透气可拉伸的金属电子，兼顾长期生物相容性，为可穿戴电子提供发展新思路

可穿戴和皮肤电子产品的发展需要高密度可拉伸的电子系统，能实现稳定工作且生物相容性高。大多数可拉伸电子系统一般外接刚性印刷电路板，集成密度及功能化程度低，用户体验及舒适性较差。

最近，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提出了一种三维集成液态金属透气生物电子系统。该系统结合了高密度无机电子元件，有机可拉伸纤维毡，多层液态金属微电路和可拉伸混合液态金属焊料。该电子皮肤具有高柔软性、耐用性、织物般的透气性以及长期生物相容性，可应用于无线蓝牙集成系统或无电池电子皮肤系统，提供复杂的系统级功能，包括稳定感知生物信号、信号处理和分析，电刺激以及无线通信。

图1 p3d电子皮肤。a，典型p3d皮肤的爆炸示意图。液态金属微电极作为软硬材料之间的可靠界面。过孔用于中间层电气连接。每一层的关键组件包括一个MCU，振荡器，MUX，电流镜，DAC，运算放大器，HV (20.0 V)和LDO (3.3 V)虚线表示过孔在系统中的分布和位置。b,可渗透3D LM电路和oLM衬垫的数字图像。c、数字图像柔软可拉伸的p3d皮肤与hLM焊料。d,e，数字图像显示弯曲(d)和拉伸(550%应变)(e) P3Deskin的稳定电气性能。f、p3d皮肤对空气和水分的渗透性示意图。g、几种可穿戴基板的透气性和透湿性，括P3Deskin;pdms皮肤参考，伤口敷料，医用胶带和棉织物。杆高，平均值;误差条，标准差(s.d);N = 5个独立试验。h,贴合p3d - skin和pdms - skin后的皮肤状态数字图像一个星期。p3d皮肤覆盖的区域无炎症，而p3d皮肤覆盖的区域无炎症被pdms覆盖的皮肤出现严重的皮肤红斑。

图2 采用超伸缩hLM焊料的可靠3D混合接口。示意图和扫描电镜图像显示刚性元件的电接口使用原始LM (a)， oLM (b)和hLM焊料(c)。比例尺，200 μm。d, FEA使用超伸缩hLM焊料的电界面应力分布。e、微电阻电接口电阻(0603);~100 Ω)使用原始LM, oLM和hLM焊料。f、三维电气原理图刚性IC和超伸缩hLM焊料之间的连接和接口。oLM作为接触垫而原始LM作为图案平面内互连，过孔和附加接触粘贴。g，截面扫描电镜图像显示了与3D LM电路集成在0和50%的刚性微芯片压力。刚性芯片与LM电路之间的接口维护良好在大的拉伸应变下，LM电路在三维空间中被拉伸。

图3 无线经皮电刺激与电生理使用p3d皮肤进行传感。a、传感系统的简要框图和定制的移动应用程序。电刺激可以传递到并记录相应的肌电图信号采用LM微电极。b、显示远程无线的数字图像传感系统在15米距离上的通信，生成占空比控制在1%到10%，频率范围内的刺激脉冲固定在100hz。d,e，可控重复产生刺激脉冲在干燥状态(d)和蒸汽状态下，频率范围为5hz至100hz(e). f，数字图像显示p3d皮肤在沸水上蒸熟。g、产生电流强度可控的刺激电流脉冲根据不同的无线发送命令(0×40到0×60)在干和蒸状态(固定负载，1 kΩ)。h，无线经皮数字图像基于电刺激和电生理传感系统P3D-eskin平台。该系统被连接到大鼠的股二头肌上。I,1、5、10 Hz刺激频率下诱发的肌电反应信号。j、响应电刺激输入的肌电信号谱图由p3d皮肤以5hz的频率产生。

图4基于p3d皮肤平台的无电池可拉伸NFC系统。a、使用NFC技术的无电池p3d皮肤的爆炸原理图。的系统包括可拉伸LM天线、可拉伸LM印刷微电路集成微芯片(MCU用于NFC，模数转换器和传感器)和可渗透纤维垫作为封装和衬底。b, c,封装前(b)和封装后(c) NFC p3d皮肤的数字图像d,e，可拉伸NFC的数字图像天线使用传统的蛇形铜线圈(d)和本质上可拉伸LM线圈(e)。两个天线都以50%的应变拉伸。f，应力的有限元分析双轴拉伸(50%应变)下可拉伸天线的分布铜蛇纹石和本质可拉伸LM。g、蛇形铜的电感天线(5转)和本质可伸缩LM天线(10转)在不同的应变下，相同的覆盖面积作为频率的函数。h - j Q因子(h)可拉伸LM天线在不同应变下的相位(i)和阻抗(j)。k, l,p3d皮肤覆盖后皮肤炎症状态的数字图像(k)pdms - skin(1)运动30分钟。m，体温凉爽/干燥环境下成人身体的热成像使用40个NFC p3d皮肤阵列，描绘人体的多位置。

该研究的最大意义是将传统刚性印刷电路板做成了透气可拉伸电子的形式，实现高密度的复杂系统级集成，同时兼顾其长期生物相容性，为多功能且舒适的可穿戴电子系统发展提供思路。

研究团队 | 作者

酥鱼 | 编辑