可渗透的三维集成电子皮肤系统（香港理工大学郑子剑教授与香港城市大学于欣格教授课题组）

现有技术缺点

1. 低集成密度：现有可拉伸电子系统的集成密度较低，且依赖于外部印刷电路板连接，限制了功能性和长期使用。

2. 厚度和贴合性问题：传统3D堆叠方法导致设备厚度高于1毫米，降低了贴合性和可拉伸性。

3. 缺乏透气性：许多3D可拉伸电子设备不具备透气性，影响穿戴舒适度和长期生物相容性。

4. 复杂的制造工艺：多层顺序浇注和刚性芯片粘合工艺复杂，难以实现高效生产。

创新点

1. 三维图案化多层液态金属电路：使用液态金属（LM）电路和可拉伸的混合液态金属（hLM）焊料，实现高密度无机电子元件与有机可拉伸纤维基底的结合。

2. 高透气性和透湿性：设计类似织物的透气结构，确保长时间贴附皮肤时的舒适性和生物相容性。

3. 可拉伸混合液态金属焊料：在高达1500%的应变下，维持刚性集成电路元件与柔性液态金属互连之间稳定的电接口。

4. 垂直互连通道（VIAs）：通过工程化液态金属的垂直渗透，实现不同层之间的三维集成。

应用场景

1. 重症监护和康复：高密度可拉伸电子系统可以持续监测和干预患者状况，提升医疗效果。

2. 虚拟现实/增强现实：高性能、柔软可拉伸的电子皮肤可以用于VR/AR设备，提升用户体验。

3. 长期健康监测：提供高质量和持续的健康监测，适用于个人健康管理和医疗诊断。

4. 智能穿戴设备：如智能手表、健身追踪器等，提升功能性和用户舒适度。

总结

作者提出了一种透气的三维集成电子皮肤系统（P3D-eskin），通过三维图案化的多层液态金属电路和可拉伸的混合液态金属焊料，将高密度的无机电子元件与有机可拉伸纤维基底结合，克服了现有技术中的多项缺点。P3D-eskin具备高柔软性、透气性和生物相容性，可以长时间贴附于皮肤上，提供复杂的系统级功能，如生物信号感测、信号处理与分析、电刺激和无线通信。与传统电子皮肤相比，P3D-eskin系统级厚度减少了约54%，硬度降低了约60%，展现了显著的性能提升和多功能集成潜力。该系统在医疗监测、虚拟现实、智能穿戴设备等领域具有广泛的应用前景，促进了高密度可拉伸电子设备的发展。

文章名称：Permeable, three-dimensional integrated electronic skins with stretchable hybrid liquid metal solders

期刊：Nature Electronics

文章DOI：

    https://doi.org/10.1038/s41928-024-01189-x

通讯作者：香港理工大学郑子剑（Zijian Zheng）教授与香港城市大学于欣格（Xinge Yu）教授

P3D-eskins的设计与制备

    如图1a所示，P3D-eskin通常由四个可拉伸且可渗透的层组成，包括一个底层液态金属电路层、一个顶层液态金属电路层、一个通过可拉伸的液态金属焊料连接刚性电子元件的焊膏掩模层和一个封装层。

视频1

视频2

视频3

    P3D-eskin具有很高的长期生物相容性，在一周的皮肤贴附期间，覆盖P3D电子皮肤的皮肤区域保持无炎症特征。尽管PDMS被认为是一种生物相容性材料，但多层PDMS电子皮肤的不透气性在皮肤贴附测试中导致皮肤发红（图1h）。

图1 P3D-eskin。a，典型P3D-eskin的爆炸示意图。LM微电极被用作柔软粗纤维垫基底和刚性元件之间可靠的接口。VIAs用于层间电气连接。每层的关键组件包括MCU、振荡器、MUX、电流镜、DAC、OP-AMP、HV（20.0V）和LDO（3.3V）。虚线表示系统中VIAs的分布和位置。b，可渗透的3D LM电路和oLM焊盘的数字图像。c，带有hLM焊料的软性和可拉伸的P3D-eskin的数字图像。d,e，展示弯曲（d）和拉伸（550%应变）（e）的P3D-eskin的稳定电性能的数字图像。f，展示P3D-eskin透气性和透湿性的示意图。g，几种可穿戴基底（包括P3D-eskin、PDMS-eskin参考、伤口敷料、医用胶带和棉织物）的透气性和透湿性。h，展示在贴附P3D-eskin和PDMS-eskin一周后的皮肤状态的数字图像。覆盖P3D-eskin的区域无炎症，而覆盖PDMS-eskin的区域显示出严重的皮肤红斑。

hLM焊料实现高可靠性3D电气接口

    为了实现 P3D-eskin 的高可拉伸性和稳定性，关键挑战是确保不同垂直层之间无缝接口以提供必要的电绝缘和连接，以及确保软 LM 和刚性电子芯片之间稳定的接口以承受较大的变形。为了解决这个挑战，作者配制了两种不同类型的液态金属墨水，即纯LM和oLM，用作3D电路的可拉伸hLM焊料。

