Date：2025-05-05 Number：580
在電子設(shè)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(guān)鍵組成部分，其性能與設(shè)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(shù)領(lǐng)域長期占據(jù)主導(dǎo)地位。然而，隨著可穿戴電子設(shè)備、柔性顯示技術(shù)等新興領(lǐng)域的崛起，傳統(tǒng) PCB 的局限性逐漸顯現(xiàn)。
在可穿戴健康監(jiān)測設(shè)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(jī)械性能不匹配，焊點(diǎn)處易產(chǎn)生集中應(yīng)變，不僅會導(dǎo)致誤差，還會縮短設(shè)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(jié)構(gòu)所需寬度過大，限制了其在小型化、多功能化設(shè)備中的應(yīng)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(shù)。基于折紙原理的電路板，尤其是平面可展雙波紋（PDDC）曲面結(jié)構(gòu)，為印刷電路板的發(fā)展帶來了新契機(jī)。PDDC 曲面的單位晶胞由四個平行四邊形構(gòu)成，通過對其進(jìn)行參數(shù)化分析，確定了共面和無旋轉(zhuǎn)等特殊條件，為后續(xù)的應(yīng)用設(shè)計奠定了理論基礎(chǔ)。
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(shè)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(lǐng)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(shè)計為 8 毫米，采用正方形或菱形小面，銳角 30°，這種設(shè)計不僅便于安裝大尺寸元件和加強(qiáng)筋，還通過去除頂點(diǎn)、設(shè)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(shè)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(jié)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(dá) 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(yīng)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(shè)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(zhǔn)確可靠。
基于折紙的印刷電路板創(chuàng)新設(shè)計，為電子設(shè)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(shè)備等領(lǐng)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(xué)和力學(xué)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(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，推動電子行業(yè)邁向新的高度。
引用文獻(xiàn):香港科技大學(xué)-Yongkai Li, Hongyu Yu 《A Planar Developable Double Corrugation
Surface Enabled Stretchable Heart Rate
Sensing System》
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