柔性微流體電子：材料、工藝與器件

尹周平，吳志剛，黃永安

(華中科技大學 數字制造裝備與技術國家重點實驗室 柔性電子研究中心，湖北 武漢430074)

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柔性微流體電子：材料、工藝與器件

尹周平，吳志剛，黃永安

(華中科技大學 數字制造裝備與技術國家重點實驗室 柔性電子研究中心，湖北 武漢430074)

摘要：微流體技術是指在微觀尺寸下控制、操作和檢測復雜流體的新興技術，通過與柔性電子技術結合，產生了全新的柔性微流體電子技術，有望在可變形電極、可穿戴電子、可延展柔性天線等領域發揮重要作用。目前，液態金屬由于其常溫液態、大表面張力等特點，應用于柔性微流體電子技術領域時，在材料、工藝和設備等方面面臨諸多挑戰。重點討論液態金屬的組分和屬性、微流體制造工藝與特點，以及柔性微流體電子技術的新興應用。最后展望了柔性微流體電子技術需研究并解決的關鍵科學技術問題。

關鍵詞：柔性電子；液態金屬；微流體；無線傳感器；液體天線

1前言

柔性電子具有便攜性、透明、輕質、可伸展/彎曲、以及易于快速大面積打印等特點，產生了許多新的應用。柔性電子是一個新興開放的研究領域，隨著學科交叉的加深，新的應用不斷出現，在新型電子材料、微納制造工藝和設備等方面不斷出現新的研究問題。微流體技術是指在微觀尺寸下控制、操作和檢測復雜流體的技術，利用流體隨流道的任意變形能力，為柔性電子提供了全新的解決方案，但其材料屬性、制造工藝和新興應用都面臨挑戰與機遇。

微流體電路通過在硅橡膠基板嵌入微通道，將液態金屬充入橡膠基板微流道或者直接打印在基板表面。不同于常規電子，這些微流體電路具有固有的柔性，在自然拉伸狀態下依然能夠保持電子器件的功能。早期的液相電子包括惠特尼(Whitney)應變計，在橡膠管道中填充水銀，通過超彈性拉伸可以改變水銀的電阻實現測量[1]。利用相變液態金屬可實現可逆調節橡膠復合材料的結構剛度。在橡膠復合材料中嵌入低熔點Field’s金屬和電熱層(液相Galinstan合金)，整個結構的彈性模量可以出現4個量級的變化[2]。目前液相電子器件已經利用無毒的共晶鎵銦(EGaIn)、鎵銦錫合金(Galinstan)，以及其他基于鎵的合金替代水銀。

本文討論了不同配比液態金屬的基本屬性及其對導電性、表面張力等性質的影響；并闡述了直接噴印、微流道注入、微接觸印刷液態金屬的制造工藝，及其在柔性、可延展、可重構的互連、天線、超材料和光學材料中的應用；最后討論了柔性微流體電子技術在天線、傳感器、電感、電容、電阻等方面的應用，所使用的基板材料包括紙張、PDMS、布料、塑料。

2液態金屬

液態金屬綜合了傳統剛性和柔性材料的優良性能，目前主要有5種熔點接近或低于室溫的金屬：鈁、銣、銫、汞和鎵(Ga)。其中，鈁具有輻射性，銫和銣與空氣接觸后會劇烈反應，汞具有毒性而且它的表面張力較大，不易對其進行圖案化成型[3]，這4種材料均不適合用于制備柔性電子器件。鎵及其合金適用于制備各種器件，主要得益于：①熔點非常低，在室溫下為液態；②粘度低，便于注入微流道中；③電導率較高，雖然比銅的電導率低一個數量級，但是遠遠高于其他導電液體等；④不易蒸發，性能穩定，操作時不會吸入氣體分子[4]；⑤液態金屬在注射前不用加熱熔化，易于與有機、生物材料兼容；并且在注射過程中始終保持液態，注射完成后無冷卻過程，減少工藝耗時[5]；⑥液態金屬各組分的毒性等級較低；⑦此外液態金屬與空氣接觸后，表面形成的氧化層結構使其更易于在微流道中穩定流動[6]。

