Interconnessioni elastiche

Presso il TFCG Microsystems lab, associato al centro di ricerca belga IMEC, gli scienziati sono impegnati in diversi progetti a lungo termine che hanno come scopo quello di rendere disponibile una circuiteria flessibile e allungabile. Recentemente i tecnici della TFCG hanno compiuto dei progressi importanti nella creazione di interconnessioni elastiche che si allungano fino a due volte rispetto alla propria lunghezza originale, senza perdere la propria conduttività. Combinate con componenti flessibili, queste interconnessioni promettono di creare un campo completamente nuovo di applicazioni elettroniche.

Elettronica ambientale

In un futuro non troppo lontano, diciamo nel 2010, i ricercatori prevedono la diffusione dell'elettronica intelligente ambientale. Quest'ultima sarà costituita da dispositivi embedded non invasivi, che consentiranno alla gente di portare avanti attività, compiti e consuetudini in un modo naturale senza difficoltà. Le applicazioni saranno altamente reattive, personalizzate e immerse nell'ambiente dell'utente in modo da essere pressoché indistinguibili in esso. Le possibilità saranno, ad esempio, quelle di avere dei sensori integrati all'interno degli abiti, indossati in modo non invasivo sulla pelle dell'utente, o addirittura impiantati. I componenti che formano questo ambiente saranno estremamente compatti e leggeri. In più, se dovranno essere indossati con comodità all'interno dei vestiti, o direttamente sulla pelle, dovranno essere flessibili, allungabili, biocompatibili, traspiranti, impermeabili e lavabili.
Una volta che una circuiteria con una consistenza simile a un tessuto sarà disponibile, diventerà possibile un vasto insieme di nuove applicazioni. Esempi ovvi sono i misuratori per la frequenza cardiaca negli abiti per sportivi, i bendaggi in grado di segnalare eventuali cadute per anziani e portatori di handicap, i termometri allungabili o i dispositivi di rilevamento della posizione per i bambini che giocano sulla spiaggia. Tuttavia i ricercatori stanno anche puntando ad applicazioni medicali più complesse come bende intelligenti, elettrodi impiantanti nel cervello che aiutino a trattare l'epilessia e la depressione, o un impianto di vescica per superare i problemi d'incontinenza.
Molte di queste applicazioni esistono già oggi, in una forma o in un'altra”, afferma Jan Vanfleteren, responsabile per la ricerca sull'elettronica flessibile ed allungabile presso il TFCG Microsystems lab, “ma sono disponibili in alloggiamenti rigidi - si pensi ad esempio ai telefoni portatili o ai misuratori della pressione sanguigna. Se questi sono integrati completamente nell'ambiente, spesso sono semplicemente nascosti dalla vista dell'utente, ad esempio si trovano all'interno del tessuto degli abiti. Questi dispositivi non si possono piegare o allungare con il tessuto o sulla pelle. E gli utenti devono distaccarli dai propri abiti prima di lavarli o devono allacciarsi un dispositivo scomodo di monitoraggio. Esiste ancora molta strada da percorrere prima che gli utenti si trovino a loro agio con questi dispositivi”. Secondo Jan Vanfleteren, tutte le soluzioni pensate per integrare dispositivi elettronici complessi all'interno degli abiti o sulla pelle con il massimo confort dell'utente sono in fase di ricerca o, addirittura, di visione. Attualmente non sono ancora disponibili soluzioni soddisfacenti per immergere i dispositivi elettronici nell'ambiente dell'utente.

Prerequisito fondamentale: elasticità

A parte tutti gli altri requisiti, come la biocompatibilità, un prerequisito per l'elettronica ambientale è dato dalla disponibilità di circuiti flessibili ed allungabili per l'elettronica d i sensori. La pelle umana o un tessuto possono piegarsi ed allungarsi fino al 10%. Di conseguenza, per ottenere il massimo confort, l'elettronica embedded dovrebbe essere in grado di seguire questo movimento e continuare a funzionare. Di conseguenza, i gruppi di ricerca presso IMEC e del TFCG Microsystems lab a esso associato presso l'Università di Ghent, sono coinvolti in diversi progetti di ricerca che hanno lo scopo di creare circuiti elettronici e sensori flessibili e allungabili di questo tipo. Questi progetti sono BioFlex (Biocompatible Flexible Electronic Circuits) con il finanziamento da parte dell'Istituto per la Promozione dell'Innovazione nella Scienza e nella Tecnologia delle Fiandre, STELLA (Stretchable Electronics for Large Area Applications) con i fondi della Commissione Europea, e SWEET (Stretchable and Washable Electronics for Embedding in Textiles) finanziato dal dipartimento per la politica scientifica belga.

