Рассмотрены комплекс конструкторско-технологических решений и практическая реализация конформно интегрируемой электронной компонентной базы гибкой печатной электроники, которые могут эффективно использоваться в системах Интернета людей.
Выпуск #5/2020В. Лучинин, О. Бохов, И. Мандрик, В. Старцев, А. Смирнов, П. Афанасьев, М. Аньчков, А. Пудова, В. Никонова, С. Шевченко КОНФОРМНО ИНТЕГРИРУЕМАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ КОМПОНЕНТНАЯ БАЗА ГИБКОЙ ПЕЧАТНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ ДЛЯ ИНТЕРНЕТА ЛЮДЕЙ
Рассмотрены комплекс конструкторско-технологических решений и практическая реализация конформно интегрируемой электронной компонентной базы гибкой печатной электроники, которые могут эффективно использоваться в системах Интернета людей.
Конформно интегрируемая электронная компонентная база гибкой печатной электроники для Интернета людей
В. Лучинин, д. т. н., О. Бохов, к. т. н., И. Мандрик , В. Старцев, А. Смирнов , П. Афанасьев, к. т. н., М. Аньчков , А. Пудова, В. Никонова , С. Шевченко, к. т. н.
В современном мире приобретают все большую актуальность тенденции, связанные с сохранением и генерацией «человеческого капитала», повышением качества жизни. В рамках развития этих тенденций сформировалось понятие «Интернет людей» (Internet of People – IoP). Оно отражает виртуальную деятельность человека в инфокоммуникационном пространстве по управлению объектами окружающего мира с использованием биометрических данных и биофункциональных показателей для обеспечения персонализированной среды жизнедеятельности человека. В статье рассматриваются комплекс конструкторско-технологических решений и практическая реализация конформно* интегрируемой электронной компонентной базы гибкой печатной электроники, которые могут эффективно использоваться в системах Интернета людей.
Человек как объект Интернета людей обладает собственными биологическими идентификационными признаками, ярко выраженными когнитивными функциями, развитой мультисенсорикой и автономным энергосбережением (табл. 1).
Особенности перехода от Интернета вещей к новому поколению Интернета людей:
биометрическая идентификация личности (биологический адрес);
контроль местоположения биообъекта и динамики его перемещения;
анализ поведения и активности индивида;
мониторинг биомедицинских параметров;
активные фармакологическое и нефармакологическое воздействия на человека на основании удаленного анализа его биоданных;
нейрокогнитивное управление человеком интегрированными в одежду или размещаемыми на теле искусственными системами для мониторинга физиологического состояния, биомедицинской диагностики, неинвазивной и инвазивной терапии и биозамещения;
дистанционное управление человеком окружающими и удаленными объектами за счет киберфизического интерфейса, обеспечивающего преобразование и передачу регистрируемых данных индивида в виде движений и жестов, мыслей и эмоций;
дистанционное формирование без непосредственного участия человека управляющих воздействий на окружающие его объекты на основании виртуальных процедур анализа биоданных и мониторинга среды обитания.
Гибкая печатная электроника и фотоника [1, 2] может рассматриваться как одно из приоритетных направлений при решении научно-практических задач развития нового поколения Интернета людей, учитывая возможность ее конформной интеграции как в объекты органической, так и неорганической природы. Компоненты гибкой печатной электроники конформно пространственно-геометрически и функционально интегрируются в распределенные сенсорно-управляющие и инфокоммуникационные среды [3], обеспечивая высокую конструктивную адаптивность, эргономичность и экономическую эффективность технических решений [4, 5].
Целью работы является представление возможной конструктивно-технологической эволюции персонифицированных носимых конформных автономных интеллектуальных идентифицирующих, сенсорных, корректирующих и управляющих систем в рамках развития технологий гибкой печатной электроники.
