可穿戴電子技術(shù)
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時(shí)間：2021-09-02
可穿戴電子技術(shù)的實(shí)例教程
近年來(lái)發(fā)展火熱的物聯(lián)網(wǎng)被稱(chēng)為繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的第三次浪潮，然而如何給物聯(lián)網(wǎng)中的微電子設(shè)備供能是一大難題。熱電發(fā)電器的應(yīng)運(yùn)發(fā)展，恰好成為最有前景的解決方案之一。其中，最有代表性的即為主要由二維薄膜熱電材料制成的柔性、微型熱電發(fā)電器，優(yōu)異的幾何和力學(xué)特性使其在可穿戴電子等領(lǐng)域有著廣闊前景。然而，二維薄膜熱電發(fā)電器與采集環(huán)境的熱阻不匹配問(wèn)題（thermal impedance mismatch）一直困擾研究者多年。與電阻類(lèi)似，熱阻的大小與熱傳遞方向的距離密切相關(guān)。對(duì)于二維薄膜熱電發(fā)電器來(lái)說(shuō)，這個(gè)距離受厚度所限，一般不超過(guò)幾個(gè)微米。當(dāng)它工作于皮膚表面時(shí)（圖1a），熱傳遞方向的熱阻極小，導(dǎo)致溫差和熱電轉(zhuǎn)換效率大打折扣。一個(gè)最直接的解決方案是將二維材料卷起來(lái)并豎立在皮膚表面，從而大大提高熱傳遞方向的距離（圖1b）。可惜利弊相依，這種方案同時(shí)帶來(lái)了制備工藝上的困難和力學(xué)柔性上的犧牲。有沒(méi)有一種方法，既能保留二維薄膜材料的力學(xué)柔性，又可以增加熱傳遞方向的距離？
圖1：（a）二維薄膜微型熱電發(fā)電器置于皮膚表面的示意圖。（b）將薄膜卷曲豎立形成三維熱電發(fā)電器置于皮膚表面的示意圖。
近日，美國(guó)西北大學(xué)John A. Rogers教授、G. Jefferey Snyder教授和黃永剛教授課題組合作，在Science Advances上發(fā)表了題為 “Compliant and stretchable thermoelectric coils for energy harvesting in miniature flexible devices”的論文，基于傳統(tǒng)半導(dǎo)體加工工藝，首次提出了利用非線性屈曲力學(xué)組裝來(lái)實(shí)現(xiàn)的一種三維微型熱電發(fā)電器。
展開(kāi) 【引言】
生物與數(shù)字世界之間的無(wú)縫連接已經(jīng)成為未來(lái)電子技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。柔性電子器件因其所具備的柔韌性，便攜性，可穿戴性，已經(jīng)成為發(fā)展功能器件的尖端領(lǐng)域。然而柔性自旋電子器件的研究卻仍然局限于其磁性調(diào)控方式，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的磁鐵調(diào)控方式具有體積龐大、高功耗、高熱量、響應(yīng)慢等缺點(diǎn)，嚴(yán)重制約了柔性自旋器件的實(shí)際應(yīng)用。
【成果簡(jiǎn)介】
近日，西安交通大學(xué)電信學(xué)院“青年千人”劉明教授課題組研究了基于電場(chǎng)調(diào)控的柔性自旋電子器件，并實(shí)現(xiàn)了磁疇翻轉(zhuǎn)的可視化觀測(cè)。該成果首次嘗試將磁電耦合效應(yīng)從平面研究推廣到柔性曲面研究，很好地填補(bǔ)了柔性自旋電子領(lǐng)域磁電復(fù)合技術(shù)的空白，具有突破性的意義。柔性基底上電場(chǎng)可控的反鐵磁-鐵磁轉(zhuǎn)變迎合了當(dāng)前磁性器件的功能需求，因而該成果將為新一代可穿戴，低功耗，快響應(yīng)，易集成柔性電子元器件的制備與研發(fā)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
【圖文導(dǎo)讀】
圖1不同基底的(Pt/Co)2/Ru/(Co/Pt)2人工反鐵磁實(shí)物圖片及其基本磁性表征
(a)Kapton (I)和云母上(II)呈彎曲態(tài)的(Pt 9 ?/ Co 7.5 ?)2 / Ru (0.95nm)/ (Co 7.5 ? / Pt 9 ?)2 / Ta(3.5nm)人工反鐵磁。 右圖III顯示的是離子膠(IG)； (b)和(c)是(Pt / Co)2 / Ru /(Co / Pt)2 / Ta / Mica人工反鐵磁的磁滯回線Ru厚度依賴特性； (d-i)在極性MOKE模式下觀察到的(Pt 9 ? / Co 7.5 ?)2 / Ru(10.3 ?)/ (Co 7.5 ? / Pt 9 ?)2 / Ta(3.5nm)/Mica結(jié)構(gòu)的垂直動(dòng)態(tài)磁化反轉(zhuǎn)。
