2020年06月16日 | 美国空军把未来押在柔性混合电子产品上

翻译自——allaboutcircuits

从目前来看，具有适应任何形状的能力，灵活的混合电子将使设备具有前所未有的空间适应性。

NextFlex是一家柔性混合动力电子(FHE)制造创新研究所，它已获得了美国空军研究实验室(AFRL)和国防部长办公室(OSD)制造技术项目的一项为期7年、1.54亿美元的拨款。其目的是支持NextFlex在开发柔性混合电子创新技术，尤其关注军事应用。

柔性混合电子究竟是什么，它们如何与柔性电子相比较?

柔性、混合和印刷电子产品现在被设计成各种各样的商品。“混合”指的是同时具有打印和基于cmos组件的设计。下图说明了FHE的理念；

柔性混合电子的结构。

天线和电路是绘制的，而处理器和内存是CMOS。

这项技术可以为飞行员和其他人提供廉价的抬头显示器。而且，正如最初为军事设计的技术经常出现的情况一样，这样一种设备无疑将最终应用于民用。

它可能落后于安装在硬板上的电子产品。由于柔性衬底弯曲，痕迹之间的位置可能发生变化，从而影响传播速度和信号干扰。产生的热量可能更难处理，而且即使系统的其他部分可以弯曲，刚性集成电路本身当然不能。

柔性电子产品和柔性混合电子产品有什么区别?

柔性电子设备在可穿戴电子设备上非常有用，特别是在假肢和医学传感方面。但我们很少看到柔性电子产品超出传感器和显示器的领域。

CMOS的制造过程在纳米范围内，可以在GHz频率和更高的频率下工作，而薄膜晶体管的速度要慢1000倍，制造工艺只有几十微米。

然而，亚利桑那州立大学的研究人员解释，柔性混合电子通过将传统的刚性集成电路与柔性基板上的印刷电子元件相结合，扩展了柔性电子的应用可能性。

 “这种混合方法将硅集成电路的处理和存储能力与柔性电子产品的物理和成本效益结合起来。因此，FHE在灵活性和计算效率(更刚性IC)之间表现出内在的设计权衡。”

由于FHE将使常规集成电路集成到柔性基底上成为可能，设计者可以超越柔性电子产品固有限制。例如，FHE装置中与电源和能量存储有关的子系统包括能量收集技术、无线电源、电池和超级电容器。

需要改进的基片和替代焊料

现在的柔性印刷电路通常安装在聚酰亚胺(PI)上，图中橙色的部分。这阻止了它在光学领域的应用。它造价很贵，最糟糕的是，它不能拉伸。这也束缚了它在电子纺织品或可穿戴皮肤补丁的使用。

因此，迁移到诸如PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)，PEN(聚萘酚)和可拉伸TPU(热塑性聚氨酯)这样的基材是有必要的，但问题是这些更理想的基质不能承受焊接的热量。

基于pi的柔性PCB(左)和基于PET基板的透明印刷电子电路(右)

IDTechEx发表的一份报告中描述到，扩展FHE的实际应用将取决于开发将集成电路和电气连接到新基片上的方法。

最近一项类似的市场研究指出了FHE的缺点和前景，包括将传统包装的刚性集成电路焊接到柔性衬底上，用薄硅制造柔性集成电路，或使用由金属氧化物制成的固有柔性集成电路。

可持续伙伴关系

美国空军研究实验室和NextFlex签署了为期7年的协议，这强调了FHE对军方的重要性。这将使NextFlex合作伙伴能够与国防部和其他政府实体合作，扩大对FHE制造的项目支持。

AFRL材料和制造理事会的首席科学家Richard Vaia博士表达了合作的希望，特别是在开发柔性混合电子制造生态系统方面。

Richard:“今天，这些技术不仅为我们现有的平台提供了组件解决方案，而且正在彻底改变我们设计理念，为2030年的未来转型能力。”

虽然设计师遇到这种新技术必须考虑它的许多限制，但可弯曲和成形设备势必会提供了一种独特的电子效用。

延伸阅读——美国柔性混合电子制造创新中心NextFlex

据麦姆斯咨询介绍，NextFlex是一支美国制造业研究网络的领导力量。NextFlex是由美国国防部（DoD）和FlexTech联盟合作组成，是由企业、学术机构、非营利组织以及美国州、地方和联邦政府组成的联盟，其共同目标是进一步推进美国FHE的制造。自2015年成立以来，NextFlex由思想领袖、教育工作者、问题解决者和制造商精英团队齐聚一堂，共同推动创新，加速美国FHE生态系统的形成，通过投资超薄型设备加工、传感器集成打印和封装、系统设计工具以及可靠性测试和建模，来促进FHE技术商业化。

