【行業背景】

可拉伸電子設備是未來柔性電子技術發展的重要趨勢。這些設備在皮膚接口、健康監測、智能穿戴等領域發揮著關鍵作用，離不開高性能的射頻（RF）電子組件。射頻電子設備的功能依賴于其基板材料的電氣性能，然而傳統的彈性體基板存在諸多不足，如在彈性應變下電性能變化顯著、介電損耗高及熱導率差等問題。這些缺陷直接影響了射頻設備的頻率穩定性和無線性能。通過采用具有可調介電常數的‘介電彈性體’（DEE）作為基板材料，可以有效避免頻率偏移，提高射頻電子設備在各種彈性應變下的性能穩定性。與傳統材料相比，DEE在電氣、機械和熱學性能方面具有顯著優勢，從而推動了其在可穿戴技術、智能醫療和人機交互等領域的廣泛應用。

【技術難點】

傳統的射頻（RF）電子產品一般使用彈性體作為基板，這使得大部分可拉伸射頻設備仍存在電氣性能不穩定、介電損耗高以及熱性能差等不足。近年來，隨著可穿戴技術的發展和應用的擴展，要求射頻電子設備具備更高的性能和穩定性，尤其是在物理動態環境下的應用，如皮膚接口健康監測器。然而，現有的彈性體基板無法有效解決這些問題，尤其是在應變和頻率變化下的性能保持。

介電彈性材料（DEE）是該領域的一個重要發展方向。如果能夠有效利用DEE材料，將極大地降低射頻設備的功耗和成本，提高其可靠性。然而，DEE材料在實際應用中面臨著幾個技術難點。目前，學界和業界主要提出了幾種方案來應對這些挑戰。例如，利用高κ陶瓷納米顆粒（NPs）嵌入彈性體基體中可以提高介電常數的可調性和降低介電損耗。各自的優勢在于能夠調節介電常數并提高射頻性能，但缺點在于實際應用中仍受到材料的熱導率和機械性能的限制。

受限于材料性能的不斷改進，已有文獻報道中最大的介電常數變化與實用要求仍存在很大差距。現有技術尚未完全解決射頻設備在高應變下的性能保持問題，亟待進一步研究和優化，以滿足更高性能和更可靠的實際應用需求。

【研究內容】

為了解決這一挑戰，韓國首爾漢陽大學生物醫學工程系Hyoungsuk Yoo & Yei Hwan Jung教授團隊在“Nature”期刊上發表了題為“Strain-invariant stretchable radio-frequency electronics”的最新論文。該教授課題組利用‘介電彈性彈性體’（DEE）材料，實現了應變不變的可拉伸射頻電子設備，并展示了該技術在無線健康監測器中的應用。該團隊在設備的設計和制造過程中，采用了高κ陶瓷納米顆粒嵌入彈性體基體的方法，成功地解決了傳統彈性體基板在彈性應變下導致的射頻特性變化問題。

具體數據表明，該材料的介電常數在30%的應變下變化為1.95，相較于傳統彈性體（如Ecoflex）的0.05，顯示出顯著的改進。此外，該復合材料在2.4 GHz頻率下表現出更低的損耗切線（tan δ = 0.0074），優于Ecoflex的0.024。此研究成果不僅提升了可拉伸射頻電子設備的性能，還擴展了其在皮膚接口無線健康監測器中的應用范圍。

【圖文精讀】

研究者提出了一種名為“電彈性復合材料”的材料，用作可伸縮RF電子設備的基板。圖1展示了這種應變不變可伸縮無線系統的原理和效果。在圖1a中，通過對比傳統可伸縮無線電子設備，展示了提出的應變不變可伸縮無線系統的設計概念。圖1b說明了電彈性復合材料的組成結構，該材料由鈦酸鋇（BaTiO3）簇組成。拉伸電彈性復合材料會導致鈦酸鋇簇的幾何形狀發生變化，從而降低了材料的介電常數，使其能夠保持穩定的RF特性。具體數據顯示，與傳統彈性體相比，電彈性復合材料在30%的應變下介電常數的變化顯著較大，且具有較低的介電損耗（圖1c、d）。圖1e進一步對比了電彈性復合材料與傳統彈性體作為基板的可伸縮天線的性能差異。結果顯示，電彈性復合材料在不同應變下保持了共振頻率的穩定性，而傳統彈性體則存在較大的頻率偏移。

圖1：通過電彈性復合材料實現的應變不變可伸縮無線系統。

在圖2中，研究者首先描述了DEE的合成過程，并通過圖2a展示了其制備步驟。通過圖2b的照片，展示了DEE基板的形成情況，其厚度約為700μm。接著，通過圖2c中的立體顯微鏡圖像，觀察到了BaTiO3團簇的形態變化，從無應變狀態下的球形到30%應變狀態下的橢圓形。圖2d則通過SEM圖像展示了NPs在團簇中的分布情況，以及團簇在應變下的形態變化。通過這些實驗結果，研究者發現DEE在13.56 MHz和2.4 GHz下的介電常數變化量分別為2.10和1.95，同時比較了DEE和常規彈性體在介電損耗方面的差異（圖2e-g）。這些性能變化主要歸因于團簇的形態變化以及NPs在DEE中的分布狀況。

