在聚合物中以通用低温转移液态金属颗粒以实现晶圆级可拉伸集成电子器件

随你而动的电子设备

设想一个像绷带一样薄且有弹性的健身追踪器，或是一种能像软组织一样弯曲伸展且不丧失电子性能的医疗植入物。本文描述了一种用微小液态金属液滴嵌入柔性塑料来制造此类“橡胶般”电子器件的新方法。研究者发现了一种可在整个硅晶圆上并适用于多种软性材料的制造工艺，将类似皮肤、与身体相容的电子器件更进一步带向现实应用。

为什么液态金属如此吸引人

大多数电子器件依赖刚性的金属导线，弯曲过度时会断裂。相比之下，以镓为基础的液态金属同时具有金属和流体的特性：它们的导电性接近固态金属，但能在不破坏的情况下发生大幅变形。这使其成为可拉伸电路、可缠绕关节或器官的理想选择。然而，它们高度流动的本性也给制造带来了难题：液态金属会像水在上了蜡的车身上一样起珠、不易与许多塑料粘合，并且在器件拉伸时可能渗漏或涂抹开来。以往的图案化方法要么缺乏细节精度、要么仅适用于特定塑料、要么在反复运动下导线失效。

在软性材料中绘制金属的新方法

团队首先将液态金属制成微观颗粒，然后利用标准光刻技术——同属制造计算机芯片的工艺——在刚性硅晶圆上将这些颗粒排列成精确图案。他们优化了一种墨水与蚀刻流程，使这些颗粒线在整个晶圆上可以绘制到仅几微米的宽度，同时保持高度导电的网络。图案化后，他们在晶圆上涂覆液体聚合物，让其渗入颗粒之间并固化成薄膜，将颗粒固定在位，但尚未将其从刚性支撑上移除。

冷冻以放手，回温以拉伸

关键的创新在于下一步：在液氮温度下进行的低温转移步骤。当整个叠层被快速冷却时，柔性塑料层收缩并变硬，而液态金属颗粒则固化并略有膨胀。这些变化共同增强了颗粒与周围聚合物之间的粘结力，但削弱了它们与下方硅表面的附着。仿真和黏附测试表明，在如此低温下，颗粒网络更有利于转移到聚合物而不是留在硅上。因此，图案化薄膜可以被整块剥离下来，几乎不在晶圆上留下残留物，将整个网络完整地转移到柔性基底中。

在应力下仍能工作的软性电路

一旦转移，材料成为嵌入聚合物中的液态金属颗粒网络，简称 LNEP。当拉伸时，相邻颗粒周围那层薄而脆的氧化壳开裂，使金属核相互接触融合，形成更连续的通路而不是断裂。这种看似违反直觉的行为实际上在初始“激活”拉伸期间提升了电连接性，使电导率达到体相液态金属的大约一半。激活后，即便导线延长一倍、反复扭转或多次压缩，这些软性导体的电阻也仅发生有限变化。更为重要的是，这种稳健的性能在多种聚合物中均有体现——从皮肤般的弹性体到坚韧塑料，甚至是柔软水凝胶——表明该方法具有广泛的兼容性，而非仅适用于某种特殊材料。

从可穿戴贴片到智能植入物

由于该工艺始于晶圆，研究者可以在晶圆上构建复杂的互连布局，然后将其转移到最适合特定任务的软性材料中。他们展示了可贴合手背的大面积触控传感器阵列，并通过机器学习区分不同物体。他们还制造了多功能的贴肤贴片，可读取心电和肌电信号并通过电化学方法检测葡萄糖，所有功能均由可拉伸的 LNEP 线路连接。通过将刚性微芯片嵌入聚合物并在一个步骤中与液态金属布线一并转移，他们甚至创造出在被拉伸时仍能持续放电并处理触觉信息的可拉伸类脑电路。最后，使用与组织柔软度匹配的水凝胶，他们演示了能够刺激大鼠神经并记录肌电活动的器件，暗示了未来能与身体顺利通讯的植入物可能性。

对未来软电子学的意义

通俗地说，这项工作提供了一套制造“电子神经”的配方——可用芯片级精度绘制，然后移植到几乎任何柔软可拉伸材料中而不丧失金属性能。通过利用材料在冷冻与回温时的行为，作者解决了长期困扰液态金属电路的附着、泄漏和基底限制问题。这种通用低温转移方法或将成为新一代柔性健康监测器、软体机器人和植入式设备的基础，使它们能像所服务的皮肤与组织一样自然地运动。

引用: Lee, D.H., Lee, S., Park, M. et al. Universal cryogenic transfer of liquid metal particles in polymers for wafer-scale stretchable integrated electronics. Nat Commun 17, 3248 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70101-2

关键词: 可拉伸电子学, 液态金属, 可穿戴传感器, 软体机器人, 植入式设备