發布時間：2025-05-05 瀏覽量：690
在電子設備飛速發展的今天，印刷電路板（Printed Circuit Board，簡稱 PCB）作為電子產品的關鍵組成部分，其性能與設計的重要性不言而喻。傳統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勢，在電路和傳感技術領域長期占據主導地位。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 PCB 的局限性逐漸顯現。
在可穿戴健康監測設備方面，心血管疾病的高發性促使人們不斷研發柔軟、靈活且可拉伸的醫療系統，用于持續監測心律。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 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。基于折紙原理的電路板，尤其是平面可展雙波紋（PDDC）曲面結構，為印刷電路板的發展帶來了新契機。PDDC 曲面的單位晶胞由四個平行四邊形構成，通過對其進行參數化分析，確定了共面和無旋轉等特殊條件，為后續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 tessellation的 PDDC - SCB（PDDC 曲面的可拉伸電路板）在可穿戴電子領域展現出巨大潛力。
以可拉伸心率傳感系統為例，該系統以 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、設置較薄的折痕區域等方式，有效提高了系統的可靠性和可折疊性。在制作過程中，商業制造商根據設計制作 PDDC - SCB 二維薄片，安裝電子元件并編程，再經過折疊、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，電壓調節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。整個可穿戴系統在實際測試中，成功采集到人體心跳信號，計算出的心率數據準確可靠。
基于折紙的印刷電路板創新設計，為電子設備的發展開辟了新道路。它不僅解決了傳統 PCB 在柔性和可拉伸性方面的不足，還為未來智能服裝、可穿戴醫療設備等領域的發展提供了更多可能。隨著研究的不斷深入，在優化 PDDC - SCB 的拉伸性、深入研究折疊后寄生參數變化、完善數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》
