“電子紋身”核心技術(shù)詳解 未來(lái)的可穿戴形式？

　怎么拗都能堅(jiān)持工作的小強(qiáng)

　　今天要介紹的這款電子紋身，很好得完成了以上提出的各種要求：它由雙pn結(jié)太陽(yáng)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(guò)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(yáng)能單元：所謂pn結(jié)，就是我們常說(shuō)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(gè)過(guò)程被反向運(yùn)用在了太陽(yáng)能板中——太陽(yáng)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(yáng)能板中只有一種pn結(jié)，只能吸收一段頻率段內(nèi)的太陽(yáng)光，能量轉(zhuǎn)化效率只有30%;而雙pn結(jié)的優(yōu)勢(shì)在于它的兩個(gè)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(duì)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(gè)數(shù)還可以進(jìn)一步增加，當(dāng)然轉(zhuǎn)化效率也會(huì)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(yáng)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(yáng)能單元/鋰電池/控制芯片組成，通過(guò)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(shí)，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(gè)問(wèn)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(duì)電子元件層則幾乎沒(méi)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(guò)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(duì)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)。