Представьте себе миниатюрные актуаторы со своими собственными датчиками, интегрированные в гибкие печатные платы на листовой основе. Именно эту идею преследуют исследовательские группы под руководством Пола Моцки (Саарский университет) и Джона Хеппе (Университет прикладных наук, htw saar). Команда представит принцип работы этого инновационного переключателя на листовой основе на технологической выставке Hannover Messe с 20 по 24 апреля (зал 11, стенд D41).
Распространенный способ объяснить работу транзисторов — это сказать, что транзисторы для электричества — это то же самое, что кран для воды. Представьте электричество как воду, текущую по трубе, где давление, приводящее в движение поток, — это приложенное электрическое напряжение. Транзистор может включать и выключать поток или регулировать количество пропускаемого тока. Без транзисторов современная жизнь остановилась бы. Цифры поражают: один смартфон содержит миллиарды транзисторов. Но когда дело доходит до высоких напряжений и высоких частот, транзисторы могут стать большими и дорогими. Современные транзисторы изготавливаются из нескольких слоев полупроводниковых материалов, таких как кремний или германий.
Исследователи в Саарбрюкене сейчас совершают прорыв, создавая транзисторы из кремниевой пленки. «Мы заменяем полупроводниковые компоненты материалами, известными как диэлектрические эластомеры», — объясняет Пол Моцки, профессор интеллектуальных материальных систем в Саарландском университете, который разрабатывает эту концепцию вместе с профессором Джоном Хеппе из htw saar. На Ганноверской ярмарке в этом году обе команды представят демонстрационную версию своего инновационного пленочного электрического переключателя.
«Умные» пленки вместо кремния.
Две исследовательские группы специализируются на преобразовании сверхтонких полимерных листов в актуаторы, работающие без необходимости использования дополнительных датчиков. Листы покрыты с обеих сторон высокогибким, электропроводящим слоем электрода. Когда исследователи подают напряжение на эластомерный полимерный лист, эти электропроводящие слои притягиваются друг к другу, сжимая лист и вызывая его боковое расширение, тем самым увеличивая его площадь поверхности. «Варьируя приложенное напряжение, мы можем с большой точностью контролировать движение пленки и заставлять ее совершать плавно изменяющиеся изгибающие движения или вибрировать с желаемой частотой или амплитудой», — объясняет Пол Моцки. Пленки также являются самочувствительными, поскольку даже малейшее движение пленки соответствует определенному изменению электрической емкости. Используя эти значения емкости, исследователи могут точно количественно оценить пространственную деформацию пленки. Это свойство также позволяет им контролировать движение пленки, точно определяя, как и с какой скоростью она должна деформироваться.
В течение многих лет Пол Моцки и его команда совершенствовали эти «умные» пленки, чтобы они реагировали все быстрее и с большей чувствительностью. Результатом стал новый класс миниатюрных маломощных актуаторов, которыми можно управлять для выполнения сложных, высокоточных последовательностей движений или для поддержания заданного, фиксированного положения. Команда уже создала широкий спектр прототипов: от тактильной «второй кожи», которую можно интегрировать в одежду, до динамических виртуальных кнопок, обеспечивающих тактильную обратную связь для пользователей сенсорных экранов, до насосов и клапанов и даже сверхлегких динамиков. И эти пленочные актуаторы потребляют энергию только во время движения, а не во время удержания фиксированного положения.
Эластичные листы, способные контролировать поток электрического тока: актуатор и датчик в одном.
Следующий шаг — заставить эти «умные» пленки функционировать как электронные переключатели, чтобы в будущем их можно было использовать в качестве маломощных транзисторов. Для этого пленкам необходим новый тип покрытия. До сих пор проводящий слой изготавливался из аморфного углеродного порошка, известного как сажа. Однако электрическое сопротивление слоя сажи слишком велико для эффективного применения в транзисторах. Поэтому команда Пола Моцки сотрудничает с исследовательской группой профессора Джона Хеппе «Физические датчики и мехатроника» в htw saar. Обе группы тесно сотрудничают в Саарбрюккенском центре мехатроники и автоматизации (ZeMA), совместном исследовательском центре, управляемом двумя университетами, где Пол Моцки является научным директором и управляющим директором ZeMA.
Команда Джона Хеппе специализируется на сверхтонких покрытиях. Вместо нанесения слоя сажи, они исследуют способы нанесения высокопроводящего металлического слоя, который включает и выключает ток с чрезвычайно высокой скоростью. Проблема заключается в том, что пленка должна быть достаточно эластичной для работы, а это значит, что два жестких, напечатанных металлических слоя не будут эффективны. Решение, по-видимому, состоит в использовании покрытия, которое не наносится на пленку жестко. «Мы используем специализированную технологию нанесения покрытий, известную как магнетронное распыление», — объясняет Джон Хеппе. Хитрость заключается в том, что исследователи сначала растягивают пленку, а затем наносят сверхтонкий проводящий металлический слой. Этот электродный слой толщиной около десяти нанометров более чем в тысячу раз тоньше человеческого волоса. Затем они еще немного растягивают пленку. «Это как нарисовать круг на воздушном шаре: если продолжать надувать его, нарисованный слой начнет рваться во многих местах», — объясняет Хеппе.
