翻譯自——allaboutcircuits

從目前來看，具有適應任何形狀的能力，靈活的混合電子將使設備具有前所未有的空間適應性。

NextFlex是一家柔性混合動力電子(FHE)制造創新研究所，它已獲得了美國空軍研究實驗室(AFRL)和國防部長辦公室(OSD)制造技術項目的一項為期7年、1.54億美元的撥款。其目的是支持NextFlex在開發柔性混合電子創新技術，尤其關注軍事應用。

柔性混合電子究竟是什么，它們如何與柔性電子相比較?

柔性、混合和印刷電子產品現在被設計成各種各樣的商品。“混合”指的是同時具有打印和基于cmos組件的設計。下圖說明了FHE的理念；

柔性混合電子的結構。

天線和電路是繪制的，而處理器和內存是CMOS。

這項技術可以為飛行員和其他人提供廉價的抬頭顯示器。而且，正如最初為軍事設計的技術經常出現的情況一樣，這樣一種設備無疑將最終應用于民用。

它可能落后于安裝在硬板上的電子產品。由于柔性襯底彎曲，痕跡之間的位置可能發生變化，從而影響傳播速度和信號干擾。產生的熱量可能更難處理，而且即使系統的其他部分可以彎曲，剛性集成電路本身當然不能。

柔性電子產品和柔性混合電子產品有什么區別?

柔性電子設備在可穿戴電子設備上非常有用，特別是在假肢和醫學傳感方面。但我們很少看到柔性電子產品超出傳感器和顯示器的領域。

CMOS的制造過程在納米范圍內，可以在GHz頻率和更高的頻率下工作，而薄膜晶體管的速度要慢1000倍，制造工藝只有幾十微米。

然而，亞利桑那州立大學的研究人員解釋，柔性混合電子通過將傳統的剛性集成電路與柔性基板上的印刷電子元件相結合，擴展了柔性電子的應用可能性。

 “這種混合方法將硅集成電路的處理和存儲能力與柔性電子產品的物理和成本效益結合起來。因此，FHE在靈活性和計算效率(更剛性IC)之間表現出內在的設計權衡。”

由于FHE將使常規集成電路集成到柔性基底上成為可能，設計者可以超越柔性電子產品固有限制。例如，FHE裝置中與電源和能量存儲有關的子系統包括能量收集技術、無線電源、電池和超級電容器。

需要改進的基片和替代焊料

現在的柔性印刷電路通常安裝在聚酰亞胺(PI)上，圖中橙色的部分。這阻止了它在光學領域的應用。它造價很貴，最糟糕的是，它不能拉伸。這也束縛了它在電子紡織品或可穿戴皮膚補丁的使用。

因此，遷移到諸如PET(聚對苯二甲酸乙二醇酯)，PEN(聚萘酚)和可拉伸TPU(熱塑性聚氨酯)這樣的基材是有必要的，但問題是這些更理想的基質不能承受焊接的熱量。

基于pi的柔性PCB(左)和基于PET基板的透明印刷電子電路(右)

IDTechEx發表的一份報告中描述到，擴展FHE的實際應用將取決于開發將集成電路和電氣連接到新基片上的方法。

最近一項類似的市場研究指出了FHE的缺點和前景，包括將傳統包裝的剛性集成電路焊接到柔性襯底上，用薄硅制造柔性集成電路，或使用由金屬氧化物制成的固有柔性集成電路。

可持續伙伴關系

美國空軍研究實驗室和NextFlex簽署了為期7年的協議，這強調了FHE對軍方的重要性。這將使NextFlex合作伙伴能夠與國防部和其他政府實體合作，擴大對FHE制造的項目支持。

AFRL材料和制造理事會的首席科學家Richard Vaia博士表達了合作的希望，特別是在開發柔性混合電子制造生態系統方面。

Richard:“今天，這些技術不僅為我們現有的平臺提供了組件解決方案，而且正在徹底改變我們設計理念，為2030年的未來轉型能力。”

雖然設計師遇到這種新技術必須考慮它的許多限制，但可彎曲和成形設備勢必會提供了一種獨特的電子效用。

延伸閱讀——美國柔性混合電子制造創新中心NextFlex

據麥姆斯咨詢介紹，NextFlex是一支美國制造業研究網絡的領導力量。NextFlex是由美國國防部（DoD）和FlexTech聯盟合作組成，是由企業、學術機構、非營利組織以及美國州、地方和聯邦政府組成的聯盟，其共同目標是進一步推進美國FHE的制造。自2015年成立以來，NextFlex由思想領袖、教育工作者、問題解決者和制造商精英團隊齊聚一堂，共同推動創新，加速美國FHE生態系統的形成，通過投資超薄型設備加工、傳感器集成打印和封裝、系統設計工具以及可靠性測試和建模，來促進FHE技術商業化。

