液态金属柔性电路的可扩展制造技术

下一代机器人技术将生产出安全舒适的软机器和机器人，可以与人类直接进行物理交互并在脆弱的环境中使用。与刚性电子产品不同，柔软且可拉伸的电子产品可用于创建可穿戴技术和植入式电子产品，其中与生物组织和其他精密材料的安全物理接触至关重要。

安全处理精致水果和蔬菜的软机器人可以通过防止交叉污染来提高食品安全性。由软质材料制成的机器人可以勇敢地在未开发的海洋深处采集精致的海洋标本。软机器人的许多生物医学应用包括可穿戴和辅助设备、假肢、手术软工具、药物输送设备和人工器官功能。

但创造这些几乎不易察觉的组件，可以与人类生活无缝融合，只是第一步。柔软和可拉伸电子产品的主流采用和商业化将需要开发可扩展和可重复的新制造技术。

卡内基梅隆大学机械工程研究人员开发了一种新的可扩展和可重复的制造技术，可以加速软和可拉伸电子产品的主流采用和商业化。

尽管多种方法已经证明了在实验室中以较小规模制造基于液态金属的设备的能力，但这些方法尚未产生生产基于液态金属的柔软和可拉伸电子产品所需的所需特征的关键组合在商业上可行的规模。卡内基梅隆大学工程学院的一组研究人员试图用他们开发的一种新方法来改变这种情况，该方法用于大规模制造液态金属基柔软和可拉伸电子设备。

制造完成后，将无电池RFID软传感器贴片应用于硅晶片。

在硅橡胶上涂上一层薄薄的铜后，使用光刻和湿法蚀刻来创建具有所需电路布局的铜图案。

自动浸涂工艺：将图案化晶片浸入NaOH和EGaIn浴中。停留一分钟后，晶片以恒定速度从浴中收回，以选择性地将EGaIn沉积到金属迹线上。

一旦芯片被放置并使用HCl蒸气与液态金属焊接，软电路就被密封在硅橡胶内。

在晶圆上制造了一组31个软梳状电容器。

液态金属柔性电路的挑战

液态金属近年来已成为流行的可拉伸电路导体，用于制造传感器和天线，以及用于各种电子和机器人的柔软和可拉伸接线应用程序。

镓基合金，共晶镓铟（EGaIn），在室温下为液体，可以在通道内自由流动，具有高导电性，只要封装在另一种介质中就可以变形。

“我们必须更好地了解镓基液态合金的固有特性，以克服使其不适合大规模制造的挑战，”Ozutemiz说。

最重大的挑战是，当液态金属暴露在空气中时，会迅速形成一层薄薄的氧化镓“表皮”，这使得很难获得均匀和连续的形状或几何形状。液态金属到处都是黏黏的，流淌成各种各样多变的形状。

Ozutemiz解释说：“我们的团队设计了一种新颖的方法，该方法将选择性金属合金润湿（将液态金属沉积到所需的电路布局中）与浸涂工艺相结合，该工艺可以溶解EGaln暴露在空气中时产生的氧化皮。”

由经济实惠且易于获得的铜制成的薄金属迹线首先被光刻图案化到弹性体表面上作为润湿层。迹线用作将EGaln选择性沉积到硅橡胶表面上的模板。

为了溶解氧化皮，同时保持液态金属的选择性沉积，研究人员设计了一种将选择性金属合金润湿与浸涂工艺相结合的新方法。

浸涂已用于微电子行业，但不适用于液态金属，它有助于以可扩展的方式将EGaIn选择性地沉积到由弹性体涂层晶片上的光刻图案铜迹线定义的电路布局上。

使用自动化、高精度运动系统和两层浸浴将EGaIn沉积到图案化铜润湿层上。该浴在顶部表面包括一层薄薄的氢氧化钠(NaOH)水溶液，然后是EGaIn。当图案化晶片浸入浴中时，NaOH溶液有助于去除氧化皮和铜迹线表面上的任何氧化。然后将晶片浸入浴中，并在短暂的停留时间后，以控制沉积在基板上的液体量的规定速度取出。

研究人员使用定制的简单机器将晶片浸入浴中。通过控制抽出速度，他们成功地生产出可重复的液态金属几何形状。

在未来的测试中，他们将努力控制参数，例如撤出速度和晶圆留在浴槽中的时间，以便更好地了解每个变量对最终几何形状的影响。但就目前而言，他们已经建立了大规模生产液态金属电路的可行工艺，可用于各种软机器人和电子应用。

“对我们来说，最重要的是我们使用芯片制造商已经使用的标准工艺实现了可重复的结果，”Ozutemiz说，他解释说，通过将新材料引入成熟的工艺，制造商将能够规模化生产将允许更广泛地采用这些创新的软机器人和电子设备。