“电子纹身”核心技术详解 未来的可穿戴形式？

　怎么拗都能坚持工作的小强

　　今天要介绍的这款电子纹身，很好得完成了以上提出的各种要求：它由双pn结太阳能单元和锂电池组成，两者均被制成大约3×3mm的微小颗粒，由可伸缩的电路相连，并在能量管理芯片的协同下工作，最后，通过多层超薄弹性材料的包裹，实现电子元件和皮肤表面的贴合与固定，并起到保护作用，可谓麻雀虽小，五脏俱全。

　　双pn结太阳能单元：所谓pn结，就是我们常说的半导体材料单元，比如LED灯就是其中一种，在这样的pn结两端施加一定的电压，它就能发射出一定频谱内的光线，比如红色、蓝色等等;而这个过程被反向运用在了太阳能板中——太阳能单元可以吸收一定频率段内的光线，产生电能。普通太阳能板中只有一种pn结，只能吸收一段频率段内的太阳光，能量转化效率只有30%;而双pn结的优势在于它的两个pn结能够吸收不同频率段的光线，将能量转化效率提高到40%以上。对于需要高效率吸收光线而不考虑成本的应用领域，比如航天器，pn结的个数还可以进一步增加，当然转化效率也会进一步提升。

　　下面图1揭示了这款新型电子纹身的基本构造，主要的两层分别是由太阳能单元、锂电池和控制芯片构成的电路，以及保护此电子结构的弹性保护膜。

　　图1：新型电子纹身分解图，最上面的是紧贴皮肤的封装层(encapsulation);第二层是能量模块(power management circuit)，由太阳能单元/锂电池/控制芯片组成，通过电路(interconnect)相连;最下面是起保护作用的超低模量硅层(ultra-low modulus siliconeinterlayer)和弹性基板(stretchable substrate)

　　此电子纹身在机械方面最大的挑战，是在皮肤表面发生变化时，如何保证其电子元件的正常运行。此电子纹身的机械设计解决了这个问题，这要归功于包裹能量单元的上下两层保护膜，以及之字形排布的连接线，如图2所示。

　　图2：电子元件的下层保护膜结构，以及连接电子元件的之字形电路，在此设计下，尽管电子纹身的形变使主层发生了大规模的应变，但对电子元件层则几乎没影响。

　　此设计的思路，就是要在匹配皮肤形变的前提下，通过保护膜和连接线，将电子元件的应变控制在允许范围内(引起元件屈服的相对应变临界值在0.3%左右)。保护膜分为两层，主层(core)的弹性系数(~3 kPa)远远低于副层(shell，~60 kPa)，就像是给弹性十足的橡胶(副层)覆上一层柔软的棉花(主层)。