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

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

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

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.