Les chercheurs en génie mécanique de Carnegie Mellon ont mis au point une nouvelle technique de fabrication évolutive et reproductible qui pourrait accélérer l'adoption et la commercialisation de l'électronique souple et extensible.

La prochaine génération de technologie robotique produira des machines souples et des robots sûrs et confortables pour une interaction physique directe avec les humains et pour une utilisation dans des environnements fragiles. Contrairement à l'électronique rigide, l'électronique souple et extensible peut être utilisée pour créer des technologies portables et de l'électronique implantable où un contact physique sûr avec les tissus biologiques et d'autres matériaux délicats est essentiel.

Les robots souples qui manipulent en toute sécurité les fruits et légumes délicats peuvent améliorer la sécurité alimentaire en empêchant la contamination croisée. Des robots fabriqués à partir de matériaux souples peuvent braver les profondeurs inexplorées de la mer pour collecter de délicats spécimens marins. Et les nombreuses applications biomédicales des robots mous comprennent les dispositifs portables et d'assistance, les prothèses, les outils chirurgicaux souples, les dispositifs d'administration de médicaments et la fonction d'organe artificiel.

Mais la création de ces composants presque imperceptibles qui peuvent s'intégrer de manière transparente à la vie humaine n'est que la première étape. L'adoption et la commercialisation généralisées d'électronique souple et extensible nécessiteront le développement de nouvelles techniques de fabrication évolutives et reproductibles.

Bien qu'une variété de méthodes aient déjà démontré la capacité de fabriquer des dispositifs à base de métal liquide à plus petite échelle dans les laboratoires, ces méthodes n'ont pas encore abouti à la combinaison critique des caractéristiques souhaitées requises pour produire des composants électroniques souples et extensibles à base de métal liquide. à une échelle commercialement viable.

Une équipe de chercheurs du College of Engineering de l'Université Carnegie Mellon cherche à changer cela avec une nouvelle méthode qu'ils ont développée pour la fabrication de masse de dispositifs électroniques souples et extensibles à base de métal liquide. Leurs travaux ont été publiés dans Advanced Materials Technologies .

Kadri Bugra Ozutemiz, qui a récemment obtenu son doctorat. en génie mécanique, a développé une nouvelle approche qui atteint l'évolutivité, la précision et la compatibilité microélectronique en combinant l'utilisation de métal liquide avec la photolithographie et le revêtement par immersion à base de plaquettes.

Ozutemiz, qui a travaillé avec Carmel Majidi et Burak Ozdoganlar, tous deux professeurs de génie mécanique, explique que les métaux liquides sont devenus populaires ces dernières années en tant que conducteur de circuits extensibles pour créer des capteurs et des antennes ainsi que des câblages souples et extensibles pour divers appareils électroniques et robotiques. applications.

L'alliage à base de gallium, gallium-indium eutectique (EGaIn), est liquide à température ambiante, peut s'écouler librement à l'intérieur des canaux, a une conductivité électrique élevée et peut se déformer tant qu'il est encapsulé dans un autre milieu.

"Nous avons dû mieux comprendre les propriétés inhérentes des alliages liquides à base de gallium pour surmonter les défis qui les rendent inadaptés à la fabrication de masse", a déclaré Ozutemiz.

Le défi le plus important était qu'une fine "peau" d'oxyde de gallium se forme rapidement lorsque le métal liquide est exposé à l'air, ce qui rend difficile l'obtention d'une forme ou d'une géométrie uniforme et continue. Le métal liquide colle partout, coulant dans une grande variété de formes changeantes.

"Notre équipe a conçu une nouvelle approche qui combine un mouillage sélectif des alliages métalliques qui dépose le métal liquide dans la disposition de circuit souhaitée avec un processus de revêtement par immersion qui dissout la peau d'oxyde qui se produit lorsque l'EGaln est exposé à l'air", a expliqué Ozutemiz.

De fines traces métalliques, faites de cuivre abordable et facilement disponible, sont d'abord imprimées par lithographie sur une surface en élastomère en tant que couche de mouillage. Les traces servent de modèles pour déposer sélectivement l'EGaln sur la surface en caoutchouc de silicone.

Afin de dissoudre la peau d'oxyde tout en maintenant le dépôt sélectif du métal liquide, les chercheurs ont mis au point une nouvelle approche combinant le mouillage sélectif de l'alliage métallique avec un procédé de revêtement par immersion.

Le revêtement par trempage, qui a été utilisé dans l'industrie de la microélectronique, mais pas avec des métaux liquides, facilite le dépôt d'EGaIn de manière sélective sur la disposition du circuit définie par des traces de cuivre à motifs lithographiques sur des tranches revêtues d'élastomère de manière évolutive.

Un système de mouvement automatisé de haute précision et un bain de trempage à deux couches sont utilisés pour déposer l'EGaIn sur la couche de mouillage en cuivre à motifs. Le bain comprend une fine couche de solution aqueuse d'hydroxyde de sodium (NaOH) sur la surface supérieure, suivie de l'EGaIn. La solution de NaOH facilite l'élimination de la peau d'oxyde et de toute oxydation à la surface des traces de cuivre lorsque la plaquette à motifs est plongée dans le bain. La plaquette est ensuite immergée dans le bain, et après un court temps de séjour, est retirée à une vitesse prescrite qui contrôle la quantité de liquide déposée sur le substrat.

Les chercheurs ont utilisé une machine simple construite sur mesure pour plonger les plaquettes dans le bain. En contrôlant la vitesse de retrait, ils ont réussi à produire des géométries de métal liquide reproductibles.

Lors de tests futurs, ils s'efforceront de contrôler des paramètres tels que la vitesse de retrait et la durée pendant laquelle la plaquette reste dans le bain afin de mieux comprendre l'effet de chaque variable sur la géométrie résultante. Mais pour l'instant, ils ont établi un processus viable pour la production de masse de circuits en métal liquide qui peuvent être utilisés dans une grande variété d'applications de robotique et d'électronique douces.

"Pour nous, le plus important était d'obtenir des résultats reproductibles avec un processus standard déjà utilisé par les fabricants de puces", a déclaré Ozutemiz, qui a expliqué qu'en introduisant un nouveau matériau dans un processus bien établi, les fabricants pourront production à grande échelle qui permettra une adoption plus généralisée de ces robots souples et appareils électroniques innovants. + Explorer plus loin

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