Nat. Comm:可硬可软,用激光编程液态金属电路纺织品!

标题

激光编程刚度与界面用于纺织混合电子器件

作者

Huayu Luo, Zimo Cai, Geng Yang, Kangjie Ye, Jian Tang, Tao Liu, Long He, Ying Zhang, Yi Zhu, Haibo Xie, Kewang Nan, Huayong Yang, Michael D. Dickey, Kaichen Xu*

隶属

浙江大学机械工程学院流体动力与机电系统国家重点实验室

关键词

纺织电子、可拉伸电子、激光编程、梯度刚度、液态金属、混合电子、界面工程

发表日期

2026年1月13日

网址

https://doi.org/10.1038/s41467-025-67149-x

摘要

• 针对刚性芯片与弹性纺织基底之间模量不匹配的问题，浙江大学徐凯臣教授提出了一种激光编程纺织混合电子（LPTHE）技术；

• 通过紫外激光调控光固化聚合物（PP）在纺织品中的聚合程度，实现了纺织基底上梯度刚度和界面亲和性的精确编程；

• 所得激光编程纺织品（LPT）在保持透气性和生物安全性的同时，模量提升了2.7至14.9倍，并有效隔离了应变，防止导线断裂和层间短路；

• 实现了一个5×5发光二极管阵列显示屏和一个可穿戴无线健康监测贴片，在高达50%应变下稳定工作，验证了该方法在复杂动态环境下的实用性。

方法

• 首先将光固化聚合物（PP）前驱体通过毛细作用浸入针织弹性纺织品中，并采用选择性液体保留（SLR）方法控制渗透深度以维持透气性；

• 使用空间调制的紫外激光对特定区域进行扫描，通过调节激光扫描速度（60–900 mm/s）控制PP的聚合程度，从而实现软区（部分聚合）、硬区（完全聚合）和梯度刚度区域的编程；

• 在软区表面形成具有氢键能力的化学基团（O-H, N-H），增强液态金属（LM）导线与纺织品之间的界面粘附力，提升拉伸稳定性；

• 在双层电路重叠区域编程形成高刚性垂直互连块（VIB），抑制压缩变形，防止液态金属浆料穿透导致的层间短路；

• 在芯片焊盘位置下方编程出高刚度区域，实现刚性芯片与柔性纺织电路之间的应变隔离，确保在拉伸条件下电气连接的可靠性；

• 使用模板印刷方式将液态金属/铜金属间化合物（LM paste）沉积为导线，并通过压力激活软区内的垂直互连通孔（VIA）；

• 最后集成LED、传感器等芯片元件，构建单片式可拉伸纺织混合电子系统。

结论

• 本工作的意义在于首次实现了在日常弹性纺织品上通过一步激光加工完成刚度与界面的协同编程，解决了刚性电子元件与柔性纺织基底之间的机械失配难题，推动了真正舒适、可穿戴的混合电子系统的实用化；

• 创新点: 提出了基于激光调控PP聚合的单步、无掩模、可编程梯度刚度纺织基底（LPT），同时优化了芯片-纺织、导线-纺织、层间绝缘等多个异质界面，设计理念系统且通用性强；

• 性能: LPTHE在50%应变下电阻变化小于75 mΩ，连续工作1000次循环无失效；健康监测贴片可在运动中稳定采集心电、温度、湿度和加速度信号，性能显著优于非透气FPCB对照组，充分支持其实际应用目标；

• 工作量: 完成了从材料设计、机理分析、工艺优化、多物理场仿真到系统集成与人体实验的完整研究链条，展示了两个高性能原型系统，实验数据详实，补充材料丰富，工作体量大且扎实。

图1. 激光编程纺织混合电子器件的设计与原理。a 弹性与非弹性纺织基底上纺织电子器件的比较。弹性纺织电子器件具有优异的力学顺应性、贴合皮肤的能力，以及可靠的皮肤信号采集性能。相比之下，非弹性纺织电子器件在适应皮肤动态变形方面存在固有局限，从而影响其贴合性和信号保真度。LM：液态金属。部分元素使用BioRender绘制。b 程序化纺织基底在可拉伸混合电子器件中的多个优势示意图。具有空间编程刚度和界面亲和性的纺织品在拉伸过程中能可靠地与混合电子元件实现集成。c 用于可拉伸混合电子器件的激光编程纺织品的工作原理。激光能量密度调控渗透到纺织品中的光固化聚合物（PP）的聚合程度，从而生成可用于氢键作用的化学基团，并实现刚度的可编程性。插图中的曲线表示刚度与激光能量密度之间的关系。PP：光固化聚合物；VIB：垂直互连块。

图2. 经激光编程的PP浸渗纺织品。a PP浸渗纺织品与原始纺织品之间的质量增量（样品尺寸：10 × 10 mm²）。b 不同PP含量的纺织品的照片与扫描电镜（SEM）图像。左下角图像为伪彩色显示，纱线间的PP部分被染成蓝色。所示图像代表5次独立重复实验，均表现出相似形貌。c 含不同PP量的纺织品的强度-应变曲线。强度定义为单位宽度所受的力。d 含不同PP量的纺织品的力学参数。T：韧性；Y：杨氏模量。误差棒表示3次独立实验的均值±标准差（mean ± SD）。e 纺织品上激光散斑形成示意图。UV：紫外光。f, g 高斯光束入射至 (f) 平面和 (g) 纺织纱线时的FDTD（时域有限差分）仿真电场强度分布。E₀：入射光束的电场强度。h 沿水平方向在平面和纱线中的平均坡印廷通量。P：坡印廷通量。i 在不同入射功率下纺织品表面激光散斑的照片。j 激光所能实现的最小聚合区域照片。虚线表示激光预处理的边界。k 在20%应变下具有不同图案的激光编程纺织品（LPT）的照片。l, m(l) 经不同扫描速度激光编程的PP浸渗纺织品的典型强度-应变曲线；(m) 其杨氏模量。星号（*）标示用于制造LPT和LPTHE所选用的激光参数。激光功率：21.5 mW；线间距：40 μm。误差棒表示3次独立实验的均值±标准差。n 经不同扫描速度激光编程的PP浸渗纺织品的细胞毒性。“未清洗”样品是在900 mm/s激光速度下处理的。对照组（Control）和原始样品（Original）因样品均匀性仅分析单个样本；其余组误差棒表示3次独立实验的均值±标准差。o 经不同扫描速度激光编程的PP浸渗纺织品的透气性和水蒸气透过率。AP：透气性；WVTR：水蒸气传输率。误差棒表示3次独立实验的均值±标准差。