展開(kāi) 研究人員基于此方案，使用纖維編織了一些電子組件，其可靠性和耐用性得到了整體提高。最后，他們還使用導(dǎo)電粘合劑和激光焊接技術(shù)將多個(gè)光纖組件連接在了一起。
結(jié)合這些技術(shù)，研究人員最終通過(guò)現(xiàn)有成熟的、可擴(kuò)展的紡織品制造工藝將多種功能模塊整合到一塊大尺寸的智能織物上。
由此技術(shù)制造的智能織物可以用作顯示器、監(jiān)控各種輸入或存儲(chǔ)能量以備后用。該織物可以檢測(cè)射頻、觸摸、光線和溫度信號(hào)。它也可以卷起來(lái)，因?yàn)樗鞘褂矛F(xiàn)有成熟紡織工藝制造的。可以想象，未來(lái)我們可以用這種方式制造大尺寸可卷起的功能性織物。
研究人員表示，他們的這種織物顯示器原型為下一代電子紡織品應(yīng)用鋪平了道路，應(yīng)用領(lǐng)域包括可以產(chǎn)生和儲(chǔ)存自身能源的智能和節(jié)能建筑、物聯(lián)網(wǎng) (IoT)、分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)和交互式顯示器等領(lǐng)域。
“我們的這種方法建立在微納米技術(shù)、顯示器、傳感器、能源技術(shù)和現(xiàn)有紡織制造工藝的融合之上，”劍橋大學(xué)工程系與Luigi Occhipinti博士以及Manish Chhowalla教授共同領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的Jong min Kim教授說(shuō)道，“這是我們朝著在日常應(yīng)用中充分利用可持續(xù)、便捷電子纖維和電子紡織品方向邁出的重要一步，而且這也僅僅是個(gè)開(kāi)始。”
“通過(guò)集成基于光纖的電子、光子、傳感和能源功能，我們可以設(shè)計(jì)和制造出全新類(lèi)別的智能設(shè)備和系統(tǒng)，”同樣來(lái)自劍橋大學(xué)工程系的Occhipinti博士說(shuō)，“通過(guò)釋放紡織品制造的全部潛力，我們很快就會(huì)看到自供電物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備無(wú)縫集成到日常物品和許多其他行業(yè)應(yīng)用中。”
目前，這些研究人員正在與歐洲的一些合作者展開(kāi)合作，以期望將該技術(shù)用到人們?nèi)粘＝佑|的生活物品上。另外，他們還有一個(gè)研究方向——將一些可持續(xù)材料整合為纖維，進(jìn)而提供一種新型能源紡織系統(tǒng)。
展開(kāi) 此外，固態(tài)聚合物電解質(zhì)中的超分子框架還可以使鋰金屬電池具有靈活性，能應(yīng)用于可穿戴電子設(shè)備。
本文中，作者通過(guò)動(dòng)態(tài)交聯(lián)亞胺鍵設(shè)計(jì)并合成了用于柔性固態(tài)鋰金屬電池的一種新的聚環(huán)氧乙烷基自愈合固態(tài)聚合物電解質(zhì)，這種自愈合固態(tài)聚合物電解質(zhì)具有良好的自愈合能力、優(yōu)異的力學(xué)性能和電化學(xué)特性，基于可逆亞胺鍵的動(dòng)態(tài)共價(jià)聚合物網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)降低聚合物結(jié)晶度顯著改善自愈合固態(tài)聚合物電解質(zhì)的離子導(dǎo)電性，并賦予電解質(zhì)強(qiáng)粘附性，這有利于電解質(zhì)與電極之間的有效接觸。所制備的自愈合固態(tài)聚合物電解質(zhì)在25°C下的離子電導(dǎo)率高達(dá)7.48×10?4，電化學(xué)窗口較寬，極限拉伸應(yīng)變達(dá)到524%，此外，這種電解質(zhì)材料可以自發(fā)地恢復(fù)其結(jié)構(gòu)和功能，而無(wú)需額外的外部處理。組裝的Li|SHSPE|LiFePO4電池在室溫下具有極好的循環(huán)穩(wěn)定性，循環(huán)300周后比容量超過(guò)126.4mAh g?1。基于這種特殊的自愈合固態(tài)聚合物電解質(zhì)的相應(yīng)固態(tài)鋰金屬電池在室溫下具有穩(wěn)定的循環(huán)性能，在可穿戴電子器件中具有廣闊的應(yīng)用前景。
