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引言; T6 P. |$ `( H, N
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]。, ~ t' V6 D! S; O: m
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CHIP工艺
! c, q7 s+ {( h8 v8 W3 VCHIP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。6 x, d5 q6 m b: X6 z
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1 W+ v; d" O, X- y/ e% z' r$ Q图1:用于制造3D集成柔性光电极的CHIP工艺示意图。
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% k' J( z1 q+ ?6 I' JCHIP工艺的主要优势包括:
; N/ @" T; M- W1 f; f# e) `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1 u! W+ x$ G" O, T. @
7 }% p4 w# u* i原型演示:3D集成柔性光电极
- _- _3 M4 a/ k( e: o1 U r$ A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。' J+ i" C! W K$ N) w
该器件组合了多种功能,包括:/ k. `2 Y' j- n) i% O8 y
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# q1 A8 x' V" W: L+ y
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2 V* C Q) }: C: g; s& Q0 o- _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。2 ~+ u$ L$ h0 I( W7 {
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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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) F1 L6 n$ D' l/ A8 y5 n6 h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。: L7 X1 J% f& C6 L6 V7 |* p5 a
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# X& p; Q; Y" w: X! {各功能特性& p& X/ ~1 j1 T4 X% D" C
电信号记录- w5 _& |' d6 b5 |/ c, {
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。/ ~0 N. u; R/ D! T: C
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7 ~* n# d+ @% [. n8 }( k6 l/ H) f图4:集成光电极中微电极阵列的电极阻抗直方图。
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" d+ F- {4 B/ v6 H6 ?, H光刺激$ E" P7 w7 K4 N6 X7 ~! b
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。 F! j F5 o! W+ {0 _3 U4 U1 x9 q
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1 R# a* A- j3 ?3 O% B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。* o( ?7 P, f9 n) T
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温度感测% `2 {, L: W" u3 T1 F
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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图6:输入电流函数下的测量和模拟瞬态温度上升。6 h! [6 z6 n- x7 W8 V
1 X8 E" T+ x4 O光电伪影和屏蔽
5 E) o4 I) w+ e8 j9 o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。" I% h4 B6 i. S
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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。
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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。( U9 S, F6 f" J' I5 X0 K/ K, k7 g
统计结果显示:' C: W" L& ~* | z# o
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. {9 f" U, a( c @. h, N, I2 p6 \+ H
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: b3 z9 u0 H9 A! z9 y3 p8 @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。; y- u0 k) D. h$ @
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光电伪影的起源! M% W s3 x; Q. h
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:
, ]+ U ?- @- n0 X& ?5 B9 [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。: q+ j7 D0 x) {( y% S
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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。, @# f W. o) m9 A5 f$ G
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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。
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# p/ O% E! W0 z4 g4 ?1 \应用和未来方向, S! Z% h7 s/ t, P7 {
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:% u" T8 T) d" A
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1 D3 H3 C' {1 b a" Q+ L- g
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神经科学中的具体应用包括:* [! s; `3 B( N4 D
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:
0 P# x1 N y9 L' U4 ~' P9 o) O化学信号传导压力感测光学特征检测
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; Z. G) C, v# f$ w结论
/ `; \6 _' i5 Q9 S1 wCHIP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。
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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。8 `. F9 B& n3 L2 F1 y2 l
6 {5 Q# a2 y0 p4 i" G0 U4 W, f5 b! ^7 V参考文献5 H6 e3 b9 g" \6 A& _" E+ @1 O& b
[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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