柔性可延展电子系统能够承受较大的机械变形并保持良好的电学性能，近年来一直是一个研究热点。在这些系统中，常见的实现整体结构可延展性能的方案有两种：1）使用本征可拉伸的聚合物材料；2）将常规的电子材料（如金属导体层、聚合物绝缘层、贴片电子元器件等）与力学结构创新（如“岛桥结构”）相结合，使可变形的“桥”结构为整个系统提供可延展性能，而“岛”上的关键元器件因几乎不承受变形而受到保护。由于第二种方案中金属层和绝缘层图案形成及可拉伸整体结构的制作均可由多层掩膜光刻工艺实现，且不需要特殊材料，该方案得到了广泛的应用。光刻是一种高图案精度、高效率的大规模制造方法，但也会给想使用上述方案2的柔性可延展电子研究者们造成一定困扰。在早期研究与原型制作阶段，研究者们往往只需要小批量地制作器件，但光刻工艺所需要的多层掩膜版的制作、超净间的日常维护、光刻配套仪器的使用等均会给研究带来一定经济压力。多层光刻工艺中，掩膜版的制作、较厚聚合物基底和覆板的干法刻蚀等步骤也会消耗较长时间。光刻工艺的亚微米和纳米级高精度对于很多最小特征尺寸大于50微米的柔性可延展电子器件而言并非必须。此外，由于很多学校和小型研究机构的公用洁净室和光刻刻蚀相关设备专供晶圆基底（wafer-based）的半导体器件和微机电机系统的制造，柔性可延展电子的研究者们往往很难利用这些微纳制造资源。为了解决上述困难并方便地制作具有多层不同图案的柔性可延展电子器件，加州大学伯克利分校林立伟教授、徐仁骁博士及合作者们进行了相关研究，并于近期在《ACS Nano》期刊上发表了名为“Facile Fabrication of Multilayer Stretchable Electronics via a Two-mode Mechanical Cutting Process”的论文（DOI: 10.1021/acsnano.1c10011）。该论文提出了一种双模式机械切割工艺，可用于快捷、经济地小规模制造多层图案柔性可延展电子器件，且制作全程无需使用光刻刻蚀设备和洁净室环境。该制作工艺的图案化工具仅为一台可以读取CAD文件的家用剪纸机，因而也无需制作掩膜版。在一次总数约二十个样品的小批量制作的实验中，该制作工艺与光刻工艺相比可节省约88%的制作时间和约73%的制作成本。在该工艺中，研究者们可通过调整家用剪纸机的切割深度与力度设定，在双层薄膜中实现“隧通”（Tunnel Cut）和“贯穿”（Through Cut）这两种截然不同的切割模式。当剪纸机刀头较浅且施力较小时，刀头仅切穿上层材料，从而使上层材料的顶面和下层材料的顶面间形成如隧道般的切痕，因而达成“隧通”的效果。该模式可用于金属互连线（interconnects）、金属接触电极（contact pads）及电路开口（openings）的图案形成。而当刀头较深且施力较大时，切痕会贯穿整个双层材料，实现“贯穿”模式以用于剪出整个器件的可延展结构轮廓。结合使用这两种切割模式，研究者们便可快捷、经济地小规模制作出各种具有多层不同图案和复杂结构的柔性可延展电子器件。本文展示了三个具有代表性的器件，包括一个多向可拉伸的防水超级电容器阵列，一张可用于排汗收集和汗液检测的可延展“智能网格”，和一片可置于人体表皮的呼吸监测贴片。
示意图 1. 两种不同的机械切割模式，及运用基于双模式机械切割工艺制成的三种具有多层图案的柔性可延展电子器件
图 1. a) 机械切割的两种模式：贯穿切割和隧通切割。b) 使用双模式机械切割工艺制作多层柔性可延展电子器件的工艺示意图。括号中描述的是本工艺所替代的常规光刻工艺步骤。其中步骤2、3和4为图案形成步骤。c）基于光刻工艺和基于双模式切割工艺的总制作时间、制作成本和图案分辨率的对比。d-e) 用于比较 d)制作时间和e)制作成本的分解图。
图 2. a) 聚对苯二甲酸乙二酯（PET）/粘合剂/Mylar聚酯薄膜的截面示意图。b) 施力档位（大小）与对应a)中薄膜的切割模式。c-h) 示意图（顶行）和SEM图像（底行）显示了不同施力档位对机械切割效果的影响。比例尺：50微米。
