液态金属微滴可实现跨电路层的柔软、灵活的电连接

Josiah02 · 发表于 2024-10-25 20:13:27

如果手机或其他电子设备由软质材料制成，其用途会有什么变化？它会更耐用吗？如果医院健康监测设备由刚性较小的部件制成，患者佩戴起来会更容易吗？
虽然这种类型的电子产品可能还远未实现，但弗吉尼亚理工大学的研究人员已经开发出一种创新方法来构建组成它们的软电子元件。机械工程系首席研究员兼副教授迈克尔·巴特利特 (Michael Bartlett) 的团队的一个项目重点是管理内部所有电子连接的电路。
这项新技术发表在《自然电子学》杂志上，利用液态金属微滴形成阶梯状结构，形成称为通孔的小型导电通道。这些通孔可在电路层之间建立电连接，而无需像以前的技术那样在硬件上钻孔。
巴特利特说：“这让我们更接近令人兴奋的可能性，比如先进的软机器人、可穿戴设备，以及可以拉伸、弯曲和扭曲，同时保持高功能性的电子产品。”
论文第一作者是与巴特利特合作的博士后研究员 Dong Hae Ho。弗吉尼亚理工大学团队与宾夕法尼亚大学副教授 Ling Li 和 Li 团队的博士生 Chenhao Hu 一起参与了这项研究。
软电子、通孔和互连
巴特利特团队之前开发的软电路研究用软电子复合材料和微小的导电液态金属液滴取代了非柔性材料。这些软电子产品是快速崛起的技术领域的一部分，它使电子产品的耐用性达到了新的水平。
在这个项目中，研究人员着手解决软电路板的问题，特别是堆叠在一起的各层之间的电流传递问题。这对于在电路板所占的狭小空间内充分利用电流至关重要。
传统的刚性电子产品采用成熟的技术来制作通孔，而通孔对于制造如今常见的多层电子产品至关重要，但它们通常需要在电路板上钻孔，当使用刚性材料连接这些层时，这种方法是可行的。在柔性材料中，冲孔可能会张开，控制电流需要不同的方法。
该团队的新技术无需打孔，而是使用液态金属微滴形成软通孔和平面互连，从而在电路层之间建立电气连接，克服了这些挑战。该过程涉及在光树脂内定向分层液态金属液滴。通过利用紫外线照射期间出现的不规则性，研究人员创建了一种阶梯状结构，使液滴可以可控地以 3D 形式组装。
这种方法用途广泛，这些液态金属通孔和互连件可以用多种材料实现。它们可以进一步多次执行该制造方法并创建越来越多的层。
利用错误作为功能
在已知的电子产品和其他微纳米技术制造方法中，在紫外线照射期间，被称为掩模边缘异常或底切的缺陷通常会给标准制造带来挑战。然而，研究人员已经将这个缺陷变成了一个特点：紫外线照射区域的边缘会导致液态金属液滴以阶梯状垂直模式沉淀和分层。
这种定向组装使液滴能够通过光树脂形成一条连续的通道，连接顶层和底层，然后完全固化以锁定配置。这个过程是同时发生的，液滴的沉降速度很快，因此制作多个通孔的过程只需不到一分钟。
“通过利用这些原本不需要的边缘效应，我们可以创建柔软的导电通孔，以快速和并行的方式连接不同的电路层，”何说。“我们可以在保持软设备的灵活性和机械完整性的同时做到这一点。”
“通过集成平面内和平面外电路层，可以创建具有复杂多层结构的柔性电路，”Bartlett 说道。“这使得新型软电子器件成为可能，其中以并行和空间控制的方式创建多个软通孔和互连。这对于该领域的发展至关重要。”

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