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三層電路貼在皮膚上，延展度 800%！這款「電子刺青」還能控制機器手

作者 雷鋒網 | 發布日期 2021 年 02 月 12 日 0:00 |

聽過「電子紋身」（Electronic Tattoo）嗎？早在 2013 年，Motorola 高級副總裁 Regina Dugan 就曾拿出看似普通紋身貼紙的產品。Regina Dugan 表示這款電子紋身是行動式智慧設備，可惜並未多展示充滿未來感的那面。

2016 年 YouTube 一支影片，幾位生物駭客展示將電子設備植入皮下的過程──設備差不多硬幣大小，由一個印刷電路板、5 個表面貼裝發光二極管（SMD LED）組成，由矽膠包裹，一塊 3 伏特電池供電。

設備植入並受磁鐵觸發後，LED 燈會發光，皮膚會出現一朵梅花。

如果你覺得電子紋身只是廠商炒概念、科學怪人開腦洞，那就錯了。

2018 年，美國卡內基美隆大學的科學家就將電子紋身寫進論文，用液態金屬合金塗覆銀奈米顆粒，兩者融合後形成電路，經過印刷，紋身就可輕鬆轉移到皮膚，且導電性也很高。

當時參與研究的卡內基美隆大學助理教授 Carmel Majidi 表示：這是電子印刷領域的突破。

就在最近，中國科學家也聯合打造出電子紋身。

2021 年 1 月 13 日，論文發表於《科學》雜誌子刊《科學─進展》，題為「Multilayered electronic transfer tattoo that can enable the crease amplification effect」（可實現摺痕放大效果的多層電子傳遞紋身）。

論文作者來自南方科技大學（深圳灣實驗室生物醫學工程研究所）、首都醫科大學生物醫學工程學院及中國科學院大學國家奈米科學技術中心。

什麼是「電子紋身」？

看過前文，大概能對電子紋身下個定義：「能直接貼在皮膚上的超薄電路」。電子紋身可隨著皮膚狀態任意拉伸彎曲，可說是穿戴式設備的最高境界了。運作原理是 NFC（Near Field Communication，近距離無線通訊），能讓設備靠近時交換數據的技術。

NFC 是在 RFID（無線射頻身分辨識）技術的基礎上結合無線連接技術研發而成，日常場景也為各類電子產品提供安全快捷的通訊支援。行動支付、文件傳輸、門禁、手機與車鑰匙集合的背後，都離不開 NFC──轉到電子紋身，NFC 可確保訊號傳遞。

其實電子紋身有很多用途，如耳機、無線收發器、電源、噪音檢測器、測謊儀等等。作者也提到：「電子紋身在皮膚健康和運動感測有很大潛力。」

然而電子紋身目前問題是：固形性、黏性和多層性等特性不能並存，是研究人員設計新型電子紋身的起因。

多層電子傳遞紋身

研究人員設計出「多層電子傳遞紋身」，即 multilayered electronic transfer tattoo（下稱 METT）。

為了組成多層電路模板，科學家用到兩種材料，一是金屬聚合物導體（metal-polymer conductors），二是彈性體嵌段共聚物（elastomeric block copolymer）。

METT 共有 3 層：

黏合層（adhesive layer）：很薄（~8μm）的壓敏膠，受外部壓力時，黏合層使 METT 與皮膚緊密附著。

釋放層（release layer）：矽酮膜，主要目的是便於電路模板從釋放膜剝離。

兩者間的電路模組：含 3 層電路，每層都嵌有可拉伸導體的聚苯乙烯─丁二烯─苯乙烯（SBS）薄膜（~14μm）。

第一、二層電路上有應變感測器，數量分別為 11 和 4，第三層電路上有一個加熱器。

由於金屬─聚合物導體（metal-polymer conductor）有良好延展、可重複性，因此可用作應變感測器。

如下圖 A、B 所示，基於金屬─聚合物導體的應變感測器電阻，隨著拉伸應變增加而增加，METT 甚至可容易拉伸到 800%，遠遠超過皮膚最大變形度。

METT 可用於溫度調節、運動監測和機器人遠端控制，具高延展性（800%）、固形性和黏性，可做到摺痕放大效果，因而能將聚集應變感測器的輸出訊號放大 3 倍。事實證明，無需任何溶劑或加熱，METT 就能在不同表面牢牢附著。

