Гибкая гибридная электроника выходит на рынок биоэлектронных приборов и биоразлагаемой электроники

Гибкая гибридная электроника выходит на рынок биоэлектронных приборов и биоразлагаемой электроники

Выпуск 4 (6703) от 27 февраля 2020 г.
РУБРИКА: БИОТЕХНОЛОГИИ И БИОИНЖЕНЕРИЯ

Центр технических исследований Финляндии VTT ставит перед собой цели, реализация которых происходит на стыке разных научных дисциплин. Как одна из ведущих научно-исследовательских организаций в своей области, VTT разрабатывает биоэлектронные приборы и биоразлагаемые гибкие гибридные электронные устройства (FHE), которые помогают решать ряд важнейших мировых проблем, включая ухудшение состояния окружающей среды и дефицит продуктов питания.

Представители SEMI взяли интервью у Антти Васары, президента и главного исполнительного директора Центра технических исследований Финляндии VTT, обсудив выпущенную недавно брошюру «Дальнейшее развитие гибкой гибридной электроники: биоразлагаемая электроника и сопряжение биологии и электроники» (Beyond Flexible Hybrid Electronics: Biodegradable Electronics and Interfacing Bio+Electronics), которая будет представлена на Технологическом конгрессе FLEX/MEMS & Sensors Technical Congress (MSTC) 24–27 февраля 2020 г. в Сан-Хосе (шт. Калифорния, США).



Источник: Semiconductor Digest

Продукция VTT: печатная плата на биоразлагаемой подложке


SEMI: Что такое электроника, взаимодействующая с телом, и каково ваше видение биоэлектронных приборов и биоразлагаемой электроники?

Васара: Биоэлектронные приборы существуют десятилетиями. Хороший пример – ​беспроводной монитор сердечного ритма, разработанный в 1970-х гг. В то время как непрерывный мониторинг сердца с помощью компактного недорогого носимого устройства широко доступен, другие параметры организма, такие как уровень холестерина, диагностируются при обращении к врачу. Установление базового уровня состояния здоровья с использованием нескольких измерений – ​до того, как симптомы проявятся, – ​на самом деле намного эффективнее.

Здесь появляется поле для применения биоэлектронных приборов, т. е. приборов, созданных на стыке действия принципов биологии и электроники. Биоэлектронные приборы будут непрерывно измерять и анализировать сложные вещества биологического происхождения, такие как пот, выдыхаемые газы, кровь и моча. Например, интеллектуальный патч (наклейка) для непрерывного мониторинга пота может решить несколько задач: поддержка функциональности электроники в жидких средах, управление транспортировкой собранных образцов к датчику и из него, управление потенциальным загрязнением и утилизация образцов после измерения.

В то время как FHE в принципе представляют собой идеальный форм-фактор носимого патча для анализа пота, сами гибкие схемы не готовы к непосредственному взаимодействию с биологическими матрицами. Следовательно, миссия VTT состоит в том, чтобы прогнозировать и развивать ноу-хау процесса масштабирования, необходимые для устройств FHE, которые либо взаимодействуют с биологическими системами, либо сами должны быть биоразлагаемыми.

VTT также концентрируется на биоразлагаемой электронике, потому что конечным пользователям и производственным компаниям, которые заботятся об окружающей среде, нужны биоразлагаемые версии энергонезависимых датчиков Интернета вещей. Такие датчики обычно используются в логистике, мониторинге окружающей среды и медицинской диагностике и имеют очень небольшой срок службы – ​несколько дней, недель или месяцев. Не будучи биоразлагаемыми, они просто дополнительно загрязняют окружающую среду.

SEMI: Какие подходы использует VTT для разработки биоинтерфейсной и биоразлагаемой электроники?

Васара: В рамках проекта ECOtronics, финансируемого организацией Business Finland, мы работаем с нашими партнерами над созданием перерабатываемой и компостируемой электроники и оптики, при производстве которых используются возобновляемые ресурсы. Например, устройства для мониторинга окружающей среды или носимые патчи, созданные на таких подложках, как бумага, картон или фирменные наноцеллюлозные и биополимерные пленки VTT, легко перерабатываются или даже могут биологически разложиться естественным путем. Там, где это возможно, мы используем рулонную печать, а процесс сборки компонентов оптимизирован в направлении их склеивания, чтобы уменьшить общий процент не разлагаемых биологически отходов в устройстве.

SEMI: Какие варианты использования вы считаете наиболее перспективными и почему?

Васара: Яркий пример одноразового теста, который генерирует большое количество отходов, – ​цифровой тест на беременность. Давайте разберем его на компоненты: мы обнаружим жесткую плату с микропроцессором, пару батарей типа «таблетка», жидкокристаллический дисплей, светодиодный источник света и фотодиод, а также пластиковый корпус. Материалы и емкость аккумулятора такого устройства позволили бы провести сотни тестов на беременность – ​что фактически излишне с технической точки зрения.

Используя печатные платы на биоразлагаемых подложках, сборные компоненты без покрытия (ASIC, светодиодные источники света, фотодиоды, тонкопленочные батареи в качестве источников питания) и корпуса приборов, состоящие из биоразлагаемых пластиков, мы можем полностью пересмотреть экологические последствия выпуска и применения одноразовых тестов. В настоящее время мы разрабатываем набор инструментов для наших клиентов, чтобы преобразовать их существующие традиционные тесты в экотронный форм-фактор.

Еще один интересный пример использования – ​датчик пота, который мы разработали совместно со специалистами Калифорнийского университета в Беркли (США). Это носимый электрохимический датчик непрерывного анализа пота во время тренировок. Он осуществляет мониторинг содержания в поте ионов N+, K+ и гидратации в течение нескольких часов. Представленная VTT базовая сенсорная платформа оснащена печатными сенсорными электродами и микропотоковыми каналами для сбора и транспортировки пота. Этого удалось достичь за счет комбинирования методов различных дисциплин – ​электрохимии, печати, корпусирования и микроэлектроники.