NextFlex专注的其中一个重点领域是可穿戴医疗传感器和诊断设备。该组织的第一批项目涉及个人传感器系统的开发工作，包括氧传感和类皮肤医药绷带（由普渡大学、Integra LifeSciences和西密歇根大学领导）；电刺激传感器和愈合器械（由加州大学伯克利分校和捷普集团领导）；无线EKG设备（由GE Global Research和宾厄姆顿大学领导）；口服生物标志物传感器（由PARC和UCSD领导）。这些传感器都在其设计中融入了FHE，通过对人体的持续监控提供了改善的病患数据采集。

如今，电子元件的组装可以在100℃以下进行，因此新开发的传感器可以包含那些必须保持在相对较低温度下的组件。这意味着在新型传感器中可以使用生物材料，例如噬菌体和某些蛋白质，这为打造一类全新的传感器打开了大门。

具有可拉伸基板的柔性电路，可与患者皮肤紧密贴合，改善了数据采集和传输的准确性。在许多情况下，适应不同患者的能力，也改善了应用传感器的过程，这也会提高诊断准确性。

除了改善的适应能力之外，传感器可以做得更小、更薄，因此它们可以做得不那么突出和笨重，变得更加舒适，从而在所需要的位置佩戴更久。患者也更有意愿去佩戴这类舒适的传感器，建立来自患者的连续数据流。

总体来看，它们整合了一系列可穿戴传感器的数据，这些数据之间的相互关联可以产生真正的突破。例如，一位医学研究人员表明，通过心率和体温的联合观察，可以比观测其中任何一种数据读出，更准确地预测某类病毒的暴露。

目前，很多公司正在开发多传感器可穿戴设备。例如，有一家公司的多传感器设备可以测量患者汗液的化学成分。

另一家公司在开发一种具有中距离无线射频传输的低功耗多传感器贴花，可监控并记录任何传感器发送给它的反馈信息。

第三家公司则在组合几种临床级医疗传感器，以消除医院病人身上的各种电线和导线，以方便在舒适的家中监控患者。在一家医院，有近300家医疗护理供应商分别通过控制中心监控三名或更多的患者。

该计划非常成功，该医院已与其他三家连锁医院签订了合同，以提供同样的医疗监控能力。该医院还了解到，患者可以在家中修养，并在整个康复过程中得到良好的监控。更好的结果是，他们还发现通过这种方式患者恢复得更快，成本也降低了。

在医疗保健传感器领域，柔性混合电子元件可提供许多优点和益处。像我们这样的组织，不仅在开发柔性传感器，而且利用基础研究证明了这些设备是可以实现的，并能通过规模制造降低成本，使这些传感器能够在全球普及。

NextFlex发起新一轮1000万美元资金，用于柔性混合电子元件在航空、数字健康以及国家安全领域的创新。获资助项目将包括柔性混合电子器件工艺、电子纺织、3D电子设计和电源集成等方面的创新。

NextFlex近日发布了新一轮项目征集Project Call 4.0（PC 4.0），旨在寻求进一步开发和应用FHE的项目，为它们提供资金支持。前三次项目征集计划的反响令人震惊，共收到178份初始提案，投资额超过5900万美元。PC 4.0的总项目资金预计将超过1000万美元。

PC 4.0的需求范围非常广泛，代表了NextFlex在广泛的应用领域（从数字健康到商业航空到国家安全需求）所确定的技术和能力空白。这些领域涵盖了可穿戴设备封装技术、高性能和高层数FHE、3D电子设计、电子纺织领域的挑战性解决方案、生化监控平台以及无人机轻型电子设备等。

“NextFlex的项目征集计划已经证明是非常成功的，”NextFlex执行董事Malcolm J. Thompson博士说，“我们不断解决联盟成员单位提出的FHE制造挑战，凭借前三次Project Call计划正在进行中的31个项目，我们预计这将引起FHE领域更多的兴趣和关注。Project Call 4.0中的研究主题，将建立在已成功开发的基础之上，并将学习利用我们之前的项目成果。”

为了验证这些制造能力，项目提案将专注于以下方向：

- 无人机轻型柔性电子平台

- 用于结构健康监测的大面积传感器系统

- 用于监测流体生物标记物的微创可穿戴柔性装置