技術(shù)分享 | 可伸縮電路板的行業(yè)應(yīng)用

以智能手表、頭戴式顯示器為代表的可穿戴設(shè)備已經(jīng)可以通過(guò)使用可彎曲的柔性電路板實(shí)現(xiàn)。然而，下一代可穿戴設(shè)備需要伸縮性和追隨性，以便能靈活地追隨身體的活動(dòng)并收集來(lái)自身體的多種數(shù)據(jù)。這就是我們開(kāi)發(fā)可伸縮電路板的目的。

可伸縮電路板需要具有能夠收縮的機(jī)械特性，并且需要在伸縮時(shí)保持其電氣特性。我們將對(duì)如何同時(shí)具備這些互相矛盾的特性，以及可伸縮電路板有望用于哪些場(chǎng)合進(jìn)行解說(shuō)。

什么是“可伸縮電路板”？

可伸縮電路板 是利用可伸縮的電路板和導(dǎo)電材料形成電路圖案的電路板，它利用了 “使用印刷技術(shù)將導(dǎo)電材料涂敷到電路板上”的印刷電子技術(shù) 。電路板采用具有伸縮性的聚氨酯或硅等制成的彈性體，導(dǎo)電材料主要為銀。它具有較高的伸縮性和追隨性，因此可將電路安裝在膝蓋、肘部等關(guān)節(jié)部位以及頸部、胸部等自由曲面上（圖1）。

圖1、可伸縮電路板

以前的可伸縮電路板存在一些問(wèn)題，例如由于伸縮導(dǎo)致的電阻值等電氣特性發(fā)生大幅變化，在高濕環(huán)境下施加電壓會(huì)導(dǎo)致發(fā)生遷移。

遷移，也稱為遷移現(xiàn)象。這是一種電解的影響導(dǎo)致布線或電極在絕緣體或其界面上移動(dòng)的現(xiàn)象。發(fā)生遷移后，絕緣電阻值會(huì)下降。這會(huì)導(dǎo)致電極之間短路，從而導(dǎo)致電子設(shè)備發(fā)生故障。存在遷徙風(fēng)險(xiǎn)的電子產(chǎn)品，隨之而來(lái)的是長(zhǎng)期可靠性下降，以及在焊接電子元件時(shí)需要采取散熱措施等。

近年來(lái)，由于電路板材料和導(dǎo)電材料的改良改進(jìn)了電氣特性、實(shí)施預(yù)防遷移的對(duì)策、改進(jìn)布線設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)可在低溫下焊接的焊錫材料等，現(xiàn)在已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了可伸縮電路板的實(shí)用化。這種電路板的另一個(gè)特征是環(huán)保，因?yàn)樗菍㈦娐穲D案直接印刷在電路板上而形成的。

什么是“印刷電子”？

印刷電子是利用印刷技術(shù)將導(dǎo)電材料印刷到電路板上并形成電子元件或電路圖案的技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)很薄的涂膜和高精度的布線。

在電路板制造工序中，傳統(tǒng)上采用一種稱為“光刻”的方法 ，即在電路板的整個(gè)表面上涂上導(dǎo)電材料，然后用藥液將不需要的部分溶解掉，以形成電路圖案， 而印刷電子則是將電路圖案直接印刷在電路板上 。因此，不需要用藥液溶解的工序，具有節(jié)省資源和能源以及允許使用多種電路板材料的優(yōu)點(diǎn)。

使用印刷電子的電子元件

迄今為止，印刷電子已被用作實(shí)現(xiàn)多層陶瓷電容器（MLCC）和多層電抗器的多層結(jié)構(gòu)的一種手段。例如，在多層陶瓷電容器中采用將充當(dāng)電介質(zhì)的薄陶瓷薄膜和金屬電極交替層疊的結(jié)構(gòu)（圖2）。將陶瓷電介質(zhì)和粘合劑制成漿料，然后將其涂在載體薄膜上并干燥以形成片材，稱其為綠色片材。在其表面重復(fù)進(jìn)行印刷電極的作業(yè)后，進(jìn)一步進(jìn)行烘烤以使其硬化。這個(gè)層數(shù)有時(shí)會(huì)達(dá)到幾百層。

圖2、多層陶瓷電容器（MLCC）的多層結(jié)構(gòu)