展開(kāi) （五）多功能可穿戴系統(tǒng)的集成
圖13. 不同功能的柔性可穿戴生理信號(hào)傳感器的集成
多功能集成式生理傳感器。
圖14. 柔性可穿戴生理信號(hào)傳感器和電化學(xué)傳感器的集成
圖15. 自供電可穿戴系統(tǒng)：柔性可穿戴傳感器件與柔性能源器件的集成
【小結(jié)】
該綜述總結(jié)了應(yīng)用于高性能柔性可穿戴電子器件的各種碳材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和可控制備方面的最新進(jìn)展。由于碳材料獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)（例如良好的導(dǎo)電性、高化學(xué)和熱穩(wěn)定性、可設(shè)計(jì)成各種柔性宏觀形態(tài)、以及易于化學(xué)功能化），碳納米管、石墨烯和其他碳材料已被廣泛研究應(yīng)用于柔性電子器件。除了貼于人體皮膚或集成到衣物的柔性可穿戴電子器件外，將功能性碳材料與生物相容性材料的結(jié)合，以探索其在可植入式柔性電子器件中的應(yīng)用，或?qū)⒊蔀樘疾牧显谌嵝?em>電子領(lǐng)域另一重要的應(yīng)用研究方向。作者相信，應(yīng)用于構(gòu)筑柔性電子器件的先進(jìn)碳材料的設(shè)計(jì)、制備和相應(yīng)加工技術(shù)的開(kāi)發(fā)將會(huì)極大地促進(jìn)下一代智能醫(yī)療系統(tǒng)的發(fā)展。
【團(tuán)隊(duì)介紹】
張瑩瑩課題組隸屬于清華大學(xué)化學(xué)系，兼屬清華大學(xué)微納米力學(xué)與多學(xué)科交叉創(chuàng)新研究中心。主要圍繞納米碳材料和絲蛋白材料的制備科學(xué)、物理與化學(xué)性能開(kāi)展研究，重點(diǎn)發(fā)展面向柔性可穿戴系統(tǒng)的新型電子材料與器件。
展開(kāi) 
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可穿戴電子技術(shù)的最新內(nèi)容
本文原刊登于Ansys.com：《Revolutionizing Wearable Health Monitors With Ansys Optics in AR/VR and Consumer Electronics》
作者：Kerry Herbert | Ansys高級(jí)產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理
編輯整理：谷晨風(fēng) | Ansys高級(jí)應(yīng)用工程師
光學(xué)產(chǎn)品、可穿戴健康監(jiān)測(cè)設(shè)備與沉浸式技術(shù)
當(dāng)可穿戴設(shè)備從 "運(yùn)動(dòng)計(jì)步工具" 進(jìn)化為 "健康監(jiān)測(cè)終端"，市場(chǎng)對(duì)其性能精度、場(chǎng)景適配性的要求已邁入全新維度。2025 年全球可穿戴設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模即將突破數(shù)百億美元，運(yùn)動(dòng)識(shí)別、生物傳感等核心技術(shù)的創(chuàng)新迭代，正推動(dòng)測(cè)試體系從 "參數(shù)驗(yàn)證" 向 "場(chǎng)景復(fù)現(xiàn)" 全面升級(jí)。如何構(gòu)建覆蓋多維度、適配新場(chǎng)景的測(cè)試能力，成為決定產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵命題。
一、技術(shù)迭代倒逼測(cè)試體系重構(gòu)
可穿戴設(shè)備的功能邊界持續(xù)拓展
來(lái)源 | EcoMat
01
背景介紹
自上世紀(jì)以來(lái)，全球平均氣溫已上升約 0.85°C 。根據(jù)政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì) (IPCC) 的報(bào)告，到本世紀(jì)中葉，氣溫可能會(huì)達(dá)到 1.5°C。雖然這些數(shù)字看似抽象且與我們的日常生活相距甚遠(yuǎn)，但全球變暖和氣候變化正在以直接而深遠(yuǎn)的方式影響著我們的生活。越來(lái)越多的證據(jù)表明
