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一种又软又轻薄的电子传感器元器件

在现代生活中,我们的周围充满各式各样的电子元件。根据著名的摩尔定律预测,电子元件的体积会随着时代的进展越来越小,甚至可以微小化植入人体中。但是电子元件若要在人体上应用,除了体积之外,另外一个重要的考量就是柔软度。若材质是软性且无异物感,便十分适合应用于人体等生物医学之中。而现今的技术,电子装置不仅可以做到可弹性变形,甚至还可以嵌合到口腔内部啰!

又软又轻薄的电子传感器

一种又软又轻薄的电子传感器元器件插图
(a)东京大学染谷隆夫等人开发的有机电子薄膜传感器示意图(b)其轻薄程度可与羽毛相比较(c)可像纸般揉捏折叠的电子 传感器 。图/Kaltenbrunner et al , 2013

这次由东京大学工学系研究科教授染谷隆夫(Takao Someya)等人开发的有机电子薄膜 传感器 。上图(a)为这项电子 传感器 的示意图,是一个十分具有弹性的薄膜(塑性材料),上面包含12×12个像素的感应器。电子感测器有诸多应用,可以作为压力(触觉)感测、温度 传感器 ,现行市面上的的压力、温度 传感器 都是以坚硬材质制成。

有机电子薄膜 传感器 的轻薄程度甚至可以媲美羽毛,能用比羽毛更缓慢的速度降落到地面上。并同时具有最小达2μm的极薄厚度,更早之前的技术仅能将这样的电子 传感器 做到厚度25μm,技术上有许多突破。

上图(c)即是实际电子 传感器 揉捏后的照片,经过揉捏仍能正常运作,而这项以前技术中不存在的力学性质,使得利用这项技术生产出来的物件适用范围更广。因为具有可任意变形的特性,这个电子 传感器 可以贴合任意形状的物体,甚至是贴合人体。不难想像,如果可以贴合人体皮肤,搭配上重量轻盈以及弹性舒适等等优点,这样的装置非常适合应用于生物医学、运动科学等领域,进行许多监测或调控。

薄膜电晶体制造技术的突破

一种又软又轻薄的电子传感器元器件插图1
薄膜电晶体(TFT)的主要材料,相对于传统电晶体多用矽,这里主要使用DNTT(一种有机化合物)[注1]图/Kaltenbrunner et al , 2013

为发挥更大的应用价值,一般希望将薄膜电晶体(thin film transistor ,以下简称TFT)制作得越轻薄越好。原先的制程上必须在薄膜电晶体上多铺一层「平坦化膜」让粗糙的基板变得光滑,因为电介质的厚度是奈米尺度,如果表面过度粗糙易影响薄膜电晶体在制程上的成长,然而涂上「平滑化膜」使得整体厚度加厚了。
比起旧技术来说,新技术省略了「平坦化层」,让这层增加厚度的凶手消失了,厚度得以从25μm 下降到2μm。然而,要让电子元件做到更薄的厚度,其突破关键在于直接氧化部分闸极端的铝金属作为电介质,因为金属氧化物会有很干净的平坦面,如此一来便可省略平坦化膜。

优秀的材料性质:

抗折、抗揉捏,折叠半径(bending radius)小达5μm,韧性十足
抗拉伸,承受233% 的拉伸应变(tensile strain)
可承受反覆多次的拉伸,经200 次的拉伸,性质的改变小于4%
耐高温,可达摄氏170 度
耐盐,可以承受生理食盐水的浸泡长达二周的时间

一种又软又轻薄的电子传感器元器件插图2
应用于生物医学作为人体的健康感测装置。

这种有机电子薄膜能耐高温,又可承受生理食盐水的浸泡。集合上述许多优点特性,包括对不同环境条件的适应能力(例如不同的温度、盐分)、超轻薄的体积和质量,且具有韧性的力学性质,还能直接黏贴于待测表面(例如直接黏贴或包裹在人体的肌肤上,进行温度感测),使得这项电子元件能应用的范围十分广泛,诸如生物医学、健康管控、机器人等等。

注1:本次介绍的薄膜电晶体主要使用DNTT为形成通道(channel)的地方,其他零件的材质如下:闸极(gate):铝(Al);源极(drain)、汲极(source) :金(Au);基板substrate:PEN(一种塑胶);闸极端的电介质:共两层,铝的氧化物层和SAM层(单层的磷酸分子)。

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