Imaginemos actuadores en miniatura con su propia capacidad de detección integrada en placas de circuitos flexibles basadas en láminas. Esta es la visión que persiguen los equipos de investigación dirigidos por Paul Motzki (Universidad del Sarre) y John Heppe (Universidad de Ciencias Aplicadas, htw saar). El equipo presentará el principio en el que se basa este innovador interruptor basado en láminas en la feria tecnológica Hannover Messe, del 20 al 24 de abril (pabellón 11, stand D41).
Una forma habitual de explicar qué hacen los transistores es decir que los transistores son para la electricidad lo que un grifo es para el agua. Imaginemos la electricidad como agua que corre por una tubería, donde la presión que impulsa el flujo es la tensión eléctrica aplicada. Un transistor puede activar y desactivar el flujo o regular la cantidad de corriente que se deja pasar. Sin transistores, la vida moderna se paralizaría. Las cifras son asombrosas: un solo smartphone contiene muchos miles de millones de transistores. Pero cuando se trata de altos voltajes y altas frecuencias, los transistores pueden volverse grandes y caros. Los transistores actuales se fabrican a partir de múltiples capas de materiales semiconductores como el silicio o el germanio.
Investigadores de Saarbrücken están abriendo ahora nuevos caminos al fabricar transistores a partir de una película de silicona. «Sustituimos los componentes semiconductores por materiales conocidos como elastómeros dieléctricos», explica Paul Motzki, profesor de Sistemas de Materiales Inteligentes en la Universidad del Sarre, quien está desarrollando el concepto junto con el profesor John Heppe de la htw saar. Los dos equipos expondrán una versión de demostración de su novedoso interruptor eléctrico basado en una película en la Feria de Hannover de este año.
Láminas inteligentes en lugar de silicio
Los dos grupos de investigación se especializan en convertir láminas de polímero ultrafinas en actuadores que funcionan sin necesidad de sensores adicionales. Las láminas están recubiertas por ambos lados con una capa de electrodos altamente flexible y conductora de la electricidad. Cuando los investigadores aplican un voltaje a la lámina de polímero elastomérico, estas capas conductoras de la electricidad se atraen entre sí, comprimiendo la lámina y haciendo que se expanda hacia los lados, lo que aumenta su superficie. «Variando el voltaje aplicado, podemos controlar el movimiento de la película con gran precisión y hacer que realice movimientos de flexión continuamente variables o que vibre a una frecuencia o amplitud deseadas», explica Paul Motzki. Las películas también son autosensibles, ya que incluso el más mínimo movimiento de la película se corresponde con un cambio específico en la capacitancia eléctrica. Utilizando estos valores de capacitancia, los investigadores son capaces de cuantificar con precisión la deformación espacial de la película. Esta propiedad también les permite controlar el movimiento de la película, especificando con precisión cómo debe deformarse y a qué velocidad.
Durante años, Paul Motzki y su equipo han estado perfeccionando estas películas inteligentes para que respondan cada vez más rápido y con mayor sensibilidad. El resultado es una nueva clase de actuadores en miniatura de bajo consumo que pueden controlarse para realizar secuencias de movimiento complejas y de alta precisión o para mantener una posición fija definida. El equipo ya ha construido una amplia gama de prototipos: desde una «segunda piel» táctil que puede integrarse en prendas de vestir, botones dinámicos virtuales que proporcionan retroalimentación háptica a los usuarios de pantallas táctiles, hasta bombas y válvulas, e incluso altavoces ultraligeros. Y estos actuadores basados en láminas solo consumen energía mientras se mueven, no mientras mantienen una posición fija.
Láminas elásticas que pueden controlar el flujo de corriente eléctrica: actuador y sensor en uno
El siguiente paso es hacer que estas películas inteligentes funcionen como interruptores electrónicos, de modo que en el futuro puedan utilizarse como transistores de bajo consumo. Para ello, las películas necesitan un nuevo tipo de recubrimiento. Hasta ahora, la capa conductora se ha fabricado con carbono amorfo en polvo, conocido como «negro de humo». Sin embargo, la resistencia eléctrica de la capa de negro de humo es demasiado alta para aplicaciones eficientes en transistores. Por eso, el equipo de Paul Motzki colabora con el grupo de investigación «Sensores físicos y mecatrónica» del profesor John Heppe en la htw saar. Ambos grupos trabajan codo con codo en el Centro de Tecnología Mecatrónica y de Automatización de Saarbrücken (ZeMA), un centro de investigación conjunto gestionado por las dos universidades, con Paul Motzki como director científico y director general del ZeMA.
El equipo de John Heppe se especializa en recubrimientos ultrafinos. En lugar de aplicar una capa de negro de humo, el equipo está investigando formas de aplicar una capa metálica altamente conductora que active y desactive la corriente a velocidades extremadamente altas. El reto es que la película debe poder estirarse significativamente para funcionar, lo que significa que dos capas metálicas rígidas e impresas no van a funcionar realmente. La solución, al parecer, es utilizar un recubrimiento que no se imprima rígidamente sobre la película. «Utilizamos una técnica de recubrimiento especializada conocida como pulverización catódica», explica John Heppe. El truco consiste en que los investigadores primero estiran la película antes de depositar una capa metálica conductora ultrafina. Con un grosor de unos diez nanómetros, esta capa de electrodo es más de mil veces más fina que un cabello humano. A continuación, estiran la película un poco más. «Es como pintar un círculo en un globo: si sigues inflándolo, la capa pintada empezará a romperse en muchos sitios», explica Heppe.
