通過將可拉伸電路層堆疊和連接在一起，工程師們開發(fā)出一種方法來構(gòu)建柔軟，柔韌的“3D可伸縮電子設(shè)備”，可以在保持薄和小尺寸的同時包裝許多功能。這項工作發(fā)表在8月13日出版的“ 自然電子學(xué) ” 雜志上。

作為一個概念證明，由加州大學(xué)圣地亞哥分校領(lǐng)導(dǎo)的團隊已經(jīng)建立了一個可拉伸的電子貼片，可以像繃帶一樣佩戴在皮膚上，用于無線監(jiān)測各種物理和電子信號，從呼吸到身體運動，溫度，眼球運動，心臟和大腦活動。該裝置與美元硬幣一樣小且厚，也可用于無線控制機器人手臂。

“我們的愿景是制造出像今天的剛性電子產(chǎn)品一樣多功能和高性能的3D可拉伸電子產(chǎn)品，”資深作者，在納斯加工大學(xué)圣地亞哥雅各布斯的納米工程和可穿戴傳感器中心教授盛旭說。工程學(xué)院。

由于他在該領(lǐng)域的工作，徐在2018年被評為麻省理工學(xué)院技術(shù)評論的35位35歲以下創(chuàng)新者。

為了將可伸縮的電子設(shè)備提升到一個新的水平，徐和他的同事正在向上而不是向外建設(shè)。“剛性電子產(chǎn)品可以在很小的占地面積上提供大量功能 - 它們可以很容易地制造出多達50層的電路，這些電路都是錯綜復(fù)雜的連接，其中大量芯片和元件密集地封裝在內(nèi)部。我們的目標是實現(xiàn)用可伸縮的電子產(chǎn)品，“徐說。

本研究開發(fā)的新設(shè)備包括四層互連的可拉伸柔性電路板。每層都建立在有機硅彈性體基材上，采用所謂的“島橋”設(shè)計。每個“島”都是一個小的，剛性的電子部件(傳感器，天線，藍牙芯片，放大器，加速度計，電阻器，電容器，電感器等)，它們連接在彈性體上。這些島嶼由彈性“橋”連接而成，這些“橋”由薄的彈簧形銅線制成，允許電路在不影響電子功能的情況下拉伸，彎曲和扭曲。

建立聯(lián)系

這項工作克服了在3D中構(gòu)建可拉伸電子設(shè)備的技術(shù)障礙。“問題不在于堆疊層。它在它們之間建立電氣連接，因此它們可以相互通信，”Xu說。這些電連接，稱為垂直互連訪問或VIA，基本上是小的導(dǎo)電孔，穿過電路上的不同層。傳統(tǒng)上使用光刻和蝕刻制造VIA。雖然這些方法在剛性電子基板上工作良好，但它們不適用于可拉伸彈性體。

所以徐和他的同事們轉(zhuǎn)向激光器。他們首先將硅氧烷彈性體與黑色有機染料混合，以便它可以吸收激光束的能量。然后他們在每層彈性體上制作電路，將它們堆疊起來，然后用激光束擊中某些點，以創(chuàng)建VIA。之后，研究人員用導(dǎo)電材料填充VIA，將各層電氣連接在一起。Xu說，使用激光器的好處是它們在工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，因此轉(zhuǎn)移這種技術(shù)的障礙很小。

多功能'智能繃帶'

該團隊構(gòu)建了一個概念驗證3D可伸縮電子設(shè)備，他們將其稱為“智能繃帶”。用戶可以將其粘在身體的不同部位上，以無線監(jiān)控不同的電信號。當佩戴在胸部或胃部時，它會像心電圖(ECG)一樣記錄心臟信號。在額頭上，它記錄大腦信號，如迷你腦電圖傳感器，當放置在頭部側(cè)面時，它記錄眼球運動。當佩戴在前臂上時，它記錄肌肉活動并且還可以用于遠程控制機器人手臂。智能繃帶還可監(jiān)測呼吸，皮膚溫度和身體運動。

“我們沒有特定的最終用途將所有這些功能結(jié)合在一起，但重點是我們可以將所有這些不同的傳感功能整合在同一個小繃帶上，”共同第一作者Zhenlong Huang說，他將這項工作作為訪問博士 徐的研究小組的學(xué)生。

研究人員并沒有因數(shù)量而犧牲質(zhì)量。“這個設(shè)備就像'所有行業(yè)的主人'。我們選擇了高質(zhì)量，強大的子組件 - 我們在市場上可以找到的最好的應(yīng)變傳感器，最靈敏的加速度計，最可靠的ECG傳感器，高質(zhì)量的藍牙等等 - 并開發(fā)了一種巧妙的方法將所有這些集成到一個可擴展的設(shè)備，“Xu的研究小組在加州大學(xué)圣地亞哥分校的納米工程研究生楊麗說。

到目前為止，智能繃帶可以使用超過六個月而不會降低性能，拉伸性或靈活性。它可以與10米外的智能手機或筆記本電腦進行無線通信。該設(shè)備總共運行約35.6毫瓦，相當于7個激光指示器的功率。