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可伸缩电子产品是如何被创造出来的

随着具有各种特性的电子产品在不同应用中的发展,可伸缩电子产品正在成为下一代的有希翼的新技术。可拉伸电子器件是一种通过将可拉伸电子电路沉积到可拉伸基板上或将其完全嵌入可拉伸材料(例如硅树脂或聚氨酯)中来构建电子设备的技术。

可伸缩电子产品是如何被创造出来的
可伸缩电子产品是如何被创造出来的

可伸缩电子设备(有时称为elastronics)是新兴的一类电子设备,有望实现一系列新应用,包括机器人设备的网络皮肤,在完全可伸缩的可扩展网络皮肤上赋予传感器网络;体内植入式海绵状电子产品;以及带有嵌入式电子神经系统的类似肉的设备。

越来越多的可穿戴电子设备用于个人消费和长期远程健康监测,而关键的挑战是该系统必须适应各种类型的生物物体的弯曲,弯曲,柔软和弹性的表面。

柔性和可拉伸的电子设备可实现多种应用,因为这些组件可以压缩,扭曲并制成与复杂的非平面表面一致的形状。当前,可穿戴电子设备的应用对大家日常生活的各个方面都有积极影响,从而导致经济增长以及可拉伸电子设备和相关制造技术的快速发展。

灵活,柔软和可拉伸的电子设备形式支撑下一代可穿戴电子应用,为医疗保健,能源和军事目的开辟了各种途径。可伸缩电子产品正在不同领域出现,例如能量转换和存储(包括太阳能电池),超级电容器,锂离子电池,锌基电池和纳米发电机。

此外,为可拉伸电子设备增加透明特性将使其有可能获得更多的应用,例如可拉伸透明电极(STE)和透明可拉伸电子设备(TSED),其中保形放置需要高水平的光学透明性和可拉伸性在人体或任意表面上的设备。

技术发展与挑战

在过去十年中,对可穿戴电子,智能和集成电子系统的巨大需求推动了人们对可伸缩电子制造策略的兴趣。因此,通过复杂的材料设计和新颖的设备配置,为实现电子设备的可拉伸性并降低总制造成本做出了巨大的努力。

但是,机械顺应性在可拉伸电子设备的制造中至关重要,因为在弯曲或拉伸状态下设备不应遭受物理损坏或改变其性能。为了解决这些挑战并实现上述目标,正在对该技术和制造策略的基础上进行许多重要的发现和突破。

各种策略用于使电子设备可拉伸,包括直接利用本质上可拉伸的材料或构建结构设计策略,例如波浪结构配置,岛状互连配置,网状结构,分形设计方法,折纸和折纸结构配置。

但是,可拉伸导体和电极是最终可拉伸电子设备的基本构建块。可拉伸导体的柔顺,可变形和可拉伸特性更新了人们必须使用非柔性硅基电子产品的传统观念。这为下一代柔性电子学开辟了新的方向。

可伸缩电子设备的开发并不是一个新概念,并且正在研究各种各样的可伸缩电子设备。从可穿戴健康监测仪和弹性太阳能电池到人造皮肤,此类设备的进一步发展可能具有广泛的潜在用途。但是,寻找合适的材料和制造方法涉及若干挑战。制造可拉伸电子产品的最大挑战是,每个组件必须承受压缩,扭曲并应用于不平坦的表面,同时还要保持其性能。

柔性和可拉伸电子学的主要发展趋势涉及采用软衬底的材料合成,机械设计和制造策略的创新。这里最大的挑战是整个电子系统不仅必须允许弯曲而且还必须允许伸展。因此,可伸缩导体成为连接各种可伸缩设备的工作电路的关键构造单元。

由于可拉伸导体的成功,借助于多种制造策略制造了各种可拉伸电子设备,包括可拉伸加热器,可拉伸能量转换和存储设备,可拉伸晶体管,传感器和人造皮肤。可伸缩电子设备的不断发展带来了透明性的新功能,由于可穿戴电子系统的潜力,透明,可伸缩电子设备的制造引起了人们的极大兴趣。

