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3 may 2013
Piel artificial transparente
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| Matriz de transistores PIEZOTRONIC capaces de convertir el movimiento mecánico en señales directamente controlantes electrónicos. |
Utilizando haces de nanocables de óxido de zinc verticales,
los investigadores han fabricado series de transistores capaces de convertir el
movimiento mecánico en señales electrónicas. Los arreglos pueden ayudar a dar a
los robots un sentido más adaptable del tacto, proporciona una mayor seguridad
en las firmas escritas a mano y ofrecen nuevas formas para que los humanos
interactúan con dispositivos electrónicos.
Las matrices incluyen más de 8.000 transistores PIEZOTRONIC en
funcionamiento, cada uno de los cuales puede producir independientemente una
señal electrónica de control cuando se coloca bajo tensión mecánica.
Estos
transistores sensibles al tacto(apodados "taxels") podrían
proporcionar importantes mejoras en las operaciones de resolución, sensibilidad
y adaptación en comparación con las técnicas existentes para la detección
táctiles. Su sensibilidad es comparable a la de un dedo humano. Los taxels
alineados verticalmente con los transistores operan en dos terminales. En lugar
de una tercer terminal utilizada por transistores convencionales para controlar
el flujo de corriente que pasa a través de ellos, los taxels controlan la
corriente con una técnica llamada Strain-gating, basada en el efecto
PIEZOTRONIC que utiliza las cargas eléctricas generadas en el Schottky para
ponerse en contacto con la interfaz por el efecto piezoeléctrico cuando los
nanocables se colocan bajo tensión por la aplicación de la fuerza mecánica. La
investigación fue publicada 25 de abril en la revista Science en línea, en el
sitio web Science Express, y se publicará en una versión posterior de la
revista impresa. La investigación ha sido patrocinada por la Defense Advanced
Research Projects Agency (DARPA), la Fundación Nacional de Ciencia (NSF), la
Fuerza Aérea de EE.UU. (USAF), el Departamento de Energía (DOE) de EE.UU. y el
Programa de Innovación del Conocimiento de la Academia China de Ciencias.
"Cualquier movimiento mecánico, tales como el
movimiento de los brazos o los dedos de un robot, se podría traducir a señales
de control", explicó Zhong Lin Wang, profesor de la Cátedra de Regentes y
Hightower de la Facultad de Ciencia de los Materiales e Ingeniería en el
Instituto Georgia de Tecnología. "Esto podría hacer a la piel artificial
más inteligente y más como la piel humana. Sería permitir que la piel se sienta
la actividad en la superficie ".
Imitar el sentido del tacto ha sido un reto, y ahora se
realiza mediante la medición de cambios en la resistencia impulsadas por
contacto mecánico. Los dispositivos desarrollados por los investigadores de
Georgia Tech se basan en un fenómeno físico distinto - cargas de polarización
diminutas se forman cuando los materiales piezoeléctricos, tales como el óxido
de zinc se mueven o se colocan bajo tensión. En los transistores PIEZOTRONIC,
las cargas piezoeléctricos controlan el flujo de corriente a través de los
cables.
La técnica sólo funciona en materiales que tienen ambas
propiedades piezoeléctricas y semiconductoras. Estas propiedades se ven en
nanocables y películas delgadas creadas a partir de la wurtzita y una familias
mezcla de materiales de zinc, que incluye óxido de cinc, nitruro de galio y
sulfuro de cadmio.
En su laboratorio, Wang y sus co-autores -el doctor Wenzhuo Wu y el asistente de posgrado de
investigación Xiaonan Wen - fabrican matrices de 92 por 92 transistores. Los
investigadores utilizaron una técnica de crecimiento químico en aproximadamente
85 a 90 grados centígrados, lo que les permitió fabricar matrices de
tensión-garse y transistores PIEZOTRONIC verticales sobre sustratos que son
adecuados para aplicaciones de microelectrónica.
Los transistores se componen
de haces de aproximadamente 1500 nanocables individuales, cada uno de
nanocables entre 500 y 600 nanómetros de diámetro.
En los dispositivos de matriz, los transistores PIEZOTRONIC
verticales y de tensión-garse activas se intercalan entre los electrodos
superior e inferior de óxido de indio y estaño alineado en configuraciones de
barras cruzadas ortogonales. Una fina capa de oro se deposita entre las
superficies superior e inferior de los nanocables de óxido de zinc y los
electrodos superior e inferior, que forman contactos Schottky. Una capa delgada
del polímero de parileno se aplica entonces sobre el dispositivo como una
barrera de humedad y corrosión.
La densidad de la matriz es 234 píxeles por pulgada, la
resolución es mejor que 100 micras, y los sensores son capaces de detectar los
cambios de presión tan bajas como 10 kilopascales. La resolución es comparable
a la de la piel humana, dijo Wang. Los investigadores de Georgia Tech fabrican
varios cientos de arrays en un proyecto de investigación que duró casi tres
años.
Los arrays son transparentes, lo que podría permitir que
sean usados en touch-pads y otros dispositivos para la toma de huellas
dactilares. También es flexible y plegable, ampliando la gama de usos
potenciales.
El trabajo futuro incluirá la producción de los arrays Taxel
de nanocables individuales en lugar de los paquetes, y la integración de las
matrices en los dispositivos de silicio CMOS. Usando cables individuales podría
mejorar la sensibilidad de las matrices por al menos tres órdenes de magnitud,
dijo Wang.
"Esta es una totalmente nueva tecnología que nos
permite controlar los dispositivos electrónicos directamente mediante agitación
mecánica", agregó Wang. "Esto podría ser utilizado en una amplia gama
de áreas, incluyendo la robótica, MEMS, interfaces hombre-máquina y otras áreas
que implican deformación mecánica."
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