Los investigadores de ingeniería mecánica de Carnegie Mellon han desarrollado una nueva técnica de fabricación escalable y reproducible que podría acelerar la adopción y comercialización generalizada de productos electrónicos flexibles y flexibles.

La próxima generación de tecnología robótica producirá máquinas blandas y robots que sean seguros y cómodos para la interacción física directa con humanos y para su uso en entornos frágiles. A diferencia de la electrónica rígida, la electrónica blanda y elástica se puede utilizar para crear tecnologías portátiles y electrónica implantable donde el contacto físico seguro con el tejido biológico y otros materiales delicados es esencial.

Los robots blandos que manipulan de forma segura frutas y verduras delicadas pueden mejorar la seguridad alimentaria al evitar la contaminación cruzada. Los robots hechos de materiales blandos pueden desafiar las profundidades inexploradas del mar para recolectar delicados especímenes marinos. Y las numerosas aplicaciones biomédicas de los robots blandos incluyen dispositivos portátiles y de asistencia, prótesis, herramientas blandas para cirugía, dispositivos de administración de fármacos y funciones de órganos artificiales.

Pero crear estos componentes casi imperceptibles que pueden integrarse a la perfección con la vida humana es solo el primer paso. La adopción generalizada y la comercialización de productos electrónicos flexibles y flexibles requerirán el desarrollo de nuevas técnicas de fabricación que sean escalables y reproducibles.

Aunque una variedad de métodos ya han demostrado la capacidad de fabricar dispositivos a base de metal líquido a menor escala en laboratorios, estos métodos aún no han dado como resultado la combinación crítica de características deseadas requeridas para producir componentes electrónicos flexibles y blandos a base de metal líquido. a una escala comercialmente viable.

Un equipo de investigadores de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Carnegie Mellon busca cambiar esto con un método novedoso que han desarrollado para la fabricación en masa de dispositivos electrónicos blandos y estirables a base de metal líquido. Su trabajo fue publicado en Advanced Materials Technologies .

Kadri Bugra Ozutemiz, quien recientemente obtuvo su Ph.D. en ingeniería mecánica, ha desarrollado un nuevo enfoque que logra escalabilidad, precisión y compatibilidad microelectrónica al combinar el uso de metal líquido con fotolitografía y recubrimiento por inmersión basado en obleas.

Ozutemiz, quien trabajó con Carmel Majidi y Burak Ozdoganlar, ambos profesores de ingeniería mecánica, explica que los metales líquidos se han vuelto populares en los últimos años como conductor para circuitos estirables para crear sensores y antenas, así como cableado suave y estirable para diversos dispositivos electrónicos y robóticos. aplicaciones

La aleación a base de galio, galio-indio eutéctico (EGaIn), es líquida a temperatura ambiente, puede fluir libremente dentro de los canales, tiene una alta conductividad eléctrica y puede deformarse siempre que esté encapsulada en otro medio.

"Tuvimos que comprender mejor las propiedades inherentes de las aleaciones líquidas a base de galio para superar los desafíos que las hacen inadecuadas para la fabricación en masa", dijo Ozutemiz.

El desafío más importante fue que una delgada "piel" de óxido de galio se forma rápidamente cuando el metal líquido se expone al aire, lo que dificulta lograr una forma o geometría uniforme y continua. El metal líquido se pega por todas partes, fluyendo en una amplia variedad de formas cambiantes.

"Nuestro equipo ideó un enfoque novedoso que combina la humectación selectiva de aleación de metal que deposita el metal líquido en el diseño de circuito deseado con un proceso de recubrimiento por inmersión que disuelve la capa de óxido que resulta cuando EGaln se expone al aire", explicó Ozutemiz.

Las trazas finas de metal, hechas de cobre asequible y fácilmente disponible, se modelan litográficamente sobre una superficie de elastómero como una capa humectante. Los rastros sirven como plantillas para depositar selectivamente el EGaln sobre la superficie de caucho de silicona.

Para disolver la capa de óxido manteniendo la deposición selectiva del metal líquido, los investigadores idearon un enfoque novedoso que combinaba la humectación selectiva de aleación de metal con un proceso de recubrimiento por inmersión.

El recubrimiento por inmersión, que se ha utilizado en la industria de la microelectrónica, pero no con metales líquidos, facilita la deposición selectiva de EGaIn en el diseño del circuito definido por trazas de cobre con patrones litográficos en obleas recubiertas de elastómero de manera escalable.

Se utiliza un sistema de movimiento automatizado de alta precisión y un baño de inmersión de dos capas para depositar el EGaIn en la capa humectante de cobre estampado. El baño incluye una capa delgada de solución acuosa de hidróxido de sodio (NaOH) en la superficie superior, seguida por EGaIn. La solución de NaOH facilita la eliminación de la piel de óxido y de cualquier oxidación en la superficie de las trazas de cobre cuando la oblea estampada se sumerge en el baño. Luego, la oblea se sumerge en el baño y, después de un breve tiempo de permanencia, se retira a una velocidad prescrita que controla la cantidad de líquido depositado en el sustrato.

Los investigadores utilizaron una máquina simple hecha a medida para sumergir las obleas en el baño. Al controlar la velocidad de extracción, produjeron con éxito geometrías de metal líquido repetibles.

En futuras pruebas, trabajarán para controlar parámetros como la velocidad de extracción y la cantidad de tiempo que la oblea permanece en el baño para comprender mejor qué efecto tiene cada variable en la geometría resultante. Pero por ahora, han establecido un proceso viable para la producción en masa de circuitos de metal líquido que se pueden utilizar en una amplia variedad de aplicaciones electrónicas y de robótica blanda.

"Para nosotros, lo más importante fue que logramos resultados repetibles con un proceso estándar que ya utilizan los fabricantes de chips", dijo Ozutemiz, quien explicó que al introducir un nuevo material en un proceso bien establecido, los fabricantes podrán producción a escala que permitirá una adopción más generalizada de estos innovadores robots blandos y dispositivos electrónicos. + Explora más

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