Imagine atuadores miniatura com capacidades de deteção próprias, integrados em placas de circuito flexíveis em formato de folha. Esta é a visão procurada pelas equipas de investigação lideradas por Paul Motzki (Universidade do Sarre) e John Heppe (Universidade de Ciências Aplicadas, htw saar). A equipa apresentará o princípio por detrás deste inovador interruptor em forma de folha na feira de tecnologia Hannover Messe, de 20 a 24 de abril (Pavilhão 11, Stand D41).
Uma forma comum de explicar o que os transístores fazem é dizer que estão para a eletricidade como uma torneira está para a água. Imagine a eletricidade como água que flui através de um cano, em que a pressão que impulsiona o fluxo é a tensão elétrica aplicada. Um transístor pode ligar e desligar o fluxo ou regular a quantidade de corrente que passa. Sem transístores, a vida moderna pararia. Os números são impressionantes: um único smartphone contém milhares de milhões de transístores. Mas quando se trata de tensões elevadas e frequências elevadas, os transístores podem tornar-se grandes e caros. Os transístores atuais são constituídos por múltiplas camadas de materiais semicondutores, como o silício ou o germânio.
Investigadores em Saarbrücken estão agora a inovar ao fabricar transístores a partir de uma película de silício. "Estamos a substituir os componentes semicondutores por materiais conhecidos como elastómeros dielétricos", explica Paul Motzki, professor de Sistemas de Materiais Inteligentes na Universidade do Sarre, que está a desenvolver o conceito em conjunto com o professor John Heppe, da htw saar. As duas equipas apresentarão uma versão demonstrativa do seu inovador interruptor elétrico baseado em película na Feira de Hannover deste ano.
Filmes inteligentes em vez de silício
Os dois grupos de investigação especializam-se na conversão de folhas de polímero ultrafinas em atuadores que operam sem a necessidade de sensores adicionais. As folhas são revestidas em ambos os lados com uma camada de elétrodo altamente flexível e condutora de eletricidade. Quando os investigadores aplicam uma voltagem à folha de polímero elastomérico, estas camadas condutoras de eletricidade atraem-se, comprimindo a folha e fazendo com que esta se expanda lateralmente, aumentando assim a sua área superficial. “Ao variar a voltagem aplicada, podemos controlar o movimento do filme com grande precisão e fazê-lo executar movimentos de flexão continuamente variáveis ou vibrar a uma frequência ou amplitude desejada”, explica Paul Motzki. Os filmes são também autossensíveis, pois até o mais pequeno movimento do filme corresponde a uma alteração específica da capacitância elétrica. Utilizando estes valores de capacitância, os investigadores conseguem quantificar com precisão a deformação espacial do filme. Esta propriedade permite-lhes também controlar o movimento do filme, especificando precisamente como e a que velocidade se deve deformar.
Durante anos, Paul Motzki e a sua equipa têm vindo a melhorar estes filmes inteligentes para que respondam cada vez mais rápido e com maior sensibilidade. O resultado é uma nova classe de atuadores em miniatura, de baixo consumo de energia, que podem ser controlados para executar sequências de movimento complexas e de alta precisão ou para manter uma posição fixa e definida. A equipa já construiu uma vasta gama de protótipos: desde uma “segunda pele” tátil que pode ser integrada no vestuário, até botões virtuais dinâmicos que fornecem feedback háptico para utilizadores de ecrãs tácteis, passando por bombas e válvulas, e até colunas ultraleves. E estes atuadores em forma de folha consomem energia apenas durante o movimento, não enquanto mantêm uma posição fixa.
Folhas elásticas que podem controlar o fluxo de corrente elétrica: atuador e sensor num só.
O próximo passo é fazer com que estes filmes inteligentes funcionem como interruptores eletrónicos, para que no futuro possam ser utilizados como transístores de baixo consumo de energia. Para isso, os filmes necessitam de um novo tipo de revestimento. Até agora, a camada condutora tem sido feita de pó de carbono amorfo, conhecido como negro de fumo. No entanto, a resistência elétrica da camada de negro de fumo é demasiado elevada para aplicações eficientes em transístores. Por conseguinte, a equipa de Paul Motzki está a colaborar com o grupo de investigação do Professor John Heppe, "Sensores Físicos e Mecatrónica", na htw saar. Ambos os grupos trabalham em estreita colaboração no Centro de Mecatrónica e Tecnologia de Automação de Saarbrücken (ZeMA), um centro de investigação conjunto gerido pelas duas universidades, com Paul Motzki como Diretor Científico e Diretor Administrativo do ZeMA.
A equipa de John Heppe é especializada em revestimentos ultrafinos. Em vez de aplicar uma camada de negro de fumo, a equipa está a investigar formas de aplicar uma camada metálica altamente condutora que liga e desliga a corrente a velocidades extremamente elevadas. O desafio é que o filme precisa de ser capaz de esticar significativamente para funcionar, o que significa que duas camadas metálicas rígidas impressas não funcionariam na prática. A solução, ao que parece, é utilizar um revestimento que não seja impresso rigidamente sobre a película. "Utilizamos uma técnica de revestimento especializada, conhecida como pulverização catódica", explica John Heppe. O truque é que os investigadores esticam primeiro o filme antes de depositar uma camada metálica condutora ultrafina. Com cerca de dez nanómetros de espessura, esta camada de elétrodos é mais de mil vezes mais fina do que um fio de cabelo humano. Em seguida, esticam o filme um pouco mais. "É como pintar um círculo num balão: se continuar a enchê-lo, a camada pintada começará a rasgar-se em vários sítios", explica Heppe.
