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智東西3月17日消息，3月16日，清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)的電子皮膚新技術(shù)登上著名學(xué)術(shù)頂刊Science的子刊Science Advances封面。該技術(shù)開創(chuàng)柔性電子器件布局新思路，未來可能用于可穿戴設(shè)備、體感鼠標(biāo)等多種領(lǐng)域。

該柔性電子器件技術(shù)兼顧了彈性拉伸能力和足夠的功能密度，使用該技術(shù)研制的柔性材料拉伸彈性為20%，IC面積覆蓋率為110%，與人體皮膚有類似的高透氣性和仿生機(jī)械響應(yīng)能力。

該研究論文來自清華大學(xué)張一慧課題組團(tuán)隊(duì)。

論文鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abm3785#con1

一、手背貼上小機(jī)關(guān)，就能隔空操作電腦

研究人員展示了其電子皮膚新技術(shù)可以做到的一系列應(yīng)用。他們先利用新技術(shù)做出了一個(gè)小型化柔性電子器件。

這個(gè)小型化柔性電子器件里面裝有監(jiān)測運(yùn)動(dòng)加速度、運(yùn)動(dòng)速度等運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)、周圍環(huán)境的磁場、溫度、濕度等環(huán)境數(shù)據(jù)的電子器件和一些其他功能的電子器件。

測試人員將該小型化柔性電子器件貼在手背上，作為體感鼠標(biāo)來操作電腦，演示如何不接觸電腦還能完成推箱小游戲。

▲測試人員測試用小型化柔性電子器件玩推箱子游戲

除此之外，該小型化柔性電子器件還能做指南針顯示屏、測溫濕度、捕獲運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)、輔助心率測量等等。

研究人員還嘗試了將這個(gè)器件安裝在測試人員胸前，讓器件監(jiān)測運(yùn)動(dòng)人員休息、步行、慢跑、再休息循環(huán)期間的加速度、溫度和相對(duì)濕度數(shù)據(jù)。

▲測試人員測試用小型化柔性電子器件監(jiān)測運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)（圖中F部分，其他部分為其他測試時(shí)的數(shù)據(jù)）

二、兼顧雙重關(guān)鍵性能，彈性超固體封裝技術(shù)7.5倍

從健康監(jiān)測、疾病治療到物聯(lián)網(wǎng)、機(jī)器人，再到VR、AR，柔性電子器件的應(yīng)用范圍廣泛。但是柔性電子器件系統(tǒng)主要要依賴于高性能電子器件與有彈性的基板的集成。

要想實(shí)現(xiàn)整個(gè)柔性電子器件系統(tǒng)高度延展，關(guān)鍵是整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)要足夠巧妙。通常，整個(gè)柔性電子器件系統(tǒng)會(huì)受到其中的剛性、脆性電子器件的限制。

這種柔性電子器件系統(tǒng)有兩個(gè)關(guān)鍵性能指標(biāo)：電子器件可伸縮性和功能密度。其中，功能密度是指單個(gè)組件的面積覆蓋率。

清華大學(xué)張一慧課題團(tuán)隊(duì)的研究人員通過堆疊多層網(wǎng)狀材料（stacked multilayer network materials ，縮寫：SMNMs）作為集成和封裝柔性電子設(shè)備的框架，實(shí)現(xiàn)了比通用的固體封裝方法更好的效果。

首先是堆疊構(gòu)型明顯增加了柔性電子器件系統(tǒng)的功能密度，能部署的電子器件更多了。其次，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)不會(huì)對(duì)電子器件之間導(dǎo)線形成約束，與固體封裝模式相比，導(dǎo)線的延展度可以增強(qiáng)約7.5倍。

另外，因?yàn)檫@種設(shè)計(jì)還具有與人體皮膚的非線性應(yīng)力—應(yīng)變曲線相匹配的高透氣性和仿生機(jī)械響應(yīng)性能，所以該堆疊多層網(wǎng)絡(luò)材料還可以提高貼人體皮膚上時(shí)的舒適度。

三、電子器件覆蓋率超100%，已有試驗(yàn)成品

在團(tuán)隊(duì)研發(fā)的這一柔性電子器件系統(tǒng)中，電子器件被焊在基板材料上，之間用蛇形導(dǎo)線連接。

研究人員將網(wǎng)狀材料作為封裝電子器件的基板材料，這樣可以降低對(duì)器件間導(dǎo)線的約束，同時(shí)利用網(wǎng)狀材料存在的縫隙容納蛇形導(dǎo)線收到拉力后拉伸產(chǎn)生的形變。

▲基于雙層網(wǎng)狀材料封裝的蛇形導(dǎo)線拉伸變形狀態(tài)（單軸模式）

因?yàn)?，在單軸拉伸情況下，網(wǎng)狀封裝比固體封裝對(duì)于蛇形導(dǎo)線的限制更小一些。

▲基于固體封裝（PDMS）的蛇形導(dǎo)線變形狀態(tài)（單軸模式）

同時(shí)，研究人員將網(wǎng)狀基板材料層疊放置，這樣就增加了柔性電子器件的功能密度。這樣處理還有一個(gè)好處是，整個(gè)器件變得更小了。

▲基于SMNMs的可伸縮互連組合集成和封裝策略的概念說明

基于SMNMs布局理念，研究人員開發(fā)處理一個(gè)三層電路加一層封裝的小型化柔性電子器件，也就是上文提到的研究人員用來測試的那個(gè)電子器件。這個(gè)器件包含42個(gè)IC，多條蛇形導(dǎo)線。整個(gè)器件的橫向尺寸約為11.2mm x 10.1mm。在拉伸過程中，IC和蛇形導(dǎo)線不會(huì)相互接觸。

這樣整個(gè)柔性電子器件系統(tǒng)的電子器件覆蓋率也因?yàn)槿龑与娮悠骷B加出現(xiàn)面積覆蓋率為110%的情況。該柔性電子器件系統(tǒng)的雙向延展率也能達(dá)到20%。

▲研究人員做出的小型化柔性電子器件實(shí)物

結(jié)語：柔性電子器件研究為可穿戴設(shè)備增加更多可能

清華大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)研究出的這種柔性電子器件系統(tǒng)兼顧了可伸縮性和功能密度這兩個(gè)矛盾的性能，同時(shí)兩種性能表現(xiàn)都不錯(cuò)。他們還展示了一些可能的應(yīng)用，比如說運(yùn)動(dòng)監(jiān)測、非觸摸式控制。

可穿戴設(shè)備比如智能手表、VR眼鏡等發(fā)揮核心作用的目前都是一些剛性的電子器件組合，隨著柔性電子器件技術(shù)的發(fā)展，未來這些可穿戴設(shè)備會(huì)有更多可能，形態(tài)也會(huì)更加豐富。

來源：Science Advances

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