Инженерия Интернета людей Базовые направления Интернета людей отражает совокупность следующих конструкторско-технологических решений:
умная одежда – пассивный субстрат с размещенными функциональными сенсорными, процессорными, энергообеспечивающими и инфокоммуникационными модулями;
широкое использование при изготовлении изделий прецизионных аддитивных струйных, корпускулярных и импринт-технологий;
реализация процессов с применением 2D- и 3D‑субстратов различной физико-химической природы;
развитие конвергентных технологий на основе органо-неорганической и бионеорганической гибридизации.
Как отмечалось ранее [3], базисом для создания функциональных компонентов являются преимущественно аддитивные технологии: капельно-струйные, печатно-матричные трафаретные, аэрозольные и так называемые 3D-MID-технологии, основанные на лазерной модификации поверхности субстрата. Основными особенностями данного вида технологий являются:
гибкость, малая толщина или трехмерность субстратов;
низкие температуры процессов формирования рисунка;
достижение высокого пространственного разрешения [6, 7] при струйной печати (до 1 мкм) с возможностью отказа от литографических процессов;
широкая номенклатура базовых функциональных материалов, обеспечивающих формирование металлических, диэлектрических, магнитных, пьезоэлектрических, оптических и люминесцентных композиций.
Технология гибкой печатной электроники и фотоники интегрируется с процессами 2D и 3D прецизионной сборки, в том числе с использованием утоненной бескорпусной элементной базы, что обеспечивает сохранение гибкости и конформности конструкции.
На тонких гибких подложках толщиной от десятков до сотни микрон могут устанавливаться сверхтонкие кристаллы – утоненные чипы интегральных систем, придающие им в совокупности с субстратами функции сенсоров, излучателей, процессоров, памяти.
Фактически создается сложное функциональное изделие – например, современный интеллектуальный сенсорно-инфокоммуникационный гибкий модуль сверхмалой толщины (менее 200 мкм), конформно встраиваемый в любые объекты. Фактически это новый базис «интернета» различного функционального назначения: от контроля окружающей среды до мониторинга биопараметров и органозамещения.
Совокупность вышеуказанных технологических решений определяет ряд предметных индустриальных направлений гибкой печатной электроники для Интернета людей:
мультифункциональные сенсорно-исполнительные компоненты, интегрируемые в одежду или размещаемые на теле человека для биомониторинга и коррекции состояния организма;
микроаналитические диагностические системы типа «лаборатории на чипе» для биомедицинского экспресс-контроля;
сверхминиатюрные информационно-коммуникационные модули, конформно интегрируемые в одежду или размещенные на теле биообъекта для его быстрой идентификации, высокоточного позиционирования и передачи информации через персонифицированные носимые электронные средства или сторонние локальные терминалы;
биосенсорные модули, в том числе камуфлируемые, для расширения функциональных возможностей человека, компенсации утраченных функций и когнитивного управления;
исполнительные миниатюрные конформно интегрируемые модули для бионических систем органозамещения.
Сенсорно-информационная платформа гибкой печатной электроники В основу формирования интеллектуальной сенсорно-информационной платформы нового поколения, конформно интегрируемой в биотехносферные инженерные разработки, были положены конструкторско-технологические решения, обеспечивающие создание разнообразных по функциональным возможностям сверхтонких изделий на основе совокупностей модулей (табл. 2). Семейство созданных модулей обеспечивает сбор, обработку, накопление и передачу информации, загрузку программного обеспечения и контроль за работой мультифункциональной системы дистанционно со смартфона, включая процесс энергообеспечения.
Комплекс работ по тополого-схемотехническому проектированию и технологической реализации функциональных модулей, включая программные средства управления печатным и микросборочным оборудованием, а также программное обеспечение для взаимодействия со всеми подсистемами смартфона, выполнен в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» на базе Инжинирингового центра «Гибкая печатная электроника и фотоника».
