基于聚合物芯片级异构集成的柔性电子-光电子集成技术

逍遥设计自动化

引言
柔性电子技术在可穿戴设备、医疗植入物等领域引发了革命性变化。然而，在单一聚合物器件上集成多种功能一直是挑战，特别是在大规模制造方面。突破性的方法——基于聚合物的芯片级异构集成（Chiplet-level Heterogeneous Integration of Polymer-based Circuits, CHIP）正在改变这一局面。本文将探讨CHIP工艺及其在创建先进柔性电子-光电子集成器件中的应用[1]。
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6 m3 B$ c: w8 }6 ?  N  r) d
' K! i* W1 `) t$ H- T" vCHIP工艺
1 f* D4 `% b- kCHIP工艺涉及具有不同器件功能的聚合物芯片层的并行制造，随后在室温下使用超薄生物相容性粘合剂垂直对齐和粘合这些层。这种方法实现了具有单片式输入/输出（I/O）连接的3D功能集成。

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; g* b7 U( L: }+ V+ e9 x5 M% c3 r# c图1：用于制造3D集成柔性光电极的CHIP工艺示意图。

CHIP工艺的主要优势包括：
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简化的双面面积利用

最终3D集成器件连接的微型化

高产率和可扩展的3D集成
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原型演示：3D集成柔性光电极
6 t2 S/ A% y% p* ~& h8 @; ~: C为了展示CHIP工艺的潜力，研究人员开发了3D集成柔性光电极原型。
2 q, H' s' [8 A; i/ O: W; V% e该器件组合了多种功能，包括：
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用于电信号记录的高密度微电极

用于光遗传刺激的微型发光二极管（μLEDs）

用于生物安全操作的温度传感器

防止光电伪影的屏蔽设计

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/ M% X* S' u- L, T* ?图2：左：3D集成柔性光电极的异构集成多功能性。右：3D集成柄部的扫描电子显微镜图像。

原型光电极展示了优异的弯曲性能，可以在弯曲过程中多次循环而不会出现电路开路。这一特性使其与脆弱的硅基光电极有所不同。

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- e6 R/ P5 ^/ p5 r( J/ H' Y图3：3D集成柔性光电极的弯曲性和可恢复性，以及弯曲过程中的应力分布模拟。
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$ P0 L6 O( e" k% d( m  E各功能特性
电信号记录
; J! P; W6 u3 _/ F" O( F" f# q光电极配备了基于PEDOT:PSS的微电极，在1 kHz时具有70-85 kΩ的均匀阻抗。这些电极适合记录生物电活动。
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; o7 W) _! K" [9 U2 W* B, d图4：集成光电极中微电极阵列的电极阻抗直方图。

' E& D3 Q. v! T5 E3 V& Q  L光刺激
! I; A  j: |6 v光电极中的μLEDs发出峰值波长为525 nm的光，与光遗传学中使用的许多视蛋白的光吸收相匹配。在1 mA的注入电流下，单个绿色μLED可达到约70 mW/mm2的辐照度，超过了光遗传调制的激活阈值。
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图5：集成光电极中μLED的测量波长谱和独立可寻址μLED阵列的演示。

& w$ r) K' ^) ?6 n温度感测
光电极中集成了一个温度微传感器（铂蛇形电阻），覆盖在靠近基部的μLED上。该传感器允许在操作期间实时监测温度变化，确保生物安全。

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4 _2 B& r8 u$ J( p0 p- k图6：输入电流函数下的测量和模拟瞬态温度上升。

光电伪影和屏蔽
1 n. t( L/ r3 \集成电子-光电子系统的一个挑战是最小化光电伪影，以确保高保真度的生物信号采集。CHIP工艺允许在μLED和电极层之间轻松实现光电屏蔽。
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# v" c- b8 `  R3 R图7：从背面照明所有μLEDs的非屏蔽光电极图像。
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图8：从背面照明所有μLEDs的屏蔽光电极图像。

与非屏蔽版本相比，屏蔽光电极展示了显著降低的刺激伪影和基线噪声。
7 Y( I. }" }' L+ g# |9 m统计结果显示：
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低通滤波平均峰值：~22 μV（屏蔽）vs. ~94 μV（非屏蔽）

高通滤波峰峰平均值：~46 μVpp（屏蔽）vs. ~519 μVpp（非屏蔽）

基线噪声降低：屏蔽光电极约低3.6倍
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& ]/ A7 A0 W" C; D图9：非屏蔽和屏蔽光电极十二个通道刺激伪影记录原始峰峰幅度的统计。

, l. d9 z7 C& d. v+ D- h光电伪影的起源
为了更好地理解聚合物基器件中光电伪影的起源，研究人员对频率依赖的伪影进行了详细分析。发现：
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低频带伪影（1-300 Hz）主要归因于光相关效应。

高频带伪影（300-6000 Hz）主要由与静电效应相关的电容耦合引起。

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2 \  h& T! Q, A" m5 I# T6 n图10：a非屏蔽光电极的μLED和电极位置示意图，b低频带刺激伪影记录平均幅度的热图，c高频带刺激伪影记录平均幅度的热图。

( p2 E0 J: D8 ]$ Z  _6 G这些发现为未来柔性生物集成电子-光电子系统的设计考虑提供了宝贵的见解。

. z2 _! _. G* V% C! U应用和未来方向
CHIP工艺在各个领域为先进器件能力创造了令人兴奋的可能性：
. l% a9 i2 ?; ^( o

可穿戴电子设备

植入式医疗器件

具有集成功能的可变形显示器

' o/ q6 c7 U: M3 i" Y% X) i神经科学中的具体应用包括：

大脑中神经元的光标记

慢性、细胞类型特异性神经刺激和记录

脑机接口

深部脑刺激疗法
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未来的发展可能会纳入额外的功能，如：

化学信号传导

压力感测

光学特征检测
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8 t# m) L, {9 |0 u& Z4 f) P结论
CHIP工艺代表了柔性电子领域的进步，能够创建具有高度集成能力的先进多功能器件。通过利用并行制造、室温粘合和创新的屏蔽技术，CHIP解决了与传统制造方法相关的许多挑战。
- G2 X: U9 ^; v
随着这项技术的不断发展，可以期待看到越来越复杂和微型化的柔性电子器件，在神经科学、医疗诊断和可穿戴技术等领域推动创新。CHIP工艺有机会在塑造柔性电子的未来中发挥关键作用。

参考文献
[1] Y. Huang et al., "Flexible electronic-photonic 3D integration from ultrathin polymer chiplets," npj Flexible Electronics, vol. 8, no. 61, 2024. https://doi.org/10.1038/s41528-024-00344-w

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