中国国际医疗器械设计与制造技术展览会(Medtec China)2021

Dedicated to design & manufacturing for medical device

December 7-9 2022 | Suzhou lnternational Expo Centre B1-E1

柔性电子器件的应用

2022-01-04

近年来柔性电子器件作为未来电子器件发展的方向之一备受瞩目。由此,可穿戴器件、医用可植入器件、电子皮肤以及智能电子织物等概念被不断提出,组成了未来人类生活蓝图的一部分。

柔性可穿戴功能电子技术的迅速发展,使得电子设备逐渐从以往的刚性系统发展到柔性系统,最终发展成柔性可穿戴的电子产品。


可穿戴装置越来越多地渗透到我们的生活当中,这些智能装置离不开电路的支撑。相较于传统电子元器件,柔性电子的器件具有轻便、薄、柔软、可弯曲等特点,具有较高的灵活性、伸展性和弯曲性。

柔性可穿戴电子的常用材料
柔性基底

为了满足柔性电子器件轻薄、透明、柔性和拉伸性好、绝缘耐腐蚀等性质的要求,常见的柔性材料有:聚乙烯醇 ( PVA ) 、聚酯 ( PET ) 、聚酰亚胺 ( PI ) 、聚萘二甲酯乙二醇酯 ( PEN ) 、纸片 、纺织材料等 ,以上材料都具有方便易得、化学性质稳定、透明和热稳定性好等优点。


金属材料

金属材料一般为金银铜等导体材料,主要用于电极和导线。对于现代印刷工艺而言,导电材料多选用导电纳米油墨,包括纳米颗粒和纳米线等。金属的纳米粒子除了具有良好的导电性外,还可以烧结成薄膜或导线。


无机半导体材料

以ZnO和ZnS为代表的无机半导体材料由于其出色的压电特性, 在可穿戴柔性电子传感器领域显示出了广阔的应用前景。


有机材料

大规模压力传感器阵列对未来可穿戴传感器的发展非常重要。基于压阻和电容信号机制的压力传感器存在信号串扰,导致了测量的不准确,这个问题成为发展可穿戴传感器最大的挑战之一。

由于晶体管完美的信号转换和放大性能,晶体管的使用为减少信号串扰提供了可能。因此,在可穿戴传感器和人工智能领域的很多研究都是围绕如何获得大规模柔性压敏晶体管展开的。

碳材料

柔性可穿戴电子传感器常用的碳材料有碳纳米管和石墨烯等。碳纳米管具有结晶度高、导电性好、比表面积大等优点,微孔大小可通过合成工艺加以控制,比表面利用率可达 100%。


柔性电子器件助力生命医学的发展
像皮肤一样柔软的电极

柔性电极是将电子器件制作在柔性或可延性塑料或薄金属基板上的电子技术,如果柔性电极以及材料在内的电子器件都是硬的,那么如果把他们应用在测量中枢神经电流、心脏电流时,植入大脑或心脏上就可能损坏神经或心脏组织。

因此,与神经接触的电极应当和皮肤一样柔软,这是柔性电子应用需要解决的重要问题。


2017年美国斯坦福大学华人教授鲍哲南领导的研究团队在新一期美国《科学进展》杂志上发表报告称,他们开发出了一种导电性和拉伸性极佳的高分子材料,可用于可拉伸塑料电极。这种柔性电极也可作为可穿戴电子器件。

该团队发现的柔性聚合物很薄,且透光性很好,几乎呈现透明状态,同时具备高导电性。适合运用到柔性基板上。


研究人员通过对新材料的改造,使其在被拉伸到原来长度的两倍时,仍然能保持高导电率。

超柔性压电能量收集传感器贴片

奥地利乔安妮姆研究所(Joanneum Research)的研究小组与日本大阪大学合作,开发出一种可以测量各种生命体征并收集能量的超薄传感器。

为了避免多次测量血压和脉搏给人带来的无意识应激反应从而导致被测者出现虚假的血压值,研究人员开发出了一款电子传感器贴片来帮助人们测量健康参数。


电子传感器贴片使用一种叫做Poly VDF-TrFE(亚乙烯基二氟乙烯-三氟乙烯)的材料,电子传感器贴片的总体厚度不超过0.0025毫米。因此,它能够完全舒适地贴合皮肤,成为世界上首款超柔性压电传感器。

基于其工作原理,该传感器十分灵敏,即使是最小的压力变化如人类脉搏波传播速率变化,也有机会被测量到。此外,传感器贴片还可以从生物力学运动中产生电能。

柔性可穿戴电子器件未来展望
随着科学技术的不断进步,人和信息技术的融合将成为未来发展的趋势。作为信息载体的各种微电子器件的柔性化,能够促进人与信息的高效交流。

现今,柔性电子器件以及柔性可穿戴电路在医疗器件领域快速发展,植入式医疗电子器件也被越来越多的应用于各种心血管疾病和神经系统疾病的治疗。


未来随着医疗水平的提高,植入式医疗设备与人体器官组织相结合的应用将会越来越广泛,相应的对电子器件的薄膜性、无副作用嵌入性的要求也会越来越高。

柔性可穿戴电子不仅会成为未来医疗的主流模式,还会向通信娱乐以及运动领域全面前进。


在航空航天领域,柔性电子器件的发展也将会向精密度更高、可靠性更强和敏感度更高的方向发展

总结:柔性电子的诞生为经典电子学的发展提供了新的方向,触发了新形态电子设备的产生,也将使人们的日常生活发生革命性的变化。

来源:国际电子元器件技术资讯