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连接器技术在可伸缩电子电路开发中的重要性分析

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发表于 2020-7-10 15:02:04 | 显示全部楼层 |阅读模式

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当前,新的医疗器械设计的前沿技术之一是具有可伸缩性、可穿戴性的产品,它们可以附着在病人或设备上,并能承受运动和操作等损耗。

约翰·罗杰斯博士是伊利诺伊大学的工程学教授,他是许多可伸缩材料电子学研究人员中的一员。罗杰斯认为,柔性微电子电路软材料是构建可伸缩、可穿戴电子产品的基础。罗杰斯还表示:“与身体相融合的特征需要与身体相匹配。因此,你需要组织状的电子产品,它可以层压,并以完全自然、完全无创的方式接触身体的不同器官。”

这些材料采用了复杂的电路,以用来为医疗设备和其他产品创建多用途的电子系统。这样的创新目前正处于发展的早期阶段,但罗杰斯预测,在未来几年,它们将成为医学上的实质性应用。潜在用途包括可以作为“网状皮肤”的薄膜、用于植入人脑、嵌入纺织品中、集成到封装中等应用领域。

特性要求:可伸缩、柔性和实用

柔性材料是通过互连来激活的,这就是连接器技术将发挥关键作用的地方。具有适当互连性、接口和兼容性的极小型化连接器将对高性能可伸缩电子产品至关重要。

“质量和可靠性是我们在这个领域里从客户那里了解到的关键要求。”RS Components North America高级副总裁卡梅隆·沃德(Cameron Ward)表示。这是一家连接器和部件选择的分销商,该公司促进了包括可伸缩器件在内的微电路和纳米技术产品的连接器和组件发展。同时他还认为这些产品的需求将在未来几年持续增加,经销商可以在引进先进技术时提供帮助,也可直接与制造商合作,传达设计师的要求,并首先将最新组件推向市场。

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RS Components提供各种产品,为柔性电子产品提供方案,包括MikroElektronika Hexiwear Wearable Development Kit MIKROE-2026 和the DFRobot Bluno Beetle Wearable Development Board DFR0339.

可伸缩电子产品采用了由超薄的硅和铜制造的电路。传统上,硅片是刚性的,但当硅可以制造成超薄时,它可以安装在弹性基板上,也可以应用在橡胶状基板上做成网格图案。这种弹性体或橡胶基板是柔性的,可从不弯曲到弯曲,然后再回到不弯曲,提供可伸缩、光子电路等特性,衍生出各种类型的产品。它是导电的,通常包括一个完整的电源,并且可以传输和发射信号,可做成一个复杂的、可伸缩的和可穿戴的产品。

这些技术将使设计师能够创造出能够监测大脑或心脏活动和许多其他参数的医疗产品,而不需要一个刚性的或其他强制性的设备来检测。柔性产品将允许对病人,甚至好动的婴儿进行健康监测,并且不会导致不适、运动限制或反应性皮疹等不良反应,用普通粘合剂贴在更大的产品上的运用也很常见。小尺寸和柔韧性可设计在不引人注意的地方,例如在管子内安装设备来实现进行复杂的手术、监测健康标记、传输实时病人数据等许多以前不容易实现的各种功能。

满足特殊需求

这种精密电路的应用在医疗市场上具有巨大的潜力,但其他市场领域,如制造和封装,也将受益。作为其欧盟资助项目的一部分,Wurth Elektronik正在开发复杂的弹性电路,这涉及31家欧洲各行业的公司。目标是开发出用于封装、光学和光子学、设备供应和测试的柔性电子产品。该项目名为APPLAUSE(用于欧洲低成本制造的光子学、光学和电子学的高级封装),利用欧洲半导体价值链为大批量制造创造出新的工具、方法和工艺。

在美国,佐治亚理工学院的研究人员开发了一种独特的可拉伸材料,可以作为一种简单的监视器,向医生提供病人数据。电路可作为粘合绷带,可以通过仪表板提供简单的病人数据:例如,心率为每分钟89次,每分钟11次呼吸,病人正在行走等。由于可伸缩的形式,病人几乎不知道它粘附在他们身上。这些数据是实时传递的,并存档以供今后参考,或用于激活对病人护理团队的警报。

乔治·W·伍德拉夫机械工程学院(George W.Woodruff School of Mechanical Engineering)和佐治亚理工学院(Georgia Institute of Technology)的助理教授杨焕红(Woon-Hong Yeo)表示:“这种健康监测仪对于那些好动的幼儿来说有一个关键的优势,因为这种柔软的适形装置在皮肤上并容纳幼儿的好动。这种设计还能满足敏感皮肤的电子健康监测需求。”

可伸缩和可穿戴设备通常是通过无线发送数据到另一个可穿戴设备。可伸缩装置,连同它自己的精细电路,通常有自己的电源:电池,电容器,甚至太阳能电池等。

互用性设计

对于医疗应用,可穿戴设备与其他设备的互连需要高度工程化、轻量级和可靠的连接器。互连性创造了一个模拟系统,传达微小电子信号。

美国食品和药物管理局(FDA)将此称为互操作性,并建议制造商选择有利于医疗设备之间兼容的设计解决方案。设计输入应包括电子接口的互用性能。

理解互操作性风险在于制造商。FDA建议,可互操作医疗设备的制造商应进行风险分析,并进行适当的测试,考虑互操作性,预期用户合理可预见的滥用和合理预见导致危险情况等有关风险。

帕特里克·金扬朱(Patrick Kinyanjui)是Fischer Connectors的工程师。他表示,对于受FDA’s Premarket Notification 501K约束的设备,重要的是确定可靠的、适合的连接器。病人与照顾者或医疗专业人员的需求不同。确保连接器足够小,虽然尺寸足够大,通常更容易设计产品,但连接器尺寸在可穿戴设备方面的需求却是越小越好。

RS组件公司的Ward表示,与一家已经审核合格制造商的分销商合作是满足这些准则的一大优势,而且通过信誉良好的分销商直接从制造商那里获得的组件也意味着设计师不需要担心灰色市场渗透到他们的供应链中,这在医学设计界是一个特别严重的问题。

可伸缩电子电路的开发是新技术应用的一部分,将创造出可伸缩、柔性和具有更多实用性的新产品。连接器也随之发展,以使这些新产品的开发成为可能。


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