Выделим лишь совокупность достаточно уникальных технологий, разработанных в СПбГЭТУ «ЛЭТИ» в процессе конструкторско-технологической практической реализации сверхтонкой конформно интегрируемой сенсорно-информационной платформы нового поколения, созданной на основе технологий гибкой печатной электроники и адаптированных к ней процессов микросборки функциональных модулей:
декапсуляция кристаллов интегральных микросхем без потери их работоспособности;
утонение кристаллов-чипов функциональных компонентов до 30–70 мкм с высоким выходом годных без нарушения работоспособности;
роботизированная стековая сборка кристаллов-чипов с обеспечением их вертикальной функциональной интеграции;
технология мультислоевой псевдопланаризации поверхности по периметру утоненного кристалла бескорпусного компонента, размещенного на подложке, с реализацией многоуровневой токоразводки и контактирования с выводами кристалла-чипа методом локальной каплеструйной печати без нарушения сплошности и разрывов шин коммутации;
технология локального каплеструйного «доращивания» внешних контактных систем кристалла-чипа для обеспечения его монтажа на подложке методом перевернутого кристалла;
технология высокоточного позицирования при монтаже кристаллов-чипов интегральных микросхем методом перевернутого кристалла с формированием на подложке каплеструйной печатью рельефного диэлектрического слоя определенной топологии для обеспечения комплементарного совмещения (методом вложения) выводов кристалла с контактными системами подложки;
разработка печатного узла для оборудования высокоразрешающей каплеструйной печати с субмикроннным разрешением металлическими наноструктурированными композициями с использованием стимулирующего электрического поля, обеспечивающего локальный массоперенос [6, 7];
программные средства проектирования [10], адаптированные к решению тополого-схемотехнических задач разработки гибридных функциональных модулей на основе бескорпусной элементной базы на гибкой тонкой органической подложке;
программные средства для управления аппаратными модулями роботизированной линии гибкой печатной электроники [11] и кластера гибкой печатной электроники и фотоники в целом (рис. 1), включая реализацию процессов технохимии, комплекса операций 2D‑печати и прецизионной 2D- и 3D‑микросборки компонентов на гибких и твердых субстратах различной физико-химической природы.
Базовые функциональные узлы (модули), реализованные на полимерном субстрате (125 мкм), представлены в табл. 2.
В качестве унифицированных платформ, технически реализованных с использованием имеющихся в Инжиниринговом центре «Гибкая печатная электроника и фотоника» [12] печатных и микросборочных технологий, были определены два интеллектуальных сенсорных модуля, отличающихся видом инфокоммуникационного канала (электрический или радиотехнический) и возможностью накопления информации в специализированной памяти.
* * * Представленные приоритетные отечественные конструкторско-технологические решения, реализованные в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» в области гибкой печатной электроники, являются наиболее прогрессивными для формирования персонифицированной биомедицинской техносферы. Интегрируемые в одежду эпидермальные и имплантируемые биоинтегрируемые персонифицированные интеллектуальные сенсорные, процессорные, энерго- и инфообеспечивающие микро- и наносистемные платформы на гибких конформных носителях являются базисом Интернета людей, определяющим качество жизни человека и, безусловно, неисчерпаемый рынок наукоемкой высокоинтеллектуальной и креативной продукции [13].
По нашему мнению, наибольший интерес применительно к использованию гибких печатных элементов представляют персонифицированные конформно интегрируемые в одежду интеллектуальные сенсорные и корректирующие (фармакологические и нефармокологические) устройства для контроля биомедицинских показателей, анализа активности индивида, корректировки поведения и физиологического состояния. Для интеграции пригодны любые элементы: одежда, обувь и даже кожа человека.
Одежда и эпидермальные системы представляют интерес в первую очередь для людей пожилого возраста, поскольку они позволяют постоянно мониторить не только такие параметры, как пульс, артериальное давление, содержание сахара в крови, но и двигательную активность человека, положение его тела, прием лекарственных препаратов, а также дистанционно управлять техническими устройствами в условиях нарушения органов движения. Фактически устройства гибкой печатной электроники – это конформная интеллектуальная платформа нового поколения для следующей генерации Интернета людей.
