Сегашно и бъдеще развитие на принтируема и гъвкава електроника

Автор: Даниел Стоянов, сп. Българска наука, бр. 86, 2016 г.

Още преди десетилетия, няколко иновативни компании представиха принтируеми, гъвкави и разтегливи (PFS, от английски Printable, Flexible, Stretchable) електроника и сензори, но едва сега, поради популяризирането на преносимите и смарт технологии, PFS технологиите предизвикаха значителен интерес от страна на потенциални инвеститори. Евтини, здрави и високопроизводителни, малки на обем сензори и датчици са потенциална ниша за нов голям пазар. Множество малки и стартъп компании се опитват да се присъединят към „големите играчи“ и да сложат своя отпечатък в бъдещето на PFS технологиите.Големи организации като FlexTechAlliance и Semiconductor Equipment and Materials International имат основен принос за развитието на PFS електроника чрез успешното провеждане на множество конференции, семинари и симпозиуми на тази тематика, а FlexTechAlliance предоставят и финансова подкрепа за организации, развиващи тази технология. Няколко примера ще бъдат разгледани по-долу, но първо:

Защо PFS?

 Огромна полза от подобни сензори (електроника) ще има в бранша на удобната за носене (wearable) и подходящите за еднократна употреба (disposable) технологии, които могат да се възползват от свойствата на PFS като:

  • Малък размер;
  • Здрави и удароустойчиви;
  • В много от случаите са с добра водонепропускливост;
  • Ниска цена на производство, дължаща се на съществуваща техника за изработка „пакетен режим“ (batch mode) и възможността да се произвежда в големи количества чрез roll-to-roll(R-2-R) производствен метод;
  • Подобрени работни показатели върху дискретни 3D решения благодарение на техните размери и геометрични форми;
  • Абсолютна неизменяемост между произведените единици;
  • Възможността за пълно съответствие с повърхността за прикрепване;
  • Ниски CAPEX изисквания при производство;
  • Лесна интеграция при добавяне на нови функционалности върху съществуващ носител.

Някои от изброените предимства присъстват и при микроелектромеханичните системи (microelectromechanical systems –MEMS), но MEMS не са гъвкави и не могат да се произвеждат чрез R-2-R процес, а при производство в „пакетен режим“ изискват значителна начална инвестиция, освен ако не се използва силиций и леярна за обработка на силициеви подложки, което е бавен процес с голям процент на бракувани изделия.


РЕКЛАМА:

***

Сегашни разработки

 Brewer Science

Освен представеният през 2014 г. принтируем, гъвкав сензор за температура и влажност, Brewer Science разработва редица сензори, използвайки патентована технология за резистори на въглеродна основа. Този подход включва материали, които позволяват промяна на съпротивлението, измерва се за милисекунда и може да се прилага върху голямо разнообразие от нетрадиционни субстратни повърхности. Технологията за резистори на въглеродна основа може лесно да се конфигурира в сензорни масиви, с които да се конфигурират потенциално стотици дигитални канали с различни размери.

В процес на разработка от страна на Brewer Science са сензори от летливи органични съединения (volatile organic compounds –VOC) за мониторинг. Планираният за представяне в средата на 2016 г. VOC сензор изисква ултраниска мощност от рода на pW и е с време за реакция 20 ms, предназначен за мониторинг на индустриално оборудване.

Също в процес на разработка са сензори за сила/деформация. Изискващи ниска мощност и чувствителност към деформация от 0.0001%, очаква се те да намерят приложение в подходящата за носене (wearable) технология. Тази технология също може да бъде използвана и за измерване на натиск или сила, както и за измерване на дебит за химични предприятия.

ISORG

ISORG разработват нов, оригинален принтируем, гъвкав сензор за образна диагностика на видима и инфрачервена светлина с дължина на вълната до 900 nm. В допълнение към сензора, ISORG разработват и PFS платка за връзка на сензорите с цифрови устройства.

Сензорът за образна диагностика е здрав и е проектиран за леки и преносими устройства. В момента се произвеждат в размер 32 х 38 см, но се планира производството му в размер 60 х 60.

