柔性電子技術的主要產品及其應用前景

劉曉莉

（航宇救生裝備有限公司，湖北 襄陽 441003）

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

伴隨著柔性電子技術的發展，各種柔性電子產品應運而生，主要包括：柔性傳感器、柔性顯示器、柔性電路板等，但目前實際上只有少量產品真正進入市場，這類產品在醫療保健、消費電子、航空軍工、車載產品等領域的潛力尚未完全開發出來。

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，與傳統傳感器相比最大的優勢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構形式，可以按照測量條件的要求任意設計布局，便于對被測量對象進行檢測。

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，但其主要結構都由柔性基底、薄膜材料和電極三個部分組成，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 等有機高分子材料和聚合物，具備優良的機械性能、氣體阻隔性能和耐熱性能。而導電氧化物薄膜、金屬薄膜和納米復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上，能改變原有表面屬性，設計多種新功能，或者本身透明度和導電性良好，能滿足折疊、減重及耐用的要求。

1.1 柔性傳感器的應用——可穿戴設備

伴隨著電子技術的跨越式發展，大體積電子產品無法攜帶的弊端日益顯露，因此小型化可穿戴設備成為新的發展趨勢。它利用傳感器作為“眼睛”和“耳朵”采集外界信息，感知外部環境，主要包括4 類產品。

（1）頭戴式，包括眼鏡、耳機、頭環、頭盔類產品，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、手套、戒指類產品，如蘋果公司iwatch 智能手表。

（4）腳穿式，包括鞋襪、鞋墊和下肢助力系統類產品，如谷歌智能鞋襪。

可穿戴設備主要使用以下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，運動類智能穿戴設備常使用此類傳感器，他的性能往往決定著設備的性能。

（2）生理參數檢測傳感器。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，較少應用于可穿戴設備中。

（3）環境感知傳感器。指溫度傳感器、大氣壓力傳感器、煙霧顆粒檢測傳感器、濕度傳感器、水質檢測器等，這類傳感器雖然因為成本較低，技術相對成熟而得到廣泛應用，但由于尺寸普遍較大也很少應用于可穿戴設備中。不過有智能頭盔廠商目前正在對這類傳感器的運用展開研究。

1.2 柔性傳感器的應用——醫療保健設備

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

而仿生耳為柔性薄膜電子元器件提供了理想的平臺。在聽覺系統中，特別是在耳蝸內部，器官振蕩的基膜是傾聽和細微調音的關鍵。由于其獨特的剛度和幾何結構，薄膜與壓力傳感陣列一起充當一個仿生聽覺系統。在特定的頻率和聲壓下，基膜在特定的位置以預定的振幅振動。微陣列壓力傳感器可以在每個特定位置被激活，發出已知音調和響度的信號，模擬入射聲音。還可以集成小型壓電結構形成內置反饋回路。正常情況下，人的耳朵可以通過細微調音消除噪聲并分離出感興趣的特定聲音。這種反饋機制可以使基膜振蕩，使它以特定的頻率不斷振動，放大感興趣的信號，同時用近端頻率抵消其他噪聲。與目前的耳蝸植入物相比，這種機制使人們能夠感覺到更寬的頻率和聲級，就像真正的耳朵一樣。

基于這種柔性薄膜技術的微陣列系統的進一步應用是作為人造鼻子和舌頭的輔助器。嗅覺和味覺系統中的感覺受體包含一系列化學受體，能感知特定的化學性質，包括酸度、鹽濃度和酶親和力。神經元放電的頻率通常與味覺或嗅覺的大小成比例。酸味、咸味和甜味的亞型分別被認為是pH、堿金屬或鈣離子，這些參數可以通過一些最先進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化為可測量的電信號。皮下植入這種配備pH、溫度、壓力或特定酶傳感器的薄膜，是醫學上的一個突破，可以實時監測患者血液中的基本成分，從而以非侵入性的方式提取有價值的數據，幫助患者改善生活質量。如果應用于現場傷員，恢復和存活率的關鍵信息以及治療方案將立即可用，同時可以改善傳統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、鹽或壓力傳感器監測和識別體溫異常，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壓力都能揭示病理癥狀或恢復階段的重要信息。