В настоящее время «умная» одежда стоит достаточно дорого, однако сама технология гибкой печатной электроники обеспечивает возможность массового тиражирования функциональных модулей. Созданные в СПбГЭТУ «ЛЭТИ» отдельные модули уже сейчас можно дистанционно интегрировать с «умным» телефоном, расширив функциональные возможности человека.
В случае технологической конформной интеграции систем гибкой печатной электроники в одежду ее стоимость должна быть даже ниже, чем при стандартном размещении на человеке в виде совокупности современных электронных устройств с системами энергосбережения.
Известное высказывание: «Доброта – это то, что слышит глухой и видит слепой» – применительно к Интернету людей может быть представлено как технология социально-ориентированной биотехносферной интеллектуальной «доброты» ноосферы, то есть современной сферы разума и технологических возможностей человека.
Литература Tsuyoshi Sakitani, Takao Someya. Ambient Electronics // Japanese Journal of Applied Physics. 2012. V. 51, P. 100001-1–100001-13. Лучинин В. В. Мультидисциплинарные технологии. Гибкая электроника и фотоника // Нано- и микросистемная техника. 2013. № 12 (161). С. 2–6. Лучинин В. В., Бохов О. С., Афанасьев П. В., Мандрик И. В., Старцев В. А., Смирнов А. В., Никонова В. А. Гибкая печатная конформная электроника. Отечественные компетенции и электронные компоненты // НАНОИНДУСТРИЯ. 2019. Т. 12. № 6(92). C. 342–350. Ильин С. Ю., Лучинин В. В. Эпидермальные биоинтегрируемые персонифицированные интеллектуальные сенсорные и корректирующие микро- и наносистемы // Биотехносфера. 2017. № 3 (51). C. 2–14. Ильин С. Ю., Лучинин М. В. Интеллектуальная искусственная кожа – эпидермальный мониторинг и коррекция биообъектов // Нано- и микросистемная техника. 2017. Т. 19. № 8. C. 499–507. Бохов О. С., Афанасьев П. В. Электрогидродинамический способ печати наноразмерных 2D- и 3D‑структур // Нано- и микросистемная техника. 2017. Т. 19. № 8. С. 475–478. Bochov O., Afanasev P., Grooten M., Henk van Broekhuyzen, Startsev V., Mandrik I., Nikonova V., Smirnov A. Super inkjet technology machine development for additive 3D Manufacturing // International Scientific Journal «Industry 4.0». 2019. P. 175–178. Афанасьев П. В., Бохов О. С., Мандрик И. В., Старцев В. А. Каплеструйная технология гибкой печатной электроники для изготовления пассивных компонентов // Нано- и микросистемная техника. 2017. Т. 19. № 8. С. 465–468. Топталов С. И., Устинов Е. М., Афанасьев П. В., Бохов О. С., Мандрик И. В., Старцев В. А. Создание антенных печатных модулей каплеструйной технологией // Нано- и микросистемная техника. 2017. Т. 19. № 8. С. 470–473. Бороденков Н. И., Бохов О. С., Смирнов А. В., Шилков В. М. Разработка программных средств для проектирования и создания устройств гибкой печатной электроники // Нано- и микросистемная техника. 2017. Т. 19. № 8. С. 459–462. Афанасьев П. В., Бохов О. С., Лучинин В. В. Научно-технологический комплекс экспресс-прототипирования изделий гибкой электроники и фотоники // НАНОИНДУСТРИЯ. 2013. № 6(44). C. 94–104. Лучинин В. В. Российский пилотный проект инжинирингового центра «Гибкая печатная электроника и фотоника» // Нано- и микросистемная техника. 2017. Т. 19. № 8. С. 451–455. Лучинин В. В. Индустрия микро- и наносистем: от импортозамещения к технологическому суверенитету // НАНОИНДУСТРИЯ. 2018. Т. 11. № 6(85). С. 450–461.