電子元件都硬邦邦沒彈性？輕如羽毛又可揉捏的電子感測器在這裡啦
- 作者：蕭其峯、李昊璁、張哲維
在現代生活中，我們的周圍充滿各式各樣的電子元件。根據著名的摩爾定律預測，電子元件的體積會隨著時代的進展越來越小，甚至可以微小化植入人體中。但是電子元件若要在人體上應用，除了體積之外，另外一個重要的考量就是 柔軟度 。若材質是軟性且無異物感，便十分適合應用於人體等生物醫學之中。而現今的技術，電子裝置不僅可以做到可彈性變形，甚至還可以嵌合到口腔內部囉！
又軟又輕薄的電子感測器
（a）東京大學染谷隆夫等人開發的有機電子薄膜感測器示意圖（b）其輕薄程度可與羽毛相比較（c）可像紙般揉捏摺疊的電子感測器。圖/Kaltenbrunner et al , 2013
這次由東京大學工學系研究科教授染谷隆夫（Takao Someya）等人開發的有機電子薄膜感測器。上圖（a）為這項電子感測器的示意圖，是一個十分具有彈性的薄膜（塑性材料），上面包含12×12個像素的感應器。電子感測器有諸多應用，可以作為壓力（觸覺）感測、溫度感測器，現行市面上的的壓力、溫度感測器都是以堅硬材質製成。
有機電子薄膜感測器的輕薄程度甚至可以媲美羽毛，能用比羽毛更緩慢的速度降落到地面上。並同時具有最小達 2μm的極薄厚度，更早之前的技術僅能將這樣的電子感測器做到厚度 25μm，技術上有許多突破。
上圖（c）即是實際電子感測器揉捏後的照片，經過揉捏仍能正常運作，而這項以前技術中不存在的力學性質，使得利用這項技術生產出來的物件適用範圍更廣。因為具有可任意變形的特性，這個電子感測器可以貼合任意形狀的物體，甚至是貼合人體。不難想像，如果可以貼合人體皮膚，搭配上重量輕盈以及彈性舒適等等優點，這樣的裝置非常適合應用於生物醫學、運動科學等領域，進行許多監測或調控。
薄膜電晶體製造技術的突破
薄膜電晶體 (TFT) 的主要材料，相對於傳統電晶體多用矽，這裡主要使用DNTT（一種有機化合物）[註1]圖/Kaltenbrunner et al , 2013
為發揮更大的應用價值，一般希望將薄膜電晶體（thin film transistor ，以下簡稱TFT）製作得越輕薄越好。原先的製程上必須在薄膜電晶體上多鋪一層「平坦化膜」讓粗糙的基板變得光滑，因為電介質的厚度是奈米尺度，如果表面過度粗糙易影響薄膜電晶體在製程上的成長，然而塗上「平滑化膜」使得整體厚度加厚了。
比起舊技術來說，新技術省略了「平坦化層」，讓這層增加厚度的兇手消失了，厚度得以從 25μm 下降到 2μm。然而，要讓電子元件做到更薄的厚度，其突破關鍵在於直接氧化部分閘極端的鋁金屬作為電介質，因為金屬氧化物會有很乾淨的平坦面，如此一來便可省略平坦化膜。
優秀的材料性質：
- 抗折、抗揉捏，折疊半徑（bending radius）小達 5μm，韌性十足
- 抗拉伸，承受 233% 的拉伸應變（tensile strain）
- 可承受反覆多次的拉伸，經 200 次的拉伸，性質的改變小於 4%
- 耐高溫，可達攝氏 170 度
- 耐鹽，可以承受生理食鹽水的浸泡長達二週的時間
應用於生物醫學作為人體的健康感測裝置。
這種有機電子薄膜能耐高溫，又可承受生理食鹽水的浸泡。集合上述許多優點特性，包括對不同環境條件的適應能力（例如不同的溫度、鹽分）、超輕薄的體積和質量，且具有韌性的力學性質，還能直接黏貼於待測表面（例如直接黏貼或包裹在人體的肌膚上，進行溫度感測），使得這項電子元件能應用的範圍十分廣泛，諸如生物醫學、健康管控、機器人等等。
本文源自於臺灣大學物理學系電子學的課程報告，感謝朱士維教授與程暐瀅助教的協助。
註1：本次介紹的薄膜電晶體主要使用DNTT為形成通道（channel）的地方，其他零件的材質如下：閘極（gate）：鋁（Al）；源極（drain）、汲極（source）：金（Au）；基板substrate：PEN（一種塑膠）；閘極端的電介質：共兩層，鋁的氧化物層和SAM層（單層的磷酸分子）。
參考資料
- Martin Kaltenbrunner, Tsuyoshi Sekitani, Jonathan Reeder, Tomoyuki Yokota, Kazunori Kuribara, Takeyoshi Tokuhara, Michael Drack, Reinhard Schwödiauer, Ingrid Graz, Simona Bauer-Gogonea, Siegfried Bauer & Takao Someya.(2013), An ultra-lightweight design for imperceptible plastic electronics.
- Takao Someya, Zhenan Bao & George G. Malliaras (2016), The rise of plastic bioelectronics.
泛．生活：大人放暑假
小時候等著放暑假，長大只能期待颱風假 ……工作太苦悶，除了滑手機看電視劇，泛科學院為重視新知的你，精選結合知識與生活的實體及線上課程。
「 泛．生活」新館別隆重推出，收納所有新奇好玩的生活知識課程，用知識調劑身心，建立新的 泛．生活 Style！
The post 電子元件都硬邦邦沒彈性？輕如羽毛又可揉捏的電子感測器在這裡啦 appeared first on PanSci 泛科學.
作者暂无likerid, 赞赏暂由本网站代持，当作者有likerid后会全部转账给作者（我们会尽力而为）。Tips: Until now, everytime you want to store your article, we will help you store it in Filecoin network. In the future, you can store it in Filecoin network using your own filecoin.
Support author:
Author's Filecoin address:
Or you can use Likecoin to support author: