第一作者：Zhenlong Huang
通訊作者：Sheng Xu
通訊單位： 加州大學(xué)圣地亞哥分校
研究亮點(diǎn)：
1. 發(fā)展了一種具有優(yōu)異層間電連接性能的3D集成可拉伸柔性電子器件體系。
2. 實(shí)現(xiàn)了多通道感測生命信號和人機(jī)交互界面的構(gòu)建。
可拉伸柔性電子器件在醫(yī)療保健接口，電子消費(fèi)產(chǎn)品和人機(jī)界面相關(guān)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。目前，可拉伸電子器件通常采用大面積，低密度的單層設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)無法進(jìn)行集成以達(dá)到功能的復(fù)雜性。
集成創(chuàng)建三維可拉伸電子器件，主要挑戰(zhàn)在于，如何構(gòu)建有效且可擴(kuò)展的穩(wěn)健層間電連接。
有鑒于此，加州大學(xué)圣地亞哥分校Sheng Xu課題組報(bào)導(dǎo)了具有穩(wěn)定的層間電連接的3D集成可拉伸電子器件框架體系，實(shí)現(xiàn)了更高水平的功能集成。
圖1. 四層可拉伸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和表征
研究人員在每層彈性體上通過轉(zhuǎn)移印刷預(yù)先設(shè)計(jì)可拉伸電路，逐層構(gòu)建可拉伸電子器件。通過激光燒蝕和受控焊接形成的垂直互連訪問（VIA）以適應(yīng)最先進(jìn)的電路組件和功能。
每層采用島橋設(shè)計(jì)，其中功能組件的島（包括電極，傳感器，模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器和微處理器）通過由具有蛇形形狀的銅/聚酰亞胺雙層制成的可拉伸橋連接。在這些層中，每一層之間存在低模量硅氧烷彈性體，充當(dāng)絕緣層。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可保護(hù)電路免受機(jī)械應(yīng)力的影響，誘導(dǎo)應(yīng)變主要集中在蛇形的互連上。因此，所制造的裝置提供了一定程度的機(jī)械強(qiáng)度和拉伸性，可防止扭曲或戳刺等變形時(shí)的系統(tǒng)故障。
基于這個(gè)工程框架，研究人員創(chuàng)建了一個(gè)基于四層設(shè)計(jì)的可拉伸人機(jī)界面測試平臺，并提供八個(gè)通道感應(yīng)測試和藍(lán)牙數(shù)據(jù)通信功能。研究人員將該系統(tǒng)應(yīng)用于機(jī)器人手臂的無線控制，同時(shí)測量的加速度、角速度和肌電（肌肉的電活動(dòng)）被無線傳輸?shù)酵獠吭O(shè)備以控制遠(yuǎn)程位置。
該原理也可以應(yīng)用于其他材料的集成，以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的芯片和部件建造的可拉伸系統(tǒng)。基于此開發(fā)出可伸縮的，緊湊的多通道傳感器，可用于從無線操作模式中提取人體的信號陣列。傳感系統(tǒng)在智能連接醫(yī)療的發(fā)展、人機(jī)界面的無線控制以及更廣泛的物聯(lián)網(wǎng)方面都是有價(jià)值的。
圖2. VIA制造和10層解吸可拉伸加熱器展示
圖3. 四層可拉伸裝置的光學(xué)圖像和操作數(shù)據(jù)
圖4. 無線機(jī)器人手臂控制
總之，這項(xiàng)工作使柔性可拉伸電子器件的功能集成上了一個(gè)新臺階！
參考文獻(xiàn)：
1. Three-dimensional integrated stretchable electronics[J]. Nature Electronics, 2018.
DOI: 10.1038/s41928-018-0116-y
https://www.nature.com/articles/s41928-018-0116-y
2. Stretchable electronics on another level[J]. Nature Electronics, 2018.
DOI: 10.1038/s41928-018-0120-2
https://www.nature.com/articles/s41928-018-0120-2#article-info