Una capa metálica ultrafina llena de grietas: el camino hacia un transistor flexible basado en una película
Cuando los investigadores liberan la tensión, las grietas se cierran y la corriente puede fluir. Al estirar la película, las grietas de la capa de electrodos se abren de nuevo y la corriente se interrumpe, lo que permite un encendido y apagado controlados, exactamente como se requiere. Si la capa metálica sobre el elastómero se contrae de tal manera que forma pliegues, sigue ofreciendo una resistencia mínima, lo que permite que fluyan grandes corrientes a través del interruptor de película.
«Observamos resistencias de tan solo 50 a 100 ohmios en un área de aproximadamente un centímetro cuadrado, lo que significa que los circuitos de alta tensión con ciclos de conmutación muy rápidos necesarios para controlar válvulas y bombas también son una opción realista. Podemos pasar de resistencias muy bajas a muy altas», afirma el profesor Heppe.
Entre los dos extremos («todas las grietas abiertas» y «todas las grietas cerradas»), la cantidad de corriente que fluye puede controlarse con precisión, igual que un grifo regula el flujo de agua. Este tipo de electrodos pueden depositarse por pulverización catódica sobre la película de polímero con separaciones de tan solo unos pocos micrómetros.
«En el futuro, los transistores de película podrían utilizarse para la conmutación a mayor frecuencia de tensiones en el rango de los kilovoltios, algo que actualmente requiere componentes de transistores grandes y a menudo costosos. En general, estos sistemas de conmutación serían más pequeños, más eficientes y más baratos», afirma Paul Motzki. Los equipos de investigación de Saarbrücken tienen como objetivo desarrollar placas de circuitos ligeras y flexibles basadas en películas para aplicaciones de alta tensión. Hasta ahora, las señales que controlan los dispositivos eléctricos y electrónicos han sido reguladas por transistores convencionales soldados a placas de circuito planas y rígidas. Con esta nueva tecnología, los transistores podrían integrarse directamente en películas actuadoras flexibles. «Nuestras innovadoras placas de circuito flexibles podrían abrir nuevas aplicaciones en campos como la tecnología médica. Se incorporarían actuadores miniaturizados con autodescubrimiento directamente en la placa de circuito de película», afirma Motzki.
En la Feria de Hannover, los equipos presentarán su tecnología con una demostración de un interruptor de película: cuando se tira de una palanca, la película de polímero se estira, se forman grietas en la capa de electrodos metálicos ultrafinos, la resistencia salta abruptamente del rango de ohmios al de megaohmios, y el flujo de corriente cesa. Cuando se suelta la palanca, la película se relaja, las grietas se cierran y —con la resistencia ahora de nuevo por debajo de los 100 ohmios— la corriente fluye con pérdidas mínimas, incluso a tensiones de hasta, por ejemplo, 10 kilovoltios, que es el tipo de nivel de tensión necesario para los nuevos actuadores electrostáticos.
Antecedentes
El proyecto TransDES (Investigación de nuevas estructuras de transistores basadas en sistemas de elastómeros dieléctricos flexibles) está financiado conjuntamente por el estado federado de Sarre y el Fondo Europeo de Desarrollo Regional (FEDER). El proyecto es una colaboración entre equipos de investigación dirigidos por el profesor Paul Motzki (Universidad del Sarre) y el profesor John Heppe (htw saar) en el Centro de Mecatrónica y Tecnología de Automatización (ZeMA) de Saarbrücken, un centro de investigación conjunto gestionado por ambas universidades.
La tecnología de elastómeros dieléctricos sigue siendo objeto de exploración y desarrollo en numerosos proyectos de investigación doctoral. El trabajo se ha publicado en diversas revistas especializadas y ha recibido apoyo de numerosas fuentes, incluida la financiación de la UE a través de una beca de investigación Marie Curie y de la Fundación Alemana para la Investigación (DFG) mediante su Programa Prioritario SPP KOMMMA. El Gobierno del Estado del Sarre ha proporcionado apoyo financiero a través de los proyectos del FEDER iSMAT y Multi-Immerse, y ME Saar (la Asociación de Industrias Metalúrgicas y Eléctricas del Sarre) ha financiado un programa de investigación doctoral.
Los investigadores están trasladando los resultados de su investigación orientada a la aplicación a la práctica industrial. Para facilitar la transferencia de su tecnología de materiales inteligentes a los sectores comercial e industrial, los investigadores crearon la empresa «mateligent GmbH», que también estará presente en el mismo stand en la Feria de Hannover de este año.
Las consultas pueden dirigirse a:
Prof. Dr.-Ing. Paul Motzki: Tel.: +49 681 85787-13;
Correo electrónico:
https://imsl.de – Laboratorio de Sistemas de Materiales Inteligentes
https://zema.de – Centro de Tecnología Mecatrónica y de Automatización (ZeMA)
En la imagen: Carmen Perri lleva a cabo investigaciones sobre láminas de elastómero inteligentes como parte del equipo de Paul Motzki. Ha colaborado en el desarrollo del innovador interruptor basado en láminas que el equipo de Saarbrücken presentará en la Feria de Hannover de este año. Cuando se acciona una palanca, la lámina de polímero se estira, se forman grietas en la capa metálica ultrafina del electrodo, la resistencia salta bruscamente del rango de los ohmios al de los megaohmios, y el flujo de corriente se interrumpe. Cuando se suelta la palanca, la película se relaja, las grietas se cierran y —con la resistencia ahora de nuevo por debajo de los 100 ohmios— la corriente fluye con pérdidas mínimas, incluso a tensiones de hasta, por ejemplo, 10 kilovoltios, que es el tipo de nivel de tensión necesario para los nuevos actuadores electrostáticos. Creditos foto: Oliver Dietze