Сверхтонкий металлический слой, полный трещин: путь к гибкому пленочному транзистору
Когда исследователи снимают натяжение, трещины закрываются, и может протекать ток. Растягивание пленки вновь открывает трещины в слое электрода, прерывая ток и позволяя контролируемо включать и выключать устройство точно по мере необходимости. Если металлический слой над эластомером сжимается таким образом, что образует складки, он все равно оказывает минимальное сопротивление, позволяя большим токам протекать через пленочный переключатель.
«Мы наблюдали сопротивление всего от 50 до 100 Ом на площади приблизительно в один квадратный сантиметр, что означает, что высоковольтные цепи с очень быстрыми циклами переключения, необходимыми для управления клапанами и насосами, также являются реалистичным вариантом. Мы можем перейти от очень низкого к очень высокому сопротивлению», — говорит профессор Хеппе.
Между двумя крайними состояниями («все трещины открыты» и «все трещины закрыты») величину протекающего тока можно точно контролировать, подобно тому как кран регулирует поток воды. Такие электроды можно наносить методом магнетронного распыления на полимерную пленку с расстоянием между ними всего в несколько микрометров.
«В будущем пленочные транзисторы можно будет использовать для высокочастотного переключения напряжений в диапазоне киловольт, что в настоящее время требует больших и часто дорогостоящих транзисторных компонентов. В целом, эти системы переключения будут меньше, эффективнее и дешевле», — говорит Пол Моцки. Исследовательские группы в Саарбрюкене стремятся разработать легкие, гибкие, пленочные печатные платы для высоковольтных применений. До сих пор сигналы, управляющие электрическими и электронными устройствами, регулировались обычными транзисторами, припаянными к плоским, жестким печатным платам. Благодаря этой новой технологии транзисторы можно будет интегрировать непосредственно в гибкие пленочные актуаторы. «Наши инновационные гибкие печатные платы могут открыть новые возможности в таких областях, как медицинская техника. Миниатюрные, самообнаруживающиеся актуаторы будут встроены непосредственно в пленочную печатную плату», — говорит Моцки.
На Ганноверской ярмарке команды представят свою технологию, продемонстрировав пленочный переключатель: при нажатии на рычаг полимерная пленка растягивается, в слое сверхтонких металлических электродов образуются трещины, сопротивление резко возрастает из диапазона Ом в диапазон мегаом, и ток прекращается. При отпускании рычага пленка расслабляется, трещины закрываются, и — поскольку сопротивление снова становится ниже 100 Ом — ток течет с минимальными потерями, даже при напряжении до, например, 10 киловольт, что соответствует уровню напряжения, необходимому для новых электростатических актуаторов.
Справочная информация:
Проект TransDES (Исследование новых транзисторных структур на основе гибких диэлектрических эластомерных систем) финансируется совместно федеральной землей Саарланд и Европейским фондом регионального развития (ERDF). Проект представляет собой сотрудничество исследовательских групп под руководством профессора Пола Моцки (Саарландский университет) и профессора Джона Хеппе (htw saar) из Центра мехатроники и автоматизации (ZeMA) в Саарбрюкене, совместного исследовательского центра, управляемого обоими университетами.
Технология диэлектрических эластомеров продолжает изучаться и развиваться в рамках многочисленных докторских исследовательских проектов. Результаты работы опубликованы в нескольких специализированных журналах и получили поддержку из различных источников, включая финансирование ЕС в рамках исследовательского гранта Марии Кюри и финансирование от Немецкого фонда исследований (DFG) в рамках его приоритетной программы SPP KOMMMA. Правительство земли Саарланд оказало финансовую поддержку в рамках проектов FEDER iSMAT и Multi-Immerse, а ME Saar (Саарландская ассоциация металлургической и электротехнической промышленности) профинансировала докторскую исследовательскую программу.
Исследователи внедряют результаты своих прикладных исследований в промышленную практику. Для облегчения внедрения своей технологии интеллектуальных материалов в коммерческий и промышленный секторы исследователи создали компанию «mateligent GmbH», которая также будет представлена на этом же стенде на Ганноверской ярмарке в этом году.
Справки можно направлять по следующему адресу:
Профессор, д-р-инж. Пол Моцки: Тел.: +49 681 85787-13;
Электронная почта:
https://imsl.de – Лаборатория интеллектуальных материальных систем
https://zema.de – Центр мехатроники и автоматизации (ZeMA)
На изображении: Кармен Перри проводит исследования интеллектуальных эластомерных листов в составе команды Пола Моцки. Она участвовала в разработке инновационного переключателя на основе листа, который команда из Саарбрюккена представит на Ганноверской ярмарке в этом году. При нажатии на рычаг полимерный лист растягивается, в сверхтонком металлическом слое электрода образуются трещины, сопротивление резко возрастает из диапазона Ом в диапазон мегаом, и поток тока прерывается. При отпускании рычага пленка расслабляется, трещины закрываются, и — поскольку сопротивление теперь снова ниже 100 Ом — ток течет с минимальными потерями, даже при напряжении до, например, 10 киловольт, что соответствует уровню напряжения, необходимому для новых электростатических актуаторов. Фото: Оливер Дитце