遠端控制機器手臂

不僅如此，為了展示新型電子紋身的可擴展性，科學家更製造出 7 層 METT，當成可拉伸加熱器。

上圖 A 是 7 層加熱器俯視圖，每個電路層都包含一個基於金屬─聚合物導體的加熱器，兩端有 2 個連接點，用於與其他層加熱器形成垂直電連接。因此，7 個加熱器就以串聯方式連接電源。

上圖 B 展示不同層基於金屬─聚合物導體的加熱器，透過連接點形成的電連接。

論文介紹，除連接點外，金屬─聚合物導體透過 SBS 形成良好電絕緣，熱成像時未發現短路。研究結論之一是，隨著層數增加，紋身的順應性隨厚度增加而降低，兩層電子紋身足以滿足大多數功能。

科學家將 METT 實際應用──透過手指彎曲發出的訊號放大，透過藍牙傳輸到機器手臂，因此 METT 能遠端控制機器手臂，模仿人手動作時也不會出現異常震動。

論文表示，團隊已透過 2 層 METT 做到以 6 個自由度遠端控制機器手，透過 3 層 METT 以 15 個自由度遠端控制機器手。

可肯定的是，未來電子紋身在醫療、VR 和可穿戴式機器人方面有巨大潛力。

附圖：▲ 蘋果手機上的 NFC 功能。
▲ 科學家測試 METT 應變感測器的機電性能。

資料來源：https://technews.tw/2021/02/12/multilayered-electronic-transfer-tattoo/

#電源設計 #功率器件 #寬能隙WBG #碳化矽SiC #氮化鎵GaN #氧化鎵Ga2O3

【GaN 憑什麼躍然而起？】

氮化鎵 (GaN) 市場可概略分為光電和功率兩大塊，現階段，在發光二極體 (LED)、射頻 (RF) 元件和無線充電較具優勢，在 LED 照明和顯示器等光電領域擁有高滲透率；但著眼於它能最小化功率損耗並具有小型化、高速開關和高擊穿電壓等特性，今後功率半導體的成長空間相對更大，初期鎖定「低電壓之高階產品」。

隨著技術推進、工作電壓拉高，未來在新能源、智能電網、資通訊設備和消費電子前景看俏，無線和自動化設備發展以及汽車 GaN LED 汰換潮，將成為推動氮化鎵的主力。GaN 理論上能以高於碳化矽 (SiC) 的速度進行切換、實現高速開關操作，確保電氣系統的高效率操作；物理學家表示，如果將具有高擊穿電壓和低導通電阻的氮化鎵，推廣至所有電子設備，全球用電量可減少 10～25%！

GaN 的低導電性能以緊湊尺寸維持高能量應用，進一步實現電路小型化或在同一區域擠進更多的氮化鎵。用一個淺顯易懂的形容，就是能把筆記型電腦 (NB) 原本大如磚塊的笨重充電器，精簡至一盒餅乾大小，更加輕巧、方便攜帶。此外，光達 (LiDAR) 改用增強型氮化鎵 (eGaN) 晶片感知環境的精度可以「吋」計算，較矽晶片只能明確至 10 呎以內表現更佳。

特別一提的是，氮化鎵對離子輻射靈敏度低，極適合作為衛星的太陽能電池陣列材料或應用於超音波、核磁共振成像 (MRI) 和結腸鏡檢查外科手術等醫療設備，在輻射環境相對穩定亦有利於航太和軍事——GaN 已被歐洲太空總署 (ESA) 認定為「關鍵使能技術」；美國國家航空暨太空總署 (NASA) 亦資助氮化鎵研究以支援水星和金星的探索。

當人們還在掙扎什麼情境下值得採用 GaN？新的強勁對手已悄然出現。美國國家可再生能源實驗室 (NREL) 拋出一個震撼彈：未來「氧化鎵」(三氧化二鎵，Ga2O3) 的成本可能更低！考慮諸如晶體生長和晶錠加工之類的因素，氧化鎵晶圓成本比 SiC 便宜 3～5 倍，且晶圓尺寸較 GaN 更容易擴大，可能為現有的矽、碳化矽和氮化鎵技術提供互補，應用在 AC-DC 轉換等低頻、高壓應用。

延伸閱讀：
《氮化鎵：輕巧、耐熱、高速開關，節能一把罩》
http://compotechasia.com/a/feature/2019/0409/41524.html
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國研院發表智慧型氣體感測晶片

2016-07-22 17:06:00 經濟日報 曹松清

2014年7月31日晚間，高雄發生丙烯氣爆意外，造成32人死亡、321人受傷，多條重要道路嚴重損壞。如果爆炸現場附近有夠多的氣體感測器，第一時間測知具高危險性的揮發性有機物大量外洩，也許就可以阻止慘劇發生。

