Carnegie Mellons maskintekniska forskare har utvecklat en ny skalbar och reproducerbar tillverkningsteknik som kan påskynda den vanliga införandet och kommersialiseringen av mjuk och töjbar elektronik.

Nästa generation av robotteknologi kommer att producera mjuka maskiner och robotar som är säkra och bekväma för direkt fysisk interaktion med människor och för användning i ömtåliga miljöer. Till skillnad från stel elektronik kan mjuk och töjbar elektronik användas för att skapa bärbar teknologi och implanterbar elektronik där säker fysisk kontakt med biologisk vävnad och andra ömtåliga material är avgörande.

Mjuka robotar som säkert hanterar ömtåliga frukter och grönsaker kan förbättra livsmedelssäkerheten genom att förhindra korskontaminering. Robotar gjorda av mjuka material kan trotsa havets outforskade djup för att samla in känsliga marina exemplar. Och de många biomedicinska tillämpningarna för mjuka robotar inkluderar bärbara och hjälpmedel, proteser, mjuka verktyg för kirurgi, läkemedelstillförselanordningar och artificiell organfunktion.

Men att skapa dessa nästan omärkliga komponenter som sömlöst kan integreras med mänskligt liv är bara det första steget. Allmän användning och kommersialisering av mjuk och töjbar elektronik kommer att kräva utveckling av nya tillverkningstekniker som är skalbara och reproducerbara.

Även om en mängd olika metoder redan har visat förmågan att tillverka flytande metallbaserade enheter i mindre skala i laboratorier, har dessa metoder ännu inte resulterat i den kritiska kombinationen av önskade egenskaper som krävs för att producera flytande metallbaserad mjuk och töjbar elektronik i en kommersiellt gångbar skala.

Ett team av forskare från Carnegie Mellon Universitys College of Engineering försöker ändra på detta med en ny metod som de har utvecklat för masstillverkning av flytande metallbaserade mjuka och töjbara elektroniska enheter. Deras arbete publicerades i Advanced Materials Technologies .

Kadri Bugra Ozutemiz, som nyligen tog sin Ph.D. inom maskinteknik, har utvecklat ett nytt tillvägagångssätt som uppnår skalbarhet, precision och mikroelektronisk kompatibilitet genom att kombinera användningen av flytande metall med fotolitografi och waferbaserad doppbeläggning.

Ozutemiz, som arbetade med Carmel Majidi och Burak Ozdoganlar, båda professorer i maskinteknik, förklarar att flytande metaller har blivit populära de senaste åren som ledare för töjbara kretsar för att skapa sensorer och antenner samt mjuka och töjbara ledningar för olika elektronik och robotar. applikationer.

Den galliumbaserade legeringen, eutektiskt gallium-indium (EGaIn), är flytande vid rumstemperatur, kan fritt rinna in i kanaler, har hög elektrisk ledningsförmåga och kan deformeras så länge den är inkapslad i ett annat medium.

"Vi var tvungna att bättre förstå de inneboende egenskaperna hos galliumbaserade flytande legeringar för att övervinna utmaningar som gör dem olämpliga för masstillverkning", säger Ozutemiz.

Den viktigaste utmaningen var att en tunn galliumoxid "hud" snabbt bildas när den flytande metallen exponeras för luft, vilket gör det svårt att uppnå en enhetlig och kontinuerlig form eller geometri. Den flytande metallen fastnar överallt och flyter in i en mängd olika föränderliga former.

"Vårt team utarbetade ett nytt tillvägagångssätt som kombinerar selektiv metallegeringsvätning som avsätter den flytande metallen i den önskade kretslayouten med en doppbeläggningsprocess som löser upp oxidhuden som uppstår när EGaln exponeras för luften," förklarade Ozutemiz.

Tunna metallspår, gjorda av prisvärd och lättillgänglig koppar, är först litografiskt mönstrade på en elastomeryta som ett vätande lager. Spåren fungerar som mallar för att selektivt avsätta EGaln på silikongummiytan.

För att lösa upp oxidhuden samtidigt som den selektiva avsättningen av den flytande metallen bibehålls, utarbetade forskarna ett nytt tillvägagångssätt som kombinerade den selektiva metalllegeringsvätningen med en doppbeläggningsprocess.

Doppbeläggning, som har använts inom mikroelektronikindustrin, men inte med flytande metaller, underlättar avsättningen av EGaIn selektivt på kretslayouten som definieras av litografiskt mönstrade kopparspår på elastomerbelagda wafers på ett skalbart sätt.

Ett automatiserat rörelsesystem med hög precision och ett tvålagers doppbad används för att avsätta EGAIn på det mönstrade kopparvätskiktet. Badet innehåller ett tunt skikt av vattenlösning av natriumhydroxid (NaOH) på den övre ytan, följt av EGaIn. NaOH-lösningen underlättar avlägsnandet av oxidhud och eventuell oxidation på ytan av kopparspåren när den mönstrade skivan doppas i badet. Skivan sänks sedan ned i badet, och efter en kort uppehållstid dras den ut med en föreskriven hastighet som styr mängden vätska som avsätts på substratet.

Forskarna använde en specialbyggd enkel maskin för att doppa wafers i badet. Genom att kontrollera uttagshastigheten producerade de framgångsrikt repeterbara flytande metallgeometrier.

I framtida tester kommer de att arbeta med att kontrollera parametrar som uttagshastighet och hur lång tid wafern förblir i badet för att bättre förstå vilken inverkan varje variabel har på den resulterande geometrin. Men för tillfället har de etablerat en livskraftig process för massproduktion av flytande metallkretsar som kan användas i en mängd olika mjuka robot- och elektronikapplikationer.

"För oss var det viktigaste att vi uppnår repeterbara resultat med en standardprocess som redan används av chiptillverkare", säger Ozutemiz, som förklarade att genom att introducera ett nytt material i en väletablerad process kommer tillverkarna att kunna produktion i skala som kommer att möjliggöra en mer utbredd användning av dessa innovativa mjuka robotar och elektroniska enheter. + Utforska vidare

Team utvecklar mekanism för att styra aktivering, kylning och energiomvandling för mjuk robotik