2.1Galinstan

Galinstan是由Ga，In及Sn元素組成的液態金屬合金，其命名是根據這3種元素的名稱綜合得來。與固態純金屬不同，組成元素的配比不同會使Galinstan的熔點不同，因此很難確定熔點。Galinstan一種典型的配比為68.5wt%Ga，21.5wt%In，10.0wt%Sn，該組份構成的合金熔點為-19 ℃。另外一種配比62.5wt%Ga，25wt%In，12.5wt%Sn構成的合金熔點為10 ℃[7]。Galinstan已經成為能夠替代汞的液態金屬材料，并應用在體溫計、電磁繼電器、冷卻劑、離子源或者MEMS器件中。Liu等對Galinstan的兩個關鍵參數：接觸角與表面張力進行了測量[8]。考慮到Galinstan極易被氧化，整個測試在28 ℃氮氣氛圍手套箱中進行，氧氣和濕度濃度控制在0.0005‰以下。在氮氣氛圍手套箱中采用懸滴法對Galinstan表面張力進行測量，所測結果為534.6±10.7 mN/m，略高于Kocourek等采用懸滴法在空氣中測得的517 mN/m[9]。

2.2EGaIn

EGaIn是與Galinstan類似的共晶合金，由Ga和In兩種元素組成，典型配比為75.5wt%Ga和24.5wt%In，熔點為15.5 ℃。雖然Galinstan與EGaIn性質非常相似，但是由于EGaIn僅由Ga, In兩種元素組成，對其進行化學和光譜分析都更為簡便[3]。Galinstan、EGaIn與汞的物理性質可參考文獻[7]。可以通過組分控制來調節合金的熔點，采用純度為99.99%的鉍、銦、錫和鋅按照重量比35∶48.6∶16∶0.4比例合成了Bi35In48.6Sn16Zn0.4金屬墨水，這種液態金屬墨水的熔點為58.3 ℃，略微高于室溫，在進行直寫時需要對液態金屬墨水加熱[10]。利用此帶有加熱功能的書寫筆，制備了電子器件、圖像和電路。

由Ga元素組成的液態金屬合金在暴露大氣環境的一瞬間會形成厚度約為1 nm的Ga氧化層。由于氧化層很薄，基本不會影響液態金屬的導電性[11]。液態金屬可以附著在大多數材料表面，并可以和金屬之間形成歐姆接觸[12]。在干燥空氣中，沒有外界驅動力和物理干擾條件下，氧化層厚度不會隨時間推移而增加。氧化層為兩性化合物，可以通過pH<3或者pH>10的環境去除[13]。在除去液態金屬表面氧化層之后，液態金屬恢復流動性。

GaIn10(90wt%Ga，10wt%In)液態金屬和基于GaIn10的液態金屬墨水(含有0.026 wt%的氧)的示差掃描量熱曲線結果表明，前者的熔點為288.3 K，后者為289 K[14]。存在少量的氧化鎵并不會改變液態金屬的晶體結構[15]。增加氧含量可以有效地降低表面張力，提高液態金屬墨水的粘性，但是電阻也會相應的提高，其影響規律如圖1所示，當含氧量從0 mg增加到68.6 mg，電阻從29 μΩ·cm增加到43.3 μΩ·cm。并且，GaIn10墨水的電阻率隨溫度出現非線性特性。

圖1　室溫下，40 g的GaIn10墨水電阻率隨氧含量的變化曲線(a)，GaIn10墨水電阻率隨測量溫度的變化曲線(b)Fig.1　Electrical resistivity of 40 g GaIn10-based liquid metal ink as a function of oxygen content at room temperature (a) and electrical resistivity of GaIn10-based liquid metal ink as a function of temperature (b)