SEMI: Как промышленность может обеспечить разработку и производство гибких устройств FHE? Каким образом VTT вписывается в экосистему?

Васара: Поскольку многие устройства FHE предназначены для рынков с большими объемами, ключевой фактор здесь – ​масштабируемость производства: как нарастить выпуск от одного (рабочий прототип) до нескольких (для технико-экономического обоснования), а затем и до тысяч (опытное производство) и миллионов (массовое производство) устройств без ущерба для качества, производительности и надежности системы.

Доступ к масштабируемой инфраструктуре необходим для разработки новых устройств и методов FHE, но такая инфраструктура стоит дорого. И здесь создание опытной линии рулонной печати для преодоления разрыва между лабораторными исследованиями и массовым производством оказалось бесценным. Мы можем предоставить не имеющую аналогов в мире инфраструктуру масштабирования для продвинутых устройств FHE, уделяя особое внимание процессам рулонной обработки больших площадей и гибридной сборке. Эта услуга снимает с наших клиентов бремя высоких инвестиций в инфраструктуру на ранних стадиях разработки и позволяет нам ориентировать клиентов по полному циклу разработки, от прототипа до массового производства.

SEMI: Что еще нужно знать производителям устройств FHE, чтобы добиться успеха?

Васара: На мой взгляд, успех устройств FHE в конечном итоге зависит от нескольких факторов: высокой степени автоматизации, хорошо оптимизированных процессов, надежных цепочек поставок и, возможно, самое главное – ​четких стандартов и правил для разработчиков, чтобы гарантировать безупречную совместимость всех элементов на гибкой гибридной схеме. Не забывайте – ​мы пытаемся объединить электронику с методами печати, биологией, корпусированием, микропотоковыми устройствами, литьем под давлением и другими областями знаний.

SEMI: Что бы вы хотели, чтобы участники конгресса MSTC поняли из вашей презентации?

Васара: Новейшие технологии и инновации в микроэлектронике, MEMS, печати, материалах и биосенсорах предоставляют нам набор инструментов для настоящих инноваций в сфере FHE. Теперь нам нужно задействовать междисциплинарное мышление и предпринять смелые шаги, чтобы объединить различные методы производства и наборы навыков. Идеальная междисциплинарная команда может включать в себя:

инженера-разработчика микросхем, представляющего, как спроектировать контактные площадки при сборке микросхем;

биолога, обладающего знаниями о термических и механических нагрузках в печатной среде, необходимыми для разработки процессов биофункционализации поверхностей;

инженера-электроника, способного оптимизировать схему, питаемую от ферментной ячейки биотоплива.

Количество датчиков, установленных на поверхности или внутри нашего тела, у наших домашних животных, в наших автомобилях, на наших полях, в нашей питьевой воде и повседневных продуктах, несомненно, будет расти. Необходимо удостовериться, что их возможное воздействие на окружающую среду будет минимальным.

* * *

Антти Васара – ​президент и главный исполнительный директор VTT (с 2015 г.), президент EARTO (Европейской ассоциации научно-технических организаций) и председатель совета директоров Palta (ассоциации финских работодателей в сфере услуг). Он также является неисполнительным директором Elisa Oyj (крупнейший оператор связи в Финляндии) и членом совета директоров EK (Финская конфедерация промышленности).

Васара работал в нескольких известных группах по промышленной и инновационной политике Европейской комиссии, а также в нескольких финских группах по вопросам ИИ и исследовательской политике. До этого около 25 лет проработал в частных компаниях – ​Nokia, Tieto, SmartTrust и McKinsey & Company. В начале своей карьеры занимался исследованиями в области оптической связи. Автор более чем 20 рецензированных статей, обладатель международного патента. Получил степень доктора технических наук в Университете Аалто в Финляндии.


Davis Shannon. Flexible Hybrid Electronics Comes to Bio-Interfacing and Biodegradable Electronics at FLEX|MSTC2020. Semiconductor Daily Digest, February 7, 2020: https://www.semiconductor-digest.com/2020/02/07/flexible-hybrid-electronics-comes-to-bio-interfacing-and-biodegradable-electronics-at-flexmstc‑2020/


В ЦЕНТРЕ ВНИМАНИЯ

VTT

Дата основания : 1942 г.
Количество сотрудников: 2177 (на 31.12.2018 г.).
Штабквартира: Отаниеми, Эспоо, Финляндия.
Общий капитал: 268 млн евро (2018 г.).

VTT является частью инновационной системы Финляндии и действует в рамках мандата Министерства занятости и экономики. Изначально его целью было проведение научно-исследовательских работ и стимулирование производства в военное время. Центр всегда занимал ключевую позицию в разработке и передаче новых технологий в Финляндии, поэтому работает в тесном сотрудничестве с техническими университетами и другими национальными и международными партнерами. Сегодня VTT – ​многопрофильная организация, чьи исследования и разработки охватывают широкий диапазон областей. Цифровизация и поиск устойчивых путей развития – ​две руководящие тенденции в исследовательской деятельности VTT.

Основные направления исследований:

биоэкономика;

здравоохранение;

цифровизация;

энергетика;

умная промышленность;

умные города;

развитие бизнеса;

НИОКР;

стандартизация;

права интеллектуальной собственности;

искусственный интеллект;

робототехника.


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ

Выпуск 8(6682) от 18 апреля 2019 г. г.
Выпуск 18(6692) от 12 сентября 2019 г. г.
Выпуск 16 (6715) от 20 августа 2020 г. г.