ES2877429T3 - Electrónica estirable para aplicaciones de odontología y método para la fabricación de la misma - Google Patents

Electrónica estirable para aplicaciones de odontología y método para la fabricación de la misma Download PDF

Info

Publication number
ES2877429T3
ES2877429T3 ES16733211T ES16733211T ES2877429T3 ES 2877429 T3 ES2877429 T3 ES 2877429T3 ES 16733211 T ES16733211 T ES 16733211T ES 16733211 T ES16733211 T ES 16733211T ES 2877429 T3 ES2877429 T3 ES 2877429T3
Authority
ES
Spain
Prior art keywords
deposition
liquid metal
conductive
stretchable
metal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
ES16733211T
Other languages
English (en)
Inventor
Marco Letizia
Pietro Maoddi
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Aesyra SA
Original Assignee
Aesyra SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Aesyra SA filed Critical Aesyra SA
Application granted granted Critical
Publication of ES2877429T3 publication Critical patent/ES2877429T3/es
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K3/00—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits
    • H05K3/10—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits in which conductive material is applied to the insulating support in such a manner as to form the desired conductive pattern
    • H05K3/14—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits in which conductive material is applied to the insulating support in such a manner as to form the desired conductive pattern using spraying techniques to apply the conductive material, e.g. vapour evaporation
    • H05K3/146—By vapour deposition
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K1/00—Printed circuits
    • H05K1/02—Details
    • H05K1/0277—Bendability or stretchability details
    • H05K1/0283—Stretchable printed circuits
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61C—DENTISTRY; APPARATUS OR METHODS FOR ORAL OR DENTAL HYGIENE
    • A61C19/00—Dental auxiliary appliances
    • A61C19/04—Measuring instruments specially adapted for dentistry
    • A61C19/05—Measuring instruments specially adapted for dentistry for determining occlusion
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K2201/00—Indexing scheme relating to printed circuits covered by H05K1/00
    • H05K2201/01—Dielectrics
    • H05K2201/0104—Properties and characteristics in general
    • H05K2201/0133—Elastomeric or compliant polymer

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Manufacturing Of Printed Wiring (AREA)
  • Parts Printed On Printed Circuit Boards (AREA)

Abstract

Un método para producir un conductor y/o una conexión eléctrica estirables que comprende - proporcionar un sustrato estirable, un metal líquido, un metal conductor y un material de adhesión en una misma cámara de evaporación; - depositar el metal líquido; - depositar el material de adherencia; y - depositar el metal conductor; el metal líquido, el metal conductor y el material de adhesión son depositados por evaporación, la deposición se realiza al vacío; en donde - el metal líquido se deposita continuamente por evaporación durante todo el proceso de evaporación, incluida la deposición del material de adhesión y del metal conductor.