3液態金屬成形工藝

3.1直寫/打印技術

液態金屬直寫工藝較為簡單，Gao等首次提出通過圓珠筆或者毛筆等簡單工具，將研制的新型液態金屬墨水(GaIn10：90wt%Ga，10wt%In)直寫不同的形狀與圖案在各種柔性或剛性基底上，制備導體元件或互連導線，基底包括環氧樹脂、玻璃、塑料、硅膠、紙張、布料等，如圖2所示[14]。對使用毛筆在打印紙上直寫的液態金屬直線外觀及截面形貌進行SEM觀測分析，直線寬度約為2 mm，厚度約為10 μm，直寫的液態金屬能夠很好地粘附在基底表面。在硅膠板上直寫液態金屬導線互連不同顏色的LED陣列，成功點亮31盞LED燈。在柔性基板上直寫液態金屬導線，互連電源、開關及風扇等元件，使風扇能夠正常工作。

圖2　GaIn10墨水在不同基底材料上的潤濕性:(a)環氧樹脂板；(b)玻璃；(c)塑料；(d)硅膠板；(e)打印紙；(f)棉紙；(g)棉布；(h)玻璃纖維布Fig.2　Demonstrated wettability of GaIn10-based liquid metal ink written on different substrate materials: (a) epoxy resin board; (b) glass; (c) plastic; (d) silica gel plate; (e) typing paper; (f) cotton paper and (g) cotton cloth and (h) glass fiber cloth

可將所需圖案刻在PI薄膜或者打印紙上制成鏤空模板，然后將帶有圖案的模板放在基底材料上，用筆蘸取液態金屬墨水后直寫制得電阻、電容等電子元件[16-17]。Boley等通過液體流量泵控制注射器，在運動基板上直寫出二維液態金屬圖案，如圖3所示[18]。通過注射器還能夠直寫出三維液態金屬圖案，Collin等在室溫下使用注射器直寫液態金屬(共晶鎵銦EGaIn，75wt% Ga和25wt% In)，制備了各種懸空的三維微結構，如高寬比遠大于瑞利不穩定性極限的圓筒、3D點陣列、平面外的拱形結構和導線[12]。向填充有液態金屬的注射器中施加一定的壓力(<5 kPa)，當注射器針頭處形成的液態金屬液滴接觸到基板后，液態金屬表面的氧化層在基板表面鋪開，此時保持壓力不變，向上提升注射器，可以通過針頭和基板之間的拉力將液態金屬拉出形成金屬絲。Collin指出還有另外3種方式來制得3D獨立微結構：①迅速擠出液態金屬形成金屬絲；②堆疊液態金屬液滴；③將液態金屬注入微流道中，同時通過化學方式去除微流道。直寫/噴印技術非常吸引人，可以完全實現自動化，并能利用液態金屬打印任意圖案。

圖3　液態金屬直寫系統: (a)直寫系統整體照片；(b)直寫蛇形導線示意圖，導線長度為L，中心間距為p，系統運動速度v，溶液流量Q，針頭距離基板h0；(c)直寫導線的橫截面示意圖，寬度為W，高度為H，與基板接觸角為θ [18]Fig.3　Direct writing system: (a) photograph of direct writing system; (b) schematic of direct-writing of a serpentine pattern with length L, center-to-center line spacing p, moving speed v, flow rate Q, and needle-to-substrate distance h0; (c) detail cross-sectional view of a written trace of width W, height H, and contact angle θ[18]

