Multi-layer stretchable electronics with integrated microchips

Abstract

A tecnologia dos dispositivos hoje largamente utilizados é constituída por materiais rígidos, senão mesmo quebradiços, enquanto os tecidos biológicos são, na sua maioria, formados por materiais moles ("soft"). Estes são uma fonte de inspiração no campo recente da eletrónica deformável (elástica), que se especializa nos métodos de fabrico de circuitos eletrónicos cujas propriedades mecânicas correspondem às dos tecidos biológicos, que por serem moles, suportam um certo nível de deformação elástica. Por exemplo, um dispositivo de biomonitorização constituído por circuitos eletrónicos deformáveis será capaz de acompanhar a morfologia dinâmica da pele humana quando aderido à epiderme. Apesar dos rápidos avanços neste domínio nos anos recentes, existem contudo importantes problemas no desenvolvimento de circuitos duradouros e funcionais. Este trabalho de projeto centra-se em dois assuntos principais: 1 – Interfaces de componentes eletrónicos rígidos num circuito deformável; 2 – Construção de circuitos deformáveis multicamada. No primeiro ponto, são propostos e caracterizados dois métodos diferentes que permitem a integração de componentes eletrónicos rígidos, como dispositivos de montagem superficial (SMDs), em circuitos deformáveis. No segundo ponto, foi desenvolvido um método original para a elaboração de vias (Vertical Interconnect Accesses) por ablação laser de películas finas elastoméricas, possibilitando a criação de circuitos multicamada. O método de interface de componentes eletrónicas rígidas em camadas elastoméricas tem as Placas de Circuito Impresso Flexíveis (FPCB) como o material intermédio que não só introduz os circuitos integrados (ICs) SMD, mas também faz a ligação com as interconexões elásticas de metal líquido de Gálio-Índio (eGaIn) fabricados num substrato de Polidimetilsiloxano (PDMS). Uma interface de camada única foi melhorada em relação a anteriores configurações do estado-da-arte. Em seguida, um método original de interface multicamada foi desenvolvido com base na criação de vias. A fabricação de vias utiliza ablação a laser vertical e deposição com "spray" de metal líquido para realizar tanto interfaces multicamada como circuitos multicamada. Os casos de estudo demonstram a aplicação destes métodos a três circuitos: um LED RGB (tricolor), um teclado deformável multicamada, e um dispositivo eletromiográfico (EMG) aplicado sobre a pele para biomonitorização da atividade muscular. Estas aplicações incluem um sistema híbrido no qual ilhas de eletrónica flexível com ICs estão interligadas por interconexões de metal líquido, ao passo que as componentes SMD de dimensões mais reduzidas são fixadas sobre as conexões de metal líquido. Além disso, também demonstram ligações fiáveis a fontes de alimentação exteriores ou a unidades de transmissão de sinal.

Machines in engineering are made out of rigid and brittle materials, while biological tissues are mostly made out of soft materials. This is a source of inspiration for the novel field of stretchable electronics, which focuses on fabrication methods of electronic PCBs that match the mechanical properties of biological tissues, which are soft, and can withstand a certain amount of strain. As an example, a biomonitoring patch composed of a stretchable electronics circuit should be able to follow the dynamic morphology of the human skin when placed over the epidermal layer.Despite rapid advances of this field in the last couple of years, there are still several problems to be addressed for development of durable and functional circuits. This dissertation focuses on two main subjects:1 - How to interface rigid electronics components into a stretchable circuit;2 - How to develop multi-layer stretchable circuits.For the first subject, we proposed, tested and characterized two different methods that allow rigid electronics components such as Surface Mount Devices (SMDs) to be integrated into stretchable circuits. For the second subject, a novel method was developed for autonomous creation of laser ablated Vertical Interconnect Accesses (vias) over the thin elastomeric films, which allows creation of multi-layer circuits.The proposed method for interfacing rigid electronics components within the elastomeric films, considers Flexible Printed Circuit Boards (FPCB) as an intermediate material that embeds SMD Integrated Circuits (ICs), and interfaces with Galium-Indium (eGaIn) liquid metal interconnects fabricated over polydimethylsiloxane (PDMS) silicone substrate. A single-layer interface design was improved with respect to previous state of the art configurations. Then, a novel multi-layer interface is presented based on the development of Vertical Interconnect Accesses (vias). The developed vias technique uses vertical laser ablation and liquid metal spray deposition to achieve either a multi-layer interface or multi-layer LM circuits.As case-studies, the developed fabrication methods were applied to demonstrate three circuits, a RGB LED, a stretchable computer keyboard, and an ElectroMyoGraphy (EMG) muscle monitoring patch applied over the skin. These demonstrations include a hybrid electronics approach where islands of flexible electronics containing IC chips are connected through LM interconnects, while some of the smaller components are directly fixed over the LM interconnects. It also shows creation of reliable connections for external power supplies or signal transmission.