例如,低成本的可拉伸导体和电极是由银纳米线和石墨烯制成的。目前,电子薄膜晶体管矩阵可以拉伸到大约140%,并且其晶体管参数在拉伸时也保持不变。

迫切的技术问题是需要可伸缩的能量转换和存储设备,例如电池。锌基电池是有前途的候选材料。但是,要使它们在商业上可行还需要做更多的工作。电池的替代品是可拉伸的纳米发电机,它可以通过各种自由可用的振动(例如风或人体运动)产生电能。可伸缩的太阳能电池也可以用于为可穿戴电子设备供电。

通过集成多个可拉伸组件(例如温度,压力和电化学传感器),可以创建类似于人类皮肤的材料,该材料可以使用汗液,眼泪或唾液中的信号进行实时,无创的医疗保健监控,以及用于具有增强感应功能的智能假肢或机器人。然而,目前,人造皮肤的制造仍然是耗时且复杂的。

当前,制造可拉伸电子产品有两种主要策略。第一种是使用固有可拉伸的材料,例如橡胶,它可以承受较大的变形。然而,这些材料具有诸如高电阻之类的限制。

第二种方法是使用创新设计使非柔性材料具有可拉伸性。例如,可以在预拉伸的表面上生长诸如硅之类的脆性半导体材料,然后使其压缩,从而产生屈曲波。

将来,可伸缩电子产品可能会通过新功能来增强,例如无线通信,自我充电甚至自我修复。下一步是将可伸缩电子技术从实验室推向市场。这就需要更便宜的材料和更快,可扩展的制造方法。

进一步的技术路线

对纳米级现象,功能材料和软设备的理解已经发展到可以在可拉伸电子应用中取得实质性进展的地步。通常,当材料经受重复的拉伸和恢复过程时,其机械强度和恢复性能趋于降低。穿戴在身体上或嵌入衣服中的电子设备必须由能够承受反复使用且即使在反复拉伸和恢复后也不会改变其机械性能的材料制成。

松下企业已经开发出一种聚合物树脂薄膜,该薄膜能够构造柔软,灵活和可拉伸的电子设备,例如为衣服或身体穿着而开发的那些设备。它可部署在从可穿戴设备到传感器,显示器和机器人的广泛应用中。这种新开发的材料是一种绝缘膜材料,据说可以拉伸并恢复其原始形状,这是传统柔性材料中很难找到的特征。它适应于所需的折叠方式和变化的自由曲面,从而大大减少了现有的设计约束。据说该企业还将提供透明电极材料和导电胶以及该绝缘膜。

美国加利福尼亚大学圣地亚哥分校的工程师们开发了首个使用锌和异戊二烯制成的聚合物材料的印刷电池,从而使电池具有柔性,可拉伸性和可充电性。这种可伸展的电池可以为每个可伸展的电子设备供电,从可穿戴式传感器到太阳能电池以及其他种类的电子产品。该物质可使电池在任何方向上拉伸至其尺寸的两倍,而不会受到损坏。

未来的愿景是制造与当今的刚性电子产品一样多功能和高性能的3D可拉伸电子产品。构建3D可拉伸电子设备时的另一个问题是在各层之间创建电连接。这些电气连接称为垂直互连访问(VIA),本质上是穿过电路上不同层的小导电孔。传统上,VIA是使用光刻和蚀刻技术制成的,这些技术在刚性电子设备上可以很好地工作,但是在可拉伸弹性体上的适用性值得怀疑。

目前,研究人员正在将有机硅弹性体与黑色有机染料混合,以使其能够吸取激光束中的能量,从而在弹性体的每一层上形成电路。之后,他们期待用导电材料填充VIA,以使各层之间相互电连接。据报道,通过将金属碳纳米管从橡胶状半导体引入橡胶状半导体复合材料中,可以进一步获得全橡胶状集成电子器件。

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