Фиг. 1. IFORG сензор

В бъдеще технологията може да намери приложение в медицината, правейки безвредни рентгенови снимки на пациенти, за „умни“ часовници, както и различни приложения в биометрията и приложенията за сигурност. Евтин сензор с голяма площ може да намери приложение в изследванията за отпечатъци на цялата длан, както и да „вижда“ разположението на вените и капилярите в пръстите за допълнителна защита.

Spec Sensors

Моментната продуктова линия на Spec Sensors включва сензори за измерване на въглероден окис, озон, сероводород, азотен диоксид, серен диоксид и алкохол. Сензорът е изграден от основен слой от пластмаса, слой от проводящо мастило, чувствително на гореспоменатите газове, и ламиниран пластмасов горен слой. Сензорът е с размери 15 х 15 х 3,5 мм. В момента се използва за мониторинг на публични сгради, измервания на открито и тестове за наличие на алкохол в организма на човек (дрегери).

Tekscan

 Сензорът на Tekscan наречен FlexiForce (фиг.2) измерва сила между две повърхности и е достатъчно здрав да издържи големи натоварвания. Доставчикът твърди, че има по-добра температурна чувствителност, чувствителност на натиск, както и нелинейност, хистерезис и дрифт спрямо всички други тънки сензори на пазара. Сензорът може да улови относителна промяна в силата или приложения товар, темпа на изменение на силата, която му въздейства, както и контакт и/или докосване. Тези сензори също така позволяват на потребителя да определи прагове сила и да задействат съответни действия.

Разработката е в напреднала фаза и се очаква да излязат на пазара в началото на 2016 г.

Стандартният модел А201 е изграден от два слоя субстрат (полиестерен филм), а високотемпературната версия на модела – HT201 е изградена от два слоя полиамид. На всеки слой е приложен проводящ материал (сребро), последван от слой чувствително на натиск мастило, след което е приложено мастило, за да ламинира двата слоя. Среброто провежда сигнала от чувствителната зона до конекторите, разположени в края на сензора, формирайки проводящи линии.

Фиг.2. FlexiForce сензор                                

 

Фиг.3. Обувка с вграден стандартен FlexiForce

Приложението на подобни сензори включва медицински пособия, пособия за контрол и диагностика, роботика, спорт и фитнес и потребителски приложения за мониторинг. Тяхната форма и ниската консумация на енергия ги прави удобни за преносими устройства и смарт технологии.

Conductive eTextile

Учените от Станфорд разработват плат, който може да съхранява електрическа енергия без опасност за човека. В зависимост от мастилото, с което се оцветява платът, може да бъде произведен като батерия или суперкондензатор. Чрез оксидни частици като литиум-кобалт-оксид (LiCoO2) се произвеждат батерии, а с проводящи карбонови молекули – суперкондензатори. За момента учените са разработили само черно мастило, но според проф. Чуй, преподавател от Станфордския университет, отговорен за проекта, е възможно да се добавят различни цветове към мастилото. Екипът на проф. Чуй успешно е разработил батерии на хартиена основа и суперкондензатори, използвайки подобен процес, но новият „енергиен“ текстил има някои видими предимства пред хартиените си предшественици. С измерена енергийна плътност от 20 ват-часа за килограм, парче плат около 300 грама (колкото е средното тегло на една тениска) може да задържа до три пъти повече енергия от батерия на телефон. Освен енергийните им показатели, тези материи са високоиздръжливи и могат да понесат висок механичен стрес (удар).

Фиг.4. e-Textile

 Fever Alarm Armband

Изследователи от Университета в Токио разработиха „гривна термометър“- гъвкава, енергонезависима гривна, която има аларма в случай на рязко повишаване на телесната температура. Изградена от гъвкав силиконов соларен панел, пиезоелектрически говорител, сензор за температура и органичен източник на енергия. Постоянният мониторинг на здравето включва следене на сърдечния ритъм и телесната температура. Намира приложение при грижата за пациенти, бебета и възрастни хора.

