“電子紋身”核心技術詳解 未來的可穿戴形式？

　怎么拗都能堅持工作的小強

　　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結太陽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同下工作，最后，通過多層超薄彈性材料的包裹，實現電子元件和皮膚表面的貼合與固定，并起到保護作用，可謂麻雀雖小，五臟俱全。

　　雙pn結太陽能單元：所謂pn結，就是我們常說的半導體材料單元，比如LED燈就是其中一種，在這樣的pn結兩端施加一定的電壓，它就能發射出一定頻譜內的光線，比如紅色、藍色等等;而這個過程被反向運用在了太陽能板中——太陽能單元可以吸收一定頻率段內的光線，產生電能。普通太陽能板中只有一種pn結，只能吸收一段頻率段內的太陽光，能量轉化效率只有30%;而雙pn結的優勢在于它的兩個pn結能夠吸收不同頻率段的光線，將能量轉化效率提高到40%以上。對于需要高效率吸收光線而不考慮成本的應用領域，比如航天器，pn結的個數還可以進一步增加，當然轉化效率也會進一步提升。

　　下面圖1揭示了這款新型電子紋身的基本構造，主要的兩層分別是由太陽能單元、鋰電池和控制芯片構成的電路，以及保護此電子結構的彈性保護膜。

　　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)，由太陽能單元/鋰電池/控制芯片組成，通過電路(interconnect)相連;最下面是起保護作用的超低模量硅層(ultra-low modulus siliconeinterlayer)和彈性基板(stretchable substrate)

　　此電子紋身在機械方面最大的挑戰，是在皮膚表面發生變化時，如何保證其電子元件的正常運行。此電子紋身的機械設計解決了這個問題，這要歸功于包裹能量單元的上下兩層保護膜，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膜結構，以及連接電子元件的之字形電路，在此設計下，盡管電子紋身的形變使主層發生了大規模的應變，但對電子元件層則幾乎沒影響。

　　此設計的思路，就是要在匹配皮膚形變的前提下，通過保護膜和連接線，將電子元件的應變控制在允許范圍內(引起元件屈服的相對應變臨界值在0.3%左右)。保護膜分為兩層，主層(core)的彈性系數(~3 kPa)遠遠低于副層(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)。