Recenti progressi nelle antenne flessibili per dispositivi indossabili / Recent advances in flexible antennas for wearable devices

 Recenti progressi nelle antenne flessibili per dispositivi indossabili / Recent advances in flexible antennas for wearable devices

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

L'avvento delle reti 5G con bassa latenza, alta velocità e grande capacità ha facilitato l'emergere della "Quarta rivoluzione industriale". Le reti 5G aiuteranno ogni settore, compreso l'imaging 3D, i servizi di streaming, l'assistenza sanitaria e le città intelligenti. Inoltre, è necessaria una solida rete 5G per il funzionamento efficace dei dispositivi Internet of Things (IoT). Uno dei principali ostacoli all'innovazione tecnologica dei dispositivi IoT di prossima generazione è la mancanza di flessibilità dei componenti dovuta a fattori di forma e problemi di peso. Sebbene ci siano stati molti progressi nella miniaturizzazione, la flessibilità rimane una caratteristica difficile da conquistare. Le scoperte tecnologiche nei materiali ingegnerizzati hanno aiutato il progresso dell'elettronica flessibile.

Necessità di antenne flessibili

I mercati dei dispositivi wireless flessibili stanno crescendo rapidamente, in parte a causa dell'aumento della domanda di dispositivi impiantabili e indossabili per sistemi di monitoraggio della salute e gadget wireless di tutti i giorni, inclusi computer portatili e telefoni cellulari. Di conseguenza, la domanda di antenne stampate flessibilisi è notevolmente ampliato negli ultimi anni, in particolare per le applicazioni biomediche. Le antenne flessibili sono una componente fondamentale nello sviluppo del monitoraggio dei segni vitali in vivo, della regolazione della funzione degli organi, delle interfacce cerebrali, dei sensori intracranici, dell'analisi continua dell'andatura e dei sistemi di somministrazione dei farmaci. Per incorporare gadget su superfici curvilinee ed adattarsi ai movimenti in continua evoluzione del corpo umano, i dispositivi devono essere conformi e fisicamente flessibili, se non elastici. Poiché la rigidità alla flessione di una struttura a film sottile, che quantifica la sua resistenza alla deformazione flessionale, si ridimensiona grosso modo con il suo spessore, ridurre lo spessore della struttura è un modo efficace per consentire antenne pieghevoli/flessibili. Oltre alle prestazioni mediche, le agenzie governative, il commercio,

Substrati e materiali per antenne flessibili

Le antenne flessibili sono costruite da una varietà di substrati e materiali conduttivi. Il substrato è selezionato per le sue qualità dielettriche, tolleranza alla deformazione meccanica (flessione, avvolgimento e torsione), potenziale di miniaturizzazione e durabilità nell'ambiente circostante. In confronto, il materiale conduttivo utilizzato (a seconda della sua conduttività elettrica) determina le prestazioni dell'antenna, come l'efficienza della radiazione.

Il materiale di substrato per l'antenna flessibile deve avere una bassa perdita dielettrica, un basso coefficiente di espansione termica, una bassa permittività relativa e un'elevata conduttività termica. Questo vincolo è motivato dall'esigenza di una maggiore efficienza (in una gamma di ambienti) a scapito dell'aumento delle dimensioni dell'antenna. Il requisito di un'elevata costante dielettrica in antenne minuscole è un'eccezione alla suddetta affermazione.

Nella costruzione di antenne flessibili sono stati spesso utilizzati tre tipi di substrato: fogli di metallo, vetro sottile e polimeri o plastica. I fogli di metallo possono resistere alle alte temperature e consentono la deposizione di composti inorganici; tuttavia, la loro rugosità superficiale e i prezzi esorbitanti ne limitano le applicazioni. Mentre il vetro sottile è flessibile, la sua fragilità intrinseca ne limita l'applicabilità. I materiali polimerici o plastici sono ideali per applicazioni di antenne flessibili, che includono polimeri termoplastici non cristallini, polimeri semicristallini termoplastici e materiale ad alta temperatura di transizione vetrosa.

