Ventajas evidentes: Integración de microestructuras metálicas en el vidrio

21.07.2022 - Alemania

A salvo de las duras condiciones ambientales, conductoras eléctrica y térmicamente, y con gran resolución litográfica: La incrustación de finas microestructuras metálicas en el vidrio promete propiedades excepcionales para toda una serie de aplicaciones. La tecnología podría utilizarse para crear componentes de sensores resistentes a la corrosión, dimensionalmente estables y que funcionen de forma fiable incluso en entornos extremadamente duros. Una técnica desarrollada en el Fraunhofer IZM ofrece una nueva forma de integrar elementos conductores de electricidad en el vidrio, con las microestructuras metálicas no depositadas en la superficie, sino incrustadas y encajadas en el propio vidrio.

El vidrio está ganando cada vez más adeptos como sustrato para circuitos eléctricos. Esto se debe a las propiedades especiales del material: Mantiene sus dimensiones en una amplia gama de temperaturas, está disponible incluso en grandes formatos (por ejemplo, paneles de formato completo de 24x18 pulgadas) y ofrece una alta resistencia eléctrica, una superficie lisa y una elevada constante dieléctrica (por ejemplo, 5,0 a 77 GHz). Estas propiedades han motivado a los desarrolladores desde hace tiempo a construir estructuras eléctricas como conductores en forma de finas capas metálicas sobre y a través de sustratos de vidrio. Los contactos pueden crearse no sólo en una sola capa, sino también a través de varias capas del diseño final mediante Vías Transversales de Vidrio (TGV).

Los investigadores del Fraunhofer IZM han desarrollado un novedoso medio para integrar conductores metálicos en el vidrio. Lo más destacado: La técnica mantiene intacta la superficie lisa del vidrio y evita cualquier problema de unión entre el vidrio y la capa metálica, que está totalmente integrada en el propio vidrio. No se necesita ningún agente adhesivo adicional -normalmente otro metal-.

Los investigadores consiguieron desarrollar un proceso para controlar la formación de estructuras metálicas en vidrio fino. En su esfuerzo por crear conductores eléctricos homogéneos cerca de la superficie del vidrio, probaron una serie de materiales y técnicas de procesamiento para encontrar el mejor enfoque posible. La clave de su éxito reside tanto en la elección del material como en la nueva técnica de procesamiento: La capa metálica puede ser extremadamente fina, de hasta varios cientos de nanómetros, o visible a simple vista con un grosor micrométrico debido a la fuerte reflexión que crea un efecto de espejo en la superficie del vidrio. La técnica puede crear capas metálicas con longitudes que van desde varios milímetros hasta diez centímetros, y es lo suficientemente versátil como para integrar estructuras metálicas muy específicas y crear conductores eléctricos dentro del propio vidrio.

"Las señales eléctricas pueden ahora pasar por los conductores sin preocuparse de factores ambientales como líquidos agresivos, gases, reacciones químicas como la corrosión o el simple desgaste mecánico. Las estructuras están completamente rodeadas por el vidrio y no simplemente colocadas sobre él", afirma Philipp Wachholz, asistente de investigación del equipo EOCB (placas de circuitos electroópticos).

La nueva capacidad de incrustar conductores eléctricos en el interior y no en el vidrio abre las puertas a muchas aplicaciones novedosas. Sería posible dotar a las microcámaras de vacío de vidrio de contactos eléctricos, sin comprometer su hermeticidad. Los conductores integrados en el vidrio también podrían utilizarse en condiciones adversas que los conductores montados en la superficie no soportarían, por ejemplo, para sensores resistentes. Los microelectrodos diminutos podrían utilizarse en biosensores electroquímicos para registrar procesos bioquímicos como reacciones enzimáticas o interacciones antígeno-anticuerpo. Como las estructuras integradas en el vidrio soportan fácilmente temperaturas de hasta 200 °C, las posibilidades de crear sensores extremadamente robustos parecen ilimitadas.

Y los investigadores del Fraunhofer IZM están dispuestos a probar estos límites: Tras el éxito de los estudios de viabilidad, quieren asociarse con socios de la ciencia y la industria para llevar la nueva tecnología a un uso activo. Para ello, están buscando y esperando noticias de socios industriales interesados en compartir sus conocimientos sobre el vidrio.

Ventajas de las estructuras metálicas eléctricas integradas en el vidrio respecto a la deposición superficial de vapor:
- No hay problemas de adhesión en la superficie del vidrio
- Microestructuras conductoras de electricidad incrustadas en el vidrio: vías eléctricas
- Posibilidad de integrar otras estructuras eléctricas (resistencias, condensadores, etc.)
- Estructuras metálicas seguras frente a las fuerzas ambientales:
o A prueba de corrosión
o Protegidas contra el desgaste
o Las superficies de vidrio se limpian fácilmente
- El vidrio conduce el calor lejos de las microestructuras metálicas
- Reducción de la diferencia CTE entre las estructuras de metal y vidrio

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