三層電路貼在皮膚上，延展度 800%！這款「電子刺青」還能控制機器手

作者 雷鋒網 | 發布日期 2021 年 02 月 12 日 0:00 |

聽過「電子紋身」（Electronic Tattoo）嗎？早在 2013 年，Motorola 高級副總裁 Regina Dugan 就曾拿出看似普通紋身貼紙的產品。Regina Dugan 表示這款電子紋身是行動式智慧設備，可惜並未多展示充滿未來感的那面。

2016 年 YouTube 一支影片，幾位生物駭客展示將電子設備植入皮下的過程──設備差不多硬幣大小，由一個印刷電路板、5 個表面貼裝發光二極管（SMD LED）組成，由矽膠包裹，一塊 3 伏特電池供電。

設備植入並受磁鐵觸發後，LED 燈會發光，皮膚會出現一朵梅花。

如果你覺得電子紋身只是廠商炒概念、科學怪人開腦洞，那就錯了。

2018 年，美國卡內基美隆大學的科學家就將電子紋身寫進論文，用液態金屬合金塗覆銀奈米顆粒，兩者融合後形成電路，經過印刷，紋身就可輕鬆轉移到皮膚，且導電性也很高。

當時參與研究的卡內基美隆大學助理教授 Carmel Majidi 表示：這是電子印刷領域的突破。

就在最近，中國科學家也聯合打造出電子紋身。

2021 年 1 月 13 日，論文發表於《科學》雜誌子刊《科學─進展》，題為「Multilayered electronic transfer tattoo that can enable the crease amplification effect」（可實現摺痕放大效果的多層電子傳遞紋身）。

論文作者來自南方科技大學（深圳灣實驗室生物醫學工程研究所）、首都醫科大學生物醫學工程學院及中國科學院大學國家奈米科學技術中心。

什麼是「電子紋身」？

看過前文，大概能對電子紋身下個定義：「能直接貼在皮膚上的超薄電路」。電子紋身可隨著皮膚狀態任意拉伸彎曲，可說是穿戴式設備的最高境界了。運作原理是 NFC（Near Field Communication，近距離無線通訊），能讓設備靠近時交換數據的技術。

NFC 是在 RFID（無線射頻身分辨識）技術的基礎上結合無線連接技術研發而成，日常場景也為各類電子產品提供安全快捷的通訊支援。行動支付、文件傳輸、門禁、手機與車鑰匙集合的背後，都離不開 NFC──轉到電子紋身，NFC 可確保訊號傳遞。

其實電子紋身有很多用途，如耳機、無線收發器、電源、噪音檢測器、測謊儀等等。作者也提到：「電子紋身在皮膚健康和運動感測有很大潛力。」

然而電子紋身目前問題是：固形性、黏性和多層性等特性不能並存，是研究人員設計新型電子紋身的起因。

多層電子傳遞紋身

研究人員設計出「多層電子傳遞紋身」，即 multilayered electronic transfer tattoo（下稱 METT）。

為了組成多層電路模板，科學家用到兩種材料，一是金屬聚合物導體（metal-polymer conductors），二是彈性體嵌段共聚物（elastomeric block copolymer）。

METT 共有 3 層：

黏合層（adhesive layer）：很薄（~8μm）的壓敏膠，受外部壓力時，黏合層使 METT 與皮膚緊密附著。

釋放層（release layer）：矽酮膜，主要目的是便於電路模板從釋放膜剝離。

兩者間的電路模組：含 3 層電路，每層都嵌有可拉伸導體的聚苯乙烯─丁二烯─苯乙烯（SBS）薄膜（~14μm）。

第一、二層電路上有應變感測器，數量分別為 11 和 4，第三層電路上有一個加熱器。

由於金屬─聚合物導體（metal-polymer conductor）有良好延展、可重複性，因此可用作應變感測器。

如下圖 A、B 所示，基於金屬─聚合物導體的應變感測器電阻，隨著拉伸應變增加而增加，METT 甚至可容易拉伸到 800%，遠遠超過皮膚最大變形度。

METT 可用於溫度調節、運動監測和機器人遠端控制，具高延展性（800%）、固形性和黏性，可做到摺痕放大效果，因而能將聚集應變感測器的輸出訊號放大 3 倍。事實證明，無需任何溶劑或加熱，METT 就能在不同表面牢牢附著。

