Circuits pliables et extensibles

Des chercheurs de l'Université de l'Illinois, d'Urbana Champaign et de la Northwestern University, à Evanston, dans l'Illinois, ont montré que les circuits électriques peuvent être pliés et étirés tout en conservant les performances des circuits construits sur des plaquettes rigides. Composés de fines feuilles de silicium sur du plastique ou du caoutchouc, ces circuits pliables pourraient ouvrir la voie à des applications telles que les ordinateurs portables et les systèmes de surveillance de la santé implantables.

Étirement du silicium : L'image du haut représente un circuit de silicium torsadé sur un polymère flexible. En dessous se trouvent des micrographies optiques des onduleurs – composants du circuit – du circuit ci-dessus. Les ondulations dans le circuit sont dues au fait qu'il a été apposé sur le polymère lorsque le polymère a été étiré. Vu ici, le polymère est dans un état détendu.

John Rogers , professeur de science des matériaux à l'Université de l'Illinois, et ses collègues ont démontré qu'il est possible d'utiliser du silicium ultrafin pour construire des feuilles entières de circuits pliables et étirables constitués de dispositifs tels que des transistors, des amplificateurs et des portes logiques. Les résultats ont été publiés cette semaine La science . Auparavant, Rogers fabriquait des rubans pliables et étirables de transistors en silicium, mais les nouveaux travaux montrent qu'il est possible d'utiliser la technique pour placer des feuilles de circuits complexes sur des surfaces étirables. Nous avons développé la notion au niveau du circuit pour rendre l'ensemble du système de circuit aussi mince que possible, dit Rogers. L'épaisseur totale est de 1,5 micron, et cela comprend le substrat en plastique, la métallisation, le silicium, les diélectriques – tout. Un circuit avec un facteur de forme aussi mince est naturellement pliable uniquement par la mécanique.

L'électronique pliable n'est pas nouvelle : les chercheurs ont déjà estampé, imprimé et pulvérisé des circuits sur des feuilles de plastique. Cependant, ces circuits sont constitués de matériaux semi-conducteurs organiques, utiles pour des applications telles que les transistors dans les écrans déroulants, mais tout simplement trop lents pour être utilisés pour des calculs plus complexes.

En 2005, Rogers a trouvé un moyen de fabriquer du silicium monocristallin – le type utilisé pour fabriquer des puces informatiques – se plier et s'étirer en en collant des rubans ultrafins sur des substrats caoutchouteux tendus, puis en laissant le caoutchouc se remettre en place. (Voir Silicium extensible.) Parce que le silicium était si fin – seulement quelques centaines de nanomètres d'épaisseur – il se déformait, sans se casser, en vagues sur le caoutchouc qui pouvaient être étirées encore et encore.

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• Observez le flambage d'un composant de circuit de silicium ultrafin.

Le nouveau travail exploite cette géométrie ultrafine pour créer deux types de circuits. Un type est simplement pliable : des circuits à base de silicium ont été placés sur des feuilles de plastique non tendues, ce qui a donné lieu à des circuits pouvant se plier comme un morceau de papier. Pour s'assurer que le circuit fonctionnerait bien, quelle que soit la direction dans laquelle il est tordu ou plié, les chercheurs placent le silicium, ou la partie du circuit la plus fragile, à une distance entre le haut et le bas de la feuille de circuit qui subit le moins quantité de tension. Le placement des composants fragiles du circuit à l'endroit approprié dans la feuille de circuit optimise l'électronique et leur permet de fonctionner aussi bien que ceux d'une plaquette solide, explique Rogers.

Les chercheurs ont réalisé un deuxième type de circuit en prenant les feuilles de circuit optimisées et en les liant à du caoutchouc pré-étiré qui a été étendu dans les deux sens. Lorsque le caoutchouc est autorisé à se détendre, la couche de silicium se déforme en un motif complexe et ondulé, explique Rogers. Nous comprenons parfaitement, grâce à une modélisation analytique et informatique approfondie présentée dans l'article, comment ces formes ondulées se forment et comment les dispositions des circuits… déterminent les géométries spatiales [des vagues], dit-il. Alors que les circuits pliables sont entièrement optimisés, il dit que son équipe travaille toujours à optimiser les circuits extensibles. Étant donné que les chercheurs peuvent localiser les positions sur le circuit où les structures ondulées se formeront lorsque le caoutchouc sera relâché, dit Rogers, ils peuvent choisir ces emplacements afin qu'ils ne chevauchent aucun composant fragile ou sensible aux contraintes du circuit. Cet aspect est un raffinement du travail actuel, note-t-il, et il apparaîtra dans un prochain article.

La recherche propose un tout nouveau concept de circuit, dit Zhenqiang Ma , professeur de génie électrique et d'informatique à l'Université du Wisconsin-Madison. Ma a déjà construit des transistors au silicium ultrarapides sur des substrats pliables, qui fonctionnent à des fréquences élevées, ce qui les rend utiles pour les antennes construites sur les ailes des avions, par exemple. (Voir Vitesse record pour le silicium flexible.) Bien que les transistors de Rogers soient plus lents, ses circuits intégrés ont l'avantage d'être conçus en tenant compte de la géométrie ondulée du silicium mince, de sorte qu'ils peuvent être optimisés sur un substrat extensible.

Rogers dit qu'un domaine dans lequel les circuits pliables et extensibles pourraient être utiles est celui des neurosciences. (Voir TR10 : Moniteurs médicaux personnalisés.) Il travaille sur un projet qui pourrait permettre à une fine feuille d'électronique de s'enrouler autour du cerveau, surveillant l'activité électrique pour des indicateurs de futures crises chez les personnes atteintes d'épilepsie. De plus, Rogers et ses collègues fabriquent des gants chirurgicaux en latex avec électronique intégrée qui pourraient ajouter une détection fonctionnelle ou, dans certains cas, fournir une rétroaction tactile pour la formation des étudiants en chirurgie.

Il existe de nombreuses applications pour ces nouveaux types de circuits, explique Ma. Dans certaines des applications… les circuits intégrés étirables et pliables peuvent être le seul choix. Il ajoute que le nouveau concept de circuit intégré a comblé un important vide d'application que les circuits rigides à puce ne peuvent pas combler.

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