【行業(yè)背景】

可拉伸電子設(shè)備是未來柔性電子技術(shù)發(fā)展的重要趨勢。這些設(shè)備在皮膚接口、健康監(jiān)測、智能穿戴等領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵作用，離不開高性能的射頻（RF）電子組件。射頻電子設(shè)備的功能依賴于其基板材料的電氣性能，然而傳統(tǒng)的彈性體基板存在諸多不足，如在彈性應(yīng)變下電性能變化顯著、介電損耗高及熱導(dǎo)率差等問題。這些缺陷直接影響了射頻設(shè)備的頻率穩(wěn)定性和無線性能。通過采用具有可調(diào)介電常數(shù)的‘介電彈性體’（DEE）作為基板材料，可以有效避免頻率偏移，提高射頻電子設(shè)備在各種彈性應(yīng)變下的性能穩(wěn)定性。與傳統(tǒng)材料相比，DEE在電氣、機(jī)械和熱學(xué)性能方面具有顯著優(yōu)勢，從而推動(dòng)了其在可穿戴技術(shù)、智能醫(yī)療和人機(jī)交互等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

【技術(shù)難點(diǎn)】

傳統(tǒng)的射頻（RF）電子產(chǎn)品一般使用彈性體作為基板，這使得大部分可拉伸射頻設(shè)備仍存在電氣性能不穩(wěn)定、介電損耗高以及熱性能差等不足。近年來，隨著可穿戴技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用的擴(kuò)展，要求射頻電子設(shè)備具備更高的性能和穩(wěn)定性，尤其是在物理動(dòng)態(tài)環(huán)境下的應(yīng)用，如皮膚接口健康監(jiān)測器。然而，現(xiàn)有的彈性體基板無法有效解決這些問題，尤其是在應(yīng)變和頻率變化下的性能保持。

介電彈性材料（DEE）是該領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展方向。如果能夠有效利用DEE材料，將極大地降低射頻設(shè)備的功耗和成本，提高其可靠性。然而，DEE材料在實(shí)際應(yīng)用中面臨著幾個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。目前，學(xué)界和業(yè)界主要提出了幾種方案來應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。例如，利用高κ陶瓷納米顆粒（NPs）嵌入彈性體基體中可以提高介電常數(shù)的可調(diào)性和降低介電損耗。各自的優(yōu)勢在于能夠調(diào)節(jié)介電常數(shù)并提高射頻性能，但缺點(diǎn)在于實(shí)際應(yīng)用中仍受到材料的熱導(dǎo)率和機(jī)械性能的限制。

受限于材料性能的不斷改進(jìn)，已有文獻(xiàn)報(bào)道中最大的介電常數(shù)變化與實(shí)用要求仍存在很大差距?，F(xiàn)有技術(shù)尚未完全解決射頻設(shè)備在高應(yīng)變下的性能保持問題，亟待進(jìn)一步研究和優(yōu)化，以滿足更高性能和更可靠的實(shí)際應(yīng)用需求。

【研究內(nèi)容】

為了解決這一挑戰(zhàn)，韓國首爾漢陽大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系Hyoungsuk Yoo & Yei Hwan Jung教授團(tuán)隊(duì)在“Nature”期刊上發(fā)表了題為“Strain-invariant stretchable radio-frequency electronics”的最新論文。該教授課題組利用‘介電彈性彈性體’（DEE）材料，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)變不變的可拉伸射頻電子設(shè)備，并展示了該技術(shù)在無線健康監(jiān)測器中的應(yīng)用。該團(tuán)隊(duì)在設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造過程中，采用了高κ陶瓷納米顆粒嵌入彈性體基體的方法，成功地解決了傳統(tǒng)彈性體基板在彈性應(yīng)變下導(dǎo)致的射頻特性變化問題。

具體數(shù)據(jù)表明，該材料的介電常數(shù)在30%的應(yīng)變下變化為1.95，相較于傳統(tǒng)彈性體（如Ecoflex）的0.05，顯示出顯著的改進(jìn)。此外，該復(fù)合材料在2.4 GHz頻率下表現(xiàn)出更低的損耗切線（tan δ = 0.0074），優(yōu)于Ecoflex的0.024。此研究成果不僅提升了可拉伸射頻電子設(shè)備的性能，還擴(kuò)展了其在皮膚接口無線健康監(jiān)測器中的應(yīng)用范圍。