遠端控制機器手臂

不僅如此，為了展示新型電子紋身的可擴展性，科學家更製造出 7 層 METT，當成可拉伸加熱器。

上圖 A 是 7 層加熱器俯視圖，每個電路層都包含一個基於金屬─聚合物導體的加熱器，兩端有 2 個連接點，用於與其他層加熱器形成垂直電連接。因此，7 個加熱器就以串聯方式連接電源。

上圖 B 展示不同層基於金屬─聚合物導體的加熱器，透過連接點形成的電連接。

論文介紹，除連接點外，金屬─聚合物導體透過 SBS 形成良好電絕緣，熱成像時未發現短路。研究結論之一是，隨著層數增加，紋身的順應性隨厚度增加而降低，兩層電子紋身足以滿足大多數功能。

科學家將 METT 實際應用──透過手指彎曲發出的訊號放大，透過藍牙傳輸到機器手臂，因此 METT 能遠端控制機器手臂，模仿人手動作時也不會出現異常震動。

論文表示，團隊已透過 2 層 METT 做到以 6 個自由度遠端控制機器手，透過 3 層 METT 以 15 個自由度遠端控制機器手。

可肯定的是，未來電子紋身在醫療、VR 和可穿戴式機器人方面有巨大潛力。

附圖：▲ 蘋果手機上的 NFC 功能。
▲ 科學家測試 METT 應變感測器的機電性能。

資料來源：https://technews.tw/2021/02/12/multilayered-electronic-transfer-tattoo/

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近年來，在人工智能（AI）、5G等推動下，以MRAM（磁阻式隨機存取存儲器）、鐵電隨機存取存儲器 (FRAM)、相變隨機存取存儲器（PRAM），以及可變電阻式隨機存取存儲器（RRAM）為代表的新興存儲技術逐漸成為市場熱點。這些新技術吸引各大晶圓廠不斷投入，最具代表性的廠商包括台積電、英特爾、三星和格羅方德（Globalfoundries）。

那麼，這些新興存儲技術為什麼會如此受期待呢？主要原因在於：隨着半導體制造技術持續朝更小的技術節點邁進，傳統的DRAM和NAND Flash面臨越來越嚴峻的微縮挑戰，DRAM已接近微縮極限，而NAND Flash則朝3D方向轉型。

此外，傳統存儲技術在高速運算上也遭遇阻礙，處理器與存儲器之間的「牆」成為了提升運算速度和效率的最大障礙。特別是AI的發展，數據需求量暴增，「牆」的負面效應愈加突出，越來越多的半導體廠商正在加大對新興存儲技術的研發和投資力度，尋求成本更佳、速度更快、效能更好的存儲方案。

從目前來看，最受期待的就是MRAM，各大廠商在它上面投入的力度也最大。MRAM屬於非易失性存儲技術，是利用具有高敏感度的磁電阻材料製造的存儲器，斷電時，MRAM儲存的數據不會丟失，且耗能較低，讀寫速度快，可媲美SRAM，比Flash速度快百倍，在存儲容量方面能替代DRAM，且數據保存時間長，適合高性能應用。

MRAM的基本結構是磁性隧道結，研發難度高，目前主要分為兩大類：傳統MRAM和STT-MRAM，前者以磁場驅動，後者則採用自旋極化電流驅動。

另外，相較於DRAM、SRAM和NAND Flash等技術面臨的微縮困境，MRAM可滿足製程進一步微縮需求。目前，DRAM製程工藝節點為1X nm，已接近極限，而Flash走到20 nm以下後，就朝3D製程轉型了。MRAM製程則可推進至10nm以下。

