспективный вариант разработки создания «умной кожный покров» внесли предложение в лаборатории размерной микрообработки (Micromachining Lab) Калифорнийского технологического университета (California Institute of Technology). Новый способ изготовления МЭМ-обшивок с размещением МЭМ-интегральных схем и приборов на подложке из кремния выглядит следующим образом. Сначала всю схему монтируют простым образом на неспециализированной кремниевой пластине.

После этого поверхность пластины покрывают слоем полимера, в котором выкраивают места для железных контактных площадок, а при необходимости и для самих МЭМ-интегральных схем и приборов. Затем уменьшают толщину пластины с ее нижней стороны и формируют матрицы из кремниевых «островков». Это делается методом селективного протравливания с нижней стороны глубоким реактивным ионным травлением.

Последняя операция — герметизация кремниевых «островков» снизу и снова же методом нанесения слоя полимера. В итоге получается некоторый сэндвич из двух слоев эластичного полимера, в которого находится разбитая сейчас на микромодули пластина. Очевидно, «островки» сохраняют связь между собой. Принципиально важно, что микромодули остаются достаточно твёрдыми, что исключает действие на них механических напряжений при изгибах МЭМ-обшивки.

Вместе с тем «островки» малы и на гибкость обшивки не воздействуют. Самое ответственное преимущество разглядываемого способа — совместимость с новейшими технологиями производства МЭМ-интегральных схем и приборов, потому, что они формируются на кремниевой пластине еще до начала изготовления фактически обшивки. Это позволяет без проблем применять отработанные ответы из области кремниевой вычислителей и микросхемотехники датчиков.

Посредством данного способа, к примеру, созданы МЭМ-обшивки в виде одномерной матрицы из 36 датчиков для измерений касательного механического напряжения в задачах обнаружения срыва потока. Такие обшивки возможно фиксировать на полуцилиндре диаметром в 12,7 мм с равномерным распределением датчиков с шагом в 5° на его направляющей линии. Эти МЭМ-обшивки уже удачно прошли летные опробования на беспилотном летательном аппарате с размахом крыла в 2,1 м. В частности, была взята картина распределения потока на передней кромке крыла в настоящем времени.

Как уже говорилось, эти работы были выполнены в Лаборатории размерной микрообработки (Micromachining Lab) Калифорнийского технологического университета. На данный момент в Университете округа Уэйн (Wayne State University) исследуется последовательность новых применений способа изготовления интеллектуальных обшивок, включая интеллектуальный текстиль.

Помимо этого, была предложена и показана разработка изготовления эластичных обшивок, совместимая с разработкой КМДП-схем (логических схем на комплементарных полевых транзисторах) на структурах типа «кремний на диэлектрике» (КНД). По данной технологии сперва на КНД-пластине формируются интегральные схемы и МЭМ-устройства стандартными методами КМДП и МЭМ. После этого формируется полимерный сэндвич.

Можно считать, что подобные разработки сыграют собственную роль в создании перспективных медицинских имплантатов, носимых интеллектуального текстиля и датчиков. Совместимость технологических процессов с КМДП- и МЭМ-разработками разрешает сохранять надежду на скорое появление многофункциональных интеллектуальных обшивок со встроенными управляющей электроникой и высококачественными датчиками, пригодных для самых разных применений, включая летательные аппараты. Как раз тогда электронная «кожа» станет по-настоящему «умной».

Статья «Островки на умной коже» размещена в издании «Популярная механика» (№141, июль 2014).

ОДЕЖДА будущего


Темы которые будут Вам интересны:

Читайте также: