可穿戴可拉伸电子产品:一种新的类皮肤集成电路设计和制造工艺

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可穿戴可拉伸电子产品:一种新的类皮肤集成电路设计和制造工艺

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小型可穿戴或植入式电子设备可以帮助监测我们的健康,诊断疾病,并为改进自主治疗提供机会。但要做到这一点而不加重或损坏周围的细胞,这些电子设备不仅需要在移动时与我们的组织一起弯曲和拉伸,还需要足够柔软,不会划伤和损坏组织

十多年来,斯坦福大学的研究人员一直在研究类似皮肤的可拉伸电子设备。在《自然》杂志上发表的一篇论文中,他们提出了一种新的皮肤状集成电路的设计和制造工艺,这种电路比早期版本小五倍,运行速度高一千倍。研究人员证明,他们的软集成电路现在能够驱动微型LED屏幕,并检测比人类指尖更灵敏的盲文阵列

斯坦福大学李化学工程教授、该论文的资深作者鲍振安说:“我们已经取得了重大的飞跃。可拉伸集成电路现在第一次足够小、足够快,可以用于许多应用。”。“我们希望这能使可穿戴传感器、植入式神经和肠道探针更灵敏,操作更多的传感器,并可能消耗更少的电力。”

柔性、可拉伸和功能性

电路的核心是由半导体碳纳米管和鲍实验室开发的软弹性电子材料制成的可拉伸晶体管,夹在弹性材料之间的碳纳米管具有类似渔网的结构,允许它们在拉伸和变形时继续发挥作用。晶体管和电路与可拉伸半导体、导体和介电材料一起被图案化到可拉伸基板上

在他们新的可拉伸电子设计的一个演示中,研究人员能够在一平方厘米内安装2500多个传感器和晶体管,形成了一个有源矩阵触觉阵列,其灵敏度是人类指尖的十倍多。研究人员表明,传感器阵列可以检测微小形状的位置和方向,也可以识别盲文中的整个单词

研究人员还使用他们的可拉伸电路驱动了一个刷新率为60Hz的微型LED显示器,这是计算机或电视屏幕的典型刷新率。以前版本的可拉伸电路在小尺寸时速度不够快,无法产生足够的电流来实现这一点

“初步结果表明,我们的晶体管可以用于驱动计算机显示器中常用的商用显示器。例如,对于生物医学应用,高密度、柔软、适形的传感阵列可以使我们以大范围和精细的分辨率感测人体信号,如来自大脑和肌肉的信号。这可能导致下一代脑机具有高性能和生物相容性的erfaces。“

研究人员有意开发出可以与现有制造工具配合使用的材料和工艺,这样电路就可以更容易地过渡到商业制造。

他们的工艺依赖于与目前用于制造显示屏的制造技术相似的制造技术,尽管所涉及的材料完全不同鲍说,如果不进行一些额外的微调,就无法制造出这些电路,但这些工具已经到位

当然,在这些可拉伸的软集成电路能够商业化之前,还有更多的障碍。身体和组织的运动仍然会导致电路的电气特性发生一些变化——鲍和她的同事正在研究可以减少这些影响的新设计——这些设备在投入使用之前需要某种柔软的防潮保护

未来的软电路

The researchers intentionally developed materials and processes that could work with existing fabrication tools, so that the circuits could make the jump to commercial manufacturing more easily.

Their process relies on fabrication techniques similar to what is currently used for making display screens, although the materials involved are entirely different. Manufacturers wouldn't be able to make these circuits without some additional fine-tuning, but the tools are already in place, Bao said.

Of course, there are more hurdles before these stretchable and soft integrated circuits can be ready for commercialization. Body and tissue movement can still cause some variation in the electrical characteristics of the circuits—Bao and her colleagues are working on new designs that could reduce these effects—and the devices will need some sort of soft moisture protection before they can be put to use.

"There are still challenges for the future of this technology, but these recent developments open up some very exciting biomedical applications for wearable and implantable electronics," Bao said. "And it also has applications in soft robotics, giving robots a sensing functionality that approaches that of humans and makes them safer for people to work with."

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版权声明:Robot 发表于 1个月前,共 2208 字。
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