Image optique d'un motif de particules de dioxyde de silicium, chaque 5 micromètres de diamètre, et individuellement cueillies et placées à l'aide d'un nouveau timbre "électroadhésif". Crédit :Sanha Kim et John Hart
Si vous deviez ouvrir votre smartphone, vous verriez un ensemble de puces électroniques et de composants disposés sur une carte de circuit imprimé, comme une ville miniature. Chaque composant peut contenir des "chiplets" encore plus petits, " certains pas plus larges qu'un cheveu humain. Ces éléments sont souvent assemblés avec des pinces robotiques conçues pour saisir les composants et les déposer dans des configurations précises.
Comme les circuits imprimés sont emballés avec des composants de plus en plus petits, cependant, La capacité des préhenseurs robotiques à manipuler ces objets approche d'une limite.
"La fabrication électronique nécessite de manipuler et d'assembler de petits composants de taille similaire ou inférieure à celle des grains de farine, " dit Sanha Kim, un ancien post-doctorant du MIT et chercheur scientifique qui a travaillé dans le laboratoire du professeur agrégé de génie mécanique John Hart. « Une solution spéciale pick-and-place est donc nécessaire, plutôt que de simplement miniaturiser les préhenseurs robotiques [existants] et les systèmes de vide."
Maintenant Kim, Cerf, et d'autres ont développé un timbre "électroadhésif" miniature qui peut ramasser et placer des objets aussi petits que 20 nanomètres de large - environ 1, 000 fois plus fin qu'un cheveu humain. Le tampon est fabriqué à partir d'une forêt clairsemée de nanotubes de carbone recouverts de céramique disposés comme des poils sur une petite brosse.
Lorsqu'une petite tension est appliquée au timbre, les nanotubes de carbone se chargent temporairement, formant des piquants d'attraction électrique qui peuvent attirer une particule minuscule. En coupant la tension, le "collage" du tampon disparaît, lui permettant de libérer l'objet sur un emplacement souhaité.
Hart dit que la technique d'estampage peut être étendue à un paramètre de fabrication pour imprimer des caractéristiques à l'échelle micro et nanométrique, par exemple pour emballer plus d'éléments sur des puces informatiques toujours plus petites. La technique peut également être utilisée pour modeler d'autres petits, caractéristiques complexes, telles que les cellules pour les tissus artificiels. Et, l'équipe envisage la macroéchelle, surfaces électroadhésives bioinspirées, tels que les coussinets activés par la tension pour saisir les objets du quotidien et pour les robots d'escalade ressemblant à des geckos.
"Simplement en contrôlant la tension, vous pouvez faire passer la surface d'une adhérence nulle à une traction si forte sur quelque chose, par unité de surface, qu'il peut agir un peu comme un pied de gecko, " dit Hart.
L'équipe a publié ses résultats aujourd'hui dans la revue Avancées scientifiques .
Comme du scotch sec
Les pinces mécaniques existantes sont incapables de saisir des objets inférieurs à environ 50 à 100 microns, principalement parce qu'à des échelles plus petites, les forces de surface ont tendance à l'emporter sur la gravité. Vous pouvez le voir lorsque vous versez de la farine avec une cuillère - inévitablement, quelques minuscules particules collent à la surface de la cuillère, plutôt que de laisser la gravité les entraîner.
Un nouveau tampon électroadhésif sélectionne et place une puce LED de 170 micromètres, en utilisant une tension externe de 30 V pour « coller » temporairement à la LED. Crédit :Avec l'aimable autorisation des chercheurs
« La prédominance des forces de surface sur les forces de gravité devient un problème lorsque l'on essaie de placer avec précision des choses plus petites, ce qui est le processus fondamental par lequel l'électronique est assemblée dans des systèmes intégrés, " dit Hart.
Lui et ses collègues ont noté que l'électroadhérence, le processus d'adhérence des matériaux via une tension appliquée, a été utilisé dans certains milieux industriels pour ramasser et placer de gros objets, comme les tissus, textile, et des plaquettes de silicium entières. Mais cette même électroadhérence n'avait jamais été appliquée à des objets au niveau microscopique, car une nouvelle conception de matériau pour contrôler l'électroadhérence à plus petite échelle était nécessaire.
Le groupe de Hart a déjà travaillé avec des nanotubes de carbone (CNT) - des atomes de carbone liés en un réseau et enroulés dans des tubes microscopiques. Les NTC sont connus pour leur mécanique exceptionnelle, électrique, et propriétés chimiques, et ils ont été largement étudiés comme adhésifs secs.
"Les travaux précédents sur les adhésifs secs à base de CNT se sont concentrés sur la maximisation de la zone de contact des nanotubes pour créer essentiellement un scotch sec, ", dit Hart. "Nous avons adopté l'approche opposée, et dit, 'concevons une surface de nanotube pour minimiser la zone de contact, mais utilisez l'électrostatique pour activer l'adhérence lorsque nous en avons besoin.'"
Un interrupteur marche/arrêt collant
L'équipe a découvert que s'ils recouvraient les NTC d'un matériau diélectrique fin tel que l'oxyde d'aluminium, lorsqu'ils ont appliqué une tension aux nanotubes, la couche de céramique s'est polarisée, ce qui signifie que ses charges positives et négatives sont temporairement séparées. Par exemple, les charges positives des pointes des nanotubes induisaient une polarisation opposée dans tout matériau conducteur voisin, tel qu'un élément électronique microscopique.
Par conséquent, le tampon à base de nanotubes collé sur l'élément, le ramasser comme un petit, doigts électrostatiques. Lorsque les chercheurs ont coupé la tension, les nanotubes et l'élément dépolarisé, et le "collage" a disparu, permettant au tampon de se détacher et de placer l'objet sur une surface donnée.
L'équipe a exploré diverses formulations de conceptions de timbres, modifier la densité des nanotubes de carbone cultivés sur le timbre, ainsi que l'épaisseur de la couche de céramique qu'ils ont utilisée pour revêtir chaque nanotube. Ils ont découvert que plus la couche de céramique était fine et plus les nanotubes de carbone étaient espacés, plus le rapport marche/arrêt du tampon est grand, ce qui signifie que plus le timbre était collant lorsque la tension était allumée, par rapport à quand il était éteint.
Dans leurs expériences, l'équipe a utilisé le tampon pour ramasser et déposer des films de nanofils, chacun environ 1, 000 fois plus fin qu'un cheveu humain. Ils ont également utilisé la technique pour choisir et placer des motifs complexes de microparticules de polymère et de métal, ainsi que des micro-LED.
Hart dit que la technologie d'impression électroadhésive pourrait être étendue pour fabriquer des cartes de circuits imprimés et des systèmes de puces électroniques miniatures, ainsi que des écrans avec des pixels LED à micro-échelle.
« Avec les capacités en constante évolution des dispositifs à semi-conducteurs, un besoin et une opportunité importants est d'intégrer des composants plus petits et plus divers, tels que les microprocesseurs, capteurs, et appareils optiques, " dit Hart. " Souvent, ceux-ci sont nécessairement fabriqués séparément mais doivent être intégrés ensemble pour créer des systèmes électroniques de nouvelle génération. Notre technologie comble peut-être l'écart nécessaire à l'évolutivité, assemblage rentable de ces systèmes."
