柔性電子技術(shù)的主要產(chǎn)品及其應(yīng)用前景

劉曉莉

（航宇救生裝備有限公司，湖北 襄陽(yáng) 441003）

柔性電子技術(shù)，又被稱為塑料電子和打印電子技術(shù)，是指電子元器件、基底材料、電路和功能系統(tǒng)具備可彎曲折疊、可延展等特性的新興電子技術(shù)，目前已成為解決微電子技術(shù)應(yīng)用瓶頸的發(fā)展趨勢(shì)。

伴隨著柔性電子技術(shù)的發(fā)展，各種柔性電子產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生，主要包括：柔性傳感器、柔性顯示器、柔性電路板等，但目前實(shí)際上只有少量產(chǎn)品真正進(jìn)入市場(chǎng)，這類產(chǎn)品在醫(yī)療保健、消費(fèi)電子、航空軍工、車載產(chǎn)品等領(lǐng)域的潛力尚未完全開(kāi)發(fā)出來(lái)。

1 柔性傳感器

柔性傳感器是一種采用柔性材料制成的傳感器，與傳統(tǒng)傳感器相比最大的優(yōu)勢(shì)在于具備延展性和柔韌性，可以彎曲、折疊。柔性傳感器具有豐富的結(jié)構(gòu)形式，可以按照測(cè)量條件的要求任意設(shè)計(jì)布局，便于對(duì)被測(cè)量對(duì)象進(jìn)行檢測(cè)。

柔性傳感器雖然種類繁多，有柔性濕度傳感器、柔性薄膜壓力傳感器、柔性電容式傳感器、柔性電阻式傳感器等，但其主要結(jié)構(gòu)都由柔性基底、薄膜材料和電極三個(gè)部分組成，只有少部分柔性傳感器的薄膜材料與電極合為一體。

柔性傳感器的基底材料主要為PET、PI 或者PEN 等有機(jī)高分子材料和聚合物，具備優(yōu)良的機(jī)械性能、氣體阻隔性能和耐熱性能。而導(dǎo)電氧化物薄膜、金屬薄膜和納米復(fù)合薄膜作為柔性傳感器所用薄膜材料，在保證基底柔軟易折的基礎(chǔ)上，能改變?cè)斜砻鎸傩裕O(shè)計(jì)多種新功能，或者本身透明度和導(dǎo)電性良好，能滿足折疊、減重及耐用的要求。

1.1 柔性傳感器的應(yīng)用——可穿戴設(shè)備

伴隨著電子技術(shù)的跨越式發(fā)展，大體積電子產(chǎn)品無(wú)法攜帶的弊端日益顯露，因此小型化可穿戴設(shè)備成為新的發(fā)展趨勢(shì)。它利用傳感器作為“眼睛”和“耳朵”采集外界信息，感知外部環(huán)境，主要包括4 類產(chǎn)品。

（1）頭戴式，包括眼鏡、耳機(jī)、頭環(huán)、頭盔類產(chǎn)品，如谷歌眼鏡。

（2）身穿式，包括智能化服裝和外骨骼等，如智能防彈衣。

（3）手戴式，包括手表、手環(huán)、手套、戒指類產(chǎn)品，如蘋(píng)果公司iwatch 智能手表。

（4）腳穿式，包括鞋襪、鞋墊和下肢助力系統(tǒng)類產(chǎn)品，如谷歌智能鞋襪。

可穿戴設(shè)備主要使用以下3 類傳感器。

（1）交互感知傳感器。指多軸陀螺儀傳感器和加速度傳感器，運(yùn)動(dòng)類智能穿戴設(shè)備常使用此類傳感器，他的性能往往決定著設(shè)備的性能。

（2）生理參數(shù)檢測(cè)傳感器。包括皮膚電阻傳感器、紅外/光電脈搏傳感器、血壓傳感器等，但這種傳感器體積偏大，較少應(yīng)用于可穿戴設(shè)備中。

（3）環(huán)境感知傳感器。指溫度傳感器、大氣壓力傳感器、煙霧顆粒檢測(cè)傳感器、濕度傳感器、水質(zhì)檢測(cè)器等，這類傳感器雖然因?yàn)槌杀据^低，技術(shù)相對(duì)成熟而得到廣泛應(yīng)用，但由于尺寸普遍較大也很少應(yīng)用于可穿戴設(shè)備中。不過(guò)有智能頭盔廠商目前正在對(duì)這類傳感器的運(yùn)用展開(kāi)研究。

1.2 柔性傳感器的應(yīng)用——醫(yī)療保健設(shè)備

柔性電子技術(shù)在醫(yī)學(xué)和生物工程領(lǐng)域備受關(guān)注。目前已有一些電子元器件集成到人體，其中一個(gè)例子就是仿生眼。視力受損患者需要一個(gè)電活性的可尋址矩陣陣列，其中的每個(gè)單元或像素能夠記錄圖像并通過(guò)視神經(jīng)將圖像傳輸給患者。這種技術(shù)并不局限于視覺(jué)，也適用于許多其他類型的感覺(jué)。

