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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CHIP工艺
- _; X) m* q+ n9 K7 W' ]) M6 dCHIP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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CHIP工艺的主要优势包括：

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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# a+ x6 V- a) O4 J原型演示：3D集成柔性光电极
% z- }, G; {, k, 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。
/ c* a/ e' W8 X2 \8 o6 W5 J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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* l3 }9 w' v7 j. z- q' X) `1 I7 Q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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3 x# B1 m+ j! `' z: H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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/ f$ c) Q" D# [: d各功能特性
' Y  K* G. m# \8 A. 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
6 ~, A+ \  O$ W- o0 P+ h+ Z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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# \( ?1 T. L1 o0 j' y) z4 {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。

0 O, N7 m5 q" d' N3 R2 b, j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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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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4 S& \% ~' G; K9 U- e0 m0 \1 N- Z光电伪影和屏蔽
5 y% f: c" Z/ q/ c0 {1 \+ l8 y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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6 F+ F* F/ n8 ?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。
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

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. Z1 L# ?# }- H, j) q# G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。

3 o# ~3 N7 b5 l光电伪影的起源
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：

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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0 X4 S& R1 l  {4 ]' p- ^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。
6 N& X5 r* F& H
5 D  [  ], M  S; I( _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。

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：
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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
, u, I) W& ]% p' ]
& A# ]( S* Z( i  l神经科学中的具体应用包括：
4 m) [. ]0 F4 Q& W! I: n! C3 Z- [

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

$ _: {; X1 S( I  h; v+ f未来的发展可能会纳入额外的功能，如：
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化学信号传导

压力感测

光学特征检测
7 y) |& k! L  d, J7 a1 o
! G; m% p& L# l4 d* T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。

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
[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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