Uma camada metálica ultrafina cheia de fissuras: o caminho para um transístor flexível baseado em película.
Quando os investigadores libertam a tensão, as fissuras fecham e a corrente pode fluir. O estiramento do filme reabre as fissuras na camada do elétrodo, interrompendo a corrente e permitindo o acionamento controlado, ligando e desligando exatamente como necessário. Se a camada metálica sobre o elastómero se contrair de forma a formar dobras, ainda oferece uma resistência mínima, permitindo que grandes correntes fluam através do interruptor de filme.
“Observamos resistências tão baixas como 50 a 100 ohms numa área de aproximadamente um centímetro quadrado, o que significa que os circuitos de alta tensão com os ciclos de comutação muito rápidos necessários para controlar válvulas e bombas são também uma opção viável. Podemos passar de resistências muito baixas a muito altas”, afirma o professor Heppe.
Entre os dois extremos ("todas as fissuras abertas" e "todas as fissuras fechadas"), a quantidade de corrente que flui pode ser controlada com precisão, tal como uma torneira regula o fluxo de água. Estes tipos de elétrodos podem ser depositados por pulverização catódica sobre o filme de polímero com separações de apenas alguns micrómetros.
“No futuro, os transístores de película poderão ser utilizados para a comutação de tensões de alta frequência na gama dos quilovolts, algo que atualmente requer componentes de transístores grandes e, muitas vezes, caros. No geral, estes sistemas de comutação seriam mais pequenos, mais eficientes e mais baratos”, afirma Paul Motzki. As equipas de investigação em Saarbrücken têm como objetivo desenvolver placas de circuito impresso leves, flexíveis e baseadas em película para aplicações de alta tensão. Até agora, os sinais que controlam dispositivos elétricos e eletrónicos têm sido regulados por transístores convencionais soldados a placas de circuito impresso planas e rígidas. Com esta nova tecnologia, os transístores poderiam ser integrados diretamente em películas atuadoras flexíveis. “As nossas inovadoras placas de circuito impresso flexíveis podem abrir novas aplicações em áreas como a tecnologia médica. Os atuadores miniaturizados e autodescobridores seriam incorporados diretamente na placa de circuito impresso”, afirma Motzki.
Na Feira de Hannover, as equipas apresentarão a sua tecnologia com uma demonstração de um interruptor de filme: quando uma alavanca é puxada, o filme de polímero estica, formam-se fissuras na camada de elétrodos metálicos ultrafinos, a resistência salta abruptamente da gama de ohms para a gama de megaohms e a corrente elétrica é interrompida. Quando a alavanca é libertada, a película relaxa, as fissuras fecham-se e — com a resistência agora abaixo dos 100 ohms — a corrente flui com perdas mínimas, mesmo a tensões até, por exemplo, 10 quilovolts, que é o tipo de nível de tensão necessário para os novos atuadores eletrostáticos.
Enquadramento:
O projeto TransDES (Investigação sobre novas estruturas de transístores baseadas em sistemas flexíveis de elastómeros dielétricos) é financiado conjuntamente pelo estado do Sarre e pelo Fundo Europeu de Desenvolvimento Regional (FEDER). O projeto é uma colaboração entre equipas de investigação lideradas pelo Professor Paul Motzki (Universidade do Sarre) e pelo Professor John Heppe (htw saar) no Centro de Tecnologia de Mecatrónica e Automação (ZeMA) em Saarbrücken, um centro de investigação conjunto gerido por ambas as universidades.
A tecnologia de elastómeros dielétricos continua a ser explorada e desenvolvida em diversos projetos de investigação de doutoramento. O trabalho foi publicado em várias revistas especializadas e recebeu apoio de diversas fontes, incluindo financiamento da UE através de uma bolsa de investigação Marie Curie e financiamento da Fundação Alemã de Investigação (DFG) através do seu Programa Prioritário SPP KOMMMA. O Governo do Estado do Sarre forneceu apoio financeiro através dos projetos FEDER iSMAT e Multi-Immerse, e a ME Saar (Associação das Indústrias Metalúrgicas e Elétricas do Sarre) financiou um programa de investigação de doutoramento.
Os investigadores estão a traduzir os resultados da sua investigação aplicada em prática industrial. Para facilitar a transferência da sua tecnologia de materiais inteligentes para os setores comercial e industrial, os investigadores criaram a empresa "mateligent GmbH", que também estará presente no mesmo stand na Feira de Hannover deste ano.
Os interessados podem ser encaminhados para:
O Prof. Dr. -Ing. Paul Motzki: Tel.: +49 681 85787-13;
E-mail:
https://imsl.de – Laboratório de Sistemas de Materiais Inteligentes
https://zema.de – Centro de Tecnologia de Mecatrónica e Automação (ZeMA)
Na imagem: Carmen Perri conduz investigação sobre folhas de elastómero inteligentes como parte da equipa de Paul Motzki. Ela colaborou no desenvolvimento do inovador interruptor em forma de folha que a equipa de Saarbrücken apresentará na Feira de Hannover deste ano. Quando uma alavanca é pressionada, a folha de polímero estica, formam-se fissuras na camada metálica ultrafina do elétrodo, a resistência salta bruscamente da gama de ohms para a gama de megaohms e o fluxo de corrente é interrompido. Quando a alavanca é libertada, a película relaxa, as fissuras fecham-se e — com a resistência agora abaixo dos 100 ohms — a corrente flui com perdas mínimas, mesmo a tensões até, por exemplo, 10 quilovolts, que é o tipo de nível de tensão necessário para os novos atuadores eletrostáticos. Crédito da fotografia: Oliver Dietze
