柔性电子技术的主要产品及其应用前景

2022-01-20刘晓莉

大科技 2022年4期

关键词：薄膜柔性传感器

刘晓莉

（航宇救生装备有限公司，湖北襄阳 441003）

柔性电子技术，又被称为塑料电子和打印电子技术，是指电子元器件、基底材料、电路和功能系统具备可弯曲折叠、可延展等特性的新兴电子技术，目前已成为解决微电子技术应用瓶颈的发展趋势。

伴随着柔性电子技术的发展，各种柔性电子产品应运而生，主要包括：柔性传感器、柔性显示器、柔性电路板等，但目前实际上只有少量产品真正进入市场，这类产品在医疗保健、消费电子、航空军工、车载产品等领域的潜力尚未完全开发出来。

1 柔性传感器

柔性传感器是一种采用柔性材料制成的传感器，与传统传感器相比最大的优势在于具备延展性和柔韧性，可以弯曲、折叠。柔性传感器具有丰富的结构形式，可以按照测量条件的要求任意设计布局，便于对被测量对象进行检测。

柔性传感器虽然种类繁多，有柔性湿度传感器、柔性薄膜压力传感器、柔性电容式传感器、柔性电阻式传感器等，但其主要结构都由柔性基底、薄膜材料和电极三个部分组成，只有少部分柔性传感器的薄膜材料与电极合为一体。

柔性传感器的基底材料主要为PET、PI 或者PEN 等有机高分子材料和聚合物，具备优良的机械性能、气体阻隔性能和耐热性能。而导电氧化物薄膜、金属薄膜和纳米复合薄膜作为柔性传感器所用薄膜材料，在保证基底柔软易折的基础上，能改变原有表面属性，设计多种新功能，或者本身透明度和导电性良好，能满足折叠、减重及耐用的要求。

1.1 柔性传感器的应用——可穿戴设备

伴随着电子技术的跨越式发展，大体积电子产品无法携带的弊端日益显露，因此小型化可穿戴设备成为新的发展趋势。它利用传感器作为“眼睛”和“耳朵”采集外界信息，感知外部环境，主要包括4 类产品。

（1）头戴式，包括眼镜、耳机、头环、头盔类产品，如谷歌眼镜。

（2）身穿式，包括智能化服装和外骨骼等，如智能防弹衣。

（3）手戴式，包括手表、手环、手套、戒指类产品，如苹果公司iwatch 智能手表。

（4）脚穿式，包括鞋袜、鞋垫和下肢助力系统类产品，如谷歌智能鞋袜。

可穿戴设备主要使用以下3 类传感器。

（1）交互感知传感器。指多轴陀螺仪传感器和加速度传感器，运动类智能穿戴设备常使用此类传感器，他的性能往往决定着设备的性能。

（2）生理参数检测传感器。包括皮肤电阻传感器、红外/光电脉搏传感器、血压传感器等，但这种传感器体积偏大，较少应用于可穿戴设备中。

（3）环境感知传感器。指温度传感器、大气压力传感器、烟雾颗粒检测传感器、湿度传感器、水质检测器等，这类传感器虽然因为成本较低，技术相对成熟而得到广泛应用，但由于尺寸普遍较大也很少应用于可穿戴设备中。不过有智能头盔厂商目前正在对这类传感器的运用展开研究。

1.2 柔性传感器的应用——医疗保健设备

柔性电子技术在医学和生物工程领域备受关注。目前已有一些电子元器件集成到人体，其中一个例子就是仿生眼。视力受损患者需要一个电活性的可寻址矩阵阵列，其中的每个单元或像素能够记录图像并通过视神经将图像传输给患者。这种技术并不局限于视觉，也适用于许多其他类型的感觉。

而仿生耳为柔性薄膜电子元器件提供了理想的平台。在听觉系统中，特别是在耳蜗内部，器官振荡的基膜是倾听和细微调音的关键。由于其独特的刚度和几何结构，薄膜与压力传感阵列一起充当一个仿生听觉系统。在特定的频率和声压下，基膜在特定的位置以预定的振幅振动。微阵列压力传感器可以在每个特定位置被激活，发出已知音调和响度的信号，模拟入射声音。还可以集成小型压电结构形成内置反馈回路。正常情况下，人的耳朵可以通过细微调音消除噪声并分离出感兴趣的特定声音。这种反馈机制可以使基膜振荡，使它以特定的频率不断振动，放大感兴趣的信号，同时用近端频率抵消其他噪声。与目前的耳蜗植入物相比，这种机制使人们能够感觉到更宽的频率和声级，就像真正的耳朵一样。

