柔性電池電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)的進(jìn)步

柔性混合電子產(chǎn)品面臨著巨大的障礙，但該技術(shù)正在朝著巨大的機(jī)遇邁進(jìn)。兩家電池初創(chuàng)公司展示了有希望的工作。  

塑料基板上的印刷和傳統(tǒng)芯片和跡線的混合使設(shè)備能夠彎曲和拉伸，并且可以廉價(jià)和快速地制造。但是制造這種設(shè)備的過程仍然不成熟。  

在這里舉行的年度開放日上，NextFlex 倡議的成員分享了他們的擔(dān)憂并展示了進(jìn)步。該集團(tuán)成立于 2015 年 9 月，擁有約 1.65 億美元的公共和私人融資。 

研究人員正在努力實(shí)現(xiàn)的一個(gè)里程碑是創(chuàng)建流程開發(fā)工具包 (PDK) 的等效物，以引導(dǎo)工程師通過當(dāng)前使用的不同制造系統(tǒng)和流程的迷宮。美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室的高級技術(shù)專家理查德·瓦亞希望 NextFlex 能在未來一兩年內(nèi)提供這樣一份文件。 

“今天你必須有一個(gè)鐵桿專家，他幾乎可以手動調(diào)整事物，但有了 PDK，即使是本科生也可以進(jìn)行設(shè)計(jì)，”Vaia 在接受采訪時(shí)說。 

Vaia 說，如果沒有它，工程師們目前會發(fā)現(xiàn)從一種設(shè)計(jì)到另一種設(shè)計(jì)的互連、電阻水平和其他動態(tài)的變化，稱可變性控制是當(dāng)今該領(lǐng)域的主要問題。  

“材料和制造技術(shù)正在發(fā)生沖突?？赡苁悄?、噴嘴頭、后處理退火中的某些東西——打印和沉積材料有很多不同的方法，每種方法都有自己的限制，”他說。 

美國宇航局艾姆斯研究中心的首席技術(shù)專家哈里·帕特里奇希望使用柔性電子設(shè)備來監(jiān)測宇航員。但目前，缺乏合適的流體設(shè)計(jì)是分析汗液和唾液含量的障礙。 

另一個(gè)重大挑戰(zhàn)是為輕薄設(shè)計(jì)提供動力。“盡管可拉伸電池已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步，但 ARPA-E [美國能源研究機(jī)構(gòu)] 已經(jīng)轉(zhuǎn)向具有柔性連接的固體電池，但對于許多應(yīng)用程序來說，它是有限的，”帕特里奇告訴 EE Times。 

“你不會擁有紐扣電池或可充電電池的性能，因此需要權(quán)衡取舍，”Vaia 說?！半姵匦⌒突茈y，帶有電池和電源調(diào)節(jié)的電源子系統(tǒng)不會以與系統(tǒng)其他部分相同的速度縮小，因此我們可能需要單獨(dú)的柔性設(shè)計(jì)，”他補(bǔ)充道。 

在開放日展出的兩家電池初創(chuàng)公司展示了有前途的原型。 

Millibat 每周生產(chǎn) 200 個(gè)樣品，其 1.5 毫安時(shí) (mAh) 鋰離子電池可為藍(lán)牙傳感器供電，并計(jì)劃在六個(gè)月內(nèi)準(zhǔn)備好 2.5 mAh 版本。電池不靈活，但很小，尺寸為 7x7x0.8 毫米，峰值電流為 10 毫安。這家初創(chuàng)公司正在尋求 500 萬美元的資金來購買設(shè)備，以幫助其從加州大學(xué)洛杉磯分校的 4 英寸晶圓廠過渡到可以批量生產(chǎn)產(chǎn)品的 8 英寸商業(yè)晶圓廠。 