Description

DESCRIPCIÓN
Electrónica estirable para aplicaciones de odontología y método para la fabricación de la misma
Campo técnico
La presente invención pertenece al campo de la electrónica, la electrónica estirable, la deposición de películas delgadas y, en particular, al campo de la odontología. Específicamente, se refiere a la electrónica estirable y las transiciones/conexiones eléctricas sobre sustratos estirables y sustratos flexibles utilizados para la electrónica.
Técnica anterior
Para fabricar componentes electrónicos estirables, se utilizan dos procesos principales: deposición de película delgada de metal o modelado de metal líquido o pastas conductoras sobre un sustrato elástico.
En el caso del primer proceso, la deposición de película delgada de metal (por ejemplo, Cr-Au) sobre sustratos elásticos (por ejemplo, Ecoflex, PDMS, poliuretano, siliconas) se utiliza para fabricar conexiones eléctricas que se estiran y deforman conforme al sustrato a la vez que permanecen conductoras y elásticas (en un cierto rango de deformación). Para tal fin, se deposita una capa de adhesión (por ejemplo, Cr, Ti) sobre el sustrato elástico para mejorar las fuerzas de adhesión entre el sustrato y un metal altamente conductor (por ejemplo, Au, Cu, Ag, Pt, Pd).
Dependiendo del sustrato y las aplicaciones, las tasas de deposición y el espesor del metal son diferentes (US 7.491.892 B2,). Lacour et al, Science 9, enero de 2015, vol. 347 no. 6218 págs.; Gerratt et al., 2014 IEEE-RAS International Conference on Humanoid Robots, Madrid, 2014, págs. 238-24510 159-163 el grosor de la metalización está típicamente en el intervalo de unas pocas capas atómicas hasta 100 nm, produciendo una placa de circuito muy delgada.
Aunque la fina capa de metal sigue la deformación del sustrato elástico hasta un 20-25 % del alargamiento y permanece conductora (Lacour et al. Y Gerratt et al), la conexión de metal ya no es conductora en alargamientos mayores del 20-25 %. Ante una tensión local (es decir, una presión aplicada por una punta o una cúspide dental), la conexión eléctrica se interrumpe localmente, produciendo un fallo del dispositivo.
Se puede realizar una transición de las pistas conductoras de sustratos elásticos a sustratos electrónicos tradicionales. Para ello, se añaden otros materiales en la interfaz, tales como pastas conductoras y aleaciones metálicas líquidas, para evitar una fricción excesiva (roce y cizallamiento) en la interfaz. Sin embargo, las prestaciones mecánicas de esta transición son malas y limitan la capacidad de alargamiento al 5-10 % (Lacour et al. Y Gerratt et al).
El contacto mecánico entre el metal depositado y el objeto duro es crítico. La posible fricción, roce o cizallamiento en la interfaz daña el patrón de metal depositado, reduciendo así la vida útil de las conexiones. (véase la Figura 1A). Se debe utilizar material blando (por ejemplo, pasta conductora, gel conductor) para reducir el roce y el cizallamiento en la interfaz de la transición. Estas pastas o geles conductores suelen ser perjudiciales para los seres humanos. Esto limita el campo tecnológico en el que se puede aplicar esta tecnología. Además, estas pastas o geles conductores requieren un encapsulado adecuado, que es voluminoso y aumenta particularmente las dimensiones generales del dispositivo.
En el caso del segundo proceso para fabricar conexiones y circuitos eléctricos que se estiran y deforman conforme al sustrato a la vez que permanecen conductores y elásticos, se utilizan metales líquidos (típicamente GaIn eutéctico u otras aleaciones de Ga) y pastas conductoras con base de Ag (véase la Figura 1B). Estos materiales se pueden depositar con una jeringa o una boquilla. En la mayoría de los casos, el patrón creado con metal líquido o pastas conductoras se encapsula con siliconas u otros elastómeros.
Gerratt y col. (2015, Adv. Funct. Mater., 25, págs. 2287-2295) es un ejemplo de tal proceso. Gerrat y col. revelan una piel electrónica elastomérica para la sensación táctil protésica que incluye sensores resistivos para monitorizar la articulación de los dedos y sensores de presión táctiles capacitivos mediante la implementación de espuma de silicona blanda y comprimible como las películas metálicas delgadas dieléctricas y estirables. Los sensores de presión se preparan metalizando un material estirable (PDMS) con una o más bicapas de Cr/Au evaporadas térmicamente a través de una máscara. Los sensores de flexión se preparan como sensores de presión pero, además, los cables de metal líquido (Ga, Egaln) son impresos en el material estirable metalizado mediante una jeringa.
Dicho patrón sigue la deformación elástica del sustrato hasta un 80-150 % de alargamiento y permanece conductor (Tiercelin et al., Journal of Micromechanics and Microengineering, IOP Publishing, 2006, 16, págs. 2389-2395; Boley y col., Advanced Functional Materials 23, 18 de junio, vol. 24, págs. 3501 -3507). El rango de deformación elástica y el rango de deformación conductora del patrón de metal líquido o pastas conductoras son más altos que en el caso de la capa delgada de metal, pero la conductividad de la conexión eléctrica hecha con metal líquido es menor.
El uso de pastas conductoras, aleaciones metálicas líquidas u otros materiales en la interfaz entre dos sustratos permite realizar transiciones desde sustratos elásticos y sustratos electrónicos tradicionales. Sin embargo, las prestaciones mecánicas de esta transición son limitadas (5-10 % de alargamiento). La resistencia eléctrica por unidad de longitud de este tipo de conexión es demasiado alta para muchas aplicaciones.
Además, tras la aplicación de una tensión local (por ejemplo, presión aplicada por una cúspide dental), el metal líquido se desplaza y la conexión se interrumpe produciendo un fallo del dispositivo.
La superficie externa del patrón de metal líquido se puede oxidar rápidamente. Por lo tanto, la transición entre las líneas de metal líquido y los sustratos electrónicos tradicionales requiere una encapsulación voluminosa para evitar fallos eléctricos.
La arquitectura de las líneas eléctricas, almohadillas y electrodos resulta voluminosa. De hecho, el espesor de metalización está típicamente en el intervalo de 50 a 800 gm y los conductores necesitan ser encapsulados adicionalmente por los materiales elásticos utilizados como sustrato. Por lo tanto, el grosor total de la placa electrónica estirable alcanza fácilmente 1 mm, lo que es inapropiado para muchas aplicaciones biomédicas, tales como la evaluación de la oclusión dental y los electrodos implantables para estimulación eléctrica, donde el grosor del dispositivo debe ser mínimo (por ejemplo, por debajo de 1 mm).
En la actualidad, existe una necesidad real de conexiones electrónicas y/o electrónicas estirables que se puedan estirar y deformar conforme al sustrato, permaneciendo dicha electrónica o conexiones elásticas y conductoras y sin presentar los inconvenientes de los dispositivos obtenidos mediante los dos procesos antes mencionados: limitación de la capacidad de alargamiento y de la conductividad, transición limitada entre sustratos elásticos y sustratos electrónicos tradicionales, arquitectura voluminosa y espesores demasiado altos, inclusión de materiales nocivos, alta resistencia eléctrica por unidad de longitud de conexión. También existe una necesidad real de un método que sea más económico, más respetuoso con el medio ambiente y menos complejo.
