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          隔空操作電腦!清華團隊電子皮膚成果登Science子刊封面

          作者:歐朗電子   發布日期:2022-03-25 11:29:18   閱讀量:

          3月16日,清華大學團隊的電子皮膚新技術登上學術頂刊Science的子刊Science Advances封面。該技術開創柔性電子器件布局新思路,未來可能用于可穿戴設備、體感鼠標等多種領域。

          該柔性電子器件技術兼顧了彈性拉伸能力和足夠的功能密度,使用該技術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械響應能力。

          隔空操作電腦!清華團隊電子皮膚成果登Science子刊封面(圖1)


          該研究論文來自清華大學張一慧課題組團隊。

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

          一、手背貼上小機關,就能隔空操作電腦

          研究人員展示了其電子皮膚新技術可以做到的一系列應用。他們先利用新技術做出了一個小型化柔性電子器件。

          這個小型化柔性電子器件里面裝有監測運動加速度、運動速度等運動數據、周圍環境的磁場、溫度、濕度等環境數據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,作為體感鼠標來操作電腦,演示如何不接觸電腦還能完成推箱小游戲。

          隔空操作電腦!清華團隊電子皮膚成果登Science子刊封面(圖2)

          ▲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、捕獲運動數據、輔助心率測量等等。

          研究人員還嘗試了將這個器件安裝在測試人員胸前,讓器件監測運動人員休息、步行、慢跑、再休息循環期間的加速度、溫度和相對濕度數據。

          隔空操作電腦!清華團隊電子皮膚成果登Science子刊封面(圖3)

          ▲測試人員測試用小型化柔性電子器件監測運動數據(圖中F部分,其他部分為其他測試時的數據)

          二、兼顧雙重關鍵性能,彈性超固體封裝技術7.5倍

          從健康監測、疾病治療到物聯網、機器人,再到VR、AR,柔性電子器件的應用范圍廣泛。但是柔性電子器件系統主要要依賴于高性能電子器件與有彈性的基板的集成。

          要想實現整個柔性電子器件系統高度延展,關鍵是整個系統的結構要足夠巧妙。通常,整個柔性電子器件系統會受到其中的剛性、脆性電子器件的限制。

          這種柔性電子器件系統有兩個關鍵性能指標:電子器件可伸縮性和功能密度。其中,功能密度是指單個組件的面積覆蓋率。

          清華大學張一慧課題團隊的研究人員通過堆疊多層網狀材料(stacked multilayer network materials ,縮寫:SMNMs)作為集成和封裝柔性電子設備的框架,實現了比通用的固體封裝方法更好的效果。

          隔空操作電腦!清華團隊電子皮膚成果登Science子刊封面(圖4)

          首先是堆疊構型明顯增加了柔性電子器件系統的功能密度,能部署的電子器件更多了。其次,網狀結構不會對電子器件之間導線形成約束,與固體封裝模式相比,導線的延展度可以增強約7.5倍。

          另外,因為這種設計還具有與人體皮膚的非線性應力—應變曲線相匹配的高透氣性和仿生機械響應性能,所以該堆疊多層網絡材料還可以提高貼人體皮膚上時的舒適度。

          三、電子器件覆蓋率超100%,已有試驗成品

          在團隊研發的這一柔性電子器件系統中,電子器件被焊在基板材料上,之間用蛇形導線連接。

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

          隔空操作電腦!清華團隊電子皮膚成果登Science子刊封面(圖5)

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

          因為,在單軸拉伸情況下,網狀封裝比固體封裝對于蛇形導線的限制更小一些。

          隔空操作電腦!清華團隊電子皮膚成果登Science子刊封面(圖6)

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

          同時,研究人員將網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。這樣處理還有一個好處是,整個器件變得更小了。

          隔空操作電腦!清華團隊電子皮膚成果登Science子刊封面(圖7)

          ▲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,研究人員開發處理一個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電子器件。這個器件包含42個IC,多條蛇形導線。整個器件的橫向尺寸約為11.2mm x 10.1mm。在拉伸過程中,IC和蛇形導線不會相互接觸。

          這樣整個柔性電子器件系統的電子器件覆蓋率也因為三層電子器件疊加出現面積覆蓋率為110%的情況。該柔性電子器件系統的雙向延展率也能達到20%。

          隔空操作電腦!清華團隊電子皮膚成果登Science子刊封面(圖8)

          ▲研究人員做出的小型化柔性電子器件實物

          結語:柔性電子器件研究為可穿戴設備增加更多可能

          清華大學研究團隊研究出的這種柔性電子器件系統兼顧了可伸縮性和功能密度這兩個矛盾的性能,同時兩種性能表現都不錯。他們還展示了一些可能的應用,比如說運動監測、非觸摸式控制。

          可穿戴設備比如智能手表、VR眼鏡等發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的發展,未來這些可穿戴設備會有更多可能,形態也會更加豐富。

          Eolane在這一領域擁有數十年的經驗,我們為消費電子產品提供高端電子制造解決方案,從設計、工程和原型設計到大規模生產和端到端產品生命周期解決方案。


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