图 3. a) 防水柔性可延展超级电容器贴片(WSSC)的逐层分解示意图。b) 制作好的WSSC贴片。c) WSSC为LED供电的光学图像。图中所有WSSC单元均在水面以下。d-e) WSSC电极截面的着色SEM图像。绿色和橙色分别代表PET胶带上PET结构部分和粘结剂部分，紫色代表浸有PVA基电解液的LIG，黄色代表金集流体，蓝色代表Mylar薄膜。比例尺：d)50微米，e)5微米。f) WSSC所使用的制作步骤图，及每个制作步骤所使用的时间。一次实验可同时制作五个样品。g) 在浸水测试之前，WSSC单元和LIG电容器在相同电流密度下测量所得的比电容。h) WSSC单元和LIG电容器浸水16小时后电容保持百分比对比。
图 4. a-c) WSSC的光学图像：a) 初始未变形状态； b) 用手折叠到其初始标称面积的一半左右；c) 折叠到其初始标称面积的1/6左右。d-e) WSSC的等双轴拉伸：d)实验结果e)有限元分析的预测结果。f) 整个贴片在重复变形和长时间浸水测试之前与之后测量所得的CV曲线。g-j) WSSC的单轴拉伸（左列）和面外拉伸（中心列）：g,i)为实验结果，h,j)为有限元分析结果。有限元结果中的颜色表示金集流体和互连层中金属的最大主应变。
图 5. 柔性可延展“智能网格”。a) 器件示意图，重点包括可拉伸电极A和B、岛1（红色标记）、岛2（蓝色标记）和未标记的岛3。插图为岛1和岛2的细节分解图。b) 岛1上的三电极传感器及其周围的可拉伸细丝。比例尺：5毫米。c) CNT 工作电极的SEM图像。比例尺：5微米。d) 对一个VIA的横截面轮廓所作的着色SEM图像。比例尺：100微米。e) 展示点亮LED的光学图像。其中插图放大特写显示了置于岛2上的LED。f-h) 显示了f)点亮LED、g)排汗收集和h)汗液分析等工作场景的电路示意图。i) 四种代表性模拟汗液线性扫描伏安图（LSV）。j) 使用四种电极材料检测尿酸时所得的电流密度对比。 k) 器件受玻璃搅拌棒戳刺时的光学图像，用以展示其承载变形的能力。
图 6. 柔性可延展的贴身人体呼吸监测模块。a) 器件示意图。b) 该模块置于志愿者面部皮肤上时的光学图像。c) 该模块中的一个单元。比例尺：2毫米。d-f) 该模块的柔性及变形能力的演示。该模块可以d)自发地搭在玻璃搅拌棒上，e)被手指扭曲，及f)被手指拉伸。g) 志愿者在三种不同情况下的呼吸模式。h) 志愿者在运动后恢复过程中呼吸模式的幅值图。i-j) 来自i)具有对称鼻子的志愿者和j)已知有鼻中隔偏曲问题的志愿者的呼吸信号及对应的热像图。i)和j)中的四幅热像图共用色条标尺，且图中箭头均指向呼气和吸气过程中形成的亮瓣与暗斑。
论文共同通讯作者为加州大学伯克利分校机械工程系徐仁骁博士和林立伟教授。论文共同第一作者为徐仁骁博士与在读博士生何沛晟。该项研究受到了伯克利传感器与执行器中心的支持。作者简介
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徐仁骁博士，本科毕业于华中科技大学，硕士毕业于美国西北大学，博士毕业于加州大学伯克利分校。在伯克利读博期间，他的主要研究方向为柔性可延展电子器件和软体执行器的设计、力学分析与制造，及机器学习方法在微机电系统设计中的应用。 林立伟教授，林教授于1993获加州大学伯克利分校博士学位，目前担任加州大学伯克利分校机械工程系James Marshall Wells講座教授与传感器与执行器研究中心共同主任。林教授的研究兴趣包括微纳结构、传感器、执行器和微/纳米系统中的机械问题，涉及传热、固体/流体力学和动力学。林教授获得了1998届美国国家科学基金会颁发的MEMS封装研究奖和1999届ASME热传递杂志奖。林教授是ASME院士，在MEMS领域拥有23项美国专利，同时担任第24届微电子机械系统国际会议的总主席。目前，他担任IEEE/ ASME微机电系统杂志的共同编辑.化学与材料科学原创文章。欢迎个人转发和分享，刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：chen@chemshow.cn
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