Compendio de la invención
La invención proporciona una solución a todos los inconvenientes anteriormente mencionados. La invención se refiere a un método para producir un conductor y/o conexión eléctrica estirable, siendo un conductor y/o una conexión eléctrica estirables en más del 100 % de la longitud inicial, dependiendo de la capacidad de deformación del sustrato estirable, comprendiendo un dispositivo tal conductor y/o conexión eléctrica estirables como se describe a lo largo de la presente descripción y en las reivindicaciones adjuntas.
Los inventores han descubierto que el conductor y/o la conexión eléctrica estirables obtenidos por el método de la invención y compuestos por finas capas metálicas depositadas sobre sustratos elásticos o estirables se pueden deformar en más del 300 % de elongación y hasta en un 500 % de elongación sin dejar de ser conductores (véanse las Figuras 2A y 2B).
Mediante el uso de un conductor y/o conexión eléctrica estirable obtenido con el método de la invención, la transición del sustrato elástico y los sustratos electrónicos tradicionales no necesita otros materiales en la interfaz, tales como pasta conductora. Durante la fabricación del conductor y/o conexión eléctrica estirables, la deposición continua del metal líquido por evaporación durante todo el proceso permite combinar dicho metal líquido con otros materiales, lo que mejora el contacto mecánico y la conexión eléctrica en la transición del sustrato elástico y los sustratos electrónicos tradicionales.
Además, la metalización proporcionada por el método o el proceso da como resultado una placa de circuito muy delgada de un grosor en el intervalo de unas pocas micras a unos pocos milímetros.
Por consiguiente, en un aspecto, la invención proporciona un método para producir un conductor y/o una conexión eléctrica estirables que comprende
• proporcionar un sustrato estirable, un metal líquido, un metal conductor y un material de adhesión en una misma cámara de evaporación;
• depositar el metal líquido;
• depositar el material de adhesión; y
• depositar el metal conductor;
el metal líquido, el metal conductor y el material de adhesión se depositan por evaporación, la deposición se realiza al vacío; en donde el metal líquido es depositado continuamente por evaporación durante todo el proceso de evaporación, incluyendo la deposición del material de adhesión y el metal conductor.
En un aspecto adicional, la invención proporciona un dispositivo que comprende uno o más conductores estirables y/o conexiones eléctricas producidas por el método de la invención.
En una realización, el dispositivo de la invención se selecciona a partir de un extensímetro, una almohadilla capacitiva, un plano de tierra, un sensor, un sensor capacitivo, una matriz de sensores capacitivos, una conexión mecánica electrónica.
En particular, en una realización adicional, el dispositivo de la invención es una conexión electrónica y mecánica que comprende dos almohadillas de circuito, en donde al menos una de las almohadillas es un conductor y/o conexión eléctrica estirable de la invención.
Otros aspectos y realizaciones preferidas de la invención se detallan a continuación en el presente documento y en las reivindicaciones adjuntas. Otras características y ventajas de la invención resultarán evidentes para el experto a partir de la descripción de las realizaciones preferidas que se proporciona a continuación.
Breve descripción de los dibujos
La Figura 1A muestra que el metal depositado sobre el sustrato elástico se daña después de estar en contacto con otro objeto. La Figura 1B muestra el metal líquido encapsulado en sustratos elásticos.
La Figura 2 muestran una tira eléctrica con patrón en PDMS en reposo, es decir, en reposo, (Figura 2A) o bajo estiramiento (Figura 2B).
La Figura 3 muestra una vista esquemática de un evaporador térmico. Según una realización, en vacío, las corrientes eléctricas (5, 6, 7) que fluyen en las fuentes térmicas (2, 3, 4) calientan los materiales a evaporar. Los vapores depositan estos materiales sobre la parte superior del sustrato (1). Ajustando la corriente en las fuentes, se cambia la tasa de deposición. Se utilizan varias fuentes activas al mismo tiempo.
La Figura 4 muestra un esquema de la velocidad de deposición del metal líquido, el material de adhesión y el metal conductor durante el método de la invención: la línea continua representa la velocidad de deposición (fases A a G) del metal líquido, la línea de puntos representa la tasa de deposición del material de adhesión (fase B) y la línea discontinua representa la tasa de deposición del metal conductor (fase D). Fase A: el metal líquido se deposita a una velocidad de deposición > 0 nm/s antes de depositar la capa de material de adhesión. Fase B: se ajusta la tasa de deposición del metal líquido mientras se deposita la capa de material de adhesión. Fase C: se detiene la deposición del material de adhesión y se ajusta la velocidad de deposición del metal líquido. Fase D: la tasa de deposición del metal líquido se ajusta mientras se deposita el metal conductor. Fase E: se detiene la deposición del metal conductor y se ajusta la velocidad de deposición del metal líquido. Fase F: se aumenta la velocidad de deposición del metal líquido para obtener un recubrimiento final de metal líquido. Fase G: se detiene la deposición del metal líquido.
La Figura 5 muestra estructuras a modo de ejemplo resultantes de la deposición de metal delgado sobre un sustrato elástico; (a) método tradicional: el Cr se deposita como una capa de adhesión sobre PDMS (material elastomérico); el Au garantiza una buena conducción; (b) se puede añadir metal líquido encima de la capa de Au; (c) el metal líquido puede ser evaporado antes o después de los otros materiales en cualquier orden; (d) se obtienen estructuras más complejas con rendimiento superior dependiendo de la velocidad de deposición y evaporando simultáneamente los diferentes metales y materiales según una realización de la invención.
La Figura 6 muestra la transición entre una placa de circuito impreso clásica (6) y un circuito estirable (7) proporcionada por el método aquí descrito. El circuito estirable comprende un sustrato elástico (4) sobre el que se modelan líneas conductoras con almohadillas (5). La placa de circuito impreso clásica comprende una placa rígida o flexible (1) sobre la que se modelan líneas conductoras con almohadillas (2). Las almohadillas de la placa de circuito impreso clásico contienen una ranura en la que está presente un adhesivo (3). La Figura 6A muestra una parte de una placa de circuito impreso clásica y una parte de un circuito estirable, para su puesta en contacto mutuo. La Figura 6B representa una vista lateral seccionada de la formación del contacto en la transición entre la placa de circuito impreso clásica y el circuito estirable.