Zheng等提出敲擊模式(Tapping-mode)復合流體輸運系統，類似于圓珠筆書寫方式，實現電子器件的高效率和自動化打印，如圖 4所示[19]。通過調節液態金屬墨水的粘附性，克服其高表面張力，利用點膠機直接在紙張上打印出了柔性電路[20]。Arya等利用微接觸打印與圖章刻蝕的組合技術，在橡膠彈性基板上制備了液態金屬電路，實現外接銅導線后封裝整體電路[21]。微接觸打印頭固定在三坐標笛卡爾機器人上，通過在硅橡膠基板上沉積連續的液滴形成圖案化電路。他們同時提出圖章刻蝕技術制備液態GaIn電路，通過GaIn合金墨液池對圖章添墨水，然后將其壓在橡膠彈性基板上實現整個圖案的轉移，但是由于液態金屬對基板表面潤濕不均勻，因此用這種方式制備出來的液態金屬圖案不平整。

圖4　低成本打印機三維示意圖及打印液態金屬原理圖[19]Fig.4　3D schematic diagram of the low-cost printer for liquid metal[19]

常規噴墨打印技術可以實現直徑~20 μm的點，電流體動力噴印可以打印亞微米的點，但是這兩種技術在實際打印過程中需要在無氧環境下進行，否則會造成液態金屬氧化層累積到噴嘴處造成堵塞，因而不能用來直接噴印液態金屬[22-23]。Kim在PDMS側壁鍵合浸潤HCl溶液的紙張，實現了液態金屬電噴印[24]。

3.2微流道注入工藝

向微流道中注入液態金屬的工藝較為成熟，也是柔性微流體電子器件的主流制備工藝。EGaIn能夠在室溫下快速流入并填充微流道，但必須研究EGaIn填充微流道的必要條件和形成結構的穩定性。EGaIn只在微尺度下具有一定可塑性，這導致將EGaIn輸入微尺度流道需要一定的壓力，要求注入壓力超過臨界值，此壓力取決于流道的截面尺寸[5]。微流道注入工藝如圖 5所示，基本過程包括：(1)配置彈性襯底溶液，如Ecoflex或者PDMS；(2)制備含流道圖案的模具和蓋板模具；(3)將溶液導入模具中，并進行固化/半固化處理，然后進行剝離，并將兩塊襯底粘貼在一起；(4)利用注射器向微流道中注入液態金屬，注入完畢后利用膠水堵住注入口。注入工藝操作簡單、可重復性佳，且在撤除注入壓力之后，液態金屬能夠保持結構的穩定性，不會因為注入壓力的撤銷而回縮。這為微流道注射工藝制備微流體電子器件提供了可行基礎，該工藝可用于制備可重構的電路和天線[6, 25]、互聯結構[26-28]、微流體的部件[29]，以及用于電學表征的軟電極[30]。但是需要采用光刻或者快速原型技術制備模具，相對較為費時。

圖5　采用微流道注入技術制備微流體軟性器件示意圖[28]Fig.5　Schematic diagram of injection technique for microfluidic flexible device[28]

通過注射或真空填充方式將液態金屬充入微流道內，冷凍使液態金屬凝固后，使用工具如剪刀等從基底上取下凝固后的液態金屬，并與其他的元器件集成，最后用彈性材料封裝整體器件，這種工藝可以制得復雜的三維電路結構，如圖 6所示[31]。

圖6　EGaIn通過冷凍凝固形成便于操作的幾何結構(a)，封裝在柔性基底中制成的立方體天線(b)、電容(c)的照片，基底的柔性使整個電路可以實現拉伸和彎曲(d)Fig.6　EGaIn can be frozen into geometries with deep features and be safely manipulated (a); the frozen EGaIn can be encapsulated in elastomer to create electronic circuits and devices, such as this cube antenna (b) and capacitor (c); the softness of the elastomer enables these circuits to be stretched and bent (d)

