Linköping först

med snabb tryckbar transistor

Forskare på Linköpings universitet är först i världen med att skapa en tryckbar krets av snabba transistorer som drivs med bara någon volt. Därmed finns den sista pusselbiten för att skapa enkla signalprocessorer på papper och plast.

– Vi vill inte påstå att vår teknik kommer att revolutionera all tryckt elektronik, men det finns många områden som kan tänkas använda den framöver. Det vi själva fokuserar på är rfid och e-papper, säger Magnus Berggren, professor på Linköpings universitet.

Idag går det att trycka displayer, antenner, batterier, sensorer och minnen på papper där allt utom minnet kan drivas med en spänning runt en volt. Däremot har det saknats snabba transistorer som kan drivs med någon volt. Alternativen har varit väldigt långsamma, runt 1 Hz, eller så har det krävts en drivspänning på 10 till 15 volt.

Först med stor jon
För åtta år sedan började den svenska forskargruppen utveckla elektrokemiska transistorer eftersom elektrolyter ger extremt höga elektriska fält. Under arbetets gång dök idén upp att använda elektrolyter men utgå från strukturen i en fälteffekttransistor. Tanken var att ta det goda från två områden och kombinera dessa. Låga spänningar från elektrolyter och snabba fenomen från fälteffekttransistorerna.

Att kombinera elektrolyt med ett organiskt halvledande material är dock inte trivialt. Problemet är att jonerna i elektrolyten lätt går in i halvledarmaterialet och stökar till det med elektrokemin vilket ger en extremt långsam transistor.

– Då kom vi på att man kanske kan ta en elektrolyt med stora joner som inte kan gå ner i halvledaren. Och det har visat sig fungera jättebra.

Oscillatorn är 3 x 7 mm och består av sju inverterare samt en buffert (en inverterare) på utgången.

Magnus Berggren tillsammans med kollegorna Lars Herlogsson och Xavier Crispin, är först i världen med detta. Men en enstaka transistor är bara en del av den saknade pusselbiten. Den stora frågan har hela tiden varit om det går att skapa snabba kretsar med tekniken.

Oscillatorn säger sanningen
– Det har varit lite av ett chicken race runt vem som först kan göra en vettig krets som snurrar ganska fort. Och vi är definitivt först med att visa upp en oscillatorkrets som har en fördröjning mellan varje steg på under en millisekund, säger Magnus Berggren.

Oscillatorn är uppbyggd av sju inverterare i rad som var och en består av parvisa transistorer. Med sju inverterare når man 200 Hz. Fast det verkligt intressanta är att fördröjningen mellan transistorerna bara ligger på 0,3 ms då systemet drivs med 1,5 V. Oscillatorarkitekturen gör att det inte går att fuska, man får den inbyggda fördröjning som transistorerna verkligen har.

– Idealt kan våra transistorer klara 3 kHz idag, men för att få användbar logik måste man dra ner frekvensen till under 1 kHz, säger Lars Herlogsson, som utvecklat kretsen i labbet.

Läget nu är att man i det svenska labbet har lyckats skapa en elektrolyttransistor som är cirka 1 000 gånger snabbare än vad som tidigare gjorts där. Och det tycks vara precis vad som krävs för att vara kommersiellt intressant i rfid-sammanhang.

– Tittar man på företag som Infineon och Poly IC som vill kommersialisera rfid med tryckta komponenter så siktar de på i storleksordningen 1 kHz, men de jobbar med mycket högre drivspänningar, säger Magnus Berggren.

Den låga drivspänningen ger framförallt två fördelar. Dels fungerar tekniken väl med enkla tryckta batterier som levererar någon volt. Dels kan läsavståndet ökas markant i lösningar som använder induktiv teknik.

Vanlig tryckteknik härnäst
Utmaningen nu är att ta labbresultaten och göra kommersiell tryckteknik av dem. Tre till fyra personer arbetar heltid med detta och målet är att inom ett år visa upp en oscillator som är tryckt med inkjet eller annan vanlig tryckteknik.

– Om kanske ytterligare ett år hoppas vi ha kvalificerat processen för att därefter kunna föra över den till tryckerier, säger Magnus Berggren.

Då ska alla ingående delar vara gjorda i plastmaterial, även de ledande strukturer som är tillverkade i metall idag. En anledning till det är att återvinningen framöver ska vara enkel.

Parallellt med tryckanpassningen arbetar ett annat forskargäng i labbet med att pressa tekniken till än högre höjder.

– 30 kHz tror jag att vi kan nå utan större problem men det går säkert att komma ännu högre med andra material. Hittills har vi inte använt de bästa materialen, utan de som varit lättast att använda, säger Lars Herlogsson.

Av Anna Wennberg (Den här e-postadressen skyddas mot spambots. Du måste tillåta JavaScript för att se den.)