而仿生耳為柔性薄膜電子元器件提供了理想的平臺(tái)。在聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)中，特別是在耳蝸內(nèi)部，器官振蕩的基膜是傾聽(tīng)和細(xì)微調(diào)音的關(guān)鍵。由于其獨(dú)特的剛度和幾何結(jié)構(gòu)，薄膜與壓力傳感陣列一起充當(dāng)一個(gè)仿生聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)。在特定的頻率和聲壓下，基膜在特定的位置以預(yù)定的振幅振動(dòng)。微陣列壓力傳感器可以在每個(gè)特定位置被激活，發(fā)出已知音調(diào)和響度的信號(hào)，模擬入射聲音。還可以集成小型壓電結(jié)構(gòu)形成內(nèi)置反饋回路。正常情況下，人的耳朵可以通過(guò)細(xì)微調(diào)音消除噪聲并分離出感興趣的特定聲音。這種反饋機(jī)制可以使基膜振蕩，使它以特定的頻率不斷振動(dòng)，放大感興趣的信號(hào)，同時(shí)用近端頻率抵消其他噪聲。與目前的耳蝸植入物相比，這種機(jī)制使人們能夠感覺(jué)到更寬的頻率和聲級(jí)，就像真正的耳朵一樣。

基于這種柔性薄膜技術(shù)的微陣列系統(tǒng)的進(jìn)一步應(yīng)用是作為人造鼻子和舌頭的輔助器。嗅覺(jué)和味覺(jué)系統(tǒng)中的感覺(jué)受體包含一系列化學(xué)受體，能感知特定的化學(xué)性質(zhì)，包括酸度、鹽濃度和酶親和力。神經(jīng)元放電的頻率通常與味覺(jué)或嗅覺(jué)的大小成比例。酸味、咸味和甜味的亞型分別被認(rèn)為是pH、堿金屬或鈣離子，這些參數(shù)可以通過(guò)一些最先進(jìn)的電阻抗分析儀提取。分子化合物，如糖前體也可以被酶和傳感器轉(zhuǎn)化為可測(cè)量的電信號(hào)。皮下植入這種配備pH、溫度、壓力或特定酶?jìng)鞲衅鞯谋∧ぃ轻t(yī)學(xué)上的一個(gè)突破，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)患者血液中的基本成分，從而以非侵入性的方式提取有價(jià)值的數(shù)據(jù)，幫助患者改善生活質(zhì)量。如果應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)傷員，恢復(fù)和存活率的關(guān)鍵信息以及治療方案將立即可用，同時(shí)可以改善傳統(tǒng)方式提供更有效的支持，例如，將柔性薄膜集成到繃帶上。

此外，這些柔性電子設(shè)備還可以集成到床單和病人宿舍中，利用熱、濕度、鹽或壓力傳感器監(jiān)測(cè)和識(shí)別體溫異常，以及汗液元素分析。身體的熱量分布、汗液含量、身體部位的頻率或姿勢(shì)壓力都能揭示病理癥狀或恢復(fù)階段的重要信息。

2 柔性顯示器

柔性顯示器也是柔性電子技術(shù)衍生的產(chǎn)物，通過(guò)柔性顯示技術(shù)將柔性顯示電子元件集成在柔性基底上，使得顯示器能夠彎曲成各種形狀，具備輕薄、方便攜帶的特點(diǎn)。

柔性顯示器與傳統(tǒng)平板顯示器不同，它即使被無(wú)限次彎曲折疊也絲毫無(wú)損。雜志、報(bào)紙、書(shū)籍和視頻文件等一切可視化載體都能通過(guò)柔性顯示器呈現(xiàn)，如同報(bào)紙一樣，能在使用時(shí)展開(kāi)，使用后折疊，在攜帶方便的同時(shí)兼顧了使用的視覺(jué)效果。

柔性顯示器的應(yīng)用為折疊屏手機(jī)。2021 年2 月，華為正式發(fā)布旗下第2 代折疊屏手機(jī)產(chǎn)品Mate X2。新機(jī)采用了內(nèi)折的設(shè)計(jì)，擁有內(nèi)外雙屏，外屏尺寸6.45 英寸，采用了挖孔的設(shè)計(jì)，打開(kāi)后手機(jī)的屏幕尺寸達(dá)到8 英寸，內(nèi)外屏都擁有90Hz 的屏幕刷新率。Mate X2 擁有著全新的中軸設(shè)計(jì)，柔性屏在轉(zhuǎn)軸閉合的狀態(tài)下并不是完全平折的，而是在內(nèi)部屏幕形成了一個(gè)水滴的形狀。華為表示這樣的設(shè)計(jì)可以減少屏幕的折痕和反光。同時(shí)屏幕蓋板采用了華為全新研發(fā)的磁控納米光學(xué)膜。在轉(zhuǎn)軸的內(nèi)部結(jié)構(gòu)上，華為也對(duì)其做了重新的設(shè)計(jì)，內(nèi)部的結(jié)構(gòu)采用了碳纖符合材料，保證了整體的硬度，可以更為有效的支撐折疊屏。