3.3微接觸印刷/壓印

微流道注入工藝可用于制備單輸入單輸出簡單電路，但對于多個交點或者終端的復雜電路，以及覆蓋較大面積的電路并不十分有效。可以利用圖案化模板或掩膜板將合金有選擇性地沉積在橡膠基板上[32]，掩膜版的材料包括銅膜[22]、錫箔[23]、紙張[25]等。這種技術易于實現低成本、大批量制備電子器件，可以用于制備復雜的電路，但每個電路都需要相應的模板，而且電路圖案不能形成閉環結構。微接觸印刷(μCP)通常是軟刻蝕技術中的轉移方法，用于制備圖案化自組織單分子層。μCP可以直接在空氣中進行液態金屬操作，可以相對容易地轉移能與硅橡膠潤濕的液體到硅橡膠表面，但是液態GaIn合金直接轉移到硅橡膠表面具有相當的挑戰。μCP沉積中的液態金屬表面氧化層有助于保持液態金屬的形狀。

壓印工藝是一種十分簡便的圖案化技術，能夠制備非常高分辨率的納米尺度結構，也同樣可以用于液態金屬結構的制備。基本工藝過程如圖 7所示：(1)將PDMS澆注到預制模具中，形成壓印的彈性橡膠模具；(2)在襯底表面涂覆一薄層液態金屬；(3)把刻有圖案的PDMS模板壓在液態金屬表面，對模板施加壓力；(4)液態金屬表面氧化層對模板凹槽有粘附性，將液態金屬印入模板內，然后剝離PDMS模具并進行封裝。該工藝制得的液態金屬線寬可達2 μm，厚度為亞微米級別[33]。

3.4模板印制

模板印刷/絲網印刷是印刷電子制造中最常用的印

刷技術。Jeong等利用模板印刷技術印刷微流體柔性電子器件，將液態金屬印刷到半固態的PDMS基板上，在組裝剛性活性器件之后利用未固化的PDMS澆注進行封裝，具體過程如圖 8所示[32]：(1)在兩塊平面襯底上分別澆注液態金屬和半固化PDMS；(2)將鏤空模板放置于半固化PDMS表面；(3)將液態金屬一面壓向含有模板的PDMS層，并用力推壓刮刀；(4)然后用輥子碾壓含有液態金屬和模板的PDMS表面，然后移除模板；(5)澆注PDMS溶液，并進行固化處理；(6)移除襯底支撐，完成器件制備。所印刷的電路能夠達到200 μm的分辨率，在應變0~60%之間，電阻隨應變線性變化，在以0.5 Hz的頻率拉伸電路1 000次以后電阻并沒有明顯變化，已經用于直接在人體皮膚表面進行印刷RFID天線。除傳統模板印刷外，Jeong等還提出利用霧化噴涂和膠帶掩膜組合工藝，通過給噴槍加壓，將液態金屬噴涂在膠帶掩膜版上，工藝流程為：(1)將掩膜轉印到柔性基底上；(2)在掩膜版基底上霧化沉積液態金屬；(3)去除掩膜版；(4)將有源器件貼裝在電路上然后封裝。利用這種工藝制備了液態電路與剛性芯片混合集成的微流體柔性電子器件[34]。傳統模板印刷工藝效果會受液態金屬合金對基板潤濕性能的影響，但是這種霧化噴涂工藝得到的圖案形貌明顯優于以前的印刷工藝，而且極大地減少了基底材料的選擇性，可適用于各類硅橡膠、紙張、亞克力、聚酰胺等很多種常用柔性基底上。主要原因是該工藝是高密度的液態金屬液滴高速轟擊基板材料，產生巨大的沖擊力，同時由于液態金屬液滴表面的氧化層作用，提高了液態金屬對基板表面的潤濕性，從而更容易圖案化。

