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基于聚合物芯片级异构集成的柔性电子-光电子集成技术

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发表于 2024-10-22 08:01:00 | 显示全部楼层 |阅读模式
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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) Y: j1 }% d, y) v7 a& E( Z1 G9 f4 k5 y; N' v" B
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。
5 k; F3 q, M& w5 c: |
% 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

    / A. }  P8 [; T
    4 D: U; t4 Z( C4 T4 K: Q

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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 {
    * |- G! F; p$ I: U
    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。
    4 j2 o4 |6 s9 ]' I3 g
    9 I9 H# P; _1 H, |2 e

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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

    2 U7 }- C# ]& c2 B' Q

    # 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。
    ' c: d' `' R8 o0 b, K( ?
    " 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
    5 {2 h% `3 |% Z/ q# [# Z
    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。
    ! F1 j; s3 I4 z# b

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    7 f5 ]$ Y8 L2 P+ u  b4 ?
    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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    2 E; s" j2 N3 S1 a/ v2 c
    图7:从背面照明所有μLEDs的非屏蔽光电极图像。
    2 R& a" K% Y$ y" V1 Y4 j
    - J6 `; R. V3 r% s8 [

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    : }! c2 t. f- |: s
    图8:从背面照明所有μLEDs的屏蔽光电极图像。
    & u3 O; E7 l  n) @6 g& P4 v* Q! K! |1 m
    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
    # j& }: o4 Q7 ]& }( j
    + _; s* q, b) B% q- g

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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$ @
    ) Y# x1 X2 f' _. @. Q, i
    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

    ; r9 f0 R  u  [" t0 O
    3 Q9 J1 l/ Y" U4 @6 ^6 O" h

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    # p- F# B0 U4 }" y0 `
    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
    6 W  Q: m3 ]9 a
    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。
    ' s0 d' a: y- P1 a" ?& ]* H
    # 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
    9 p( |, [1 W: C  H% w
    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
    - `" a5 T( `& C: H) E8 i
    # i6 ~" J. E( z/ h2 V( N
    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
    6 e7 V6 _; \8 B3 x4 T

    ; 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。
    0 {7 [$ a3 |" p( h3 r' K$ [. m3 Q
    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
    ' v" G  a7 S* p# q' i. \# Z
    : t, m* F- H- G8 F4 ?- END -- L+ x1 b% B4 L3 k% t4 f

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    欢迎转载% ?0 K- V9 s( l8 F2 I! f/ Q

    $ I% W3 M0 H; b" |; x转载请注明出处,请勿修改内容和删除作者信息!
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