图2  使用超可拉伸hLM焊料的可靠3D混合界面。a-c，示意图和SEM图像显示使用原始LM（a）、oLM（b）和hLM焊料（c）的刚性组件的电气接口。比例尺为200μm。d，使用超可拉伸hLM焊料的电气接口的应力分布的有限元分析。e，使用纯LM、oLM和hLM焊料的微电阻器（0603，~100Ω）的电气接口的电阻。f，刚性IC和超可拉伸hLM焊料之间的3D电气连接和接口的示意图。oLM作为焊盘，而原始LM作为图案化的平面互连、VIAs 和额外的接触浆料。g，横截面SEM图像显示在0和50%应变下刚性微芯片与3D LM电路集成。在大张力应变下，刚性芯片和LM电路之间的接口保持良好，并且LM电路在3D空间中被拉伸。h，i，一系列高度可拉伸的微电阻器集成的3D LM电路的电阻。当电路被拉伸至1,500%进行1,000个循环时，电阻显示出优异的稳定性。j，k，可拉伸p型（j）和n型（k）MOSFET的传输特性。l，m，使用可拉伸MOSFET制造的可拉伸逻辑电路（时钟控制开关）的数字图像（l）和逻辑输出（m）。FPC，柔性印刷电路。

    为了验证稳定 3D 接口的概念，作者把不同类型的刚性电子元件，如微电阻、金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFETs）（视频4）和LED，连接到可拉伸的三维LM电路上，并在大应变下测试了它们的性能。

视频4

远程无线经皮电刺激系统

    图3a展示了一个基于P3D-eskin平台制造的无线经皮电刺激和电生理传感系统的模块示意图。由于P3D-eskin的高度渗透性，电脉冲的生成没有显示出任何信号漂移或电气故障（图3d，e），即使整个P3D-eskin被置于沸水上方蒸煮（图3f和视频6）。相比之下，不透水的PDMS-eskin表面会积累水滴。

视频6

    在刺激期间，相应的肌电图对各种频率（1、5和10 Hz）做出了反应（图3i），并与刺激输入（图3j）很好地匹配，证明电刺激成功地通过无线P3D-eskin系统传递。

图3  使用P3D-eskin进行无线经皮电刺激和电生理感知。a，传感系统和定制移动应用程序的简要框图。电刺激可以传递到大鼠股二头肌，相应的肌电信号使用LM微电极记录。b，数字图像显示传感系统在15m距离上的远程无线通信。c，产生的刺激脉冲占空比可控，范围从1%到10%，频率固定在100Hz。d，e，在干燥状态（d）和蒸汽状态（e）下，产生的刺激脉冲具有可控的重复频率，范围从5Hz到100Hz。f，数字图像显示P3D-eskin 放在沸水上蒸。g，在干燥和蒸汽状态下（固定负载，1kΩ），根据不同的无线发送命令（0×40至0×60）产生具有可控电流强度的刺激电流脉冲。h，基于P3D-eskin平台的无线经皮电刺激和电生理感知系统的数字图像。该系统贴附在大鼠的大腿二头肌。i，在1、5和10Hz的刺激频率下引发的肌电反应信号。j，频谱图显示P3D-eskin产生5Hz频率的电刺激输入引发的肌电信号的谱图。

无电池P3D-eskin系统

    作者还利用近场通信（NFC）技术开发了一种无电池的P3D-eskin（图4）。图4b和c分别显示了NFC P3D-eskin在最终封装前后的样子。它也具有高度的柔韧性和可拉伸性。作者还开发了一种温度感应的NFC P3D电子皮肤，用于持续记录人体不同部位的温度分布。

图4  基于P3D-eskin平台的无电池可拉伸NFC系统。a，使用NFC技术的无电池P3D-eskin的爆炸示意图。该系统包括可拉伸的LM天线，集成有微芯片（用于NFC的MCU、模拟-数字转换器和传感器）的可拉伸印刷LM微电路以及渗透性纤维垫作为封装和基底。b，c，NFC P3D-eskin在渗透性超弹性纤维垫封装之前（b）和之后（c）的数字图像。d，e，使用传统蛇形Cu线圈（d）和固有可拉伸LM线圈（e）的可拉伸NFC天线的数字图像。两种天线均在50%应变下拉伸。f，使用Cu蛇形和固有可拉伸LM的双轴拉伸（50%应变）下可拉伸天线的应力分布的有限元分析。g，蛇形Cu天线（五匝）和固有可拉伸LM天线（十匝）的感应率随频率变化的函数图。h-j，不同应变下可拉伸LM天线的Q因子（h）、相位（i）和阻抗（j）。k，l，覆盖P3D-eskin（k）和PDMS-eskin（l）进行30分钟运动后的皮肤炎症状态的数字图像。m，n，使用40个NFC P3D-eskin阵列对成年人身体进行热成像，在凉爽/干燥（m）和温暖/湿润（n）环境中显示多位置体温。o，使用P3D-eskin、PDMS-eskin和金标准（商用红外热成像仪）在睡眠期间连续监测成年人体温。图中的误差带（阴影）代表标准差，散点值代表平均值。

Zhuang, Q., Yao, K., Zhang, C. et al. Permeable, three-dimensional integrated electronic skins with stretchable hybrid liquid metal solders. Nat Electron (2024). https://doi.org/10.1038/s41928-024-01189-x

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