Российская гибкая электроника — уже реальность. Как искривленные датчики решают медицинские и промышленные задачи

Можно ли сделать гибкий рентгеновский сенсор? Или миниатюрный компьютерный томограф, в несколько раз меньший, чем современные гигантские установки? Как запитать электронные ценники в гипермаркете от энергии освещения? Ответы на все эти вопросы дают разработки петербургской лаборатории «ФлексЛаб», одно из направлений исследований которой — сенсоры на гибкой подложке. Например, оптический сенсор, который разрабатывает стартап «ДиАйПи» лаборатории «ФлексЛаб». О том, что это такое, рассказал инженер «ФлексЛаб» Павел Новоселов.

Оптические сенсоры преобразуют свет в электрический сигнал. Например, если взять матрицу в тысячу пикселей, то можно с каждого из них снимать сигнал и таким образом строить цифровое изображение предмета, расположенного на матрице.

По своей конструкции подобный оптический сенсор — это тонкопленочная транзисторная матрица на основе металлооксидных полупроводников, основным из которых является оксид индия-галлия-цинка. Данная технология сейчас за рубежом используется в качестве транзисторной матрицы для дисплеев. Российский стартап «ДиАйПи» использует аналогичную матрицу, но не для того, чтобы испускать свет, как это делается в дисплеях, а для регистрации сигнала от фоточувствительного слоя, нанесенного поверх нее. Стартап разрабатывает фоточувствительный слой, а также транзисторную управляющую основу для оптического сенсора.

Такого рода сенсоры могут применяться для снятия отпечатков пальцев, например, в дактилоскопических приборах, которые используют МВД и визовые центры. Основное отличие продукции стартапа «ДиАйПи» от существующих аналогов в том, что можно делать гибкие сенсоры. Основа для них — фотоактивная пленка толщиной порядка 1,5–2 мм, а не жесткий большой прибор. К этой пленке нужно прикладывать палец или ладонь целиком, чтобы снять рисунок кожи, индивидуальный у каждого человека.

Обычные сканеры отпечатка пальцев в МВД снимают рисунок только одной стороны пальца, а гибкие технологии позволяют делать снимок нового типа: весь палец, со всех сторон, «оборачивая» его гибким сенсором. Это повышает уровень защиты, например, при использовании в электронных замках для дверей «умного» дома.

Рентген нового поколения

Второе применение — для датчиков рентгеновского излучения. Транзисторные матрицы для них разрабатываются в Российском центре гибкой электроники (г. Троицк, Новая Москва). После нанесения на них функциональных слоев получается своего рода «трехслойный пирог». С помощью такого сенсора рентгеновское излучение преобразуется в электрический сигнал. Так можно строить цифровое изображение кости или связок. Здесь уже не нужны пленки, традиционно используемые для рентгена врачами, изображение получается сразу в цифровом виде. Это удобно, потому что современные рентгеновские пленки вредны для экологии, они долго разлагаются и «фонят». К тому же там разрешение не такое высокое. А с помощью гибких сенсоров можно получать изображение в высоком разрешении сразу на компьютере у врача для дальнейшего анализа.

К тому же с помощью новой технологии можно создавать датчики большой площади. Например, сенсоры неразрушающего контроля для промышленных рентгеновских установок. Ведь рентген используется не только для анализа травм человека, а также для анализа сварочных швов труб, нефтегазовых цистерн в хранилищах на миллионы кубометров. Здесь уже применяются рентгеновские промышленные установки, для которых нужны огромные датчики, и с помощью гибких сенсоров можно напечатать такие, стоимость которых будет ниже. Сенсоры для неразрушающего контроля также используются на конвейерных линиях по производству авиационной техники — там, где требуется проверить целостность структуры из различных материалов. Точно так же, как в медицине, только просвечиваются сложные устройства для авиации, космоса, микроэлектроники.

При этом сам датчик для рентгена при увеличении его поверхности не сильно прибавляет в весе, ведь используются тонкопленочные технологии. По сравнению с органическими или перовскитными материалами кремний больше весит, он хрупкий, его тяжело транспортировать, есть и ряд других ограничений по условиям его использования. Гибкие технологии позволяют преодолеть эти недостатки.

К тому же существующие рентгеновские датчики только плоские (в искривленном виде можно их сделать только с очень маленьким сроком службы). А при использовании гибких технологий можно создать искривленные датчики и тем самым уменьшить размеры конечного устройства.

Еще одно применение гибкие рентгеновские сенсоры могут найти в приборах компьютерной томографии. Компьютерная томография использует рентгеновское излучение. Обследуемый человек заезжает в трубу томографа, где и происходит сканирование. При этом размеры прибора очень сильно зависят от встроенной панели, которая регистрирует рентгеновское излучение. Для встраивания плоской части требуется прибор большего диаметра. А гибкие сенсоры позволяют сократить размеры томографов.