La Figura 7A muestra una matriz capacitiva estirable modelada en PDMS. La Figura 7B muestra una serie de sensores de presión capacitivos estirables modelados en PDMS (1). Una transición (3) formada usando el método descrito en este documento se utiliza para proporcionar las conexiones eléctricas a una PCB flexible (2). La electrónica de la PCB flexible (4) lee las señales del conjunto de sensores y evalúa la distribución de las fuerzas aplicadas sobre los sensores por las cúspides dentales (5).
La Figura 8 muestra una muestra utilizada para ensayos de estiramiento por tracción. Una línea conductora delgada y estrecha (2) se modela con el método descrito en este documento sobre un sustrato elástico delgado (1). Los dos extremos de las líneas se conectan a cables eléctricos (3) mediante un adhesivo en la parte superior (4). Después, dicha muestra se estira linealmente usando una máquina controlada por ordenador en la dirección representada por las flechas negras, mientras se mide la resistencia eléctrica de la línea.
La Figura 9 muestra un ejemplo de medición de la resistencia eléctrica para varios alargamientos mecánicos de una muestra preparada como en la Figura 8.
Descripción detallada de la invención
La presente divulgación se puede entender más fácilmente haciendo referencia a la siguiente descripción detallada presentada en combinación con las figuras de los dibujos adjuntos, que forman parte de esta divulgación. Se debe entender que esta divulgación no se limita a las condiciones ni a los parámetros específicos descritos y/o mostrados en este documento, y que la terminología utilizada en este documento tiene el propósito de describir realizaciones particulares dado que la invención está definida por las reivindicaciones adjuntas.
Como se utiliza en este documento, el material de adhesión es un material que se usa para mejorar la adhesión del metal a los sustratos.
Como se utiliza en este documento, el material conductor es un metal que es sólido en condiciones ambientales y presenta la conductividad más alta entre los materiales evaporados.
Como se utiliza en el presente documento, el metal líquido es un material metálico que se encuentra en estado líquido o semilíquido hasta una temperatura de 90°C y en condiciones de presión atmosférica.
Como se utiliza en este documento, tasa de deposición significa la cantidad de material depositado sobre el sustrato por unidad de tiempo, por ejemplo en un segundo.
Como se utiliza en el presente documento, la transición en el contexto de una conexión significa una línea, una pista de la placa electrónica y cualquier camino conductor entre dos regiones o dos componentes.
En una realización, el método de la invención comprende además una etapa de depositar el metal líquido sobre el sustrato estirable y/o antes de depositar el material de adhesión. El método descrito en el presente documento comprende además una etapa de depositar el metal líquido sobre el metal conductor y/o después de depositar el metal conductor.
En una realización, el método comprende además una etapa de depositar el metal líquido después de depositar el material de adhesión y antes de depositar el material conductor.
Según la invención, el metal líquido se deposita continuamente por evaporación durante todo el proceso de evaporación, incluyendo las deposiciones del material de adhesión y el metal conductor.
En una realización adicional, en el método de la invención, el metal líquido, el metal conductor y el metal de adhesión se depositan por evaporación a diferentes velocidades de deposición, que son variables durante el proceso. El metal líquido se deposita durante todo el proceso de evaporación de la producción del sustrato estirable y durante todas las etapas de deposición del material de adhesión y del material conductor (Figura 4, fases A a G). El metal líquido se puede depositar a velocidades de deposición variables o diferentes durante todo el proceso.
En particular, de acuerdo con la Figura 3, el metal líquido colocado en (4), el metal conductor colocado en (2) y el material de adhesión colocado en (3) se depositan sobre el sustrato (1) por evaporación a diferentes velocidades de deposición, que son variables durante el proceso. La tasa de deposición del metal líquido puede ser diferente de la tasa de deposición del metal conductor y/o de la tasa de deposición del material de adhesión. La velocidad de deposición del metal líquido es diferente de la velocidad de deposición del metal conductor y/o de la velocidad de deposición del material de adhesión, cuando el metal líquido se deposita junto con el metal conductor y/o el material adhesivo.
Dado que las temperaturas de evaporación de los metales y el material dependen de la presión en la cámara y del tipo de material, la tasa de deposición de los metales y del material se controla ajustando la corriente en las fuentes (5, 6, 7) (véase la Figura 3). Cuanto mayor es la corriente, mayor es la tasa de evaporación. Las corrientes pueden estar en el intervalo de 0 A a 500 A, de 5 A a 500 A, de 5 A a 70 A o de 50 A a 500 A. Las tasas de deposición durante el proceso de deposición pueden estar en el intervalo de 0 a 12 Á/s (Ángstróm/segundo), o de 0 a 1,2 nm/s. Las corrientes están preferiblemente en el intervalo de 0 A a 100 A. Las velocidades de deposición durante el proceso de deposición están preferiblemente en el intervalo de 0 a 3 nm/s. Las temperaturas de las fuentes pueden estar en el intervalo de 0 °C a 1500 °C, o de 0 °C a 200 °C, y cuando la fuente se calienta, las temperaturas de las fuentes calentadas pueden estar en el intervalo de 200 a 1500 °C.
El material de adhesión y el material conductor se depositan alternativamente por evaporación en el método descrito en el presente documento. El metal líquido se deposita antes de depositar el material de adherencia y después de depositar dicho material de adherencia, y antes de depositar el material conductor y después de depositar dicho material conductor.
El material de adhesión en el método de la invención se deposita antes que el metal conductor.
En otra realización del método de la invención, el metal líquido se deposita antes de depositar el material de adhesión, mientras se deposita dicho material de adhesión, después de depositar dicho material de adhesión y antes de depositar el material conductor, mientras se deposita dicho material conductor y después de depositar dicho material conductor.
En una realización adicional del método de la invención, la deposición por evaporación se realiza mediante un método de deposición física por vapor seleccionado de una deposición por proceso de sublimación, deposición por arco catódico, deposición física por vapor por haz de electrones, evaporación térmica, deposición por evaporación, deposición por láser pulsado, deposición por pulverización catódica y/o deposición química por vapor, evaporación por haz de electrones, evaporación térmica, epitaxia por haz molecular.
Preferiblemente, en el caso de usar evaporación térmica (véase la Figura 3) como método de deposición, el método de la invención comprende además las siguientes etapas:
• colocar el metal líquido, el metal conductor y el material de adhesión sobre las diferentes fuentes térmicas (2, 3, 4) de la cámara evaporadora;