Lo sviluppo di modelli conduttivi con un'eccezionale conduttività elettrica è fondamentale nelle applicazioni wireless per garantire efficienza, guadagno elevato e larghezza di banda. Inoltre, la resistenza del materiale conduttivo alla degradazione per deformazione meccanica è una caratteristica più desiderabile. A causa della loro elevata conduttività elettrica, gli inchiostri a nanoparticelle (cioè argento e rame) sono spesso utilizzati per la costruzione di antenne flessibili.

Metodi di produzione per antenne flessibili

L'efficacia di un'antenna flessibile è controllata dal processo di costruzione, che varia a seconda del substrato. La stampa a getto d'inchiostro, la serigrafia e la stampa 3D sono spesso utilizzate per fabbricare antenne indossabili flessibili.

La stampa a getto d'inchiostro si è sviluppata come una valida opzione rispetto ai metodi di produzione più tradizionali come l'incisione e la fresatura. È una tecnica di produzione additiva che trasferisce il design direttamente sul substrato senza l'uso di maschere, con conseguente minimo spreco di materiale. Basato sull'accuratezza e la velocità di prototipazione, è l'approccio di produzione preferito per substrati polimerici come carta, poliimmide e PET.

La serigrafia è un metodo semplice, conveniente e fattibile per creare elettronica flessibile. È stato ampiamente utilizzato per integrare antenne RFID spruzzando inchiostri o paste conduttive su substrati flessibili a basso costo come materiali tessili e carta ed è una tecnologia di schermatura tessuta caratterizzata da una gamma di spessori e densità di filo. Una lama del tergipavimento viene premuta contro lo schermo, portandolo a contatto con il substrato e creando un motivo stampato. Il motivo richiesto viene creato espellendo l'inchiostro attraverso le parti esposte dello schermo sul substrato aderito. Inoltre, è una tecnica additiva, simile alla stampa a getto d'inchiostro, piuttosto che un metodo sottrattivo, come l'incisione chimica, che la rende più economica ed ecologica.

Con la disponibilità commerciale di una varietà di materiali e procedure di stampa, le innovative tecniche di stampa 3D per antenne flessibili hanno guadagnato attrattiva. Presenta numerosi vantaggi, tra cui la capacità di fabbricare strutture 3D complesse in modo rapido e con una varietà di materiali, nonché la flessibilità di regolare la densità dell'oggetto stampato. La capacità di fabbricare complesse strutture 3D da materiali sfusi e la capacità di stampare in 3D materiali flessibili come metalli, polimeri, ceramiche e anche tessuti biologici lo rendono un mezzo interessante per la progettazione di antenne.

Conclusione

Le antenne flessibili sono una componente vitale per ottenere la flessibilità dei dispositivi elettronici. È adatto per le applicazioni di rilevamento presenti e future e per la comunicazione wireless grazie alle sue dimensioni ridotte, ai tassi di produzione minimi, al fattore di forma inferiore e alla flessibilità per adattarsi a superfici non planari. I materiali utilizzati per fabbricare le antenne sono determinati dai requisiti dell'applicazione come considerazioni e spese ambientali.

ENGLISH

The advent of 5G networks with low latency, high speeds and large capacity has facilitated the emergence of the 'Fourth Industrial Revolution.' 5G networks will aid every industry, including 3D imaging, streaming services, healthcare and smart cities. Additionally, a robust 5G network is required for effective operation of internet of things (IoT) devices. One of the major impediments to the tech innovation of next-generation IoT devices is lack of component flexibility due to form factor and weight issues. Although there have been lots of advancements in miniaturization, flexibility remains a difficult characteristic to conquer. Technological breakthroughs in engineered materials have aided in the advancement of flexible electronics.

Need for flexible antennas

Flexible wireless device markets are growing fast, in part due to increased demand for implantable and wearable devices for health monitoring systems and everyday wireless gadgets, including laptop computers and cell phones. As a result, the demand for flexible printed antennas has expanded significantly during the last few years, particularly for biomedical applications. Flexible antennas are a critical component in the development of in vivo vital sign monitoring, organ function regulation, brain interfaces, intracranial sensors, continuous gait analysis and drug administration systems. To incorporate gadgets onto curvilinear surfaces and adjust to constantly changing motions of the human body, devices must be conforming and physically flexible, if not stretchy. Since the bending stiffness of a thin film structure, which quantifies its resistance to bending deformation, roughly scales with its thickness, reducing the structure's thickness is an effective way to allow bendable/flexible antennas. Besides medical benefits, government agencies, commerce, and academia are also interested in building a flexible antenna for harsh circumstances.

