黑科技“電子紋身”技術(shù)的組成結(jié)構(gòu)解析

（文章來源：醫(yī)療科技網(wǎng)）

目前所謂的體表電子設(shè)備——也被稱為“電子紋身”——基本還處于實(shí)驗(yàn)階段，其構(gòu)想就是將我們所熟知的電子裝置——由芯片、天線、內(nèi)存等元件組成——直接附著在人體表面，完成諸如監(jiān)測體表溫度、顯示用戶身份等功能。對體表溫度的監(jiān)控，能夠讓醫(yī)生、測謊師等的工作更加簡單；而身份驗(yàn)證功能讓身份證、信用卡，甚至車鑰匙一去不復(fù)返，只要揮一揮衣袖，就可以帶走你想要帶走的東西，比之于二維碼，更加安全和便捷。

這項(xiàng)技術(shù)的前景是十分誘人的，很可能將會重新定義未來的可穿戴電子設(shè)備，隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，將整臺電腦搬到人的皮膚表面或許也都不是夢想。既然這一切看起來都很美，那為何研究還只停留在實(shí)驗(yàn)階段？因?yàn)殡娮蛹y身在能量供應(yīng)方面，存在很大的瓶頸：其自身無法制造或儲存能量，只能通過第三方設(shè)備發(fā)射的微波供能，但外部的能量供給繁瑣而不穩(wěn)定——這顯然限制了電子紋身的進(jìn)化，因?yàn)閺?fù)雜的功能注定需要穩(wěn)定和充足的能量供給來支撐。

人們一直希望能在體表上直接實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)化與儲存，五花八門的創(chuàng)意隨之粉墨登場——通過壓電材料、摩擦生電、熱生電等方式產(chǎn)生能量；相應(yīng)的能量儲存媒介則選擇能量密度較高的電池和超級電容等。這些裝置對于人類皮膚來說始終過于龐大和堅(jiān)硬了，你能夠想象僅僅為了隨時監(jiān)測自己的體溫，在胳膊上綁一個小號啞鈴的情景么？所以一個好的電子紋身的第一步，是可以自發(fā)電、佩戴輕巧舒適并且最好能夠貼合人體皮膚的電源。

電子紋身很好得完成了以上提出的各種要求：它由雙pn結(jié)太陽能單元和鋰電池組成，兩者均被制成大約3×3mm的微小顆粒，由可伸縮的電路相連，并在能量管理芯片的協(xié)同下工作，最后，通過多層超薄彈性材料的包裹，實(shí)現(xiàn)電子元件和皮膚表面的貼合與固定，并起到保護(hù)作用，可謂麻雀雖小，五臟俱全。

雙pn結(jié)太陽能單元：所謂pn結(jié)，就是我們常說的半導(dǎo)體材料單元，比如LED燈就是其中一種，在這樣的pn結(jié)兩端施加一定的電壓，它就能發(fā)射出一定頻譜內(nèi)的光線，比如紅色、藍(lán)色等等；而這個過程被反向運(yùn)用在了太陽能板中——太陽能單元可以吸收一定頻率段內(nèi)的光線，產(chǎn)生電能。普通太陽能板中只有一種pn結(jié)，只能吸收一段頻率段內(nèi)的太陽光，能量轉(zhuǎn)化效率只有30%；而雙pn結(jié)的優(yōu)勢在于它的兩個pn結(jié)能夠吸收不同頻率段的光線，將能量轉(zhuǎn)化效率提高到40%以上。對于需要高效率吸收光線而不考慮成本的應(yīng)用領(lǐng)域，比如航天器，pn結(jié)的個數(shù)還可以進(jìn)一步增加，當(dāng)然轉(zhuǎn)化效率也會進(jìn)一步提升。

下面圖1揭示了這款新型電子紋身的基本構(gòu)造，主要的兩層分別是由太陽能單元、鋰電池和控制芯片構(gòu)成的電路，以及保護(hù)此電子結(jié)構(gòu)的彈性保護(hù)膜。

圖1：新型電子紋身分解圖，最上面的是緊貼皮膚的封裝層（encapsulation）；第二層是能量模塊（power management circuit），由太陽能單元/鋰電池/控制芯片組成，通過電路（interconnect）相連；最下面是起保護(hù)作用的超低模量硅層（ultra-low modulus siliconeinterlayer）和彈性基板（stretchable substrate）

此電子紋身在機(jī)械方面最大的挑戰(zhàn)，是在皮膚表面發(fā)生變化時，如何保證其電子元件的正常運(yùn)行。此電子紋身的機(jī)械設(shè)計(jì)解決了這個問題，這要?dú)w功于包裹能量單元的上下兩層保護(hù)膜，以及之字形排布的連接線，如圖2所示。

圖2：電子元件的下層保護(hù)膜結(jié)構(gòu)，以及連接電子元件的之字形電路，在此設(shè)計(jì)下，盡管電子紋身的形變使主層發(fā)生了大規(guī)模的應(yīng)變，但對電子元件層則幾乎沒影響。

此設(shè)計(jì)的思路，就是要在匹配皮膚形變的前提下，通過保護(hù)膜和連接線，將電子元件的應(yīng)變控制在允許范圍內(nèi)（引起元件屈服的相對應(yīng)變臨界值在0.3%左右）。保護(hù)膜分為兩層，主層（core）的彈性系數(shù)（~3 kPa）遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于副層（shell，~60 kPa），就像是給彈性十足的橡膠（副層）覆上一層柔軟的棉花（主層）。
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