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隔空操作电脑!清华团队电子皮肤成果登Science子刊封面

作者:欧朗电子   发布日期:2022-03-25 11:29:18   阅读量:

3月16日,清华大学团队的电子皮肤新技术登上学术顶刊Science的子刊Science Advances封面。该技术开创柔性电子器件布局新思路,未来可能用于可穿戴设备、体感鼠标等多种领域。

该柔性电子器件技术兼顾了弹性拉伸能力和足够的功能密度,使用该技术研制的柔性材料拉伸弹性为20%,IC面积覆盖率为110%,与人体皮肤有类似的高透气性和仿生机械响应能力。

隔空操作电脑!清华团队电子皮肤成果登Science子刊封面(图1)


该研究论文来自清华大学张一慧课题组团队。

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

一、手背贴上小机关,就能隔空操作电脑

研究人员展示了其电子皮肤新技术可以做到的一系列应用。他们先利用新技术做出了一个小型化柔性电子器件。

这个小型化柔性电子器件里面装有监测运动加速度、运动速度等运动数据、周围环境的磁场、温度、湿度等环境数据的电子器件和一些其他功能的电子器件。

测试人员将该小型化柔性电子器件贴在手背上,作为体感鼠标来操作电脑,演示如何不接触电脑还能完成推箱小游戏。

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▲测试人员测试用小型化柔性电子器件玩推箱子游戏

除此之外,该小型化柔性电子器件还能做指南针显示屏、测温湿度、捕获运动数据、辅助心率测量等等。

研究人员还尝试了将这个器件安装在测试人员胸前,让器件监测运动人员休息、步行、慢跑、再休息循环期间的加速度、温度和相对湿度数据。

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▲测试人员测试用小型化柔性电子器件监测运动数据(图中F部分,其他部分为其他测试时的数据)

二、兼顾双重关键性能,弹性超固体封装技术7.5倍

从健康监测、疾病治疗到物联网、机器人,再到VR、AR,柔性电子器件的应用范围广泛。但是柔性电子器件系统主要要依赖于高性能电子器件与有弹性的基板的集成。

要想实现整个柔性电子器件系统高度延展,关键是整个系统的结构要足够巧妙。通常,整个柔性电子器件系统会受到其中的刚性、脆性电子器件的限制。

这种柔性电子器件系统有两个关键性能指标:电子器件可伸缩性和功能密度。其中,功能密度是指单个组件的面积覆盖率。

清华大学张一慧课题团队的研究人员通过堆叠多层网状材料(stacked multilayer network materials ,缩写:SMNMs)作为集成和封装柔性电子设备的框架,实现了比通用的固体封装方法更好的效果。

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首先是堆叠构型明显增加了柔性电子器件系统的功能密度,能部署的电子器件更多了。其次,网状结构不会对电子器件之间导线形成约束,与固体封装模式相比,导线的延展度可以增强约7.5倍。

另外,因为这种设计还具有与人体皮肤的非线性应力—应变曲线相匹配的高透气性和仿生机械响应性能,所以该堆叠多层网络材料还可以提高贴人体皮肤上时的舒适度。

三、电子器件覆盖率超100%,已有试验成品

在团队研发的这一柔性电子器件系统中,电子器件被焊在基板材料上,之间用蛇形导线连接。

研究人员将网状材料作为封装电子器件的基板材料,这样可以降低对器件间导线的约束,同时利用网状材料存在的缝隙容纳蛇形导线收到拉力后拉伸产生的形变。

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▲基于双层网状材料封装的蛇形导线拉伸变形状态(单轴模式)

因为,在单轴拉伸情况下,网状封装比固体封装对于蛇形导线的限制更小一些。

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▲基于固体封装(PDMS)的蛇形导线变形状态(单轴模式)

同时,研究人员将网状基板材料层叠放置,这样就增加了柔性电子器件的功能密度。这样处理还有一个好处是,整个器件变得更小了。

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▲基于SMNMs的可伸缩互连组合集成和封装策略的概念说明

基于SMNMs布局理念,研究人员开发处理一个三层电路加一层封装的小型化柔性电子器件,也就是上文提到的研究人员用来测试的那个电子器件。这个器件包含42个IC,多条蛇形导线。整个器件的横向尺寸约为11.2mm x 10.1mm。在拉伸过程中,IC和蛇形导线不会相互接触。

这样整个柔性电子器件系统的电子器件覆盖率也因为三层电子器件叠加出现面积覆盖率为110%的情况。该柔性电子器件系统的双向延展率也能达到20%。

隔空操作电脑!清华团队电子皮肤成果登Science子刊封面(图8)

▲研究人员做出的小型化柔性电子器件实物

结语:柔性电子器件研究为可穿戴设备增加更多可能

清华大学研究团队研究出的这种柔性电子器件系统兼顾了可伸缩性和功能密度这两个矛盾的性能,同时两种性能表现都不错。他们还展示了一些可能的应用,比如说运动监测、非触摸式控制。

可穿戴设备比如智能手表、VR眼镜等发挥核心作用的目前都是一些刚性的电子器件组合,随着柔性电子器件技术的发展,未来这些可穿戴设备会有更多可能,形态也会更加丰富。

Eolane在这一领域拥有数十年的经验,我们为消费电子产品提供高端电子制造解决方案,从设计、工程和原型设计到大规模生产和端到端产品生命周期解决方案。


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