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可穿戴和皮膚電子產品的發展需要高密度可拉伸的電子系統，能實現穩定工作且生物相容性高。大多數可拉伸電子系統一般外接剛性印刷電路板，集成密度及功能化程度低，用戶體驗及舒適性較差。

最近，香港理工大學鄭子劍教授與香港城市大學于欣格教授課題組提出了一種三維集成液態金屬透氣生物電子系統。該系統結合了高密度無機電子元件，有機可拉伸纖維氈，多層液態金屬微電路和可拉伸混合液態金屬焊料。該電子皮膚具有高柔軟性、耐用性、織物般的透氣性以及長期生物相容性，可應用于無線藍牙集成系統或無電池電子皮膚系統，提供復雜的系統級功能，包括穩定感知生物信號、信號處理和分析，電刺激以及無線通信。

圖1 p3d電子皮膚。a，典型p3d皮膚的爆炸示意圖。液態金屬微電極作為軟硬材料之間的可靠界面。過孔用于中間層電氣連接。每一層的關鍵組件包括一個MCU，振蕩器，MUX，電流鏡，DAC，運算放大器，HV (20.0 V)和LDO (3.3 V)虛線表示過孔在系統中的分布和位置。b,可滲透3D LM電路和oLM襯墊的數字圖像。c、數字圖像柔軟可拉伸的p3d皮膚與hLM焊料。d,e，數字圖像顯示彎曲(d)和拉伸(550%應變)(e) P3Deskin的穩定電氣性能。f、p3d皮膚對空氣和水分的滲透性示意圖。g、幾種可穿戴基板的透氣性和透濕性，括P3Deskin;pdms皮膚參考，傷口敷料，醫用膠帶和棉織物。桿高，平均值;誤差條，標準差(s.d);N = 5個獨立試驗。h,貼合p3d - skin和pdms - skin后的皮膚狀態數字圖像一個星期。p3d皮膚覆蓋的區域無炎癥，而p3d皮膚覆蓋的區域無炎癥被pdms覆蓋的皮膚出現嚴重的皮膚紅斑。

圖2 采用超伸縮hLM焊料的可靠3D混合接口。示意圖和掃描電鏡圖像顯示剛性元件的電接口使用原始LM (a)， oLM (b)和hLM焊料(c)。比例尺，200 μm。d, FEA使用超伸縮hLM焊料的電界面應力分布。e、微電阻電接口電阻(0603);~100 Ω)使用原始LM, oLM和hLM焊料。f、三維電氣原理圖剛性IC和超伸縮hLM焊料之間的連接和接口。oLM作為接觸墊而原始LM作為圖案平面內互連，過孔和附加接觸粘貼。g，截面掃描電鏡圖像顯示了與3D LM電路集成在0和50%的剛性微芯片壓力。剛性芯片與LM電路之間的接口維護良好在大的拉伸應變下，LM電路在三維空間中被拉伸。

圖3 無線經皮電刺激與電生理使用p3d皮膚進行傳感。a、傳感系統的簡要框圖和定制的移動應用程序。電刺激可以傳遞到并記錄相應的肌電圖信號采用LM微電極。b、顯示遠程無線的數字圖像傳感系統在15米距離上的通信，生成占空比控制在1%到10%，頻率范圍內的刺激脈沖固定在100hz。d,e，可控重復產生刺激脈沖在干燥狀態(d)和蒸汽狀態下，頻率范圍為5hz至100hz(e). f，數字圖像顯示p3d皮膚在沸水上蒸熟。g、產生電流強度可控的刺激電流脈沖根據不同的無線發送命令(0×40到0×60)在干和蒸狀態(固定負載，1 kΩ)。h，無線經皮數字圖像基于電刺激和電生理傳感系統P3D-eskin平臺。該系統被連接到大鼠的股二頭肌上。I,1、5、10 Hz刺激頻率下誘發的肌電反應信號。j、響應電刺激輸入的肌電信號譜圖由p3d皮膚以5hz的頻率產生。

圖4基于p3d皮膚平臺的無電池可拉伸NFC系統。a、使用NFC技術的無電池p3d皮膚的爆炸原理圖。的系統包括可拉伸LM天線、可拉伸LM印刷微電路集成微芯片(MCU用于NFC，模數轉換器和傳感器)和可滲透纖維墊作為封裝和襯底。b, c,封裝前(b)和封裝后(c) NFC p3d皮膚的數字圖像d,e，可拉伸NFC的數字圖像天線使用傳統的蛇形銅線圈(d)和本質上可拉伸LM線圈(e)。兩個天線都以50%的應變拉伸。f，應力的有限元分析雙軸拉伸(50%應變)下可拉伸天線的分布銅蛇紋石和本質可拉伸LM。g、蛇形銅的電感天線(5轉)和本質可伸縮LM天線(10轉)在不同的應變下，相同的覆蓋面積作為頻率的函數。h - j Q因子(h)可拉伸LM天線在不同應變下的相位(i)和阻抗(j)。k, l,p3d皮膚覆蓋后皮膚炎癥狀態的數字圖像(k)pdms - skin(1)運動30分鐘。m，體溫涼爽/干燥環境下成人身體的熱成像使用40個NFC p3d皮膚陣列，描繪人體的多位置。

該研究的最大意義是將傳統剛性印刷電路板做成了透氣可拉伸電子的形式，實現高密度的復雜系統級集成，同時兼顧其長期生物相容性，為多功能且舒適的可穿戴電子系統發展提供思路。

論文信息

發布期刊 Nature Electronics

發布時間 2024年7月1日

文章標題Permeable, three-dimensional integrated electronic skins with stretchable hybrid liquid metal solders

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

研究團隊 | 作者

酥魚 | 編輯

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