印刷電子在電路板中的應(yīng)用

在印刷電子中，除了采用玻璃和樹(shù)脂等制成的剛性電路板外，還可以利用柔性導(dǎo)電材料在薄膜上形成電路圖案。此外，還可以通過(guò)使用可伸縮的導(dǎo)電材料，在可伸縮材料上形成電路圖案。

由此可以制作出可彎曲的柔性電路板（圖3）以及可靈活伸縮的可伸縮電路板（圖1）。

圖3、柔性電路板

可伸縮電路板的潛力

可伸縮電路板具有伸縮性，因此可以追隨膝蓋、肘部等關(guān)節(jié)部位，以及頸部和胸部等自由曲面。此外，通過(guò)將多種電子元件安裝到可伸縮電路板上，有可能開(kāi)發(fā)出可佩戴在身體上以收集腦電波和心率等生命體征數(shù)據(jù)，比如心率、呼吸頻率、脈搏率、體溫、血壓和血氧飽和度等進(jìn)行適當(dāng)?shù)闹委熀妥o(hù)理所需要的基本數(shù)據(jù)?；蛟谑中g(shù)后監(jiān)測(cè)關(guān)節(jié)的器具。

醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用事例

可伸縮電路板有望應(yīng)用于多種領(lǐng)域，這里介紹在醫(yī)療領(lǐng)域的事例。

迄今為止醫(yī)療器械中存在以下問(wèn)題：

患者不能持續(xù)佩戴

長(zhǎng)時(shí)間佩戴會(huì)限制身體活動(dòng)。此外，佩戴設(shè)備本身也存在損傷皮膚的風(fēng)險(xiǎn)。

無(wú)法獲取滿足要求精度的數(shù)據(jù)

傳統(tǒng)醫(yī)療器具在獲取生命體征數(shù)據(jù)時(shí)，由于受到外部噪聲和身體活動(dòng)噪聲的影響，無(wú)法獲得滿足要求精度的數(shù)據(jù)。

使用很麻煩

穿戴需要花費(fèi)時(shí)間。只能由專門(mén)的醫(yī)務(wù)人員來(lái)使用。

下面，我們介紹使用可伸縮電路板解決這些問(wèn)題的事例。

腦電波檢測(cè)（EEG）設(shè)備

腦電波是大腦皮層不斷發(fā)出的微弱電信號(hào)。電信號(hào)的頻率根據(jù)精神狀態(tài)和大腦的活動(dòng)而變化，通過(guò)測(cè)量頻率可以了解大腦的狀態(tài)。通過(guò)在頭皮上放置10到20個(gè)電極來(lái)測(cè)量腦電波（圖4）。

圖4、傳統(tǒng)的腦電波檢測(cè)(EEG：Electroencephalogram)設(shè)備

監(jiān)測(cè)腦電波時(shí)，需要將電極安裝到準(zhǔn)確的位置。安裝電極非常麻煩，存在專業(yè)醫(yī)生之外的人員很難使用的問(wèn)題。

但是，近年來(lái)，人們開(kāi)發(fā)出了使用可伸縮電路板的帶型和帽型EEG電極陣列設(shè)備。通過(guò)使用可伸縮電路板可以適應(yīng)患者頭部的形狀和大小，或者將可伸縮電路板本身嵌入帽子中。連接電極的電纜可以隱藏在設(shè)備內(nèi)部，降低了布線在安裝設(shè)備或患者移動(dòng)時(shí)脫落的風(fēng)險(xiǎn)。此外，通過(guò)在EEG電極附近嵌入放大器或?yàn)V波器等，可以獲得消除噪聲后的高精度數(shù)據(jù)（圖5）。

圖5、可伸縮電路板的EEG電極陣列設(shè)備

人工關(guān)節(jié)置換手術(shù)后的關(guān)節(jié)部位監(jiān)測(cè)