【圖文精讀】

研究者提出了一種名為“電彈性復(fù)合材料”的材料，用作可伸縮RF電子設(shè)備的基板。圖1展示了這種應(yīng)變不變可伸縮無線系統(tǒng)的原理和效果。在圖1a中，通過對(duì)比傳統(tǒng)可伸縮無線電子設(shè)備，展示了提出的應(yīng)變不變可伸縮無線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)概念。圖1b說明了電彈性復(fù)合材料的組成結(jié)構(gòu)，該材料由鈦酸鋇（BaTiO3）簇組成。拉伸電彈性復(fù)合材料會(huì)導(dǎo)致鈦酸鋇簇的幾何形狀發(fā)生變化，從而降低了材料的介電常數(shù)，使其能夠保持穩(wěn)定的RF特性。具體數(shù)據(jù)顯示，與傳統(tǒng)彈性體相比，電彈性復(fù)合材料在30%的應(yīng)變下介電常數(shù)的變化顯著較大，且具有較低的介電損耗（圖1c、d）。圖1e進(jìn)一步對(duì)比了電彈性復(fù)合材料與傳統(tǒng)彈性體作為基板的可伸縮天線的性能差異。結(jié)果顯示，電彈性復(fù)合材料在不同應(yīng)變下保持了共振頻率的穩(wěn)定性，而傳統(tǒng)彈性體則存在較大的頻率偏移。

圖1：通過電彈性復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)的應(yīng)變不變可伸縮無線系統(tǒng)。

在圖2中，研究者首先描述了DEE的合成過程，并通過圖2a展示了其制備步驟。通過圖2b的照片，展示了DEE基板的形成情況，其厚度約為700μm。接著，通過圖2c中的立體顯微鏡圖像，觀察到了BaTiO3團(tuán)簇的形態(tài)變化，從無應(yīng)變狀態(tài)下的球形到30%應(yīng)變狀態(tài)下的橢圓形。圖2d則通過SEM圖像展示了NPs在團(tuán)簇中的分布情況，以及團(tuán)簇在應(yīng)變下的形態(tài)變化。通過這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果，研究者發(fā)現(xiàn)DEE在13.56 MHz和2.4 GHz下的介電常數(shù)變化量分別為2.10和1.95，同時(shí)比較了DEE和常規(guī)彈性體在介電損耗方面的差異（圖2e-g）。這些性能變化主要?dú)w因于團(tuán)簇的形態(tài)變化以及NPs在DEE中的分布狀況。

圖2. DEE的制備和表征。

在圖3中，研究者展示了DEE作為基板的可拉伸RF元件的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。首先是遠(yuǎn)場貼片天線的實(shí)驗(yàn)，通過圖3a-d，研究者觀察到了DEE基板下天線在30%拉伸條件下頻率保持穩(wěn)定的現(xiàn)象。接著，通過圖3e-h展示了近場感應(yīng)線圈在DEE基板上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，表明DEE基板下的線圈同樣能夠保持頻率的穩(wěn)定。最后，圖3i-l呈現(xiàn)了DEE基板上的共平面?zhèn)鬏斁€的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，顯示了其在30%應(yīng)變下保持傳輸效率的能力。這些性能使得DEE在無線通信和功率傳輸領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，為可拉伸電子設(shè)備的發(fā)展提供了新的可能性。

圖3. 應(yīng)變不變可伸縮射頻器件的設(shè)計(jì)和表征。

圖4展示了基于DEE的皮膚界面無線系統(tǒng)，旨在實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的生理信號(hào)監(jiān)測。圖4a展示了該系統(tǒng)的照片，包含了基于遠(yuǎn)場天線的藍(lán)牙低功耗（BLE；2.4 GHz）收發(fā)器、基于近場線圈的電力采集單元（13.56 MHz）和血脈搏率監(jiān)測器。圖4b顯示了系統(tǒng)在不同變形狀態(tài)下的機(jī)械柔順性，包括在曲面上展開、圓柱表面彎曲、扭曲和被戳的情景。圖4c展示了系統(tǒng)佩戴在手腕上以監(jiān)測橈動(dòng)脈脈搏信號(hào)的應(yīng)用。