NextFlex專注的其中一個重點領域是可穿戴醫療傳感器和診斷設備。該組織的第一批項目涉及個人傳感器系統的開發工作，包括氧傳感和類皮膚醫藥繃帶（由普渡大學、Integra LifeSciences和西密歇根大學領導）；電刺激傳感器和愈合器械（由加州大學伯克利分校和捷普集團領導）；無線EKG設備（由GE Global Research和賓厄姆頓大學領導）；口服生物標志物傳感器（由PARC和UCSD領導）。這些傳感器都在其設計中融入了FHE，通過對人體的持續監控提供了改善的病患數據采集。

如今，電子元件的組裝可以在100℃以下進行，因此新開發的傳感器可以包含那些必須保持在相對較低溫度下的組件。這意味著在新型傳感器中可以使用生物材料，例如噬菌體和某些蛋白質，這為打造一類全新的傳感器打開了大門。

具有可拉伸基板的柔性電路，可與患者皮膚緊密貼合，改善了數據采集和傳輸的準確性。在許多情況下，適應不同患者的能力，也改善了應用傳感器的過程，這也會提高診斷準確性。

除了改善的適應能力之外，傳感器可以做得更小、更薄，因此它們可以做得不那么突出和笨重，變得更加舒適，從而在所需要的位置佩戴更久。患者也更有意愿去佩戴這類舒適的傳感器，建立來自患者的連續數據流。

總體來看，它們整合了一系列可穿戴傳感器的數據，這些數據之間的相互關聯可以產生真正的突破。例如，一位醫學研究人員表明，通過心率和體溫的聯合觀察，可以比觀測其中任何一種數據讀出，更準確地預測某類病毒的暴露。

目前，很多公司正在開發多傳感器可穿戴設備。例如，有一家公司的多傳感器設備可以測量患者汗液的化學成分。

另一家公司在開發一種具有中距離無線射頻傳輸的低功耗多傳感器貼花，可監控并記錄任何傳感器發送給它的反饋信息。

第三家公司則在組合幾種臨床級醫療傳感器，以消除醫院病人身上的各種電線和導線，以方便在舒適的家中監控患者。在一家醫院，有近300家醫療護理供應商分別通過控制中心監控三名或更多的患者。

該計劃非常成功，該醫院已與其他三家連鎖醫院簽訂了合同，以提供同樣的醫療監控能力。該醫院還了解到，患者可以在家中修養，并在整個康復過程中得到良好的監控。更好的結果是，他們還發現通過這種方式患者恢復得更快，成本也降低了。

在醫療保健傳感器領域，柔性混合電子元件可提供許多優點和益處。像我們這樣的組織，不僅在開發柔性傳感器，而且利用基礎研究證明了這些設備是可以實現的，并能通過規模制造降低成本，使這些傳感器能夠在全球普及。

NextFlex發起新一輪1000萬美元資金，用于柔性混合電子元件在航空、數字健康以及國家安全領域的創新。獲資助項目將包括柔性混合電子器件工藝、電子紡織、3D電子設計和電源集成等方面的創新。

NextFlex近日發布了新一輪項目征集Project Call 4.0（PC 4.0），旨在尋求進一步開發和應用FHE的項目，為它們提供資金支持。前三次項目征集計劃的反響令人震驚，共收到178份初始提案，投資額超過5900萬美元。PC 4.0的總項目資金預計將超過1000萬美元。

PC 4.0的需求范圍非常廣泛，代表了NextFlex在廣泛的應用領域（從數字健康到商業航空到國家安全需求）所確定的技術和能力空白。這些領域涵蓋了可穿戴設備封裝技術、高性能和高層數FHE、3D電子設計、電子紡織領域的挑戰性解決方案、生化監控平臺以及無人機輕型電子設備等。

“NextFlex的項目征集計劃已經證明是非常成功的，”NextFlex執行董事Malcolm J. Thompson博士說，“我們不斷解決聯盟成員單位提出的FHE制造挑戰，憑借前三次Project Call計劃正在進行中的31個項目，我們預計這將引起FHE領域更多的興趣和關注。Project Call 4.0中的研究主題，將建立在已成功開發的基礎之上，并將學習利用我們之前的項目成果。”

為了驗證這些制造能力，項目提案將專注于以下方向：

- 無人機輕型柔性電子平臺

- 用于結構健康監測的大面積傳感器系統

- 用于監測流體生物標記物的微創可穿戴柔性裝置