在過去幾年裏，包括台積電、英特爾、三星、格羅方德等晶圓代工廠和IDM，相繼大力投入MRAM 研發，而且主要着眼於STT-MRAM，也有越來越多的嵌入式解決方案誕生，用以取代Flash、EEPROM和SRAM。

- 台積電

早在2002年，台積電就與工研院簽訂了MRAM合作發展計劃。近些年，該公司一直在開發22nm製程的嵌入式STT-MRAM，採用超低漏電CMOS技術。

2018年，台積電進行了eMRAM芯片的「風險生產」，2019年生產採用22nm製程的eReRAM芯片。

2019年，台積電在嵌入式非易失性存儲器技術領域達成數項重要的里程碑：在40nm製程方面，該公司已成功量產Split-Gate（NOR）技術，支持消費類電子產品應用，如物聯網、智慧卡和MCU，以及各種車用電子產品。在28nm製程方面，該公司的嵌入式快閃存儲器支持高能效移動計算和低漏電製程平台。

在ISSCC 2020上，台積電發佈了基於ULL 22nm CMOS工藝的32Mb嵌入式STT-MRAM。該技術基於台積電的22nm ULL（Ultra-Low-Leakage）CMOS工藝，具有10ns的極高讀取速度，讀取功率為0.8mA/MHz/bit。對於32Mb數據，它具有100K個循環的寫入耐久性，對於1Mb數據，具有1M個循環的耐久性。

它支持在260°C下進行90s的IR迴流焊，在150°C下10年的數據保存能力。它以1T1R架構實現單元面積僅為0.046平方微米，25°C下的32Mb陣列的漏電流僅為55mA。

目前，台積電已經完成22nm嵌入式STT-MRAM技術驗證，進入量產階段。在此基礎上，該公司還在推進16 nm 製程的STT-MRAM研發工作。

除了MRAM，台積電也在進行着ReRAM的研發工作，並發表過多篇基於金屬氧化物結構的ReRAM論文。

工研院電光所所長吳志毅表示，由於新興存儲技術將需要整合邏輯製程技術，因此現有存儲器廠商要卡位進入新市場，門檻相對較高，而台積電在這方面具有先天優勢，因為該公司擁有很強的邏輯製程生產能力，因此，台積電跨入新興存儲市場會具有競爭優勢。

據悉，工研院在新興存儲技術領域研發投入已超過10年，通過元件創新、材料突破、電路優化等方式，開發出了更快、更耐久、更穩定、更低功耗的新一代存儲技術，目前，正在與台積電在這方面進行合作。未來，台積電在新興存儲器發展方面，工研院將會有所貢獻，但具體內容並未透露。

- 三星

三星在MRAM研發方面算是起步較早的廠商，2002年就開始了這項工作，並於2005年開始進行STT-MRAM的研發，之後不斷演進，到了2014年，生產出了8Mb的eMRAM。

三星Foundry業務部門的發展路徑主要分為兩條，從28nm節點開始，一條是按照摩爾定律繼續向下發展，不斷提升FinFET的工藝節點，從14nm到目前的7nm，進而轉向下一步的5nm。

另一條線路就是FD-SOI工藝，該公司還利用其在存儲器製造方面的技術和規模優勢，着力打造eMRAM，以滿足未來市場的需求。這方面主要採用28nm製程。

三星28nm製程FD-SOI（28FDS）嵌入式NVM分兩個階段。第一個是2017年底之前的電子貨幣風險生產，第二個是2018年底之前的eMRAM風險生產。並同時提供eFlash和eMRAM（STT-MRAM）選項。

該公司於2017年研製出了業界第一款採用28FDS工藝的eMRAM測試芯片。

2018年，三星開始在28nm平台上批量生產eMRAM。2019年3月，該公司推出首款商用eMRAM產品。據悉，eMRAM模塊可以通過添加三個額外的掩膜集成到芯片製造工藝的後端，因此，該模塊不必要依賴於所使用的前端製造技術，允許插入使用bulk、FinFET或FD-SOI製造工藝生產的芯片中。