• añadir opcionalmente una máscara de evaporación sobre los sustratos estirables (1) para modelar el metal líquido, el material de adhesión y el metal conductor en ciertas regiones del sustrato,
• calentar progresivamente las fuentes térmicas correspondientes a la fuente sobre la que se coloca el metal líquido, hasta que el metal líquido se evapora y se deposita sobre el sustrato;
• activar la fuente térmica correspondiente a la fuente sobre la que se coloca el material de adhesión (3), ajustando la corriente que fluye en la fuente (7) para tener una tasa de deposición que da como resultado la deposición de una capa delgada de material;
• apagar la fuente térmica correspondiente a la fuente sobre la que se coloca el material de adhesión (3);
• activar la fuente térmica correspondiente a la fuente sobre la que se coloca el metal conductor (2), ajustando la corriente que fluye en la fuente (5) para tener una tasa de deposición que da como resultado la deposición de una capa delgada de este metal;
• apagar la fuente térmica correspondiente a la fuente sobre la que se coloca el metal conductor (2);
• incrementar la corriente (6) que fluye continuamente hacia las fuentes correspondientes sobre las que se coloca el metal líquido (4), para depositar el metal líquido bajo la forma de una capa delgada;
• apagar la fuente térmica correspondiente a las fuentes sobre las que se coloca el metal líquido (4).
Capa delgada significa un espesor de la capa después de la deposición del metal o del material comprendida entre 1 nm y 200 nm. Para fabricar conductores estirables, el grosor del material de adhesión (por ejemplo, Cr) es de aproximadamente 5 nm y el material conductor (por ejemplo, Au) es de aproximadamente 30 nm.
Las diferentes capas metálicas resultantes de la metalización en el método de la invención tienen un espesor total de menos de 100 nm o en el intervalo de > 0 nm a <100 nm, preferiblemente de unos pocos nanómetros (> 0 nm) a 100 nm, de 3 nm a 100 nm.
En una realización adicional del método, se modela la deposición de los metales y el material sobre el sustrato estirable. Dicho patrón se puede realizar mediante una máscara de evaporación y/o mediante técnicas de grabado por fotolitografía.
El sustrato estirable comprende un material elastomérico. El sustrato estirable o sustrato elástico comprende material elastomérico. Una lista no exhaustiva y no limitante de materiales estirables y/o elásticos adecuados de acuerdo con la presente invención comprende materiales poliméricos tales como silicona (por ejemplo, polidimetilsiloxano PDMS), policlorobifenilo estirable o flexible, caucho de nitrilo, poliimida, látex, poliuretano, poliisopreno (caucho sintético), cualquier tipo de elastómeros, la familia Tango de materiales similares al caucho (por ejemplo, TangoPlus o FullCure930), espuma de poliuretano (goma espuma), espuma XPS, espuma de poliestireno, espuma fenólica, copolímeros de bloque estirénicos, mezclas de poliolefinas, aleaciones de elastómeros, poliuretanos termoplásticos (TPU), copoliéster termoplástico, poliamidas termoplásticas, y similares.
El conductor y/o la conexión eléctrica estirables comprenden material eléctricamente conductor que es cualquier material adecuado capaz de conducir la corriente eléctrica. Dicho material incluye, pero no se limita a, metal líquido y metal conductor.
El metal líquido se selecciona a partir de metales que incluyen pero no se limitan a galio, mercurio, así como aleaciones de los mismos u óxidos de los mismos. El metal líquido (por ejemplo, aleaciones de Ga) o un metal con un punto de fusión bajo (por ejemplo, Ga puro) se combina con el material de adhesión y el metal conductor durante la evaporación para mejorar las propiedades mecánicas (elasticidad y capacidad de estiramiento) del conductor y/o conexión eléctrica estirables, dicha propiedad mecánica está limitada a la capacidad de deformación del material elastomérico utilizado para el sustrato estirable.
El metal conductor se selecciona entre metales que incluyen, pero no se limitan a, cobre, plata, oro, aluminio, platino, paladio y similares, así como aleaciones u óxidos de los mismos. Permite crear una conexión eléctrica de baja resistencia.
El material de adhesión forma una capa e incluye, pero no se limita a, Cr y Ti. Proporciona una adhesión entre el sustrato estirable y el metal conductor.
En particular, en el método de la invención, el metal líquido se selecciona a partir de galio, mercurio, aleaciones u óxidos de los mismos y de metal líquido o semilíquido a menos de 90°C en condiciones de presión atmosférica; el material de adhesión es metálico seleccionado a partir de Cr, Ti y el material conductor es metálico seleccionado a partir de Au, Ag, Cu o Au, Ag, Cu, Pt, Pd.
El material de adhesión, el metal conductor y el metal líquido se evaporan en una cámara de evaporación al vacío. El metal líquido se evapora antes, durante y después de que el otro metal (metal conductor) y el material de adhesión se evaporen. La tasa de deposición del metal líquido cambia durante el proceso para asegurar una adhesión de capa adecuada y una combinación adecuada entre metales y materiales. El vapor del metal líquido en la cámara durante todo el proceso se combina con los otros vapores de metal antes de que se deposite sobre el sustrato. Al final del proceso, a temperatura ambiente y condiciones ambientales, el metal líquido es semilíquido y se combina con los otros metales para asegurar propiedades mecánicas y eléctricas óptimas para su aplicación en la electrónica estirable (véanse las Figuras 2 y 5).
También se describe un conductor y/o conexión eléctrica estirables obtenidos mediante el método de la invención.
Dado que las velocidades de deposición del metal líquido son variables durante todo el proceso, los métodos descritos en este documento proporcionan conductores y/o conexiones eléctricas estirables, que pueden tener diferentes estructuras. Dichas estructuras incluyen sustratos elásticos o estirables que forman un soporte estirable sobre el cual son depositados sucesivamente el material de adherencia, el material conductor y el metal líquido (véase la Figura 5b, que no forma parte de la invención), sustratos elásticos sobre los que alternativamente es depositado el metal líquido en cualquier orden entre la capa de adhesión y conductora (véase la Figura 5c, que no forma parte de la invención) y los sustratos elásticos sobre los cuales el metal líquido es depositado continuamente primero con el material de adhesión y luego con el material conductor (véase la Figura 5d, según se proporciona mediante el método de la invención).
También se describe un conductor y/o conexión eléctrica estirable que comprende el sustrato estirable, un material de adhesión, un metal conductor y un metal líquido, en donde dicho material de adhesión, dicho metal conductor y dicho metal líquido están en forma de capas.
El conductor y/o la conexión eléctrica estirables comprenden además una capa de metal líquido sobre el sustrato estirable. Esta capa de metal líquido puede ser opcional. El sustrato estirable puede estar cubierto por una primera capa de metal líquido, si está presente, o directamente por la capa adhesiva, si dicha primera capa de metal líquido está ausente.