基于这种柔性薄膜技术的微阵列系统的进一步应用是作为人造鼻子和舌头的辅助器。嗅觉和味觉系统中的感觉受体包含一系列化学受体，能感知特定的化学性质，包括酸度、盐浓度和酶亲和力。神经元放电的频率通常与味觉或嗅觉的大小成比例。酸味、咸味和甜味的亚型分别被认为是pH、碱金属或钙离子，这些参数可以通过一些最先进的电阻抗分析仪提取。分子化合物，如糖前体也可以被酶和传感器转化为可测量的电信号。皮下植入这种配备pH、温度、压力或特定酶传感器的薄膜，是医学上的一个突破，可以实时监测患者血液中的基本成分，从而以非侵入性的方式提取有价值的数据，帮助患者改善生活质量。如果应用于现场伤员，恢复和存活率的关键信息以及治疗方案将立即可用，同时可以改善传统方式提供更有效的支持，例如，将柔性薄膜集成到绷带上。

此外，这些柔性电子设备还可以集成到床单和病人宿舍中，利用热、湿度、盐或压力传感器监测和识别体温异常，以及汗液元素分析。身体的热量分布、汗液含量、身体部位的频率或姿势压力都能揭示病理症状或恢复阶段的重要信息。

2 柔性显示器

柔性显示器也是柔性电子技术衍生的产物，通过柔性显示技术将柔性显示电子元件集成在柔性基底上，使得显示器能够弯曲成各种形状，具备轻薄、方便携带的特点。

柔性显示器与传统平板显示器不同，它即使被无限次弯曲折叠也丝毫无损。杂志、报纸、书籍和视频文件等一切可视化载体都能通过柔性显示器呈现，如同报纸一样，能在使用时展开，使用后折叠，在携带方便的同时兼顾了使用的视觉效果。

柔性显示器的应用为折叠屏手机。2021 年2 月，华为正式发布旗下第2 代折叠屏手机产品Mate X2。新机采用了内折的设计，拥有内外双屏，外屏尺寸6.45 英寸，采用了挖孔的设计，打开后手机的屏幕尺寸达到8 英寸，内外屏都拥有90Hz 的屏幕刷新率。Mate X2 拥有着全新的中轴设计，柔性屏在转轴闭合的状态下并不是完全平折的，而是在内部屏幕形成了一个水滴的形状。华为表示这样的设计可以减少屏幕的折痕和反光。同时屏幕盖板采用了华为全新研发的磁控纳米光学膜。在转轴的内部结构上，华为也对其做了重新的设计，内部的结构采用了碳纤符合材料，保证了整体的硬度，可以更为有效的支撑折叠屏。

目前华为旗下的折叠屏手机只有内折、外折两种方式，而屏幕也仅支持一次折叠，但华为正在研发三折叠手机，并已向世界知识产权组织申请了三折叠智能手机的专利。根据专利描述，华为三折叠手机采用的是大型柔性环绕屏幕，共有7 个屏幕，包括4 个大屏幕和3 个窄屏幕，其中折叠状态下，侧边的窄屏幕可显示出时间、网络信号强度、电池电量等信息。

2021 年9 月，三星推出了第3 代Galaxy Z Fold3 折叠屏手机。这款加持多项黑科技的折叠屏产品，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，让屏幕的耐用性比第2 代提升80%。机身正面采用一块6.2 英寸第2 代动态AMOLED 内屏，将其展开后可以得到一块7.6 英寸的沉浸式屏下摄像折叠外屏。为了增加机身的强度与刚性，机身外框和铰链位置采用最新研发的“装甲铝”。全新的折叠铰链设计，可以使手机展开到不同角度并悬停，能够有效减少由屏幕间隙带来的意外损坏。