發佈日期:2015-12-09

穿戴式電子元件觀察,從嵌入到整合

作者:王惠瑜

前瞻研究穿戴式電子元件軟性電路板電子織物Wearable ElectronicsFlexible Printed CircuitElectronic Textile

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穿戴式時代似乎就要來臨,2015年 Apple Watch上市,各手機廠商紛紛推出穿戴型裝置、智慧手環、手錶等看似穿戴式科技已逐漸為人們所接受,但時至2015年末,穿戴式裝置尚未融入一般人的生活之中,仍被視為是手機的附屬品,穿戴式裝置能不能改變未來的生活模式? IHS Research 在穿戴式技術的情報數據庫(Wearable Technology Intelligence Database;2015)指出穿戴式的應用產業分成五大類:醫療照護(Healthcare and Medical)、運動健身(Fitness and Wellness)、資訊娛樂(infotainment)、工業(Industrial )及軍事(Military)共五類,涵蓋了生活所需的產業全部的範圍,但怎樣才算是穿戴式產品?維基百科給予穿戴式技術(Wearable technology)的定義,「穿戴式(wearables)又稱為時尚技術(fashionable technology)、穿戴式裝置(wearable devices)、技術性服裝(tech togs)或是時尚電子(fashion electronics)等多種用語,是整合微型電腦和電子技術的服裝和配件」。穿戴式雜誌(Wearable Devices Magazine) 指出「穿戴式裝置與感測技術和電子運算相關,並要能整合在服裝與配件之中,更要讓穿戴者感覺舒適」。因此,穿戴式裝置是穿戴於身上,從頭部、軀幹部、雙手到雙腳都可以設計穿戴式的微型電子產品,其依據不同目的的感測器用來偵測不同需求的數據,所需的電子元件需具備運算處理及連接網路傳送或接收資訊等功能,目前以智慧手錶、智慧手環是市場上的主流產品,透過情境感知的生理監測,並與手機結合使用介面產生人機互動的功能。

現代人3C產品不離身的習慣,開始出現穿戴式裝置的需求,為了將電子裝置便於隨身攜帶,通常會放置在衣服的口袋裡,服裝設計者為了此一需求,而特意將衣服的口袋加多或加大以符合使用者的需求,以裝戴的形式方便使用者隨時使用,形成使用者的習慣帶動穿戴式裝置的演變,但這種特意設計大尺寸的口袋等,只是將裝置放置於身上的,並不能稱為之穿戴式產品,但卻已顯示出消費者對穿戴式裝置的需求,希冀將電子產品穿戴在身上並釋放雙手,因此,穿戴式裝置以各式不同形式的產品出現,要讓電子產品穿戴在身上,取決於不同形態的載體,需配合可穿戴的便利性、安全性尺寸小和穿戴舒適等特性,所以電子產品必須能承受折彎、揉捲、水洗、日曬溫度、反覆使用後仍能正常運作;因此,承載其電子零組件與元件之間互連時複雜基板,將從原本的硬質印刷電路板(rigid Printed Circuit Board)尺寸變小或是改變電路板的性質。

穿戴式裝置所用之電路載具,為不同的電路板類型,從已經成形之微型電路板,多用於配件及飾品,以便於戴在身上之眼鏡、手錶手環等配件或是衣服上釦子拉鍊、腰帶等硬式電路板;或是改變電路板的性質,輕、薄、柔軟、可水洗性等軟性印刷電路板(flexible PCB) 和電子織物電路板(Fabric PCBs)。

另從穿戴式產品之電子元件組合結構觀察,分為嵌入(Embedded)和整合(Integrated)兩種形式;嵌入形式為電子元件和電路板為各自獨立的產品,採取電子元件附加在電路板上,其關連性透過銲接、黏合、印刷、鍍膜等組合方式,技術層面較為簡便。而整合方式則是將紡織纖維達成電子元件的功能,如壓力感測、拉伸感測等,讓電子元件不再只是附加在電路板上,而是直接與紡織物成為一體。

一、嵌入形式

(一) 微型電路板(Micro Printed Circuit Board)

微型電路板尺寸小於2公分以下,透過多合一、堆疊式的晶片設計及佈線技術將微控制器、通訊元件、感測元件整合在同一機板,如圖一,在有限的空間,達到最有效的利用,其硬質的特性,以製作配件類別的穿戴式裝置為主,如眼鏡、手錶、手環等。

微型電路板除了尺寸的考量外,芯片組與操作系統、多功能性接口、處理器架構、系統延續性、軟體的支援性等相關技術都是都是微型電路板技術考量的重點;聯發科LinkIt、Intel 的Edison、北京君正的Newton等產品皆訴求穿戴式裝置的微型電路板。

圖一 穿戴式裝置之微型電路板

圖片來源: https://www.mbientlab.com/

(二) 軟性電路板(Flexible electronics)

軟性電子並不等於穿戴式,軟性電子範圍較大,可彎、可折,但穿戴式除了可彎可折,尚需符合耐水洗,最重要的是符合舒適且不因電子材料造成過敏的現象,可應用直接黏覆於皮膚之上電子皮膚或電子刺青產品;或是大面積穿在身上的衣物。

穿戴式軟性電路板以高分子材料為主,例如PET (polyethylene terephthalate)或PEN (polyethylene naphthalate),採用噴墨印刷的方式,以金屬墨水列印可列印天線、電池、電路版等複雜的電路板,並將電子元件以銲接或黏合方式組合在軟性電路板上,如圖二。

圖二 軟性電路板

圖片來源: http://www.izm.fraunhofer.de/

金屬墨水要求高導電效能,以銀或銅為材料,除了接觸皮膚安全性考量外,亦要能耐水洗、耐久及耐磨,如何將軟性電路板封裝則為目前的關鍵技術,另外,以研發生物相容性高且無毒性的材料,將會是穿戴式軟性電路板研究重點。

二、整合形式

由金屬紗替代傳統的纖維直接進行織造的電子織物電路板取代印刷電路板,電子織物電路板要能模仿皮膚的拉伸,電路板可拉伸之外,電子元件亦要能拉伸才能服貼在皮膚之上,達到壓力感測或拉伸感測的功能;另外,透過紡織的立體的組織結構達到紡織天線的功能,達到傳輸及接收資訊的功能;感測功能及天線功能已可整合至電子織物電路板之內,並能達到穿著舒適度和穩定的電子訊號,但目前仍缺乏運算功能,還是必需將運算用之電子元件嵌入布料之中,才能達到穿戴式裝置所具備的運算的用途,圖三 為Google Jacquard計畫 中,以金屬紗織造的紅色區域為觸控感測板用以控制穿戴式裝置,並加上微型基板控制器,用以運算,傳輸或接收資訊之用,此為嵌入加上整合階段的電子織物電路板。

圖三 電子元件與織物觸控板

資料來源: Google Jacquard

穿戴式裝置是穿在身上的電子產品,是電子業和紡織業的跨領域相結合所形成的新型產業,其電子元件的組合結構不再只是附加在衣服上,已從嵌入形式進展至整合形式的電子織物,擺脫基板的架構,朝向可彎曲、有彈性可伸展等金屬導電纖維,走向直接織造的電子織物研究方向,實現真正的智慧衣與智慧布,當技術突破傳統後,穿戴式裝置就不再只是夢幻的題材了。

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