液态焊料？“焊接”电子设备和聚合物导体
2020-01-06
背景
可拉伸电路不仅在可穿戴/可植入设备、软机器人和人机界面中具有巨大潜力，而且有望实现无缝的人机界面，有望通过使用先进的监视和治疗设备极大地改善人们的生活质量。
制造可拉伸导体一直是实现可拉伸电路的最重要部分之一，因为目前无法避免在功能电路中使用刚性电子元件，但由于软导体和刚性电子设备之间缺乏可靠的连接，因此很少有可穿戴设备既可以高度集成又可以拉伸。
亮点
近期，国家纳米科学中心/南方科技大学蒋兴宇研究员报道了一种可伸缩的金属-吸湿性聚合物导体（MHPC）。该导体能够分泌与刚性电子形成稳定连接的液态金属焊料，利用环境湿度的变化使其具有导电性并分泌焊料，从而为电子设备提供电连接，并使刚性电子设备稳定地连接在导体上。研究人员基于MHPC成功地创建了一个能够贴合于皮肤的可拉伸集成设备，能够感知血液中的氧饱和度、心率及温度变化。
MHPC是通过对液态金属和吸湿性聚合物溶液进行超声处理制成的。如图1所示，研究人员以聚乙烯吡咯烷酮（PVP）作为吸湿性聚合物，首先将PVP与己醇混合搅拌获得PVP溶液；再将作为液态金属的镓铟合金和PVP溶液进行超声以获得MHPC油墨；随后通过丝网印刷对MHPC进行图案化处理，并调节湿度使MHPC具有导电性。
如图2所示，研究人员逐渐将MHPC拉伸至800％的应变，其仍然可以保持约1.0×105S/m的高电导率（初始电导率为6.9×105S/m），这与现有报道中具有最高拉伸性的导体相当。
随后，研究人员将MHPC从0拉伸到50％的应变进行高达1000次的循环测试，可以看出MHPC的电阻几乎稳定不变，而在相同条件下，已报道的基于银薄片的弹性导体几乎成为绝缘体。这表明MHPC具有极其出色的伸缩和稳定性。
拉伸性能
电子设备可以通过压力与PCAT形成稳定的连接。研究人员将刚性电子设备与聚酰亚胺薄膜连接起来，以获得电连接元件（ECE）并测试其拉伸性能。结果如图3所示，包含一个LED的电路可以很容易地拉伸到300％的应变；包含LED阵列的电路拉伸至200％的应变时仍表现出色的导电性。
应用性能
随后，研究人员为了证明MHPC可以为集成电路提供稳定的连接，设计了通过MHPC连接的可伸缩血氧仪，并使用图4所示的LED电路模拟血氧仪，通过施加应变测试变形期间LED的状态。结果表明在150％的应变下，即使经过1000次循环，所有的ECE均能正常工作。这表明该可伸缩血氧仪能够在150％的应变下保持稳定，可以适用于手腕、关节和膝盖等身体最活跃的部位。
为了演示多层电路集成的可拉伸设备，研究人员基于MHPC制作了图5所示的多层可拉伸设备。该集成的可拉伸系统是血氧仪的扩展，不仅包括血氧仪，而且还设计有应变传感器和温度传感器，该设备在50％的应变下仍然具有很高的稳定性，显然这已经超出了典型的皮肤应变。
研究人员制作的可伸缩设备由于其良好的伸缩和稳定性，可直接附着在皮肤上并穿着舒适。如图6所示，研究人员将其佩戴到手腕上，以监控皮肤张力和温度。结果显示在摇动手腕时显示出良好的可重复性；温度传感器成功地检测出当运动时温度迅速升高，休息后温度下降的过程。
本篇文章中，研究人员介绍了一种基于MHPC的可拉伸系统，克服了可伸缩设备中因变形而发生的连接故障，可用于制造高度可拉伸的多层电路。该技术能够充分利用导体的可伸缩性，在无需更改原始布局的条件下直接将常规刚性电路转换为可拉伸设备。我们相信这项技术在易受高温和溶剂影响的可植入电子设备中具有巨大潜力，并将极大地推动可穿戴/可植入设备、软机器人等领域的技术进步！
来源：高分子科学前沿
