透气防水型可穿戴设备制造新思路：基于半液态金属的压力调控选择性粘附打印技术

MEMS 2023-12-20 00:01

灵活、轻便、高度可靠和耐用的可穿戴电子产品在健康监测、能量收集、人机交互和柔性显示等领域具有广泛的应用。为了适应长期与皮肤接触以及各种复杂环境，可穿戴电子产品需要具备良好的防水和透气的特性。智能可穿戴设备，如谷歌Jacquard夹克和Sensoria智能运动服等产品，已经彻底改变了我们与服装互动的方式；然而，这些进步通常伴随着较高的成本和技术，所以这些产品在服装市场中的价格也相对昂贵，限制了可穿戴电子产品的实用性。

近期，天津大学国瑞副研究员和黄显教授团队在Advanced Fiber Materials期刊上发表了题为“Pressure Regulated Printing of Semiliquid Metal on Electrospinning Film Enables Breathable and Waterproof Wearable Electronics”的研究成果，提出了“基于半液态金属（SLM）的压力调控选择性粘附”技术，为制造这类设备提供了全新的思路。

首先，研究人员使用激光打印机在热转印纸上打印出各种电路图案，如心电图电极、LED阵列、温度传感器等；接着，将这些电路图案通过热压的方式转移到聚丙烯（PP）薄膜上，从而形成电路结构；然后，利用SLM技术有选择性地涂覆液态金属导线，制造导电路径；最后，通过热压将两层PP薄膜与中间的热熔不织布（TPU）粘合在一起，形成多层结构的可穿戴设备，见图1。相较于传统的电子元件制造方法，SLM技术即节省了时间，又降低了成本，同时还提供了更大的自由度，使设备的设计更加灵活，不仅适用于小规模生产，还具有扩展到大规模生产的潜力，为可穿戴设备的未来带来更多机遇。

图1 可穿戴电子设备在PP薄膜上的制备和应用

防水可以提高可穿戴电子产品的耐用性，PP薄膜较低的表面能使其具备出色的防水性能。水滴在PP薄膜上呈高接触角，证实其高度疏水性，可有效保护可穿戴电子设备在水下使用。由图2可以看出，PP薄膜能够承受较高的水压，保持电路正常工作，即使长时间浸泡在水中也不受影响；此外，PP薄膜的透气性良好，即使在水下也能维持一定的透气性，使穿戴者的皮肤与周围环境交换气体，保证了舒适性和安全性。总之，PP薄膜能够确保可穿戴电子产品在水下环境中长期使用；可穿戴电子产品可以适应各种复杂情况，包括皮肤出汗、温度变化大和反复清洗等。

图2 SLM电路在PP薄膜上的耐水性和透气性测试

通过选择性粘附的打印方法，能够在当前操作条件下制备最薄宽度为100 μm的SLM导线。实验在PP薄膜上打印了长度为5 cm，宽度从100 μm到1 mm不等的SLM导线。图3的测试结果表明，随着墨粉轨迹宽度的增加，电阻从5.4 Ω逐渐降至1.0 Ω，且保持在可接受的范围内。为了表征可穿戴电子设备的灵活性，研究人员测试了SLM导体在弯曲和扭曲条件下的电性能，图3的实验结果表明，相对电阻仅略微增加，长期周期性测试的相对电阻变化很小；此外，SLM导体的氧化不影响电性能，热稳定性良好。为了克服结构损坏问题，研究人员进一步研究了多层SLM电路的连接方法，通过钻孔和热压熔化，成功制备了多层SLM电路，在弯曲和扭曲条件下其电性能稳定，并展示了使用热转印技术制备大面积SLM电路的过程。总之，通过选择性粘附打印方法制备的SLM电路适用于多层及大面积。

图3 SLM导线的电性能

图4为多功能可穿戴电子设备位于志愿者的胸部，用于检测人体表面温度和心电图信号。触摸传感器电极1可通过LED阵列显示不同温度范围，而触摸传感器电极2则显示心率。温度传感器采用温度敏感的复合屏幕，可以在不同温度下测量电阻变化，保持长期稳定性。此外，可穿戴设备还配备了ECG电极，其阻抗低于商用电极，可清晰记录ECG信号。设备还适用于水下和剧烈运动，为健康监测提供了更广泛的应用。

图4 可穿戴电子设备用于检测各种体征

综上所述，作者展示了一种基于半液态金属（SLM）的压力调控选择性粘附的制造策略，这种方法简单、快速、经济，适合大规模生产可穿戴电子设备。SLM为可穿戴电路提供了更高的导电性（1.4 × 10⁷ S/m）和更稳定的导电结构。采用SLM电路制备的可穿戴电子设备可用于监测人体表面温度、心电图信号以及人机交互，其多层结构和柔韧性适合长期佩戴。PP薄膜为设备提供了出色的透气性（311.1 g/m²/h）和防水性，适用于各种日常活动，以及剧烈运动和水下使用。

论文链接：

https://doi.org/10.1007/s42765-023-00343-y

延伸阅读：

《柔性混合电子（FHE）技术及市场-2023版》

《可穿戴技术及市场-2023版》

《即时诊断应用的生物传感器技术及市场-2022版》