Российский и мировой рынки

Сейчас рентгеновские плоскопанельные и изогнутые детекторы в России разрабатывают компания «Электрон» и некоторые другие участники рынка. На данный момент в России нет гибких отечественных датчиков, их закупают за границей, например в Японии. Российская компания «Медицинские технологии» также занимается аппаратами для лучевой диагностики, ее завод находится в Самаре. Им могут быть интересны гибкие датчики и электронные биометрические замки.

На мировом рынке эту нишу занимают китайские компании — два гиганта, расположенные в Китае и на Тайване, разрабатывающие панели для рентгеновских систем, делят рынок пополам. Эти компании производят TFT-матрицы (TFT — thin film transistor, тонкопленочные транзисторы) для рентгеновских сенсоров. Иными словами, электронную основу оптического сенсора, которая имеет довольно сложную структуру: это не только TFT-матрица, но и интегрированные управляющие блоки. Последние отвечают за сканирование строк этой матрицы и конвейеризацию данных, получаемых с нее.

В отличие от китайских производителей, российский стартап «ДиАйПи» делает не просто двумерные матрицы с массивом тонкопленочных транзисторов, а сложноинтегрированные схемы. К матрице из тонкопленочных транзисторов добавляются блоки управления, которые существенно снижают себестоимость конечного продукта. И поэтому если китайцы называют свое изделие TFT-матрицей, то российский стартап — фотонно-интегрированной микросхемой. Помимо двумерной матрицы тонкопленочных транзисторов там еще присутствует довольно сложная электроника.

Эта интегральная микросхема используется как раз для рентгеновских сенсоров, биометрических сенсоров, а также для создания датчиков линейных перемещений роботизированных комплексов, для сложной мехатроники, такой как точные 3D-принтеры.

Подобные интегральные микросхемы позволяют спозиционировать видеокамеру, контролирующую качество производства других интегральных схем, или движущиеся инструменты, детали в 3D-принтере.

Принципиальное отличие между китайскими компаниями и отечественными в том, что первые не интегрируют управляющие блоки в свою двумерную матрицу. Они покупают американские микросхемы, весьма дорогостоящие. Во всем мире есть практически только одна американская компания, которая делает эту управляющую электронику. И поэтому в структуре стоимости итогового китайского рентгеновского сенсора больше 60% составляет американская электроника. Задача российского стартапа «ДиАйПи» — создать более дешевую альтернативу китайским рентгеновским сенсорам за счет интеграции управляющей электроники в саму панель, TFT-матрицу.

Блоки управления наносятся на гибкую подложку точно так же, как слои для изготовления тонкопленочных транзисторов. Диэлектрик, оксид кремния, наносится с помощью установки, которая сама по себе настолько сложна, что выглядит как космический корабль. Кроме того, там есть еще магнетрон для нанесения металла. С помощью этой установки наносятся проводящие слои и в конкретном случае — полупроводник на основе металлов с добавлением кислорода. В результате используемая технология полностью совпадает с технологией по производству микропроцессоров, а изготавливаются они в Российском центре гибкой электроники (РЦГЭ) в Троицке.

Харвестеры для преобразования света в электричество

Помимо рентгеновских сенсоров на гибкой подложке в лаборатории «ФлексЛаб» разрабатывают харвестеры — это такие приборы, которые преобразовывают свет, как солнечный, так и искусственный, в электричество. Это нужно, например, для питания электронных ценников в гипермаркете, где есть хорошее искусственное освещение, или пульта телевизора либо кондиционера в квартире.

У нас практически есть все для создания харвестеров: преобразователь энергии, который мы называем фотовольтаической ячейкой, технология преобразования этих микродоз энергии в напряжение, которое можно использовать для питания стандартных устройств, интернета вещей. Мы стоим на пороге создания законченного устройства, которое будет способно запитывать стандартные устройства интернета вещей.

На сегодняшний день проблема в том, что в пультах управления стоит микросхема, которая требует напряжения 3 вольта. А российская миниатюрная фотовольтаическая ячейка дает только 0,6 вольта. И для того чтобы микрохарвестер был полезен, нужен преобразователь низкого напряжения в высокое, он еще называется повышающий DC-DC-конвертор. Сделать такой конвертор для микроустройства очень сложно. Но у «ФлексЛаб» есть ноу-хау, которое позволяет решить эту задачу.

Создание подобных харвестеров — важный вопрос. В Дубае (ОАЭ) в отеле-небоскребе, где миллионы разных датчиков, на замену батарей и обслуживание всех этих устройств уходит больше миллиона долларов в год. Харвестеры в будущем помогут сэкономить примерно столько же на обслуживании устройств интернета вещей.

Будем надеяться, что в ближайшее время устройства интернета вещей на основе гибких сенсоров российского производства появятся в витринах магазинов электроники.