擴大液態金屬電路的生產

卡內基梅隆大學機械工程研究人員開發了一種新的可擴展和可重復的制造技術，可以加速軟和可拉伸電子產品的主流采用和商業化。

下一代機器人技術將生產出安全舒適的軟機器和機器人，可以與人類直接進行物理交互并在脆弱的環境中使用。與剛性電子產品不同，柔軟且可拉伸的電子產品可用于創建可穿戴技術和植入式電子產品，其中與生物組織和其他精密材料的安全物理接觸至關重要。

安全處理精致水果和蔬菜的軟機器人可以通過防止交叉污染來提高食品安全性。由軟質材料制成的機器人可以勇敢地在未開發的海洋深處采集精致的海洋標本。軟機器人的許多生物醫學應用包括可穿戴和輔助設備、假肢、手術軟工具、藥物輸送設備和人工器官功能。

但創造這些幾乎不易察覺的組件，可以與人類生活無縫融合，只是第一步。柔軟和可拉伸電子產品的主流采用和商業化將需要開發可擴展和可重復的新制造技術。

盡管多種方法已經證明了在實驗室中以較小規模制造基于液態金屬的設備的能力，但這些方法尚未產生生產基于液態金屬的柔軟和可拉伸電子產品所需的所需特征的關鍵組合在商業上可行的規模。

卡內基梅隆大學工程學院的一組研究人員試圖用他們開發的一種新方法來改變這種情況，該方法用于大規模制造液態金屬基柔軟和可拉伸電子設備。他們的工作發表在Advanced Materials Technologies上。

Kadri Bugra Ozutemiz，最近獲得了博士學位。在機械工程中，開發了一種新方法，通過將液態金屬的使用與光刻和基于晶圓的浸涂相結合，實現了可擴展性、精度和微電子兼容性。

與機械工程教授 Carmel Majidi 和 Burak Ozdoganlar 一起工作的 Ozutemiz 解釋說，液態金屬近年來已成為流行的可拉伸電路的導體，用于制造傳感器和天線，以及用于各種電子設備和機器人的柔軟和可拉伸接線應用程序。

鎵基合金，共晶鎵銦(EGaIn)，在室溫下為液體，可以在通道內自由流動，具有高導電性，只要封裝在另一種介質中就可以變形。

“我們必須更好地了解鎵基液態合金的固有特性，以克服使其不適合大規模制造的挑戰，”Ozutemiz 說。

在晶圓上制造了一組 31 個軟梳狀電容器。學分：卡內基梅隆大學機械工程

最重大的挑戰是，當液態金屬暴露在空氣中時，一層薄薄的氧化鎵“表皮”會迅速形成，這使得難以獲得均勻和連續的形狀或幾何形狀。液態金屬到處都是黏黏的，流淌成各種各樣多變的形狀。

Ozutemiz 解釋說：“我們的團隊設計了一種新穎的方法，將選擇性金屬合金潤濕結合起來，將液態金屬沉積到所需的電路布局中，并采用浸涂工藝溶解 EGaln 暴露在空氣中時產生的氧化皮。”

由經濟實惠且易于獲得的銅制成的薄金屬跡線首先被光刻圖案化到彈性體表面作為潤濕層。跡線用作將 EGaln 選擇性沉積到硅橡膠表面上的模板。

為了溶解氧化皮，同時保持液態金屬的選擇性沉積，研究人員設計了一種將選擇性金屬合金潤濕與浸涂工藝相結合的新方法。

浸涂已用于微電子行業，但不適用于液態金屬，它有助于以可擴展的方式將 EGaIn 選擇性地沉積到由彈性體涂層晶片上的光刻圖案銅跡線定義的電路布局上。

使用自動化、高精度運動系統和兩層浸浴將 EGaIn 沉積到圖案化銅潤濕層上。該浴在頂部表面包括一層薄薄的氫氧化鈉 (NaOH) 水溶液，然后是 EGaIn。當圖案化晶片浸入浴中時，NaOH溶液有助于去除氧化皮和銅跡線表面上的任何氧化。然后將晶片浸入浴中，并在短暫的停留時間后，以控制沉積在基板上的液體量的規定速度取出。

研究人員使用定制的簡單機器將晶片浸入浴中。通過控制抽出速度，他們成功地生產出可重復的液態金屬幾何形狀。

在未來的測試中，他們將努力控制參數，例如撤出速度和晶圓留在浴槽中的時間，以便更好地了解每個變量對最終幾何形狀的影響。但就目前而言，他們已經建立了大規模生產液態金屬電路的可行工藝，可用于各種軟機器人和電子應用。

“對我們來說，最重要的是我們使用芯片制造商已經使用的標準工藝實現了可重復的結果，”Ozutemiz 說，他解釋說，通過將新材料引入成熟的工藝，制造商將能夠規模化生產將允許更廣泛地采用這些創新的軟機器人和電子設備。