4月28日，“第二屆電子紙產(chǎn)業(yè)生態(tài)發(fā)展高峰論壇”在上海寶山落幕。本次活動(dòng)由上海市科委、寶山區(qū)政府指導(dǎo)，寶山區(qū)發(fā)展改革委、寶山區(qū)科委主辦，CINNO?ePaper Insight、上海市寶山青川電子紙產(chǎn)業(yè)促進(jìn)中心與上海長(zhǎng)江軟件園聯(lián)合承辦。 電子紙產(chǎn)業(yè)藍(lán)皮書(shū)的主編單位，CINNO Research旗下ePaper Insight是專(zhuān)注電子紙產(chǎn)業(yè)鏈觀察的子品牌，在本次論壇上解讀了2022年電子紙產(chǎn)業(yè)的發(fā)
近年來(lái)，可穿戴電子技術(shù)的快速發(fā)展擴(kuò)大了TEDs的可能應(yīng)用范圍。一個(gè)方向是為小型可穿戴設(shè)備的不間斷供電收集身體熱量，因此TEDs可以作為可穿戴綠色電源。另一個(gè)方向是對(duì)人體進(jìn)行降溫，使皮膚保持舒適狀態(tài)。相對(duì)于傳統(tǒng)的集中空調(diào)系統(tǒng)，只需少量的人員就會(huì)消耗幾千瓦的功率，個(gè)性化熱管理的TEDs對(duì)于不同的個(gè)體來(lái)說(shuō)，在功耗和舒適度調(diào)節(jié)方面更加高效。在此背景下，設(shè)備的靈活性和對(duì)人體皮膚的順應(yīng)性具有重要意義。
CINNO Research產(chǎn)業(yè)資訊，KAIST(韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院）4月20日表示，電氣和電子工程系崔京哲教授研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出了在比頭發(fā)更薄的線上實(shí)現(xiàn)白色OLED的技術(shù)。該技術(shù)有望在電子纖維顯示屏上應(yīng)用。 KAIST研究人員開(kāi)發(fā)的白色OLED電子纖維顯示概念圖 崔敬哲教授研究團(tuán)隊(duì)基于自主研發(fā)的深涂層技術(shù)，一直致力于用電子纖維實(shí)現(xiàn)熒光OLED或可驅(qū)動(dòng)的高效磷光RGB OLED等顯示必需要素技術(shù)的研究。但
南極熊導(dǎo)讀：2022年3月21日，3D打印醫(yī)學(xué)鏡片專(zhuān)家Luxexcel與反射波導(dǎo)顯示器開(kāi)發(fā)商Lumus（Lumus Maximus）展開(kāi)合作，共同開(kāi)發(fā)3D打印增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)醫(yī)學(xué)鏡片，意在推動(dòng)AR可穿戴技術(shù)發(fā)展。
△Luxexcel和Lumus共同開(kāi)發(fā)的3D打印增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)醫(yī)學(xué)鏡片。照片來(lái)自 Luxexcel
這款3D打印鏡片設(shè)計(jì)輕薄、耐用
較低的室溫離子電導(dǎo)率和窄電化學(xué)窗口嚴(yán)重阻礙了傳統(tǒng)聚氧乙烯基（PEO基）固態(tài)聚合物電解質(zhì)在高能量密度鋰金屬電池中的應(yīng)用。 中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所蒲雄研究員團(tuán)隊(duì)通過(guò)動(dòng)態(tài)交聯(lián)亞胺鍵設(shè)計(jì)并合成了一種用于固態(tài)鋰金屬電池的PEO基自愈合固態(tài)聚合物電解質(zhì)（SHSPE），所構(gòu)建的動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)使這種固態(tài)聚合物電解質(zhì)具有自愈能力和優(yōu)異的力學(xué)性能，同時(shí)還具有超高的離子導(dǎo)電率和寬的電化學(xué)穩(wěn)定窗口。研究結(jié)果表明，采
該團(tuán)隊(duì)提出了“皮膚-電極界面?zhèn)鞲心Ｊ健保ㄟ^(guò)簡(jiǎn)單地在皮膚表面貼附電極即可實(shí)現(xiàn)高靈敏度、高分辨率的觸覺(jué)傳感功能，為人體表皮傳感技術(shù)和可穿戴電子技術(shù)領(lǐng)域提供了一種全新的思路，相關(guān)論文以“Skin-Electrode Iontronic Interface for Mechanosensing”為題發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊Nature Communications。
