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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:

  1. 抗折、抗揉捏,折疊半徑(bending radius)小達 5μm,韌性十足
  2. 抗拉伸,承受 233% 的拉伸應變(tensile strain)
  3. 可承受反覆多次的拉伸,經 200 次的拉伸,性質的改變小於 4%
  4. 耐高溫,可達攝氏 170 度
  5. 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

 

 

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關於作者

活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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