引言
8 l |. {% U3 [, s6 u- W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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9 x& T( |4 G3 D4 g9 H% f4 PCHIP工艺5 j/ E3 z% g/ S3 S! D
CHIP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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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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& W* T; |* m" k2 k, p7 q6 eCHIP工艺的主要优势包括:
" a. W& y# R1 l+ J5 F* H2 h: s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
; V) w p7 C$ P' z9 k2 T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 ?3 g# A5 y% |( j; W6 @& e1 k
该器件组合了多种功能,包括:* ^, x& I4 e2 d6 W% o
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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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。8 ~; ?) g- @" I5 r6 ]$ R h
! S0 X+ i$ [% u7 p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。% U9 e& s9 i/ t( H
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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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各功能特性* B& C' ?. L' |$ u( s/ g
电信号记录
, V0 G& [. z8 o( c- e$ j4 h& H; A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。 e; @% G* J! p4 y
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, y+ p: ^ k: z& L( {图4:集成光电极中微电极阵列的电极阻抗直方图。/ Z/ X1 |7 M1 G# O2 A
- Y1 V& V7 Q$ H光刺激2 U5 b$ N& m4 \ `# a9 }
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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2 F" A* X z9 e; Q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。6 b+ Q- \; C8 ?) | T0 ?7 P- Z
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温度感测9 t' B1 }( C9 B( G/ E. E' ?
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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5 _& l! Q0 G/ t, H图6:输入电流函数下的测量和模拟瞬态温度上升。6 \ q0 r& I6 w4 ?& W
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光电伪影和屏蔽4 N& @3 \! s; T0 Z
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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Y- I3 Y8 b0 m% L% O图7:从背面照明所有μLEDs的非屏蔽光电极图像。
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) A# K1 l8 s) r9 i; Z4 h图8:从背面照明所有μLEDs的屏蔽光电极图像。
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1 R" A/ }4 n8 x* ^6 `* Q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。4 G% i) w8 o3 A% R( s( ^, s
统计结果显示:: F0 M3 @1 m, v, S0 B0 [
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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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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~: B9 j) h3 w1 n# m. H; H- k" s光电伪影的起源
5 x4 e! `" S$ I5 Y8 {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:
) v3 C* b$ g3 K, R4 A* O5 v! H6 v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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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。$ [" [5 X- k' j7 q1 t, x# R
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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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应用和未来方向
- M* ?2 }. U- I4 ]6 gCHIP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:# n5 d, n0 Q1 N0 c
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
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神经科学中的具体应用包括:
/ @5 v* g6 |% Z4 t/ d: W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; r* |0 d/ w. D! z: N& b
) N4 o% t8 G# T8 }3 o% ^* b. }
未来的发展可能会纳入额外的功能,如: ?4 W" _7 n# b2 H* l* T! ]% v+ d
化学信号传导压力感测光学特征检测, [* K+ e' [: W2 ]2 }/ ^
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结论
8 t3 F3 @4 \& t w. w" F* ^0 QCHIP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。) l& I0 x3 n# G6 M4 c8 ^2 e% B
j1 a; _/ j) 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。
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/ m; d7 @9 s! Q% ]: ~: \ L参考文献" i- _" r5 A( f. t7 ~6 q( p
[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-w0 m2 Y w: N" i7 q$ N7 q; e
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3 M# V/ e7 ^0 Z7 t+ c' q# K深圳逍遥科技有限公司(Latitude Design Automation Inc.)是一家专注于半导体芯片设计自动化(EDA)的高科技软件公司。我们自主开发特色工艺芯片设计和仿真软件,提供成熟的设计解决方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio,分别针对光电芯片、微机电系统、超透镜的设计与仿真。我们提供特色工艺的半导体芯片集成电路版图、IP和PDK工程服务,广泛服务于光通讯、光计算、光量子通信和微纳光子器件领域的头部客户。逍遥科技与国内外晶圆代工厂及硅光/MEMS中试线合作,推动特色工艺半导体产业链发展,致力于为客户提供前沿技术与服务。6 w$ V1 D" f, L8 y2 y; @
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