人工關(guān)節(jié)置換手術(shù)是一種用人工關(guān)節(jié)替換因變形性關(guān)節(jié)炎、類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎或外傷而變形的關(guān)節(jié)的手術(shù)。該手術(shù)針對(duì)肩膀、大腿和膝蓋等關(guān)節(jié)進(jìn)行，對(duì)關(guān)節(jié)是一種恢復(fù)“不痛”“能動(dòng)”“能支撐人體”等重要功能的治療。進(jìn)行人工關(guān)節(jié)置換手術(shù)后，需要進(jìn)行康復(fù)治療以恢復(fù)關(guān)節(jié)部位的功能。此外，除了康復(fù)之外，手術(shù)后還需要進(jìn)行疼痛管理和檢查是否發(fā)生骨折、脫臼和感染等并發(fā)癥等醫(yī)療。

目前，醫(yī)護(hù)人員陪同患者康復(fù)并對(duì)患處進(jìn)行觀察和診斷，提供多種類型的護(hù)理。此外，目前正在開(kāi)發(fā)的關(guān)節(jié)部位可穿戴設(shè)備有望用于對(duì)日常生活和康復(fù)過(guò)程中的動(dòng)作進(jìn)行檢測(cè)和記錄，并將結(jié)果傳達(dá)給醫(yī)護(hù)人員和患者，有助于確定術(shù)后康復(fù)方針，并維持和提高持續(xù)康復(fù)的動(dòng)力。此外，還有望用于盡早發(fā)現(xiàn)感染和脫臼等并發(fā)癥的發(fā)生。

關(guān)節(jié)是人體當(dāng)中活動(dòng)范圍非常大的部位，需要較高的機(jī)械耐久性。人們認(rèn)為，通過(guò)在可伸縮電路板上配備多種傳感器，付與對(duì)關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍和活動(dòng)狀態(tài)等進(jìn)行的機(jī)械監(jiān)測(cè)功能以及對(duì)手術(shù)部位的狀態(tài)（溫度、腫脹等）等進(jìn)行的生理學(xué)監(jiān)測(cè)功能，能夠盡早掌握人工關(guān)節(jié)置換手術(shù)后患者的狀態(tài)及其狀態(tài)變化，有助于改良患者的生活質(zhì)量（圖6）。

圖6、可伸縮電路板的關(guān)節(jié)部位監(jiān)測(cè)

新生兒重癥監(jiān)護(hù)用生命體征監(jiān)測(cè)

早產(chǎn)或低出生體重的新生兒身體脆弱，因此需要不斷監(jiān)測(cè)他們的生命體征，以便及時(shí)采取適當(dāng)?shù)拇胧Ｈ欢?，由于傳感器本身的硬度、連接傳感器的導(dǎo)線以及用于固定傳感器的粘合劑，目前的設(shè)備并不太適合新生兒。例如，導(dǎo)線可能會(huì)影響袋鼠式護(hù)理（父母直接進(jìn)行的護(hù)理）以及新生兒的活動(dòng)。此外，傳感器的硬度和粘合劑也有造成皮膚損傷的風(fēng)險(xiǎn)。

因此，通過(guò)在可伸縮電路板上安裝傳感器、電池、微型控制器和BLE（Bluetooth Low Energy），可以實(shí)現(xiàn)不會(huì)妨礙袋鼠式護(hù)理或新生兒活動(dòng)的無(wú)線設(shè)備。此外，利用電路板本身的柔軟性，即使是嬌嫩的皮膚也能在貼合后保持很好的追隨性，從而可以實(shí)現(xiàn)降低上述風(fēng)險(xiǎn)的監(jiān)測(cè)設(shè)備（圖7）。

圖7、可以在不妨礙活動(dòng)的情況下獲取生命體征數(shù)據(jù)

總  結(jié)

印刷電子是多層陶瓷電容器（MLCC）等村田制作所產(chǎn)品中采用的技術(shù)。通過(guò)將該技術(shù)與具備伸縮性的材料和導(dǎo)電材料進(jìn)行組合，制成了可伸縮電路板。

可伸縮電路板是將現(xiàn)有的電子元件制造技術(shù)與可伸縮材料的開(kāi)發(fā)技術(shù)相結(jié)合的“柔性技術(shù)”。目前，在醫(yī)療領(lǐng)域，人們希望這些設(shè)備能夠具有追隨性、佩戴舒適、傳感器精度提高、可長(zhǎng)時(shí)間佩戴等效果。此外，預(yù)計(jì)該技術(shù)將不僅用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，還將應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人、智能紡織品等許多領(lǐng)域。