圖2. DEE的制備和表征。

在圖3中，研究者展示了DEE作為基板的可拉伸RF元件的實驗結果。首先是遠場貼片天線的實驗，通過圖3a-d，研究者觀察到了DEE基板下天線在30%拉伸條件下頻率保持穩定的現象。接著，通過圖3e-h展示了近場感應線圈在DEE基板上的實驗結果，表明DEE基板下的線圈同樣能夠保持頻率的穩定。最后，圖3i-l呈現了DEE基板上的共平面傳輸線的實驗結果，顯示了其在30%應變下保持傳輸效率的能力。這些性能使得DEE在無線通信和功率傳輸領域具有廣闊的應用前景，為可拉伸電子設備的發展提供了新的可能性。

圖3. 應變不變可伸縮射頻器件的設計和表征。

圖4展示了基于DEE的皮膚界面無線系統，旨在實現高效、穩定的生理信號監測。圖4a展示了該系統的照片，包含了基于遠場天線的藍牙低功耗（BLE；2.4 GHz）收發器、基于近場線圈的電力采集單元（13.56 MHz）和血脈搏率監測器。圖4b顯示了系統在不同變形狀態下的機械柔順性，包括在曲面上展開、圓柱表面彎曲、扭曲和被戳的情景。圖4c展示了系統佩戴在手腕上以監測橈動脈脈搏信號的應用。

圖4d展示了皮膚界面系統與外部移動設備之間的連續遠場無線通信，傳感器獲取的動脈脈搏信號在0到30米的范圍內成功傳輸。圖4e和圖4f比較了常規彈性體和DEE在拉伸至30%時的傳感器性能，常規彈性體的無線連接中斷，而DEE系統則保持了持續的數據傳輸。圖4g和圖4h進一步比較了兩種系統在應變下獲取的動脈脈搏信號，常規彈性體系統在1米范圍內失去信號，而DEE系統在30%應變下仍能穩定傳輸信號。這一系統通過RF通信和內置的電力采集單元，實現了完全無線和無電池的血脈搏率測量，且其遠場通信距離達到了30米，超越了現有的皮膚界面系統。

圖4. 基于應變不變射頻器件的皮膚界面無線系統。

圖5展示了一組基于DEE的可穿戴仿生帶，用于全身生理信號監測，包括腦電圖（EEG）、膝關節運動、肌電圖（EMG）和體溫。圖5a展示了用于頭部EEG信號測量的仿生帶示意圖，圖5b顯示了仿生帶在0%和50%應變下的照片。圖5c顯示了集成在仿生帶中的DEE和Ecoflex天線在0-60%應變范圍內的無線通信信號強度對比，DEE天線在整個應變范圍內保持了穩定的信號強度，而Ecoflex天線在僅15%應變時信號強度即大幅下降。

圖5d展示了仿生帶在幼兒和成人頭部的佩戴示意圖及其照片。圖5e和圖5f分別展示了在幼兒和成人頭部測量的EEG信號頻譜圖，顯示了在30%和50%拉伸狀態下閉眼時8-12 Hz頻率范圍內的強α波信號。圖5g展示了用于膝蓋關節運動跟蹤的仿生帶，圖5h顯示了膝蓋在不同運動狀態下的實時數據傳輸。圖5i展示了從手臂佩戴的仿生帶檢測到的EMG信號，并在0米和30米的無線距離內成功傳輸。圖5j展示了基于手腕佩戴的仿生帶測量皮膚溫度的照片，圖5k顯示了在0米、15米和30米無線距離內的實時溫度數據。該系統適用于多種生理信號的監測，具有廣泛的應用前景，為可穿戴醫療設備的發展提供了重要參考。

圖5：用于全身生理監測的應變不變可穿戴仿生帶。

【研究結論】

本文提出了一種新穎的可伸縮RF電子設備的設計理念，這些設備能夠在各種應變條件下保持穩定的無線通信和電力傳輸性能。通過引入可調節介電性能的DEE作為基底材料，并通過控制納米顆粒簇的幾何形態來實現對RF特性的應變不變性。這種設計概念為解決傳統可伸縮電子設備在彈性應變下RF性能不穩定的問題提供了全新的思路和解決方案。同時，本文的研究成果為實現在人體各種部位進行長期舒適佩戴的無線健康監測系統提供了重要的技術支持。通過將RF技術與可伸縮材料相結合，本研究為未來可穿戴電子設備、智能健康監測系統等領域的發展提供了有價值的科學意義，拓展了可伸縮電子技術的應用前景。

文獻詳情：Kim, S.H., Basir, A., Avila, R. et al. Strain-invariant stretchable radio-frequency electronics. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07383-3

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