El conductor y/o la conexión eléctrica estirables comprenden además una capa de metal líquido sobre la capa de metal conductor.
La capa de material de adhesión está cubierta por la capa de metal conductor que está cubierta por la capa de metal líquido.
La capa de material de adhesión, la capa de metal conductor y la capa de metal líquido del conductor estirable y/o la conexión eléctrica son capas sucesivas o capas alternas.
El conductor estirable y/o la conexión eléctrica pueden comprender además una capa de metal líquido entre la capa de material adhesivo y la capa de metal conductor.
El conductor y/o la conexión eléctrica estirables comprenden una capa de material de adhesión que comprende metal líquido y material de adhesión y una capa de metal conductor que comprende metal líquido y metal conductor.
El conductor y/o la conexión eléctrica estirables se pueden estirar en más del 100 % de la longitud inicial dependiendo de la capacidad de deformación del sustrato estirable. La deformación del conductor y/o de la conexión eléctrica estirable es superior al 300 % de alargamiento, en el intervalo del 100 % al 500 %, del 100 % al 300 % de la longitud inicial. En un caso particular, un conductor y/o una conexión eléctrica estirables proporcionados por la metalización de la aleación Cr-Au-Ga se estiran y permanecen conductores en todo el intervalo elástico del 500 % de alargamiento del sustrato que es PDMS.
En un aspecto, la invención proporciona un dispositivo que comprende uno o más conductores y/o conexiones eléctricas estirables según el método de la invención.
En una realización, el dispositivo de la invención se selecciona a partir de un extensímetro, una almohadilla capacitiva, un plano de tierra, un sensor, un sensor capacitivo, una matriz de sensores capacitivos, una conexión mecánica electrónica.
En una realización adicional, el dispositivo de la invención se utiliza para medir la oclusión dental y las fuerzas dentales a través de medios capacitivos. En consecuencia, el dispositivo para utilizar en la medición de la oclusión dental de un sujeto a través de medios capacitivos, se caracteriza por que comprende: un sustrato reversiblemente deformable tras la oclusión dental; y un sensor incorporado dentro de dicho sustrato que comprende al menos una almohadilla capacitiva y líneas conductoras de transmisión, conectando operativamente dichas líneas conductoras de transmisión la almohadilla capacitiva a una unidad de microcontrolador.
En otra realización, el dispositivo de la invención es una conexión electrónica y mecánica que comprende dos almohadillas de circuito, en donde al menos una de las almohadillas es un conductor y/o una conexión eléctrica estirable según la invención, a saber, obtenido por el método de la invención.
La presente invención se ilustra ahora por medio de ejemplos. Estos ejemplos no limitan el alcance de esta invención, que está definida por las reivindicaciones adjuntas.
Ejemplos
Novedosa transición de circuito electrónico estirable a flexible
El método de la invención que da como resultado metales depositados sobre sustratos elásticos permite poner en contacto eléctrico la placa electrónica flexible con la estirable (véase la Figura 6). El metal líquido evaporado y combinado con Au puede permanecer en contacto con las partes metálicas electrónicas flexibles.
Se modela una almohadilla (2, 5) tanto en el sustrato flexible (1) como en el estirable (4) para aumentar la región de contacto de los dos circuitos. Se crea un patrón en la placa flexible con fotolitografía y técnicas de grabado. En esta región se coloca un adhesivo (3) para mejorar la adherencia entre los dos sustratos (véase la Figura 6A). La cantidad de este adhesivo está por debajo del nivel de la metalización, tirando de la PCB estirable (6) hacia la flexible (7), mejorando el contacto eléctrico (véase la Figura 6B). Se pueden añadir más aglutinantes de encapsulación y mecánicos en esta región para mejorar la adhesión.
Prueba de estiramiento
Utilizando el método de la invención, se preparó una muestra para ensayos de estiramiento mecánico (véase la Figura 8). La muestra consistió en una línea conductora estrecha (2) modelada sobre silicona fina (1). Tal línea tenía 5 cm de largo y 250 pm de ancho en reposo. La deposición de metal se realizó evaporando Cr, Au y Ga a una velocidad de 1 nm/s, 3 nm/s y 0,1 nm/s respectivamente. La deposición del Ga se produjo a lo largo de todo el proceso. Los cables eléctricos (3) se conectaron directamente a las almohadillas de la muestra mediante un adhesivo (4). Después se analizó la muestra. Una máquina de prueba mecánica controlada por ordenador estiró linealmente la muestra (como lo indican las flechas en la Figura 6) y se midió la resistencia de la línea para diferentes valores de deformación (véase la Figura 9). La línea permaneció eléctricamente conductora hasta el 100 % de la tensión y más.
Aplicación en odontología
El método de la invención también permite el uso de componentes electrónicos estirables en campos de aplicación tecnológica en donde la tensión y la deformación del sustrato son mucho mayores que en el estado actual de la técnica. Además, esta invención introduce la posibilidad de interconectar sustratos electrónicos estirables con sustratos electrónicos tradicionales sin usar pastas conductoras dañinas ni otros conductores líquidos, lo que permite usar dispositivos electrónicos estirable en campos de aplicación en donde la toxicidad no está permitida (por ejemplo, en el campo dental o médico).
Utilizando el método de la invención, se ha fabricado una matriz de sensores capacitivos sensibles a la presión sobre silicona biomédica (Figura 7A). El conjunto de sensores (1) se ha conectado (3) a una placa electrónica semirrígida (2) sin utilizar pastas conductoras ni materiales nocivos (Figura 7B). La electrónica de la placa (4) procesa las señales recopiladas por la matriz de sensores y evalúa la oclusión del paciente. Ante fuerzas y tensiones dentales (5), los elementos electrónicos adaptan su forma a la topología dental, se estiran, comprimen y relajan a la vez que permanecen conductores y elásticos incluso para deformaciones elevadas.
Referencias
[1] Documento US 7.491.892 B2 - Stretchable and elastic interconnects, Princeton University
[2] S.P. Lacour et al, Electronic dura mater for long term multimodal neural interfaces, Science 9, enero de 2015, Vol. 347 n26218 págs. 159-163
[3] A. P. Gerratt, N. Sommer, S. P. Lacour y A. Billard, Stretchable capacitive tactile skin on humanoid robot fingers - First experiments and results, 2014 IEEE-RAS International Conference on Humanoid Robots, Madrid, 2014, págs. 238-24510
[4] N. Tiercelin, P. Coquet, R. Sauleau, V. Senez y H. Fujita, Polydimethylsiloxane membranes for millimeter wave planar ultra flexible antennas, Journal of Micromechanics and Microengineering, IOP Publishing, 2006, 16, págs.
2389-2395
[5] J.W. Boley, E.L. White, G.T.-C. Chiu, R.K. Kramer, Direct Writing of Gallium-Indium Alloy for Stretchable Electronics, Advanced Functional Materials 23, 18 de junio, Vol. 24, págs. 3501 -3507.

