במחקר שפורסם לאחרונה בכתב העת מיקרו-מערכות וננו-הנדסה, חוקרים מתארים תהליך ייצור חדשני פורץ דרך עבור מכשיר אינטראקטיבי נטול מגע ("עור") באמצעות מערך חיישנים ענק מגנוטוריסטי (GMR). עורות מגנו-אלקטרוניים גמישים מהדור הנוכחי סובלים משלושה חסרונות בסיסיים: רגישות נמוכה, אתגרי דלמינציה (ייצור) לא הרסניים וקשיי זיהוי שדה מגנטי קלים.
העבודה הנוכחית מטפלת בחסרונות אלו על ידי הצגת תהליך דלמינציה אלקטרוכימי חדשני המייצר מערכת GMR דקה במיוחד ורב-שכבתית השומרת על ביצועים גם לאחר כיפוף חוזר (עד 90 מעלות). מכשירי בדיקה המשתמשים בתהליך ייצור זה הוכיחו שיפורים משמעותיים בהשוואה למערכות קונבנציונליות בעמידות (במיוחד הקשורה לכיפוף), חישת לחץ ואינטראקציה ללא מגע. עבודה זו מייצגת את הצעד הראשון לקראת דור חדש של חיישנים מגנטיים גמישים בעלי ביצועים גבוהים, וסוללים את הדרך לטכנולוגיות עור לביש מתוחכמות יותר.
א איור של תהליך דלמינציה אלקטרוכימי טיפוסי. ב איור של הכנת רדיד PI-אלקטרונית על רקיקת סיליקון בעלת התנגדות נמוכה בתמיסת NaCl. תמיסת NaCl מטפסת כלפי מעלה, ומקלה על התרחשות תגובות. ג תרשים סכמטי של התגובות האלקטרוכימיות בקתודה ובאנודה. ד צילומים המציגים את ההתקדמות בניתוק חיישן GMR בגודל 1.6 ס"מ × 1.6 ס"מ. ה זמן דלמינציה ממוצע בעת הפעלת מתח שנע בין 10 ל-20 וולט; זמן דלמינציה ממוצע כאשר ריכוז NaCl עולה מ-0.02 M ל-5.43 M (רוויה-על)
רֶקַע
שני העשורים האחרונים היו עדים לעליות חסרות תקדים בשימוש וביישומים של מוצרים לבישים אלקטרוניים, במיוחד בתחום ממשקי האדם למכונה (HMIs). יישום אחד כזה, 'עורים אלקטרוניים', שואף לשכפל את פונקציונליות העור הטבעית עם תוספת של ניטור בריאות ויכולות מעקב אחר תנועה. מחקר עדכני שואף להגביר את הפונקציונליות הזו על ידי לאפשר את הפיתוח של 'תפיסה מגנטית', 'חוש שישי' חדשני.
פונקציונליות זו מושגת באמצעות חיישני ענק מגנוטוריסטיים (GMR) המורכבים מחיישני מנהור מגנטוריסטי (TMR), ענק מגנטואימפדנס (GMI), אנזוטרופי מגנטוריסטי (AMR) או חיישני הול. למרבה הצער, תהליכי ייצור קונבנציונליים הכוללים הפקדת ערימות Co/Cu, Py/Cu או Pd/Co על גבי רדיד דק במיוחד מציגים חסרונות מרובים. יש לציין כי תהליך הייצור הוא לרוב ידני ולא יעיל, ומונע ייצור המוני מתוקנן. יתר על כן, מכשירים המבוססים על המוצר המוגמר מפגינים רגישות נמוכה לשדות מגנטיים חלשים ועמידות נמוכה.
לגבי המחקר
המחקר הנוכחי שואף להתגבר על אתגרים אלה על ידי הדגמת ייצור וביצועים של תהליך דלמינציה אלקטרוכימי חדש המאפשר ניתוק לא הרסני של סרטים דקים במיוחד מהמצע הקשיח שלהם. תהליך זה לא רק משפר את היעילות אלא גם ממזער נזקים, וכתוצאה מכך מבנה שסתום ספין GMR בעל רגישות מגנטית גבוהה, זווית כיפוף של 90°, וללא פגיעה בביצועים נצפית גם לאחר כיפוף חוזר.
זִיוּף
ייצור חיישן GMR החדש מושג באמצעות הליך דלמינציה אלקטרוכימי רב-שלבי. ראשית, פותח מצע המורכב מפריסת סיליקון (Si) עם סימום כבד (התנגדות = 0.002 עד 0.004 Ω ס"מ) עם שכבת פולימר דקה מונחת. שנית, תהליכי ייצור מיקרו קונבנציונליים משמשים לייצור מכשירי GMR על שכבת הפולימר. שלישית, המבנה מוכנס לתמיסת אלקטרוליט מימית נתרן כלוריד (NaCl), וקצוות שכבת הפולימר נגזמים כדי לאפשר מגע ישיר בין רקיקת Si לתמיסת NaCl.