Substrates and materials for flexible antennas

Flexible antennas are constructed from a variety of substrates and conductive materials. The substrate is selected for its dielectric qualities, mechanical deformation tolerance (bending, wrapping and twisting), miniaturization potential and durability in the surrounding environment. In comparison, the conductive material used (depending on its electrical conductivity) determines the antenna's performance, like radiation efficiency.

The substrate material for the flexible antenna must have a low dielectric loss, a low thermal expansion coefficient, a low relative permittivity and a high thermal conductivity. This constraint is motivated by the requirement for higher efficiency (in a range of environments) at the expense of increasing antenna size. The requirement for a high dielectric constant in tiny antennas is an exception to the above statement.

Three substrate types have frequently been used in the construction of flexible antennas: metal foils, thin glass and polymers or plastics. Metal foils can withstand high temperatures and allow for the deposition of inorganic compounds; however, their surface roughness and exorbitant prices limit their applications. While thin glass is flexible, its inherent brittleness limits its applicability. Polymer or plastic materials are ideal for flexible antenna applications, which include thermoplastic noncrystalline polymers, thermoplastic semicrystalline polymers and high-glass transition temperature material.

The development of conductive patterns with exceptional electrical conductivity is critical in wireless applications to ensure efficiency, high gain and bandwidth. Furthermore, the conductive material's resistance to degradation owing to mechanical deformation is one more desirable characteristic. Owing to their high electrical conductivity, nanoparticle inks (i.e., silver and copper) are frequently utilized for constructing flexible antennas.

Manufacturing methods for flexible antennas

The effectiveness of a flexible antenna is controlled by the process of construction, which varies depending on the substrate. Inkjet printing, screen printing and 3D printing are frequently used to fabricate flexible wearable antennas.

Inkjet printing has developed as a viable option to more traditional production methods such as etching and milling. It is an additive manufacturing technique that transfers the design straight onto the substrate with no use of masks, resulting in minimal material waste. Based on accuracy and speed of prototyping, it is the favored production approach for polymeric substrates such as paper, polyimide and PET.

Screen printing is a straightforward, cost-effective and feasible method for creating flexible electronics. It has been widely used to integrate RFID antennas by spraying conductive inks or pastes onto low-cost, flexible substrates such as textile materials and paper and is a woven screen technology characterized by a range of thicknesses and thread densities. A squeegee blade is pressed against the screen, bringing it into contact with the substrate and creating a printed pattern. The required pattern is created by ink ejecting via the screen's exposed portions on the adhered substrate. Additionally, it is an additive technique, similar to inkjet printing, rather than a subtractive method, such as chemical etching, making it more cost effective and ecologically benign.

With the commercial availability of a variety of printing materials and procedures, innovative 3D printing techniques for flexible antennas have gained appeal. It has a number of advantages, including the capacity to fabricate complex 3D structures quickly and with a variety of materials, as well as the flexibility to adjust the density of the printed object. The ability to fabricate complicated 3D structures from bulk materials and the ability to 3D print flexible materials such as metals, polymers, ceramics and also biological tissues make it an interesting medium for designing antennas.

Conclusion

Flexible antennas are a vital component in achieving the flexibility of electronic devices. It is suited for present and future sensing applications and wireless communication due to its small size, minimal rates of manufacture, lower form factor and flexibility to suit non-planar surfaces. The materials used to fabricate antennas are determined by application requirements such as environmental considerations and expenses.

Da:

https://electronics360.globalspec.com/article/17275/recent-advances-in-flexible-antennas-for-wearable-devices?uid=%2D1474234620&uh=f9d092&md=211101&mh=36a692&Vol=Vol16Issue11&Pub=59&LinkId=2082213&keyword=link%5F2082213&itemid=372106&frmtrk=newsletter&cid=nl