Claims (14)

REIVINDICACIONES
1. Un método para producir un conductor y/o una conexión eléctrica estirables que comprende
- proporcionar un sustrato estirable, un metal líquido, un metal conductor y un material de adhesión en una misma cámara de evaporación;
- depositar el metal líquido;
- depositar el material de adherencia; y
- depositar el metal conductor;
el metal líquido, el metal conductor y el material de adhesión son depositados por evaporación, la deposición se realiza al vacío;
en donde
- el metal líquido se deposita continuamente por evaporación durante todo el proceso de evaporación, incluida la deposición del material de adhesión y del metal conductor.
2. El método de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el material de adhesión se deposita antes que el metal conductor.
3. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el metal líquido, el metal conductor y el material de adhesión se depositan por evaporación a diferentes velocidades de deposición, que varían durante el proceso.
4. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende además una etapa de depositar el metal líquido sobre el sustrato estirable y/o antes de depositar el material de adhesión.
5. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende además una etapa de depositar el metal líquido después de depositar el material de adhesión y antes de depositar el material conductor.
6. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que el metal líquido se deposita antes de depositar el material de adhesión, durante la deposición de dicho material de adhesión, después de depositar dicho material de adhesión y antes de depositar el material conductor, durante la deposición de dicho material conductor y después de depositar dicho material conductor.
7. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la deposición por evaporación se realiza mediante un método de deposición física por vapor seleccionado entre una deposición por proceso de sublimación, deposición por arco catódico, deposición física por vapor por haz de electrones, evaporación térmica, deposición por evaporación, deposición por láser pulsado, deposición por pulverización catódica y/o deposición química por vapor, evaporación por haz de electrones, evaporación térmica, epitaxia por haz molecular.
8. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el sustrato estirable comprende un material elastomérico.
9. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el metal líquido se selecciona a partir de galio, mercurio, aleaciones u óxidos de los mismos y de metal líquido o semilíquido a 90°C en condiciones de presión atmosférica; el material de adhesión es metálico seleccionado a partir de Cr, Ti y el material conductor es metálico seleccionado a partir de Au, Ag, Cu, Pt, Pd.
10. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que se modela la deposición de los metales y el material sobre el sustrato estirable.
11. Un dispositivo que comprende uno o más conductores y/o conexiones eléctricas estirables producidos mediante el método definido por las reivindicaciones 1 a 10.
12. El dispositivo de la reivindicación 11, caracterizado por que es seleccionado a partir de un medidor de tensión, una almohadilla capacitiva, un plano de tierra, un sensor, un sensor capacitivo, una matriz de sensores capacitivos, una conexión mecánica electrónica.
13. El dispositivo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 11 y 12 para su utilización en la medición de la oclusión dental y de las fuerzas dentales a través de medios capacitivos.
14. El dispositivo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 11-13, caracterizado por que es una conexión electrónica y mecánica que comprende dos almohadillas de circuito, en la que al menos una de las almohadillas es un conductor y/o una conexión eléctrica estirables producidos por el método definido por las reivindicaciones 1 a 10.
ES16733211T 2015-06-29 2016-06-22 Electrónica estirable para aplicaciones de odontología y método para la fabricación de la misma Active ES2877429T3 (es)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
IB2015054881 2015-06-29
PCT/IB2016/053721 WO2017001978A1 (en) 2015-06-29 2016-06-22 Stretchable electronics for dentistry applications and method of making the same