圖4d展示了皮膚界面系統(tǒng)與外部移動(dòng)設(shè)備之間的連續(xù)遠(yuǎn)場無線通信，傳感器獲取的動(dòng)脈脈搏信號(hào)在0到30米的范圍內(nèi)成功傳輸。圖4e和圖4f比較了常規(guī)彈性體和DEE在拉伸至30%時(shí)的傳感器性能，常規(guī)彈性體的無線連接中斷，而DEE系統(tǒng)則保持了持續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸。圖4g和圖4h進(jìn)一步比較了兩種系統(tǒng)在應(yīng)變下獲取的動(dòng)脈脈搏信號(hào)，常規(guī)彈性體系統(tǒng)在1米范圍內(nèi)失去信號(hào)，而DEE系統(tǒng)在30%應(yīng)變下仍能穩(wěn)定傳輸信號(hào)。這一系統(tǒng)通過RF通信和內(nèi)置的電力采集單元，實(shí)現(xiàn)了完全無線和無電池的血脈搏率測量，且其遠(yuǎn)場通信距離達(dá)到了30米，超越了現(xiàn)有的皮膚界面系統(tǒng)。

圖4. 基于應(yīng)變不變射頻器件的皮膚界面無線系統(tǒng)。

圖5展示了一組基于DEE的可穿戴仿生帶，用于全身生理信號(hào)監(jiān)測，包括腦電圖（EEG）、膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)、肌電圖（EMG）和體溫。圖5a展示了用于頭部EEG信號(hào)測量的仿生帶示意圖，圖5b顯示了仿生帶在0%和50%應(yīng)變下的照片。圖5c顯示了集成在仿生帶中的DEE和Ecoflex天線在0-60%應(yīng)變范圍內(nèi)的無線通信信號(hào)強(qiáng)度對(duì)比，DEE天線在整個(gè)應(yīng)變范圍內(nèi)保持了穩(wěn)定的信號(hào)強(qiáng)度，而Ecoflex天線在僅15%應(yīng)變時(shí)信號(hào)強(qiáng)度即大幅下降。

圖5d展示了仿生帶在幼兒和成人頭部的佩戴示意圖及其照片。圖5e和圖5f分別展示了在幼兒和成人頭部測量的EEG信號(hào)頻譜圖，顯示了在30%和50%拉伸狀態(tài)下閉眼時(shí)8-12 Hz頻率范圍內(nèi)的強(qiáng)α波信號(hào)。圖5g展示了用于膝蓋關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)跟蹤的仿生帶，圖5h顯示了膝蓋在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。圖5i展示了從手臂佩戴的仿生帶檢測到的EMG信號(hào)，并在0米和30米的無線距離內(nèi)成功傳輸。圖5j展示了基于手腕佩戴的仿生帶測量皮膚溫度的照片，圖5k顯示了在0米、15米和30米無線距離內(nèi)的實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)適用于多種生理信號(hào)的監(jiān)測，具有廣泛的應(yīng)用前景，為可穿戴醫(yī)療設(shè)備的發(fā)展提供了重要參考。

圖5：用于全身生理監(jiān)測的應(yīng)變不變可穿戴仿生帶。

【研究結(jié)論】

本文提出了一種新穎的可伸縮RF電子設(shè)備的設(shè)計(jì)理念，這些設(shè)備能夠在各種應(yīng)變條件下保持穩(wěn)定的無線通信和電力傳輸性能。通過引入可調(diào)節(jié)介電性能的DEE作為基底材料，并通過控制納米顆粒簇的幾何形態(tài)來實(shí)現(xiàn)對(duì)RF特性的應(yīng)變不變性。這種設(shè)計(jì)概念為解決傳統(tǒng)可伸縮電子設(shè)備在彈性應(yīng)變下RF性能不穩(wěn)定的問題提供了全新的思路和解決方案。同時(shí)，本文的研究成果為實(shí)現(xiàn)在人體各種部位進(jìn)行長期舒適佩戴的無線健康監(jiān)測系統(tǒng)提供了重要的技術(shù)支持。通過將RF技術(shù)與可伸縮材料相結(jié)合，本研究為未來可穿戴電子設(shè)備、智能健康監(jiān)測系統(tǒng)等領(lǐng)域的發(fā)展提供了有價(jià)值的科學(xué)意義，拓展了可伸縮電子技術(shù)的應(yīng)用前景。

文獻(xiàn)詳情：Kim, S.H., Basir, A., Avila, R. et al. Strain-invariant stretchable radio-frequency electronics. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07383-3

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