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激光编程实现纺织电子器件刚度与界面可控集成

2026-02-06 06:06:38

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随着可穿戴电子技术的快速发展，透气、舒适的纺织基底因其与皮肤的贴合性而备受关注。然而，刚性电子元件（如芯片）与弹性织物之间存在显著的模量失配，导致器件在拉伸时易发生界面剥离、导线断裂或层间短路，这严重阻碍了高性能、可拉伸纺织混合电子系统的发展。

近日，浙江大学徐凯臣研究员课题组提出了一种创新的解决方案——激光编程纺织混合电子器件（LPTHE）。该方法通过紫外激光与浸润在纺织品中的光固化聚合物发生选择性、可调控的相互作用，从而在纺织品上定制出具有梯度刚度和特定界面亲和性的区域。经激光预处理的区域模量提升最高可达14.9倍，同时保持了织物的透气性和生物安全性。这种激光编程纺织基底能够为刚性芯片提供应变隔离，保护液态金属导线在拉伸时不断裂，并防止多层电路间的短路。研究团队成功演示了一个5×5的LED阵列显示屏，在形变下可稳定显示不同图案；并开发出一款无线的可拉伸贴片，能够在运动中持续监测心电图、温度、湿度和加速度四项健康参数。相关论文以“Laser-programmed stiffness and interfaces for textile hybrid electronics”为题，发表在Nature Communications上。

研究团队首先聚焦于激光编程纺织基底的设计与制备，选择纬编氨纶织物作为基底，利用毛细作用使光固化聚合物前驱体渗入织物。通过选择性液体保留技术，控制聚合物的量，使得处理后的织物在保持多孔透气结构的同时，力学性能得到显著增强。激光作为光源与织物相互作用时，会在粗糙纱线表面形成激光散斑，但模拟与实验证实，其能量集中区域足以满足电子元件集成所需的编程精度。通过调控激光扫描速度，可以在织物上实现从柔软到刚硬的梯度聚合，从而编程出定制化的刚性区域，其最小特征尺寸建议为750微米。这些处理后的织物不仅模量和韧性大幅提升，而且经过清洗后表现出优异的生物相容性（细胞活性>95%）和与原始织物相近的透气性。

图1 | 激光编程纺织混合电子器件的设计与原理。 a 基于弹性和非弹性纺织基底的纺织电子器件对比。弹性纺织电子器件具有优异的机械顺应性、皮肤贴合性和可靠的皮肤信号采集能力。相比之下，非弹性纺织电子器件在适应皮肤动态变化方面存在固有局限，阻碍了其贴合性与信号保真度。LM，液态金属。部分元素在BioRender中创建。b 示意图展示了编程纺织基底用于可拉伸混合电子器件的若干优势。具有空间编程刚度与界面亲和力的纺织品在拉伸过程中能与混合电子组件可靠连接。c 激光编程纺织品用于可拉伸混合电子器件的工作原理。激光能量密度调控渗入纺织品的光固化聚合物的聚合反应，产生用于形成氢键的化学基团，并实现刚度可编程。插图中的曲线展示了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 | 激光编程的PP浸润纺织品。 a PP浸润纺织品与原始纺织品的质量增量对比。b 含有不同PP量的纺织品的照片和SEM图像。左下角图像为伪彩色显示，纱线间的PP被染成蓝色。c 含有不同PP量的纺织品的强度-应变曲线。强度指单位宽度所受的力。d 含有不同PP量的纺织品的力学参数。T，韧性；Y，杨氏模量。e 示意图展示激光散斑在纺织品上的形成。f, g FDTD模拟高斯光束入射到平面和纺织纱线时的电场强度。h 平面和纱线沿水平方向的平均坡印廷通量。i 不同入射功率下纺织品上激光散斑的照片。j 展示激光可形成的最小聚合物区域的照片。虚线指示激光预处理的边界。k 应变为20%时具有各种图案的LPT照片。l, m 不同激光扫描速度编程的PP浸润纺织品的代表性强度-应变曲线和杨氏模量。星号表示用于制造LPT和LPTHE的选定激光参数。n 不同激光扫描速度编程的PP浸润纺织品的细胞毒性。‘未清洗’样本在激光速度900 mm s⁻¹下处理。o 不同激光扫描速度编程的PP浸润纺织品的透气性和水蒸气透过率。AP，透气性；WVTR，水蒸气透过率。

为实现可拉伸且稳定的电路，引入了液态金属基复合材料作为导线材料。激光编程产生的软质聚合物区域（通过高速扫描获得）不仅能平滑纤维表面，其表面形成的羟基和氨基还可与液态金属表面的氧化物形成氢键，极大地增强了导线与纺织基底之间的界面粘附力。实验表明，在PP浸润的纺织基底上，液态金属导线经历1000次30%应变拉伸循环后，依然保持完整连接，电阻变化极小。此外，研究还发现，使用较厚的模板印刷出的较厚液态金属导线具有更好的抗拉伸断裂能力，50微米厚的掩模是较优选择。对于必需的双层电路，通过在正反面导线重叠区域编程出完全聚合的刚性垂直互连块，有效抵抗压缩应变，防止了液态金属穿透多孔织物导致的层间短路，其抗短路压力远超手指按压的典型压力。

