Инновации в жидкостных логических устройствах для микроэлектроники

Основы флюидной логики

Жидкостные логические устройства манипулируют потоком жидкостей или газов для выполнения булевых операций, обработки информации через давление, скорость потока или состав жидкости, а не электроны. В их ядре эти устройства используют жидкие аналоги электронных компонентов: флюидный AND затвор, например, выдает сигнал высокого давления только тогда, когда оба входных канала инвертируют входное давление. Принцип работы основан на эффекте Коанде (прилипание жидкости к близлежащей поверхности) и струйном взаимодействии, что позволяет переключаться без перемещения механических частей. Жидкие схемы могут выполнять те же алгебраические операции, что и электронные затворы - И, ИЛИ, НЕ, НАНД, НЕ - но их физическое поведение фундаментально отличается, что делает их привлекательными для ниш, где электроны выходят из строя.

Основное преимущество флюидной логики заключается в ее устойчивости. Электронные схемы уязвимы для ионизирующего излучения, электромагнитных импульсов и экстремальных температур; флюидные устройства, напротив, по своей сути закалены радиацией и могут функционировать при криогенных температурах или выше 500 ° C, в зависимости от рабочей жидкости. Они также не потребляют электрическую энергию для своей основной работы (необходима энергия накачки), и они не производят тепла, которое могло бы нарушить чувствительную среду. Эти свойства поддерживали интерес к флюидной логике в течение десятилетий, особенно в аэрокосмической, ядерной и высоко-EMI настройках.

Историческое развитие

Жидкая логика возникла в 1960-х годах как альтернатива пневматическим системам управления. Ранние работы в лабораториях Гарри Даймонда и армии США производили жидкостные усилители и логические модули для ракетного наведения и управления самолетом. Однако рост недорогой микроэлектроники подтолкнул жидкую логику к почти забвению к 1980-м годам. Исследования замедлились, но технология никогда полностью не исчезала; нишевые приложения в высокотемпературном зондировании и автоматизации клапанов сохранили жизнь маленькому сообществу. В последнее десятилетие произошел ренессанс, обусловленный достижениями в области микросборки, микрофлюидики и материаловедения. Современные технологии изготовления, такие как 3D-печать, фотолитография и мягкая литография, позволяют использовать жидкостные каналы с размерами функций ниже 50 мкм, что позволяет использовать сложные схемы в масштабе, конкурирующем с ранней интегрированной электроникой. Эти разработки возродили интерес к жидкостной логике для приложений, которые требуют чрезвычайной надежности.

Последние инновации

Последние работы в области флюидной логики были сосредоточены на уменьшении размера компонентов, увеличении сложности схем и интеграции флюидных и электронных технологий. В следующих подразделах подробно описаны наиболее значительные прорывы.

Микрожидкостная интеграция

Микрофлюидная интеграция включает в себя размещение десятков или сотен флюидных логических затворов на одном чипе — прямую параллель с траекторией, за которой следуют электронные интегральные схемы. Исследователи из Университета Твенте и Массачусетского технологического института продемонстрировали микрофлюидные процессоры, содержащие более 500 затворов, изготовленных в полидиметилсилоксане (PDMS). Эти чипы используют сеть микроканалов и пневматических клапанов для реализации комбинационной и последовательной логики. Примечательным примером является микрофлюидный кольцевой осциллятор , который генерирует импульсы переменного давления и может служить часами для флюидных цифровых схем. Плотность интеграции все еще отстает от электроники на несколько порядков величины, но способность строить умеренно сложные машины флюидного состояния открывает двери для автономной диагностики в лаборатории на чипе, которая не требует внешней электроники.