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探索印刷電路板新方向:從傳統(tǒng)到基于折紙的創(chuàng)新變革

發(fā)布時間:2025-05-05     瀏覽量:663

在電子設備飛速發(fā)展的今天,印刷電路板(Printed Circuit Board,簡稱 PCB)作為電子產(chǎn)品的關鍵組成部分,其性能與設計的重要性不言而喻。傳統(tǒng)印刷電路板主要以硅基剛性組件為主流,憑借著高性能和低成本的優(yōu)勢,在電路和傳感技術領域長期占據(jù)主導地位。然而,隨著可穿戴電子設備、柔性顯示技術等新興領域的崛起,傳統(tǒng) PCB 的局限性逐漸顯現(xiàn)。

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 在可穿戴健康監(jiān)測設備方面,心血管疾病的高發(fā)性促使人們不斷研發(fā)柔軟、靈活且可拉伸的醫(yī)療系統(tǒng),用于持續(xù)監(jiān)測心律。但將硅基剛性組件集成到柔軟基底時,由于機械性能不匹配,焊點處易產(chǎn)生集中應變,不僅會導致誤差,還會縮短設備使用壽命。而且,傳統(tǒng) PCB 在高密度布線方面也面臨難題,互連結構所需寬度過大,限制了其在小型化、多功能化設備中的應用。

 為突破這些困境,科研人員把目光投向了古老的折紙藝術?;谡奂堅淼碾娐钒?,尤其是平面可展雙波紋(PDDC)曲面結構,為印刷電路板的發(fā)展帶來了新契機。PDDC 曲面的單位晶胞由四個平行四邊形構成,通過對其進行參數(shù)化分析,確定了共面和無旋轉等特殊條件,為后續(xù)的應用設計奠定了理論基礎。

在眾多 PDDC 曲面的圖案中,Barreto's Mars tessellation脫穎而出。與[敏感詞]的三浦折疊(Miura-ori)相比,Barreto's Mars tessellation包含方形小面,在形狀上與傳統(tǒng)電子設備的兼容性更高,更適合用于安裝各類電子元件。這一特性使得基于Barreto's Mars tessellationPDDC - SCBPDDC 曲面的可拉伸電路板)在可穿戴電子領域展現(xiàn)出巨大潛力。

以可拉伸心率傳感系統(tǒng)為例,該系統(tǒng)以 PDDC - SCB 為核心,除電池外,大部分電子元件都能安裝在可拉伸部分。其小面邊長設計為 8 毫米,采用正方形或菱形小面,銳角 30°,這種設計不僅便于安裝大尺寸元件和加強筋,還通過去除頂點、設置較薄的折痕區(qū)域等方式,有效提高了系統(tǒng)的可靠性和可折疊性。在制作過程中,商業(yè)制造商根據(jù)設計制作 PDDC - SCB 二維薄片,安裝電子元件并編程,再經(jīng)過折疊、安裝電極、與織物縫合等步驟,終制成可穿戴的心率傳感帶。

從測試結果來看,PDDC - SCB 在不同方向上展現(xiàn)出了一定的拉伸性,模式 1 下在 W 方向拉伸率可達 29.7%,在 L 方向為 7.8%。而且,模式 1 的彎曲性能更好,更適合用于胸帶這類需要頻繁彎曲和伸展的應用場景。在電氣性能方面,電壓調(diào)節(jié)模塊能兼容多種電源,盡管折疊后電壓略有下降,但整體性能穩(wěn)定。心率傳感模塊雖然存在電源噪聲,但通過濾波器設計,仍能有效提取心率信號,且折疊過程對其性能影響較小。整個可穿戴系統(tǒng)在實際測試中,成功采集到人體心跳信號,計算出的心率數(shù)據(jù)準確可靠。

基于折紙的印刷電路板創(chuàng)新設計,為電子設備的發(fā)展開辟了新道路。它不僅解決了傳統(tǒng) PCB 在柔性和可拉伸性方面的不足,還為未來智能服裝、可穿戴醫(yī)療設備等領域的發(fā)展提供了更多可能。隨著研究的不斷深入,在優(yōu)化 PDDC - SCB 的拉伸性、深入研究折疊后寄生參數(shù)變化、完善數(shù)學和力學分析等方面,還有很大的探索空間。相信在不久的將來,基于折紙的印刷電路板將在更多領域得到廣泛應用,推動電子行業(yè)邁向新的高度。

引用文獻:香港科技大學-Yongkai Li, Hongyu Yu 《A Planar Developable Double Corrugation Surface Enabled Stretchable Heart Rate Sensing System》

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