黑科技“电子纹身”技术的组成结构解析

（文章来源：医疗科技网）

目前所谓的体表电子设备——也被称为“电子纹身”——基本还处于实验阶段，其构想就是将我们所熟知的电子装置——由芯片、天线、内存等元件组成——直接附着在人体表面，完成诸如监测体表温度、显示用户身份等功能。对体表温度的监控，能够让医生、测谎师等的工作更加简单；而身份验证功能让身份证、信用卡，甚至车钥匙一去不复返，只要挥一挥衣袖，就可以带走你想要带走的东西，比之于二维码，更加安全和便捷。

这项技术的前景是十分诱人的，很可能将会重新定义未来的可穿戴电子设备，随着技术的进一步发展，将整台电脑搬到人的皮肤表面或许也都不是梦想。既然这一切看起来都很美，那为何研究还只停留在实验阶段？因为电子纹身在能量供应方面，存在很大的瓶颈：其自身无法制造或储存能量，只能通过第三方设备发射的微波供能，但外部的能量供给繁琐而不稳定——这显然限制了电子纹身的进化，因为复杂的功能注定需要稳定和充足的能量供给来支撑。

人们一直希望能在体表上直接实现能量的转化与储存，五花八门的创意随之粉墨登场——通过压电材料、摩擦生电、热生电等方式产生能量；相应的能量储存媒介则选择能量密度较高的电池和超级电容等。这些装置对于人类皮肤来说始终过于庞大和坚硬了，你能够想象仅仅为了随时监测自己的体温，在胳膊上绑一个小号哑铃的情景么？所以一个好的电子纹身的第一步，是可以自发电、佩戴轻巧舒适并且最好能够贴合人体皮肤的电源。

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）。