Publications (1)

Publication Number Publication Date
ES2877429T3 true ES2877429T3 (es) 2021-11-16

Family

ID=56289549

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
ES16733211T Active ES2877429T3 (es) 2015-06-29 2016-06-22 Electrónica estirable para aplicaciones de odontología y método para la fabricación de la misma

Country Status (4)

Country Link
US (1) US10405432B2 (es)
EP (1) EP3314990B9 (es)
ES (1) ES2877429T3 (es)
WO (1) WO2017001978A1 (es)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10828486B2 (en) * 2015-10-30 2020-11-10 Ecole Polytechnique Federale De Lausanne (Epfl) Method for manufacturing electrical conductors, and electrical conductors manufactured according to same
CN109287073B (zh) * 2017-07-20 2021-09-10 国家纳米科学中心 柔性可拉伸线路的表面修饰方法及其应用
WO2019219487A1 (en) * 2018-05-17 2019-11-21 Ecole Polytechnique Federale De Lausanne (Epfl) Method for manufacturing hybrid soft-rigid electronic devices
JP7101788B2 (ja) * 2018-09-05 2022-07-15 Ｐｈｃホールディングス株式会社 生体情報測定装置、生体情報測定システム、およびインサータ

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7491892B2 (en) 2003-03-28 2009-02-17 Princeton University Stretchable and elastic interconnects
US8329493B2 (en) * 2009-03-20 2012-12-11 University Of Utah Research Foundation Stretchable circuit configuration
KR101472416B1 (ko) * 2013-10-17 2014-12-12 고려대학교 산학협력단 3차원 스트레쳐블 전자소자 및 이의 제조 방법
WO2015061473A1 (en) * 2013-10-22 2015-04-30 Cornell University System and methods for instrument design

Also Published As

Publication number Publication date
WO2017001978A1 (en) 2017-01-05
US20180168033A1 (en) 2018-06-14
US10405432B2 (en) 2019-09-03
EP3314990A1 (en) 2018-05-02
EP3314990B1 (en) 2021-03-31
EP3314990B9 (en) 2021-08-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
ES2877429T3 (es) Electrónica estirable para aplicaciones de odontología y método para la fabricación de la misma
Li et al. Selectively plated stretchable liquid metal wires for transparent electronics
Li et al. Liquid metal-based electrical interconnects and interfaces with excellent stability and reliability for flexible electronics
JP6551843B2 (ja) 伸縮性導電体およびその製造方法と伸縮性導電体形成用ペースト
WO2015125944A1 (ja) 自己修復型配線及び伸縮デバイス
JP6609571B2 (ja) 適応型温熱療法のためのスマート温熱パッチ
Lee et al. Multiaxially-stretchable kirigami-patterned mesh design for graphene sensor devices
CN108692647A (zh) 传感器
US20210296554A1 (en) Bidirectional stretchable and flexible wearable thermoelectric module
JP7249648B2 (ja) 伸縮導電配線材料、及びそれを有する伸縮導電配線モジュール
Hellebrekers et al. Liquid metal-microelectronics integration for a sensorized soft robot skin
JP2016520986A (ja) 伸縮性エレクトロニクス用の自己相似フラクタルデザイン
Li et al. Highly Stretchable and Skin Adhesive Soft Bioelectronic Patch for Long‐Term Ambulatory Electrocardiography Monitoring
Sun et al. Stretchable conductors fabricated by stencil lithography and centrifugal force-assisted patterning of liquid metal
Dang et al. Stretchable pH sensing patch in a hybrid package
Shahandashti et al. Fabrication of stretchable interconnects embedded in Biocompatible Elastomers
KR102170894B1 (ko) 늘림 가능한 신축성 전극을 구비한 유연성 기판 결합체 및 그 제조 방법
US20240237199A9 (en) Electronic substrate
CN111129833A (zh) 一种与柔性电子器件中的电子线路相连接的电极
Jahanshahi et al. Stretchable biocompatible electronics by embedding electrical circuitry in biocompatible elastomers
KR20190097559A (ko) 신경조절 디바이스용 전극 구조체
KR20210055943A (ko) 다양한 외부 환경 및 큰 스트레인 하에도 저항 변화가 없는 연신성 전극 및 그의 제조방법
Biswas Metamorphic stretchable electronics
JP7509980B1 (ja) 回路基板
Rogers Semiconductor devices inspired by and integrated with biology