1.3微米薄的弹性导体,用于可穿戴和植入式设备

1.3微米薄的弹性导体,用于可穿戴和植入式设备 2022-12-12 17:46:55 1351


研究人员创建的基于PDMS和Au微裂纹的超薄可拉伸导体。(A)导体的结构图示。(B)导体的表面轮廓结果,显示厚度为~1.3μm。 (C)导体在一系列应变下的电阻变化

近年来,工程师们一直致力于开发越来越复杂、更小的电子元件,为未来的设备提供动力。这包括薄而可拉伸的组件,可以很容易地戴在皮肤上或植入人体内。

RIKEN、南洋理工大学、新加坡国立大学、东京大学以及日本、新加坡和中国其他研究所的研究人员最近实现了一种新的1.3微米薄的弹性电导体。这种导体在Nature Electronics上发表的一篇论文中介绍,可以推动可穿戴和植入式传感器的发展。

“超薄电子设备可以与曲面形成共形界面,佩戴时人类无法感知,并且在植入动物体内时不会引起强烈的异物排斥(FBR),”进行这项研究的研究人员之一Zhi Jiang告诉TechXplore。

“以前,超薄电子设备是在塑料薄膜上构建的,例如聚酰亚胺,聚对二甲苯和SU8。然而,在可穿戴和植入式应用中,这些设备可能会经历人体皮肤和某些器官(例如,心脏、肌肉和神经)的变形,因此它们需要可拉伸。

Jiang和他的同事最近工作的主要目标是创造一种可拉伸的材料,可以长时间支持超薄可穿戴和植入式电子设备的稳定运行。为此,他们使用FDA批准的弹性体(称为聚二甲基硅氧烷(PDMS))制造了1.2μm厚的薄膜。然后,他们使用这种薄膜作为通常用于制造生物相容性电子设备的塑料薄膜的替代品。

“以前,所有PDMS-Au导体都使用厚PDMS薄膜(厚度从数十到数百微米不等),这些薄膜与纹理人体皮肤和小尺寸器官(坐骨神经和肌肉束)的界面较差,”Jiang说。

“此外,人体皮肤需要始终呼吸,而厚PDMS薄膜的透气性不足以允许这样做。通过将厚度减小到1.2μm,超薄PDMS薄膜显示出高透气性,不会妨碍皮肤的透气性。

为了创建弹性导体,研究人员首先使用一种称为旋涂的技术创建了1.2μm厚的PDMS薄膜。然后,他们将这种超薄膜转移到100微米厚的PDMS镀膜玻璃上,并热蒸发了50纳米厚的金(Au)。


超薄传感器的图像,在干燥和水冲洗条件下与人体皮肤以及大鼠坐骨神经形成无缝稳定的接触

Jiang说:“使用阴影掩膜,我们可以对导体进行图案设计,并形成高分辨率(100微米)的多通道电极阵列。”“然后,使用另一超薄PDMS薄膜作为封装层,我们选择性地暴露小面积的Au作为电极位点。在O2等离子体处理后,两层PDMS薄膜紧密结合而成包封。

由于其独特的微裂纹设计,该团队的PDMS-Au材料被发现具有高度可拉伸性,远远超过过去测试的塑料薄膜。值得注意的是,其制造工艺也与现有的微电子制造方法高度兼容,这可以促进其大规模生产。

“通过比较皮肤和神经界面不同厚度的电极,我们证明了无缝接口可以促进电刺 激传递和电信号记录过程,”Jiang说。“电子设备和组织之间的界面首次被发现对神经极为重要。因此,我们的研究和我们发现的现象应该对创建其他设备/组织界面具有洞察力。

Jiang和他的同事使用的在PDMS上生长金微裂纹的策略导致一种材料可以拉伸高达300%,保持其导电能力。在未来,这种策略可以被其他研究人员用来设计替代的基于微裂纹的可拉伸材料。

此外,这篇最新论文中提出的新导体可用于制造更可靠的可穿戴和植入式微电子设备。该团队已经用它来制造可以应用于人体皮肤的透气和防水电极,以及可以检测机械力和植入式神经电极的3μm薄传感器。

“我们现在正在探索两个主要的研究方向,”Jian补充道。“第一个旨在从设备工程的角度进一步提高我们的超薄弹性导体的性能。其次,我们正在与生物科学家合作,探索我们的超薄弹性电子设备作为理解生物现象的强大工具的潜力。

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