Полноценный микрокомпьютер толщиной в один миллиметр

Маркетологи любят писать «размером с кредитную карту» на любом девайсе, длина и ширина которого примерно совпадают с пластиком в кошельке. При этом толщина устройства спокойно достигает сантиметра. Настоящий стандарт ISO 7816 требует толщину всего 0.76 мм. Попробуйте упаковать в этот зазор микроконтроллер, батарею, экран и беспроводные интерфейсы, не превратив плату в хрупкое стекло.

Разработчик с ником krauseler создал проект muxcard. Это рабочий микрокомпьютер на базе ESP32-C3 с экраном E-Paper и NFC, который укладывается примерно в 1 мм толщины. Всю конструкцию можно без проблем убрать в обычный слот для карт.

Как устроена начинка карты

В качестве основы автор взял корпус от стандартной NFC-карты, вырезав в пластике посадочные места под компоненты.

Внутри прототипа поместились четыре ключевых узла:

1. Микроконтроллер ESP32-C3. Чип с поддержкой Wi-Fi и Bluetooth LE имеет номинальную высоту 0.85 мм. В режиме сна с активным таймером RTC он потребляет около 8 мкА. Автор также тестирует nRF52832 в BGA-корпусе толщиной 0.4 мм, который тратит еще меньше энергии, но ESP32 проще программировать через Arduino и ESP-IDF.
2. Экран E-Paper 1.54 дюйма. Матрица с разрешением 200×200 точек поддерживает частичное обновление картинки. Используется гибкая версия дисплея, которая переносит небольшие деформации в кошельке и не трескается при легком нажатии.
3. NFC-модуль на базе RC522. В отличие от пассивных меток, чип умеет как читать, так и эмулировать карты стандартов ISO/IEC 14443 Type A и MIFARE.
4. Акселерометр LIS2DW12. Высота корпуса составляет 0.7 мм. Датчик движения работает постоянно и пробуждает микроконтроллер от сна при встряхивании или повороте.

Питает устройство ультратонкий LiPo-аккумулятор на 30 мАч габаритами 23×23×1 мм. Зарядка идет через плоские магнитные контакты на обратной стороне, хотя автор пробует уместить и бескорпусный USB-C порт.

Литография на 3D-принтере и самодельные гибкие платы

Когда заказываешь гибкие печатные платы (Flex PCB) на фабриках, приходится ждать недели, платить за доставку и надеяться, что в разводке нет мелких ошибок. Создатель Muxcard пошел по пути жесткого DIY и сделал плату дома.

Основой послужила каптоновая лента с наклеенной медной фольгой и слоем сухого фоторезиста. Экспонирование дорожек шло на обычном фотополимерном SLA 3D-принтере с помощью утилиты UVTools. После травления получились дорожки с четкостью, близкой к заводским платам. Трафарет для паяльной пасты автор собрал из нескольких слоев засвеченной фоторезистивной пленки.

Шлейф экрана E-Paper оказался отдельной головной болью. Стандартные разъемы сюда не помещаются физически, они сразу превышают лимит толщины. Пришлось паять тонкие дорожки с шагом 0.5 мм вручную отдельными проводками прямо к плате.

Механика и борьба с изгибом

Карта в заднем кармане джинсов неизбежно изгибается. Обычный текстолит или жесткое крепление компонентов приведут к тому, что пайка отлетит после пары посадок на стул.

Автор применил метод островков. Крупные кремниевые чипы размещаются на жестких зонах, а механическое напряжение обходит их по специально рассчитанным гибким линиям платы. Компоненты имеют небольшой люфт между внешними защитными слоями карты, поэтому механическая нагрузка не передается напрямую на хрупкие выводы микросхем.

С аккумулятором ситуация сложнее. Батарея толщиной 1 мм сейчас касается внешних стенок карты. Чтобы защитить ее от проколов и точечного давления, в следующих ревизиях планируется перейти на элементы 0.5 мм с тонкими пластинами из нержавеющей стали по обеим сторонам.

Для чего это пригодится

Форм-фактор диктует интересные варианты использования, куда громоздкие гаджеты не вписываются:

• Минималистичный кошелек для кодов и билетов. На экране E-Paper можно держать QR-коды посадочных талонов, скидочных карт или билетов на транспорт. Картинка не гаснет при отключении питания, телефон доставать не нужно.
• Офлайн-генератор 2FA и хранилище паролей. Устройство изолировано от сети, генерирует TOTP-коды по таймеру и выводит их на экран по нажатию сенсорной кнопки.
• Карманный инструмент для аудита безопасности. Наподобие Flipper Zero, но в формате, который не привлекает внимания охранных систем.
• Интерактивная визитка. Показывает актуальные контакты, меняет QR-коды ссылок и передает профиль через NFC при касании смартфона.

Стоит ли следить за проектом

Muxcard находится в стадии рабочего прототипа V0.1. В репозитории уже выложены схемы и базовые наработки по разводке платы. Автор собирает отзывы сообщества, тестирует износостойкость и готовит фабричный прототип.

Если вы занимаетесь разработкой носимой электроники, микроконтроллерами ESP32 или просто ищете вдохновение для плотной компоновки печатных плат, добавьте репозиторий в закладки. Изучение чужих попыток вместить полноценную систему в толщину банковской карты здорово расширяет кругозор в схемотехнике.