За да се постигне това, учените, ръководени от професор Сакурай и професор Сомея, са направили няколко технологични открития. Те за пръв път са изобретили органична верига, способна да издава звук, както и първия органичен източник на енергия.

Printed loudspeaker

От десетилетия високоговорителите се произвеждат на базата на магнитно стимулирани вибрации на мембрана, високоговорители с разпределен режим и електростатични говорители, докато екипът на Арвед Хюблер не се заема със задачата за производство на гъвкави говорители върху тънък пласт.

Подходът на Хюблер и екипът му се състои в използването на фероелектричен полимер за изработка на тънък слой пиезоелектричен високоговорител. В този случай пиезоелектричният материал се деформира според приложената сила в трите направления x,y,z, така целият високоговорител следва това движение и се държи като мембрана. В повечето случаи тези пиезоелектрични високоговорители се произвеждат от поливинилиден флуорид, който е много скъп, но може да бъде заменен с полиетерсулфон, който дава по-лоши резултати. За провеждането на експериментите е използван полимер поливинилиден флуорид-трифлуороетилен. Предимството му е, че не се нуждае от механично разтягане при поляризацията за увеличаване на пиезоелектричния ефект. Измереното качество на принтираните високоговорители показва, че говорителите са способни да възпроизвеждат високите честоти успешно, но разпространението на честоти под 1 kHZ е слабо. При захранване с постоянен ток с големина 50V, говорителите достигат до над 80dB в зависимост от посоката на принтиране спрямо посоката на микродраскотините на хартията.

Фиг.5. Измерени резултати за сила на звука при различни честоти

 

Фиг.6. Измервания при различна големина на говорителя

 В допълнение може да се добави, че принтируеми говорители върху груба хартия могат да бъдат демонстрирани успешно. Различните характеристики на качеството на звука зависят от анизотропните качества на хартията, проводимостта и хомогенността на електрода, както и на големината на пиезо-активната площ.

Въпреки че PFS изделията са достъпни от десетилетия, тяхната скорошна адаптация от дизайнерите в преносимата електроника тласка развитието на бранша. Голяма част от откритията на PFS изделия са резултат на научноизследователска и развойна дейност с некомерсиална цел, като едва наскоро фирмите започнаха да развиват изделия за масовия пазар.

С успешното развитие на PFS сензори ние сме в началото на нова вълна от възможности в производството на сензори, задвижвана от големия интерес към преносимата електроника, IoT технологии, удобната за носене електроника и сензори за еднократна употреба.

Очаква се на пазара да се появят нови играчи, в чието портфолио са заложени уникални материали и производствени техники за развитие на PFS изделията.

Разработчиците и доставчиците ще трябва да изберат оптималната стратегия за интеграция на всяко приложение.

Всъщност, въпросът е ще могат ли тези сензори да се интегрират достатъчно успешно с други електронни изделия като батерии, аналогови и цифрови логически устройства, памет, антени и др.

 

Използвана литература:

 

  1. Wearable sensors– Roger H. Grace, Roger Grace Associates
  2. Fully mass printed loudspeakers on paper – Arved C. Hübler, Maxi Bellmann, Georg C. Schmidt, Stefan Zimmermann,André Gerlach, Christian Haentjes
  3. Conductive eTextiles– Yi Cui, Aimee Miles
  4. Highly conductive paper for energy-storage devices – Liangbing Hu, Jang Wook Choi, Yuan Yang, Sangmoo Jeong, Fabio La Mantia, Li-Feng Cuia, and Yi Cui
  5. Thin, Flexible Secondary Li-Ion Paper Batteries– Liangbing Hu, Hui Wu, Fabio La Mantia, Yuan Yang, and Yi Cui
  6. Advances in paper-based point-of-care diagnostics– Jie ю Hu, Shu Qi Wang, Lin Wang, Fei Li, Belinda Pingguan-Murphy, Tian Jian Lu, Feng Xu

 

 


Европейска нощ на учените 2022 г.: