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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2 {' i, R! V' x9 O2 z( i/ P3 u) v
7 f9 Y, l& w4 Y1 O$ m  FCHIP工艺
0 M3 a; D3 T: F7 K, b1 GCHIP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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( c9 f2 I$ h# f1 |2 O) F% }图1：用于制造3D集成柔性光电极的CHIP工艺示意图。

) t* l$ r' Q" f/ b& [4 uCHIP工艺的主要优势包括：
( A6 a6 f* u7 W& g

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
& o" Q2 c5 [* A1 V) F1 m
原型演示：3D集成柔性光电极
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。
8 B- L/ x2 \+ W5 R7 I2 R3 X该器件组合了多种功能，包括：

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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- d, s* r0 |8 u2 f# y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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/ O8 X: w/ _4 u* [$ j$ x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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- K9 [' D0 `; n7 o
0 ^) |3 i( ?; K1 m! i; I  U4 b各功能特性
. {) ~0 Q4 C& o, p% M% F电信号记录
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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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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光刺激
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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# E9 [: y+ c2 v9 f& h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。

温度感测
* N2 k& B( j, Z. G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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+ e: X* P! i- [3 ]2 h2 j' Q图6：输入电流函数下的测量和模拟瞬态温度上升。

' N. A- P# Z, J, l0 p- Q6 P光电伪影和屏蔽
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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( s. O* w9 \2 C: e) b' s- B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。
$ y) L6 _5 |7 t  G/ d* |6 G
; m1 G& G* o4 a( X4 d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。
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
: O, _* d3 O- u; K

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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。
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光电伪影的起源
, a( V! @& A7 U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：
. F' u8 I$ W8 Q

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。
$ U2 ?1 G. Q* Q- _

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" K: R' N9 B$ E, s% L9 V& u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。
/ u% T% F4 B8 v5 S( Q: R
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。
9 E( L+ i' I: e! @( N+ a) v
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：
0 f5 V% v7 P& Y8 z2 V$ q

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
- G% w; k4 _$ M9 v  c
: P; Q4 f4 l+ J神经科学中的具体应用包括：
! M# V( T9 H: [2 a9 _4 X8 |

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

# [9 K, `8 C' A; j! ?2 E未来的发展可能会纳入额外的功能，如：
9 b# k; h0 x- l# L

化学信号传导

压力感测

光学特征检测
: g- @( i2 a  k7 M& ~* j
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。

2 E' l- O) G% X* n5 O4 A+ o- ]' C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。

1 `( K1 J. y: L参考文献
7 P. ]5 @1 w9 M1 E4 _$ _[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

- END -
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