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
# ?8 |7 y4 D& y) @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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CHIP工艺
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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- W7 z6 c8 w: O8 PCHIP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

原型演示：3D集成柔性光电极
. J! m( r7 |- ]* q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。
; P2 R( }- _0 K! f* S; u! G3 A该器件组合了多种功能，包括：
; n& P- Q8 b5 p% X; [) K& R

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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$ x9 u: \4 e& R4 z1 L$ V* b; r' I6 d, u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。
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, E8 R! U" n6 s$ X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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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
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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( D, H  N) y! H% v, J9 ^图4：集成光电极中微电极阵列的电极阻抗直方图。

9 n5 {, `9 ?' u5 X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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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。

/ \2 a& y+ O% D: Q* k9 Y# _. q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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  Q# i2 @- n2 R图6：输入电流函数下的测量和模拟瞬态温度上升。
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/ S( f+ G% G+ C$ s$ I3 L9 q$ G光电伪影和屏蔽
5 {" l5 u% C; ^) R1 G. U5 I  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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图7：从背面照明所有μLEDs的非屏蔽光电极图像。
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1 y1 ^! Z2 R, ~& `2 O

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图8：从背面照明所有μLEDs的屏蔽光电极图像。

1 \, R& Z3 C1 K) W$ t8 k1 z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。
2 s7 P; y# y/ W6 J! T) @统计结果显示：

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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  t# ^" R9 e* r) C) i; p光电伪影的起源
+ E( P0 W  o& B4 J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：
3 V0 m% v) M5 [/ i

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 b% U: E1 V3 Z; j! j" }
  A( L, S" D8 [8 k$ n: C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。

0 u& o6 N/ n2 C4 v1 j: `应用和未来方向
2 o% \1 s8 m& x9 ~7 X/ dCHIP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：

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
5 Q# W2 n( Y; v# {& e. ]
神经科学中的具体应用包括：
" S, V6 |! v# B1 Z! l% b: Y

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
0 D7 k  e! U$ y/ x! s+ U& `4 q* }
未来的发展可能会纳入额外的功能，如：
- o" X7 s. d) Z4 u- Q6 |

化学信号传导

压力感测

光学特征检测
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* [9 q' p: m* A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 P4 G; x) K0 ^
6 f9 p7 e; C& t! z8 d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
6 |! o8 e  a7 R* }2 ?' u[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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: N( W: Y. S# R" f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。

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