א תמונה סכמטית המציגה את האינטראקציות ללא מגע באמצעות מערך חיישני ה-GMR הגמיש. ב תמונה אופטית של מערך חיישני ה-GMR הגמיש ועור מגנטי על קצה אצבע אנושי. ג תגובה מגנטית של מערך חיישני GMR כאשר אצבע מתקרבת לפינה השמאלית העליונה. ד תמונות סכמטיות המציגות את חישת הלחץ באמצעות מערך חיישני ה-GMR הגמיש. ה, ח תמונות אופטיות של מערך חיישני ה-GMR הגמיש והעור המגנטי כאשר מופעלים לחצים של 61.36 גרם ו-180.89 גרם. ז תמונות צד אופטיות של מתקן חישת הלחץ. ו, אֲנִי תגובה מגנטית כאשר מופעלים לחצים של 61.36 גרם ו-180.89 גרם
לבסוף, הפעלת פוטנציאל חיובי ושלילי לתמיסת NaCl מעוררת תגובה אנודית, וכתוצאה מכך היווצרות חמצן (O2) בועות שבתורן מקלות על ההפרדה של שכבות Si ופולימר. יש לציין, תהליך זה יכול להיות אוטומטי והוא נטול נזקים מכניים וכימיים האופייניים לגישות ייצור GMR קונבנציונליות.
"שיטה זו מדגימה עליונות על פני טכניקות דלמינציה אחרות בשל אופייה הפשוט, במיוחד המהיר, הלא פולשני והניתן להתאמה."
הסרט הפולימרי הניצב המתקבל כך יכול בקלות להיות למינציה על משטחי יעד ליצירת מבנים רב-שכבתיים של GMR ופיתוח לאחר מכן של HMIs.
ביצועים
פלטפורמת בדיקת חיישן תהודה מגנטית (MR) שימשה לבדיקת ביצועי מכשיר טייס. נצפו יחסי GMR שהגיעו ל-5.6%, תואמים למכשירי GMR קונבנציונליים מבוססי שכבות אנטי-פרומגנטיות. בעקבות דלמינציה, ירדו יחסי ה-GMR ל-2.46%. עם זאת, רגישות נמוכה של שדה מגנטי עלתה על מתודולוגיות קודמות באופן משמעותי (10 Oe לפני ו-80 Oe בעקבות דלמינציה לעומת 4 kOe).
חספוס פני השטח של הפולימיד המצופה בספין הוערך באמצעות מיקרוסקופיה של כוח אטומי (AFM) והתגלה כ-0.574 ננומטר. השוואות של עקומות מכשירים לפני ואחרי דלמינציה נצפו כמעט זהות, מה שמאשר שלתהליך הדלמינציה הנוכחי הייתה כמעט כל השפעה על ביצועי ה-GMR הסופיים.
ביצועי הכיפוף הוערכו באמצעות לוח מעגלים גמישים בעיצוב מותאם אישית. יחס ה-GMR נותר על 2.46% על פני זוויות כיפוף מ-0° ל-90° עם התנגדות שמשתנה בפחות מ-6 Ω (התנגדות ראשונית = 1600 Ω), מה שמדגיש עוד יותר את עמידות המכשיר.
"תכונות אלה הצביעו ביחד על כך שמערכת ה-GMR יכולה להיות מודבקת לכל חלק בגוף האדם ולהישאר בלתי מושפעת מעקמומיות העור הטבעית; לפיכך, מערכת זו חשובה במיוחד ליישומים בעור חכם ובהקשרים ביו-רפואיים. יתר על כן, בשל הדק והדק במיוחד שלה. אופי גמיש, מערכת GMR יכולה להיצמד לכל משטח שטוח, ולספק יישומים פוטנציאליים בתחומים מגוונים, כולל רובוטיקה והעברת כוח אלקטרונית".
היציבות ארוכת הטווח של מכשיר ה-GMR הוערכה באמצעות ניסויי טעינה חוזרים ונשנים. התוצאות גילו שגם לאחר 500 מחזורי טעינה (זוויות כיפוף של 0° עד 60°), יחס ה-GMR נשאר קבוע על 2.46%, מה שהדגיש שמכשיר ה-GMR נשאר יציב למרות כיפוף חוזר. לבסוף, היישום של מכשיר ה-GMR כעור מגנטי המסוגל לספק למשתמשים חוש 'תפיסה מגנטית' שישית הוערך בהצלחה.
"…ניתן להשתמש בו על גוף האדם עבור לחץ מרובה אתרים, במיוחד בחולים בסיכון לפציעות לחץ, או להחיל אותו על רובוטים כדי לספק יכולות חישת לחץ ברזולוציה גבוהה ופונקציונליות דמוית אדם."
מסקנות
המחקר הנוכחי מתאר תהליך ייצור מהפכני עבור מכשירי GMR תוך שימוש בתהליך ייצור אלקטרוכימי חדשני של דלמינציה. גישה חדשנית זו לא רק משפרת את היעילות אלא גם פותחת אפשרויות חדשות לייצור בקנה מידה גדול. הממצאים מדגישים את הפיתוח של מערך חיישני ה-GMR הגמיש הראשון עם מבנה שסתום ספין ורגישות מוגברת לשדות מגנטיים קטנים. יש לציין כי המערך הפגין יציבות ארוכת טווח למרות מחזורי כיפוף חוזרים (500), והדגיש את היישומים הפוטנציאליים שלו ב"עור חכם" וחישת לחץ ברזולוציה גבוהה.
עבודה זו מייצגת צעד ראשון משמעותי בהשגת המטרה של סקינים אלקטרוניים משולבים מתקדמים עם פונקציונליות משופרת וחיי שירות ארוכים.
