研究进展
近期，香港理工大学郑子剑教授联合香港城市大学于欣格教授团队报告了一种透气的三维集成电子皮肤（P3D-eskin），该系统将高密度的无机电子组件与有机可拉伸纤维基底相结合，采用三维图案化、多层液态金属电路和混合液态金属（hLM）焊料。P3D-eskin取代了传统不可透气且刚性的印刷电路板，具有皮肤般柔软且透气的设计形态，并保持了复杂的系统级功能，如数据采集、信号处理和分析、干预以及与移动设备的无线通信。P3D-eskin由微图案化的透气可拉伸多层电路板组成，使用液态金属和纤维网材料。采用了一种可拉伸的混合液态金属焊料，该焊料可以在高达1500%的拉伸应变下保持稳定的电气接口，且不会出现电气故障。通过设计液态金属的垂直渗透，实现了不同层之间的三维集成，形成了可拉伸的垂直互联通道（VIAs）。因此，P3D-eskin展示了出色的空气和水分透气性，在长时间与皮肤接触时能够有效防止皮肤炎症。与基于PDMS的可拉伸电子皮肤（PDMS-eskin）相比，该系统的整体厚度减少了约54%，刚性减少了约60%。进一步展示了先进、复杂和单片的系统级集成，与之前报道的无需外部印刷电路板的透气电子系统相比更加优越，利用该平台制造了能够持续记录并无线传输多位置生理信号的生物电子设备。
图1：P3D-eskin 的示意图及实物图
P3D-eskin由四个可拉伸和可透气层组成，包括基础 LM 电路层、顶部 LM 电路层、使用可拉伸 hLM 焊料与刚性电子元件粘合的掩膜层和封装层。首先使用光刻、图案转移和模板印刷工艺的组合在可拉伸纤维垫上制造了由 LM 微图案制成的基电路层 （40-100 μm） 和顶部电路层 （40-100 μm）。微图案化 LM 用作可拉伸天线、互连、焊盘和触点，而基层和顶层之间的垂直电气连接是使用 LM VIA 实现的。随后，使用由部分氧化液态金属 （oLM） 和 LM 组合而成的 hLM 将刚性电子元件粘合到 LM 电路上。将 oLM打印在由薄纤维聚（苯乙烯-嵌段-丁二烯-嵌段-苯乙烯）（SBS;15-30 μm）制成的糊状掩模层上，该掩模层之前沉积在顶部电路层。刚性电子元件的引脚，包括发光二极管 （LED）、微控制器单元 （MCU）、振荡器、多路复用器 （MUX）、电流镜、数模转换器 （DAC）、运算放大器 （OP-AMP）、高压模块 （HV，20 V） 和低压差稳压器 （LDO，3.3 V），粘附在印刷的 oLM 焊盘上。然后，我们在 pin/oLM 接口上应用了额外的 LM 粘贴。封装层 （~50 μm） 也由可渗透但防水的 SBS 垫制成，直接静电纺丝以保形覆盖整个 3D 混合电子电路。静电纺丝纤维毡的微孔纤维结构允许空气和水分（水蒸气）通过它，而 SBS 纤维毡的固有疏水性。因此，同时实现了透气性和防水性。P3D-eskin 非常柔软且高度可拉伸，在 550% 的大拉伸应变下表现出稳定的电性能。由于 P3D-eksin 是基于多孔和纤维基材、夹层和封装制成的，因此它还具有非常高的渗透性与由弹性薄膜和块体制成的不透水 3D 可拉伸电子产品相比。P3D-eskin 的透气透湿率分别比医用胶带高 15 倍和 44 倍，比常用的伤口敷料高 3 倍和 22 倍。P3D-eskin 具有很高的慢性生物相容性，P3D-eskin 覆盖的皮肤区域在皮肤附着一周内保持无炎症特性。
图2：使用超可拉伸 hLM 焊料的可靠 3D 混合接口