印記能量與印刷電池一起更進(jìn)一步。它使用高導(dǎo)電性固體聚合物電解質(zhì)，可以封裝到足夠大的設(shè)計(jì)中，以供 40 mAh 電池提供 50 毫安電流。它為 LoRa 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)芯片供應(yīng)商 Semtech 驗(yàn)證了智能標(biāo)簽設(shè)計(jì)。這家初創(chuàng)公司每周可以打印 10,000 塊電池，并正在尋求 1200 萬美元的 B 系列來擴(kuò)大產(chǎn)量、提高 80% 的產(chǎn)量并驗(yàn)證更多的客戶設(shè)計(jì)。 

這兩家電池初創(chuàng)公司是開放日的其他約 20 家參展商之一。他們包括少數(shù)其他初創(chuàng)公司和主要商業(yè)公司以及一大群學(xué)者。 

Matternet 是一家制造無人機(jī)以向醫(yī)院運(yùn)送緊急藥物和血液供應(yīng)的初創(chuàng)公司，它展示了與 NextFlex 和波音公司合作的項(xiàng)目的早期工作，該項(xiàng)目旨在為未來的模型制造足夠輕的打印雷達(dá)組件。GE 展示了一種用于旋轉(zhuǎn)軸的柔性應(yīng)力傳感器，該傳感器現(xiàn)在用于一種高端產(chǎn)品。這家工業(yè)巨頭的目標(biāo)是使用印刷無源器件重新設(shè)計(jì)它并降低成本，以用于各種其他系統(tǒng)，特別是在石油和天然氣開采中。 

“從長遠(yuǎn)來看，[柔性電子]可以實(shí)現(xiàn)的解決方案數(shù)量令人興奮。我們可以從新的方向解決問題，并顯著減小尺寸或功率，或者將傳感器放置在以前無法放置的位置，”前宇航員、現(xiàn)任洛克希德馬丁公司空間高超音速和先進(jìn)材料主管斯蒂芬弗里克說。 

例如，在挑戰(zhàn)者號航天飛機(jī)解體后，“我們在機(jī)翼上放置了一些加速度計(jì)，因此如果有東西脫落并撞到機(jī)翼上，您會感覺到振動并可以看到該區(qū)域。它非常粗糙，幾天后電池就耗盡了。如果你有這樣的技術(shù)，你可以在車輛周圍更徹底地改造傳感器，以獲得更好的覆蓋范圍并保證機(jī)組人員的安全，”弗里克在小組討論中說。 

NASA 的 Partridge 呼吁采用新的方法來測量宇航員的流體流動，以確定它們在微重力下長時(shí)間對認(rèn)知功能的影響。他還設(shè)想了對智能棲息地、未來空間站或月球或火星殖民地的需求，這些殖民地可以自我修復(fù)并通過靈活的傳感器報(bào)告其安全系數(shù)。

“Nextflex ……一開始打印天線很普通，但那是改變游戲規(guī)則的方式，不需要拆掉舊的電子設(shè)備，它是真實(shí)的，并且一直在逐步進(jìn)步，因此您可以制作東西，為現(xiàn)有平臺添加功能或設(shè)計(jì)像可磨損系統(tǒng)這樣的新事物可能只持續(xù)五個(gè)任務(wù)而不是 50 年，”Vaia 在小組發(fā)言時(shí)說。 

他說，工程師需要大膽，他注意到最近的空軍 2030 研究呼吁“減少距離和時(shí)間的限制……我們可以通過現(xiàn)場制造、制造零件或電子沒有后勤路線的戰(zhàn)場，”瓦亞說。 

今天的快速創(chuàng)新“推動了高級領(lǐng)導(dǎo)者甚至高級設(shè)計(jì)師的風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避，”Vaia 說?！八麄兿Ｍ^續(xù)提供有效的新東西，因此默認(rèn)情況下他們被迫使用現(xiàn)有的東西，而不是引入新技術(shù)。  

“隨著資金的緊縮……[現(xiàn)有技術(shù)和新技術(shù)的]平衡正在失控。十年后，我們將擁有我們需要的東西來創(chuàng)造超越柔性混合電子產(chǎn)品的下一個(gè)產(chǎn)品，”他問道。