- 文献综述(或调研报告):
柔性电子器件适用于可能产生弯曲的工作场景或者贴合人体的设备,例如柔性显示屏[1]、眼状摄像头[2]、智能手术手套[3]等。这些领域内传统电子器件无法满足工作要求,而柔性电子器件则有无可比拟的优越性。
柔性电子器件的重点在于实现柔性的导电结构。获得柔性导电结构的方式主要分为使用柔性材料和利用预拉伸的方式使刚性材料形成具有一定弹性的可延伸性结构,柔性材料通常为有机半导体,兼顾了导电能力与一定的弹性,但相较于传统半导体与金属,具有电阻率过高、生产成本较高的缺点。可延伸性结构通常采用网状、波浪形或者蛇形线的方式[4],在施加应力等形变手段的情况下,结构会产生微裂纹,SEM图像显示微裂纹现象有助于抵消应力的影响,防止刚性材料的断裂,使得结构本身具有可以延伸弯曲的能力[5]。相对柔性材料,其优点在于有效减小了电阻率,并且可以与传统电子元件结合使用,扩大了柔性电子的材料适用范围,工艺兼容度高。波浪状的结构可以通过预应变来控制波浪的波长与幅度[6],可以通过该方法,保证器件适应工作环境,提升工作效能。但这种方法也存在着相应的问题,在应力作用下,虽然可延伸性结构可以维持材料本身不会产生断裂,但因为导体结构的变化(拉长或缩短)导致了导体的电阻可能会发生明显的变化。所以在设计柔性电子器件时,必须考虑器件本身对于非必要的应力的敏感性。这样才可以保证器件在人体表面工作的强健性。
柔性电子材料的一大用途就是制造可穿戴电子设备,可穿戴电子设备可以用作人体实时健康监测系统。已有团队制作出可以贴合在皮肤表面的温度传感器[7]、压力传感器[8]等传感器。考虑到佩戴者的舒适性,通常可穿戴电子器件在厚度上有着较高的要求,这使得电路中的元件尽量做到平面设计,这使得现有的工作倾向于使用电阻式的传感器,鉴于人体表面环境较为稳定,电阻式传感器的干扰不明显,可以满足实际性的生理指标检测需求。温度传感器可根据金属或半导体PN结的温度与电阻的关系进行检测,通常精度可以达到0.1°C,多个传感器级联形成传感网络即可进行一片区域范围内的体温检测[7]。而压力传感器通常使用金属导线在应力作用下产生的压阻效应,可以检测人体做出各种动作,包括肢体的运动、心脏的起搏(ECG)或者肌肉的收缩(EMG)[9,10]。并根据这些传感器进行了如皮肤含水量检测、汗液组分检测、伤口护理的等人体生理指标的具体应用。
对于皮肤含水量,首先,其与皮肤的热导率相关[11],通过电阻式温度传感器对皮肤进行定时定量加热,检测其温度变化,即可测量其热导率[7]。其次,皮肤含水量也可以通过皮肤自身的阻抗相关,可直接测量皮肤的阻抗来反映皮肤的含水量的变化[9]。
对于汗液相关的测量方式更多的用微流控的方式,使用比色法原理对其组分进行更加精确的检测[12]。而电子学的方法可以通过在表皮上构造平板电容,将汗液作为其电介质,通过测量电容值的变化来反映其介电常数的变化,以此反映汗液的离子含量(主要为Na 、K 、Cl-等离子)[13]。
对于伤口检测,伤口组织在许多方面与正常组织有所区别。例如温度与热导率、组织模量,可以在器件中集成不同的传感元件,对伤口组织进行全方位的监测[14]。为病人和医护人员提供全面的医疗信息,对医疗方案的制定与修改提供信息辅助。
综上的各种柔性可穿戴器件,通过直接附着在人体上,无须拆卸可以直接进行测量,大大方便了对人体生理指标监测的实时性与方便性;并且基于现有电子技术,可以做到小型集成化,将多种指标测量集成在一个器件上,实现功能的多样化。但现有的工作会将物理载体与电路两者的制造的分离,再将两者的成品通过键合等方式进行物理结合或者在物理载体上进行多次的生长于刻蚀形成最终的电路,延长了成品的制作周期,不利于成品与技术设计的快速迭代。
3D打印技术可以快速将设计进行实体化生产,进行小规模的产品生产或者私人定制化产品生产[15]。并且3D打印的优势还在于可以制造任意形状的物理模具,有利于各种柔性可穿戴电子器件的制造。并且3D打印也可以打印一部分金属,这也可以利用3D打印作为制造电路的一种方法。则将3D打印技术利用在柔性可穿戴器件上,可以克服现在柔性可穿戴器件的技术缺点,大大加速柔性可穿戴器件领域的发展。
为了将3D打印技术与柔性可穿戴器件相结合,首先要解决3D打印技术如何制造柔性电路的问题。在3D打印制造的柔性模具上,可以直接使用化学镀在基底表面上全部镀上金属,再使用激光刻蚀多余的金属,形成电路连线。也可以通过在基底中掺入化学镀的催化剂,再通过激光活化表面的催化剂、选择性的化学镀金属的方法即可获得具有稳定导电能力的电路连线。再设计连线结构与功能部分即可获得具有一定功能的柔性可穿戴器件[16]。第二种方法具有不需要进行激光刻蚀,工艺简单;减少原料的消耗,工艺成本更加低廉;可以通过调整催化剂的含量来控制化学镀的效果。
通过3D打印技术,制造的基于柔性电子器件的可穿戴设备例如人体信号的检测器通常是柔性电路与传统传感器的结合,由于传统传感器面积较小,不影响柔性电路的可延伸性与穿戴的舒适度。这满足了实时监测人体健康参数的要求。
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