目前市面上的氣體感測器，體積都很大，只能安裝在固定位置，或是手持偵測。在高雄氣爆發生後，國家實驗研究院奈米元件實驗室開始研究可以直接安裝在智慧型手機或手錶中的「智慧型氣體感測晶片」，與固定式環境感測器互補，讓人人皆可隨身攜帶，大幅提高感測範圍，加強保障生命財產安全。經過近兩年的努力，目前已經領先全球，開發出揮發性有機化合物、一氧化碳、二氧化碳、甲醛等四種氣體的感測晶片。

現有氣體感測器產品功能不足

根據國際數據資訊公司（IDC）研究估計，全球物聯網（Internet of things, IoT）市場規模在2020年將可達1.7兆美元，而穿戴式及攜帶式產品是其中很重要的產品。在穿戴式及攜帶式產品上安裝的感測器中，用於呼吸分析（如酒測）與空氣污染用的氣體感測器，則被預測為最有可能的應用之一。法國市調機構Yole Development預估，2021年氣體感測器的使用量會從2014年的120萬個，增加到3億5000萬個，成長約300倍，產值將超過20億美元。

為準確偵測氣體流量與種類，目前市面上的氣體感測器體積都偏大。近幾年出現的半導體氣體感測器雛形，大小雖可縮小到1公分以下，但對於攜帶式（如智慧型手機）或穿戴式（如智慧型手錶）產品而言，仍嫌太大，且無法和智慧型手機或手錶的晶片整合，又有耗電量大、無法精準辨識氣體的缺點。

國研院開發「智慧型氣體感測晶片」 人人皆可隨身攜帶

國家實驗研究院奈米元件實驗室運用過去累積的微機電製程經驗，與光寶科技光機電整合技術合作，花費近2年時間，開發出可應用於環境的物聯網晶片「智慧型氣體感測晶片」。

「智慧型氣體感測晶片」是以「金屬氧化物半導體材料」作為氣體感測薄膜，透過不同金屬氧化物與氣體在特定高溫下的氧化反應及還原反應，藉由感測薄膜與電子之間的抓放過程，改變薄膜的電阻，以偵測氣體種類與濃度。

「智慧型氣體感測晶片」有兩大技術特點：一、運用獨特的奈米粒子和奈米孔洞技術製作感測薄膜，不但可增加表面積，提高反應靈敏度；亦可藉由不同金屬奈米粒子的特性，感測特定氣體而提高專一辨識能力。二、開發出特殊之「低應力介電層」，可以提升隔熱效果，將感測薄膜所需之250℃高溫侷限於極小範圍內，如此可以縮減晶片體積，而不致讓此高溫對不耐高溫之部分造成損壞。

藉由這兩項技術特點，國研院奈米元件 實驗室開發出體積僅3毫米x2.35毫米x1毫米的「智慧型氣體感測晶片」，具有微型化、低耗能、可整合於智慧型手機或手錶、可精準辨識氣體等優點，讓「人人隨身攜帶氣體感測器」成為可能。

避免高雄氣爆事件再度發生 推動國內感測技術發展

國研院奈米元件實驗室已創全球業界之先，成功製作出可直接安裝於智慧型手機的氣體感測晶片。如此一來，即可從現有針對空間環境進行偵測的技術，進化至以「人」為中心的環境監測模式。若未來所有氣體感測器的資料均即時上傳雲端，政府相關單位可即時監測各地環境品質，萬一又發生了像丙烯這種揮發性有機化合物的外洩事件，警消或環保單位即可提早警覺、立即處理，也許就可以避免類似高雄氣爆的事件再度發生，或至少可大幅降低傷亡人數。

近年來個人物聯網或穿戴式裝置使用的各式感測器，已逐漸應用於消費性電子、智慧住宅、保全監控、健康照護、交通運輸、百貨零售，以及警急救難等領域。國研院奈米元件實驗室已成功開發出一氧化碳、二氧化碳、甲醛及揮發性有機化合物的「智慧型氣體感測晶片」，未來除持續開發更多類型的氣體感測晶片外，並將進一步推進到工業級及人體照護級的複合式氣體感測需求。

國研院奈米元件實驗室並將建置一開放式製程技術服務平台，讓國內產學研究團隊可以進行物聯網晶片所需之系統整合工作，以繼續協助推動國內物聯網穿戴式產品與生產力4.0所需之感測技術發展。

附圖：

資料來源：http://money.udn.com/money/story/7369/1838908