目前華為旗下的折疊屏手機(jī)只有內(nèi)折、外折兩種方式，而屏幕也僅支持一次折疊，但華為正在研發(fā)三折疊手機(jī)，并已向世界知識(shí)產(chǎn)權(quán)組織申請(qǐng)了三折疊智能手機(jī)的專利。根據(jù)專利描述，華為三折疊手機(jī)采用的是大型柔性環(huán)繞屏幕，共有7 個(gè)屏幕，包括4 個(gè)大屏幕和3 個(gè)窄屏幕，其中折疊狀態(tài)下，側(cè)邊的窄屏幕可顯示出時(shí)間、網(wǎng)絡(luò)信號(hào)強(qiáng)度、電池電量等信息。

2021 年9 月，三星推出了第3 代Galaxy Z Fold3 折疊屏手機(jī)。這款加持多項(xiàng)黑科技的折疊屏產(chǎn)品，在UTG 超薄柔性玻璃基底上附上了新一代具有延展性的PET 薄膜，讓屏幕的耐用性比第2 代提升80%。機(jī)身正面采用一塊6.2 英寸第2 代動(dòng)態(tài)AMOLED 內(nèi)屏，將其展開(kāi)后可以得到一塊7.6 英寸的沉浸式屏下攝像折疊外屏。為了增加機(jī)身的強(qiáng)度與剛性，機(jī)身外框和鉸鏈位置采用最新研發(fā)的“裝甲鋁”。全新的折疊鉸鏈設(shè)計(jì)，可以使手機(jī)展開(kāi)到不同角度并懸停，能夠有效減少由屏幕間隙帶來(lái)的意外損壞。

3 柔性電路板

柔性電路板是一種可撓性印刷電路板，其特點(diǎn)是將導(dǎo)體線路制作在聚酰亞胺等柔性基底上，有單層、雙層和多層板的不同結(jié)構(gòu)，具有配線密度高、厚度薄、重量輕、可彎折的性能，完美地詮釋了柔性電子產(chǎn)品小型化和輕薄化的發(fā)展特點(diǎn)。

柔性電路板在十多年前已得到廣泛應(yīng)用，小到MP3、MP4，家用VCD、DVD、數(shù)碼相機(jī)、手機(jī)和電腦（包括臺(tái)式電腦和筆記本電腦），大到醫(yī)療、汽車、航天領(lǐng)域等。而手機(jī)和電腦的應(yīng)用則是全球柔性電路板需求最大的應(yīng)用市場(chǎng)，僅一臺(tái)智能手機(jī)就需要搭載10～15 片柔性電路板。

4 柔性電子技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用

4.1 人機(jī)接口

飛行員執(zhí)行任務(wù)的表現(xiàn)對(duì)于飛行任務(wù)的成敗有著至關(guān)重要的影響。但在現(xiàn)階段人機(jī)接口還存在問(wèn)題，如信息過(guò)量、錯(cuò)失情報(bào)、無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)威脅/危險(xiǎn)。因此需要運(yùn)用柔性電子技術(shù)來(lái)感知、評(píng)估和增強(qiáng)飛行員在整個(gè)飛行任務(wù)鏈中的參與度和表現(xiàn)。

4.2 用于ISR/EW 的嵌入式/保形電子產(chǎn)品

在競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境下，信息和跟蹤是決策制定和兵力規(guī)劃的基礎(chǔ)?？捎糜贗SR/EW 的嵌入式/保形的柔性電子產(chǎn)品包括：通信（保形光圈）、用于反饋和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的分布式電子產(chǎn)品、可重構(gòu)的電子產(chǎn)品。

4.3 集成式柔性電源

能源限制了無(wú)人機(jī)和可穿戴設(shè)備的飛行能力和任務(wù)效果。目前使用的能源成本高、重量大、只能按比例增大、續(xù)航時(shí)間短，難以滿足復(fù)雜化智能化飛行任務(wù)需求。若采用柔性電源，則會(huì)帶來(lái)諸多優(yōu)勢(shì)：精準(zhǔn)捕獲信號(hào)、存儲(chǔ)功能強(qiáng)大、便于管理。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，由于具備可彎曲、可折疊和可延展的特性，柔性電子技術(shù)將廣泛應(yīng)用于可穿戴設(shè)備和柔性顯示屏等領(lǐng)域已成為一種必然趨勢(shì)。但是，柔性電子技術(shù)未來(lái)也面臨著一系列挑戰(zhàn)，如使用壽命、成本、對(duì)抗尖銳物品的性能、阻燃性、抗壓性等方面是否能夠滿足不同的應(yīng)用需求，這些問(wèn)題尚待進(jìn)一步驗(yàn)證。