图3. LPT上的可拉伸双层导线
a 示意图显示，PP浸渗纺织品表面可稳定导线界面，而原始纺织品在拉伸时易发生导线界面脱粘。红色半圆表示拉伸前纱线的位置。
b 部分聚合状态下体相PP的傅里叶变换红外光谱（FTIR），插图突出显示PP与原始纺织品中羟基（O–H）和氨基（N–H）的伸缩振动区域。
c 不同纺织基底上液态金属（LM）导线在循环拉伸前后的照片。
d 循环拉伸过程中，原始纺织品与PP浸渗纺织品上LM导线电阻变化的对比。
e 悬空LM导线厚度对其抗断裂能力影响的示意图。红色半圆表示拉伸前纱线的位置。
f, g
(f) 使用不同模板掩膜制备的纺织品上拉伸后LM导线的照片；
(g) 其对应的电阻变化。
h 一条LM导线（长度：20 mm；宽度：1 mm；掩膜厚度：50 μm）在PP浸渗纺织品上经历1000次拉伸循环期间的电阻变化。
i 示意图显示，由刚度编程形成的垂直互连块（VIB）可防止纺织品两侧LM导线之间发生短路。相比之下，柔软纺织品在压缩应变下会产生垂直间隙，导致层间短路。VIB：垂直互连块。
j 在不同激光扫描速度下编程的PP浸渗纺织品的压缩位移比较。激光功率：21.5 mW；线间距：40 μm。误差棒表示4次独立实验的均值±标准差。
k 不同激光速度生成的VIB在短路发生前测得的压缩应力。标记表示是否发生短路：Y：是；N：否。激光功率：21.5 mW；线间距：40 μm。
l 一个高刚性VIB在循环按压过程中的压缩应力表现，期间未发生短路。

图4. 具有梯度刚度和应变隔离的可拉伸LPTHE。
a 示意图显示，由梯度刚度（蓝色区域）引起的应变隔离可保护芯片免受开路和短路影响。对于无应变隔离的纺织品，导线容易从芯片焊盘脱落，且导线的横向膨胀会缩小相邻焊盘之间的间距。
b 有限元分析（FEA）结果，展示梯度刚度对带有SOT-23-5封装轮廓的纺织品应变分布的影响。仅编程软区的LPT无法实现应变隔离，因此在芯片区域表现出明显变形；相比之下，具有梯度刚度的LPT实现了应变隔离，在相同区域内应变几乎可忽略。
c, d 纺织品上SOT-23-5芯片与液态金属（LM）导线的照片：(c) 无梯度刚度；(d) 具有梯度刚度。两幅图像均采用伪彩色渲染。
e, f
(e) LPTHE电阻器在循环拉伸过程中的电阻变化及其
(f) 局部放大图。
g LPTHE电阻器在应变逐步增加直至失效过程中的电阻变化。
h 包含25个LED芯片、20个垂直互连通孔（VIA）和16个垂直互连块（VIB）的LPTHE显示屏照片。VIA：垂直互连通孔。
i LPTHE显示屏基底应变分布的有限元分析（FEA）结果。
j LPTHE显示屏在拉伸或弯曲状态下显示五种不同图案的照片。

图5. 用于连续、多参数健康监测的LPTHE贴片。
a LPTHE贴片的爆炸结构示意图。
b LPTHE贴片的功能模块框图。
LDO：低压差线性稳压器；
BLE：蓝牙低功耗；
ASIC：专用集成电路；
UART：通用异步收发传输器；
ADC：模数转换器；
SPI：串行外设接口；
I²C：集成电路总线；
In-amp：仪表放大器。
c LPTHE贴片实物照片，插图为对应的柔性印刷电路板（FPCB）对照样品。
d LPTHE贴片弯曲贴合于直径为27 mm圆柱表面的照片，展示其优异的柔顺性和共形能力。
e LPTHE贴片的不同视角照片：(i) 正面；(ii) 未封装背面；(iii) 封装后背面。
f LPTHE贴片佩戴在志愿者左胸部的照片。
g 分别佩戴LPTHE贴片和FPCB贴片运动后的人体皮肤状态照片，显示LPTHE对皮肤刺激更小，透气性更优。
h, i LPTHE贴片在 (h) 约40%拉伸应变下和 (i) 扭曲状态下的实物照片，展示其在复杂形变下的结构稳定性。
j 在循环扭曲过程中，使用LPTHE贴片同步采集的多种信号。ACC：加速度信号；S-ECG：模拟心电信号。
k LPTHE贴片佩戴于志愿者身上进行运动时实时生理监测的示意图。
l, m LPTHE贴片与FPCB贴片在测量性能上的对比：
(l) 心电（ECG）信号质量比较；
(m) 温度与湿度信号测量对比，显示LPTHE具有更优的信号稳定性和环境响应能力。

“心 以 积 疑 而 起 悟 , 学 以 渐 博 而 相 通”

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