图3 | LPT上的可拉伸及双层导线。 a 示意图显示PP浸润纺织品表面稳定了导线界面，而原始纺织品在导线界面处易发生脱粘。红色半圆指示拉伸前纺织纱线的位置。b 部分聚合的块体PP的FTIR光谱，插图中突出显示了PP和原始纺织品的羟基和胺基伸缩振动区域。c 不同纺织基底上的LM导线在循环拉伸前后的照片。d 循环拉伸期间原始和PP浸润纺织品上LM导线电阻变化的对比。e 示意图展示悬浮LM导线的厚度对其抗断裂能力的影响。f, g 使用不同模板掩模在纺织品上制备的拉伸LM导线的照片及其电阻变化。h PP浸润纺织品上一条LM导线在1000次拉伸循环中的电阻变化。i 示意图显示由编程刚度诱导的VIB防止了纺织品两侧LM导线之间的短路。相比之下，软纺织品在压缩应变下会产生垂直间隙，导致层间短路。j 不同激光速度编程的PP浸润纺织品压缩位移的对比。k 不同激光速度产生的VIB直至短路发生时所测得的压缩应力。标记指示短路是否发生。l 刚性VIB在循环按压过程中的压缩应力，期间未发生短路。

为解决刚性芯片与软质纺织电路间的根本矛盾，研究人员在芯片贴装区域下方编程了梯度刚度区域。有限元分析和实验均证实，这一刚性“岛屿”能有效隔离施加在纺织基底上的拉伸应变，使芯片下方的电路几乎不发生形变，从而确保芯片引脚与液态金属导线之间连接的可靠性。测试表明，集成了0603封装电阻的LPTHE组件在1000次拉伸循环中电阻变化小于50毫欧，即使在80%的高应变下仍能保持电气连通。

图4 | 具有梯度刚度与应变隔离的可拉伸LPTHE。 a 示意图显示梯度刚度（蓝色区域）诱导的应变隔离保护芯片免受开路和短路影响。对于没有应变隔离的纺织品，导线易从芯片引脚脱离，且导线的横向膨胀缩小了相邻引脚间的间距。b FEA结果展示梯度刚度对带有SOT-23-5封装印迹的纺织品应变分布的影响。c, d SOT-23-5芯片和LM导线在无梯度和有梯度刚度的纺织品上的照片。e, f 一个LPTHE电阻在循环拉伸下的电阻变化及其放大视图。g LPTHE电阻在应变逐步增加直至失效过程中的电阻变化。h 一个包含25个LED芯片、20个VIA和16个VIB的LPTHE屏幕的照片。i FEA结果展示LPTHE屏幕基底的应变分布。j LPTHE屏幕在拉伸或弯曲时显示五种不同图案的照片。

为展示该技术的系统集成能力，研究团队制造了一个5×5 LED阵列的纺织显示屏。该屏幕集成了25个LED芯片、20个垂直互连通孔和16个垂直互连块，所有刚性与软质区域仅通过单面激光扫描即可同步编程完成。在弯曲和拉伸状态下，屏幕仍能稳定显示不同图案。此外，开发了一款用于健康监测的无线LPTHE贴片，该贴片集成了心电、加速度、温湿度传感器，整体采用透气设计，背面覆盖了疏汗的电纺纤维膜。在志愿者运动测试中，相较于不透气的商用柔性电路板贴片，LPTHE贴片下的皮肤保持干燥，且能持续稳定地采集高质量的生理信号，展现了其在动态、真实场景下舒适、可靠的监测能力。

图5 | 用于持续多参数健康监测的LPTHE贴片。 a LPTHE贴片的分解视图。b LPTHE贴片的功能框图。c LPTHE贴片的照片，插图为对应的FPCB版本。d LPTHE贴片贴合在直径27毫米圆柱体表面的照片。e LPTHE贴片的前侧、未封装的后侧及封装后侧的照片。f LPTHE贴片贴于志愿者左胸部的照片。g 分别佩戴LPTHE贴片和FPCB贴片运动后人体皮肤的照片。h, i LPTHE贴片在-40%应变和扭转下的照片。j 在循环扭转过程中使用LPTHE贴片测量的多路信号。k 志愿者运动期间佩戴LPTHE贴片进行实时监测的示意图。l, m LPTHE贴片与FPCB贴片在心电信号和温湿度信号测量方面的对比。

这项研究通过激光编程纺织基底，巧妙地解决了弹性纺织品与刚性混合电子组件之间的机械失配难题，为构建一体化、可拉伸、透气舒适的高性能纺织电子系统提供了一种通用且高效的策略。未来，通过开发具有更高刚度或更好拉伸回复性的聚合物材料，以及将LPTHE直接集成到全身衣物中，有望进一步推动可穿戴电子器件在动态高强度应用中的长期穿戴性与可靠性。

来源：高分子科学前沿