Pelle elettronica

“Nella realtà gli apparecchi allungabili saranno ibridi”, dice Jan Vanfleteren. “Questi conterranno componenti rigidi o flessibili connessi con della circuiteria allungabile. La circuiteria si allungherà e si piegherà come la gomma o la pelle, pur preservando la propria conduttività. Presso il nostro laboratorio, intendiamo combinare la nostra tecnologia di interconnessione allungabile con le tecnologie dei circuiti flessibili, come quelli sviluppati nell'ambito del progetto EC-SHIFT. Un esempio è l'Ultra-Thin Chip Package, o UTCP, che è spesso appena 100 micron.”
Recentemente, Vanfleteren e i suoi colleghi hanno presentato un nuovo metodo per progettare e per realizzare delle interconnessioni elastiche di questo tipo per i circuiti elettronici allungabili. Hanno immerso dei fili di interconnessione con uno schema 2D ondulante in uno strato elastico di silicone. Le molle 2D sono state progettate e ottimizzate in cooperazione con il gruppo IMEC IPSI/REMO, che è specializzato nella modellizzazione meccanica e nella predizione di affidabilità. Queste ultime differiscono da altri progetti simili per via di una serie di ottimizzazioni. Innanzitutto, i ricercatori hanno dedotto, in base all'analisi agli elementi finiti, che una forma ondulante a ferro di cavallo è quella ideale per i fili di interconnessione. Essa dissipa gli stress per allungamento e flessione meglio di forme ellittiche confrontabili. In secondo luogo, hanno aumentato ulteriormente la resistenza allo stress delle connessioni dividendo ciascun filo di interconnessione in quattro fili paralleli con una larghezza inferiore. Infine, nella fase iniziale di sviluppo della tecnologia, i ricercatori hanno scelto l'oro come materiale per i fili, per via della sua duttilità elevata, che permette di ottenere una resistenza allo stress maggiore.
I fili di interconnessione così ottenuti consistono in quattro tracce parallele, ciascuna larga 15 μm, e sono costituiti da uno strato d'oro spesso 4 μm. Le tracce sono ricoperte con uno strato di nickel spesso 2 μm per la saldatura ai componenti. Le tracce adiacenti sono connesse tra di loro, a intervalli regolari, in posizioni in cui lo stress per deformazione è calcolato per essere minimo. Questo consente di ottenere un funzionamento a prova di guasto in caso di errori di fabbricazione o di malfunzionamento meccanico.

Silicone conduttore

I fili di interconnessione sono immersi in un substrato polimerico al silicone: polidimetilsiloxano (PDMS). In sé, il PDMS è un isolante elettrico, ma può essere reso conduttivo aggiungendo ad esempio delle particelle d'argento. Anche se non è un buon conduttore al pari, ad esempio, del rame o dell'oro, questo polimero modificato può trasportare un segnale su distanze molto brevi. Qualora il filo fosse sovra-allungato, provocando una micro-fessura, il polimero circostante condurrebbe ancora il segnale, colmando il vuoto creato dalla crepa.
Il team del TFCG ha realizzato le interconnessioni con angoli e raggi diversi per ottenere una forma a ferro di cavallo. I tecnici del TFCG hanno collaudato i circuiti allungandoli in direzione longitudinale fino al punto di guasto elettrico, che potrebbe essere causato da una rottura nelle tracce d'oro. L'interconnessione migliore si è allungata da 3 a 6 centimetri senza guasti. Inoltre, tutte le interconnessioni hanno recuperato la loro conduttività quando sono ritornate alla loro lunghezza normale.
Per assemblare le interconnessioni allungabili e i componenti elettronici più rigidi, i giunti sono stati saldati usando metodi normali di assemblaggio elettronico. Successivamente, il polimero di silicone è stato sagomato attorno all'assemblaggio, facendo attenzione a non causare alcuna bolla all'interno del silicone. Per ciascun progetto, è stato messo a punto uno stampo dedicato. Quest'ultimo tiene conto delle posizioni sull'assemblaggio in cui sono posizionati i componenti rigidi. In queste posizioni, l'avvolgimento in silicone dovrebbe essere più spesso di modo che la circuiteria sia localmente meno allungabile.
I ricercatori ora stanno anche studiando l'uso di materiali conduttivi diversi dall'oro. Il rame, il materiale standard nella fabbricazione dei pcb, è il candidato più ovvio. Il cablaggio con il rame è naturalmente più conveniente dell'oro. Tuttavia la principale ragione è la tendenza a sviluppare una tecnologia che sia compatibile con le prassi industriali esistenti di fabbricazione dei pcb e di assemblaggio. Questo semplificherà considerevolmente il trasferimento della tecnologia verso un ambiente produttivo.

Un futuro a portata di mano

Nel giro di 3 anni, e in base agli attuali risultati di ricerca, il TFCG Microsystems lab conta di disporre di una tecnologia e di un prototipo che possano essere commercializzati. Jan Vanfleteren commenta: “I primi apparecchi flessibili ed allungabili saranno più probabilmente usati per gli abiti intelligenti, mentre le applicazioni medicali seguiranno in un secondo momento. I circuiti su cui abbiamo lavorato non sono solo flessibili ed allungabili, ma anche lavabili - il che è un grande passo in avanti per gli abiti intelligenti. Come primi prodotti commerciali, prevedo di vedere vestiti in grado di inviare segnali, usando LED e sensori, ad esempio per seguire i movimenti”.
Per saperne di più sulla tecnologia allungabile per pcb e sulla ricerca condotta dall'Università di Ghent/IMEC è possibile visitare il sito: www.imec.be e http://tfcg.elis.ugent.be/.

LASCIA UN COMMENTO

Inserisci il tuo commento
Inserisci il tuo nome