三星表示，由於其eMRAM在寫入數據之前不需要擦除週期，因此，它比eFlash快1000倍。與eFlash相比，它還使用了較低的電壓，因此在寫入過程中的功耗極低。

2018年，Arm發佈了基於三星28FDS工藝技術的eMRAM編譯器IP，包括一個支持18FDS (18nm FD-SOI工藝)的eMRAM編譯器。這一平台有助於推動在5G、AI、汽車、物聯網和其它細分市場的功耗敏感應用領域的前沿設計發展。

2019年，三星發佈了採用28FDS工藝技術的1Gb嵌入STT-MRAM。基於高度可靠的eMRAM技術，在滿足令人滿意的讀取，寫入功能和10年保存時間的情況下，可以實現90％以上的良率。並且具備高達1E10週期的耐久性，這些對於擴展eMRAM應用有很大幫助。

2019年底，Mentor宣佈將為基於Arm的eMRAM編譯器IP提供IC測試解決方案，該方案基於三星的28FDS工藝技術。據悉，該測試方案利用了Mentor的Tessent Memory BIST，為SRAM和eMRAM提供了一套統一的存儲器測試和修復IP。

- Globalfoundries（格羅方德半導體股份有限公司）

2017年，時任Globalfoundries首席技術官的Gary Patton稱，Globalfoundries已經在其22FDX（22nm製程的FD-SOI工藝技術）製程中提供了MRAM，同時也在研究另一種存儲技術。

由於Globalfoundries重點發展FD-SOI技術，特別是22nm製程的FD-SOI，已經很成熟，所以該公司的新興存儲技術，特別是MRAM，都是基於具有低功耗特性的FD-SOI技術展開的。

今年年初，Globalfoundries宣佈基於22nm FD-SOI 平台的eMRAM投入生產。該eMRAM技術平台可以實現將數據保持在-40°C至+125°C的温度範圍內，壽命週期可以達到100,000，可以將數據保留10年。該公司表示，正在與多個客户合作，計劃在2020年安排多次流片。

據悉，該公司的eMRAM旨在替代NOR閃存，可以定期通過更新或日誌記錄進行重寫。由於是基於磁阻原理，在寫入所需數據之前不需要擦除週期，大大提高了寫入速度，宏容量從4-48Mb不等。

- 英特爾

英特爾也是MRAM技術的主要推動者，該公司採用的是基於FinFET技術的22 nm製程。

2018年底，英特爾首次公開介紹了其MRAM的研究成果，推出了一款基於22nm FinFET製程的STT-MRAM，當時，該公司稱，這是首款基於FinFET的MRAM產品，並表示已經具備該技術產品的量產能力。

結語

由於市場需求愈加凸顯，且有各大晶圓廠大力投入支持，加快了以MRAM為代表的新興存儲技術的商業化進程。未來幾年，雖然DRAM和NAND Flash將繼續站穩存儲芯片市場主導地位，但隨着各家半導體大廠相繼投入發展，新興存儲器的成本將逐步下降，可進一步提升 MRAM等技術的市場普及率。

原文：
https://mp.weixin.qq.com/s/sMZ0JwclWf1zAEPkW8Rn0Q

用了5年的電磁爐間中出現E5故障及停止加熱，E5代表干燒，即爐面溫度過高，一般都是爐面傳感器故障或IGBT(絕緣柵雙極電晶體)溫度異常導致，影片記錄了用數元的零件便可修復問題。

電磁爐加熱慢亦可能是IGBT功率管出現老化

維修步驟:
傳感器損壞檢測錯誤溫度，室溫下熱敏電阻約80K-100KΩ左右，如傳感器沒有壞的話，就是IGPT接近被擊穿狀態，發出高溫，所以出現E5警示(影片2:13)

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電磁爐保養教學
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