为了实现 P3D-eskin 的高可拉伸性和稳定性，确保提供必要电绝缘和连接的不同垂直层之间的无缝接口，以及软 LM 和可以承受大变形的刚性电子芯片之间的稳定接口是一项关键挑战。为了应对这一挑战，配制了两种不同类型的 LM 墨水，即原始 LM 和 oLM用作 3D 电路的可拉伸 hLM焊料。原始 LM 对纤维 SBS 基材表现出高流动性但润湿性低，它用于制造基层和顶层电路层的可拉伸电路天线、互连和通孔。因此，基座和顶部电路保持了较高的面内拉伸性和面外绝缘，除非它们与过孔连接。然而，将刚性销钉与原始 LM 连接导致拉伸性差；由于 LM 的去湿，pin/LM 接口在拉伸过程中分崩离析。oLM 的润湿性要高得多，因为氧化降低了 LM 的表面张力。因此，选择将 LM 作为接触垫印刷在掩模层上，在下面的软 LM 电路和电子元件的刚性引脚之间提供良好的粘合力。然而，由于 oLM的低可拉伸性，当 3D 电路被拉伸时，pin/oLM 接口也会破裂。
因此，开发了超可拉伸 hLM 焊料，它利用了 oLM 的润湿性优势以及 LM 的可拉伸性特性。在 pin/oLM 接口处涂上额外的原始 LM 浆料以形成 hLM 焊料。与使用单组分原始 LM 或 oLM 作为连接材料的那些相比，混合连接方法降低了应力集中。因此，即使在大拉伸应变下，混合连接也能提供出色的界面稳定性。当电路拉伸到 1,500% 应变时，与 hLM焊料粘合的 100 Ω 刚性微电阻器的电阻变化可以忽略不计。而使用 LM 或 oLM 作为焊料的相同电路在拉伸到小于 50% 的应变时失效。使用 hLM 焊料的 3D 电路原理图。应该注意的是，由于其高润湿性，oLM 会自发穿透薄浆状掩模 （SBS） 层，与下面的 LM 电路走线（在这种特定情况下，顶部 LM 电路层）连接。因此，在 pin/oLM 和下面的 LM 3D 电路之间形成了垂直电气连接。同时，顶部 LM 电路层使用可拉伸 LM 过孔与基础 LM 电路层连接。由于 SBS 纤维毡均采用静电纺丝法沉积，因此 P3D-eskin 的不同层之间没有明显的界面间隙。在拉伸或弯曲变形期间，界面保持无缝。
作为稳定 3D 接口的概念验证，将不同种类的刚性电子元件，包括微电阻器、金属氧化物半导体场效应晶体管 （MOSFET）和 LED 连接到可拉伸 3D LM 电路中，然后测试了它们在大应变下的性能。连接到从 100 Ω 到 1 MΩ 的不同微电阻器，当拉伸到 1,500% 的应变时，电路的电阻变化可以忽略不计。并在 1,000 次拉伸-释放测试循环中保持稳定。LED 在拉伸过程中的稳定亮度也表明可拉伸电路的恒定电阻。可拉伸 p 型和 n 型 MOSFET 电路在高达 500% 的大应变下也表现出稳定的传输和输出特性。进一步制造了可拉伸的逻辑电路，包括时钟控制开关、反栅、NOT-OR （NOR） 栅极和带有 MOSFET 的 3D 开关阵列，逻辑电路可以在各种应变下正常工作。为了评估在安装组件之前将 LM 3D 电路压在臂上时的任何泄漏问题，即使在高达 50 kPa 的高压下，LM 3D 电路也不会泄漏到皮肤上。在蒙皮压制测试之后，LM 3D 电路保持完整，没有任何线路合并。此外，具有 superstrate 覆盖率的 P3D-eskin 系统在 850% 的大应变下仍然被很好地封装。
图4：无电池 P3D-eskin 系统
总结和展望
https://doi.org/10.1038/s41928-024-01189-x
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