综述：宽带光电探测器和成像器在可伸缩电子封装中的应用

研究背景

传统的电子产品由各种部件组成，如用于信号传输的导体，用于信号处理和记忆操作的半导体，以及用于信号转导的传感器。然而，这些部件是由坚硬的无机材料制成的，当它们出现在接触身体测量生物信号的可穿戴和可植入设备中时，可能会引起炎症并损害生物组织。因此，人们对柔性电子器件的兴趣越来越大，这些器件被设计成表现出机械灵活性，以承受弯曲、扭曲、压缩和拉伸。对生物组织表现出低机械刺激的器件有望帮助促进柔性传感器在疾病的早期检测和治疗中的长期使用。可拉伸设备可用于符合任何物体表面及其运动，导致可拉伸导体的研究显著增加，即使在大变形下也能保持电连接。此外，这些机械低负荷的电子设备有望不仅应用于人类主体还可通过将其固定在任何物体表面，包括动物、农作物、民用基础设施和机器人的非破坏性医疗保健应用中。大量的数据正在以前所未有的速度进行交流，预计人与工具之间的路径将成为最大的瓶颈，这可以通过采用柔性电子器件作为接口来克服。柔性电子器件从现实空间的嘈杂环境中提取微小而有意义的信息，并将其无线传输到网络空间。然后使用人工智能(AI)处理这些信息，以做出实时决策和预测。随后，它被反馈到现实空间。这样的网络物理系统(CPS)确保技术人员只有在必要时才会得到提醒和参与。这个系统对于创造一个高效的工作环境和实现智慧城市的概念是必要的。

研究成果

柔性电子学与光学的整合可以帮助实现一个强大的工具，促进智能社会的建立，其中内部评估可以很容易地从我们使用或在日常生活中遇到的各种物体的表面进行非破坏性的评估。大阪大学Yukio Kawano & Tsuyoshi Sekitani教授在这篇综述中回顾了基于有机材料的可拉伸光学传感器和成像器，它们同时拥有弯曲能力和橡胶般的弹性。讨论了无损评估设备的最新趋势，这些设备能够对健康状况和异常情况进行简单的现场评估，而无需让目标活体和各种物体承受机械压力。在现实生活条件下的实时性能对于创建与光学技术交织的智能社会变得越来越重要。特别是，太赫兹(THZ) 波区提供了一个物质和状态特定的指纹图谱，能够进行即时分析。然而，为了使太赫兹传感器能够使用，必须解决以下问题：室温下的宽带和高灵敏度，跟随目标表面运动的可伸展性，以及数字转换的兼容性。详细讨论了用于克服这些问题的材料、电子封装和远程成像系统最终，具有高灵敏度和宽带太赫兹传感器的可拉伸光学传感器和成像仪可以促进对固体、液体和气体的多方面现场评估。相关报道以“Broadband Photodetectors and Imagers in Stretchable Electronics Packaging”为题发表在Advanced Materials期刊上。

图文导读

Figure 1. Conceptual diagram and evolution of flexible electronics and their fusion with optics toward CPS.

Figure 2. Flexible hybrid electronics.

Figure 3. Stretchable packaging for CPS and optics.

Figure 4. S-PCB.

Figure 5. Conceptual diagram of an uncooled THz sensor using a CNT film toward the inspection of diverse materials.

总结与展望

医疗机构的生物信号测量是在屏蔽环境下进行的，外在噪音最小。为了实现在家中轻松测量生物信号(如使用温度计、血压计和体重计)，改善信号质量的电子技术变得越来越重要。此外，用于下一代数字健康的可穿戴和可植入设备将需要一种增加灵活性和对生物组织影响小的设计，以及一个紧凑和简单的无线系统。旨在实现高灵敏度和低噪音的材料、工艺、系统和其他技术的发展，对于实现“表现出与活体组织相当的机械性能的柔性电子“是重要的也是具有挑战性的，其中电子传导的波动预计会因外力而发生。在这篇评论中，作者介绍了与可拉伸包装有关的基本技术，它可以在活体组织中以较小的机械应力实现稳定的电子性能。将能够检测广泛波长的光学设备与可拉伸包装相融合，可以在设备连接到物体的任意表面以及活体组织时进行内部评估。机械上灵活的无损设备，包括一个小型的无线模块，可以通过解决现实世界的挑战和满足方便的评估需求，为创建一个智能社会做出贡献。

本研究介绍了在室温下太赫兹波段表现良好的光电探测器；其中，一个基于 p-n-CNT的光电探测器显示了高宽带灵敏度和作为无损检测设备的可拉伸成像器的集成能力。基于CNT 的可拉伸太赫兹成像器能够对液体、固体和气体进行多方面的评估，以及对整个360度的视野进行即时的三维测量，甚至对具有三维扭曲表面的物体进行测量。基于 p-n-CNT的太赫兹探测器是使用印刷和润湿工艺制造的，这有利于部署具有成本效益的卷对卷制造。最佳材料、制造工艺、可拉伸包装技术和无线成像系统的整合使便携式设备的开发得以进行，其性能水平可与现有固态传感器相媲美。预计采用柔性电子技术进行现场评估将扩展到智能社会中的环境电子。

文献链接

Broadband Photodetectors and Imagers in Stretchable Electronics Packaging

https://doi.org/10.1002/adma.202304048

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