2 柔性顯示器

柔性顯示器也是柔性電子技術衍生的產物，通過柔性顯示技術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。

柔性顯示器與傳統平板顯示器不同，它即使被無限次彎曲折疊也絲毫無損。雜志、報紙、書籍和視頻文件等一切可視化載體都能通過柔性顯示器呈現，如同報紙一樣，能在使用時展開，使用后折疊，在攜帶方便的同時兼顧了使用的視覺效果。

柔性顯示器的應用為折疊屏手機。2021 年2 月，華為正式發布旗下第2 代折疊屏手機產品Mate X2。新機采用了內折的設計，擁有內外雙屏，外屏尺寸6.45 英寸，采用了挖孔的設計，打開后手機的屏幕尺寸達到8 英寸，內外屏都擁有90Hz 的屏幕刷新率。Mate X2 擁有著全新的中軸設計，柔性屏在轉軸閉合的狀態下并不是完全平折的，而是在內部屏幕形成了一個水滴的形狀。華為表示這樣的設計可以減少屏幕的折痕和反光。同時屏幕蓋板采用了華為全新研發的磁控納米光學膜。在轉軸的內部結構上，華為也對其做了重新的設計，內部的結構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只有內折、外折兩種方式，而屏幕也僅支持一次折疊，但華為正在研發三折疊手機，并已向世界知識產權組織申請了三折疊智能手機的專利。根據專利描述，華為三折疊手機采用的是大型柔性環繞屏幕，共有7 個屏幕，包括4 個大屏幕和3 個窄屏幕，其中折疊狀態下，側邊的窄屏幕可顯示出時間、網絡信號強度、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。這款加持多項黑科技的折疊屏產品，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%。機身正面采用一塊6.2 英寸第2 代動態AMOLED 內屏，將其展開后可以得到一塊7.6 英寸的沉浸式屏下攝像折疊外屏。為了增加機身的強度與剛性，機身外框和鉸鏈位置采用最新研發的“裝甲鋁”。全新的折疊鉸鏈設計，可以使手機展開到不同角度并懸停，能夠有效減少由屏幕間隙帶來的意外損壞。

3 柔性電路板

柔性電路板是一種可撓性印刷電路板，其特點是將導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構，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品小型化和輕薄化的發展特點。

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

4 柔性電子技術在航空領域的應用

4.1 人機接口

飛行員執行任務的表現對于飛行任務的成敗有著至關重要的影響。但在現階段人機接口還存在問題，如信息過量、錯失情報、無法及時發現威脅/危險。因此需要運用柔性電子技術來感知、評估和增強飛行員在整個飛行任務鏈中的參與度和表現。

4.2 用于ISR/EW 的嵌入式/保形電子產品

在競爭環境下，信息和跟蹤是決策制定和兵力規劃的基礎。可用于ISR/EW 的嵌入式/保形的柔性電子產品包括：通信（保形光圈）、用于反饋和結構健康監測的分布式電子產品、可重構的電子產品。

4.3 集成式柔性電源

能源限制了無人機和可穿戴設備的飛行能力和任務效果。目前使用的能源成本高、重量大、只能按比例增大、續航時間短，難以滿足復雜化智能化飛行任務需求。若采用柔性電源，則會帶來諸多優勢：精準捕獲信號、存儲功能強大、便于管理。

5 結語

綜上所述，由于具備可彎曲、可折疊和可延展的特性，柔性電子技術將廣泛應用于可穿戴設備和柔性顯示屏等領域已成為一種必然趨勢。但是，柔性電子技術未來也面臨著一系列挑戰，如使用壽命、成本、對抗尖銳物品的性能、阻燃性、抗壓性等方面是否能夠滿足不同的應用需求，這些問題尚待進一步驗證。