材料表面潤濕性也可以作為模板，利用掩膜沉積和液態金屬的選擇性潤濕性制備了超彈性電路，整個液態金屬電路嵌入在彈性薄膜內部。工藝步驟主要包括[35]：(1)通過光刻工藝將PDMS上的錫箔進行圖案化；(2)在PDMS彈性體表面旋涂一層PAA(聚丙烯酸)犧牲層；(3)濺射金屬銦，使用丙酮清洗表面，去除光刻膠；(4)填充Galinstan合金，Galinstan選擇性地填充在濺射有金屬銦的表面；(5)用工具去除多余的Galinstan，并用水去除剩余的PAA犧牲層；(6)冷凍使其凝固后在表面旋涂PDMS進行封裝。這種方法充分利用了GaIn合金的低熔點和可控潤濕性動力學行為，以及利用表面氧化層制備不規則、懸空的微米尺度結構，免去了人工注入填充的過程，可以實現更加復雜的圖案，并能夠基于GaIn材料的液態嵌入式橡膠電子自動化、高效率生產。這種方法可以實現液態金屬導線接口小于200 μm，導線邊界之間的距離小至25 μm。

圖7　EGaIn合金壓印工藝示意圖Fig.7　Schematic description of imprinting of the EGaIn

圖8　模板印刷工藝示意圖[32]Fig.8　Schematic diagram of stencil printing process[32]

3.5激光加工

由于材料的不兼容性，金屬直接在純PDMS薄膜上進行圖案化會出現粘附性差、器件失效等問題[36]，向PDMS中摻入碳納米管等導電微粒可以解決該問題[37]。Tong等通過CO2激光加工方式直接對摻有導電微粒的PDMS薄膜和EGaIn金屬進行圖案化，經CO2激光局部加熱后的PDMS薄膜上下層蒸發從而帶走EGaIn，從而形成圖案，如圖 9所示：(a)在液態金屬合金薄膜表面旋涂一薄層PDMS，防止液態金屬被氧化；(b)用激光對液態金屬局部加熱；(c)被加熱處底層和頂層PDMS汽化蒸發；(d)上下層PDMS蒸發產生的氣壓差超過液態金屬表面氧化層的表面張力時，蒸汽會刺穿液態金屬薄膜，液態金屬隨之一起蒸發。采用功率30 W的CO2激光，可加工出線寬0.1~1 mm的柔性電路[38]。

圖9　激光加工圖案化液態金屬示意圖Fig.9　Schematic diagram of direct laser patterning liquid EGaIn alloy

4器件及應用

4.1基礎元件

長期以來，汞被看作唯一的一種可用的高導電液體。在許多微流控應用中，將汞作為離散液滴來使用[39]，開關就是其中的一種[40]。在微流控射頻設備中，將交換器中的汞用聚四氟乙烯溶液中的鎵銦錫合金液滴替換是一項探索性的研究[41]。其利用微型制造的共面波導體作為基質，上面由PDMS制造的微流通道覆蓋著，而聚四氟乙烯溶液和鎵銦錫合金液滴充滿整個通道，如圖10a所示。利用氣動調諧，可以改變合金液滴的位置而精確地控制開關的開和閉。液體合金液滴的引入顯著地減少了導通狀態下入射功率的反射，同時保留了優良的截止狀態表現。通過移動液滴的位置，其電容隨之發生改變，這可以用來調整固有頻率。該原理和二階的帶通響應原理相結合，使其具有更寬的調頻帶寬，如圖10b所示。

圖10　液態金屬(液滴)元件工作原理示意圖：(a)射頻開關；(b)接觸面可變電容Fig.10　Schematic diagrams of working principle of liquid-metal (droplet) components: (a) RF switch, and (b) capacitance of variable contact surfaces

液滴開關是較為簡單的微流控電子元件，可以通過液滴開關來控制其它元件，而此時各基礎元件之間的連接是必不可少。以具有彈性的微流體通道作為模具，向其中澆注高導電率的液體合金，則可以制作類似于傳統電子設備中的固態金屬線的連接，但這種連接在拉伸、彎曲、扭轉狀態下仍能保持良好的電學性能，如圖11a所示[27]。Koo等人設計了一種基于微流體的半導體元件，其將銀和共晶鎵銦合金兩種液態金屬，通過表面形成的氧化層結合在一起，如圖11b所示[29]。經過測試，這種元件能夠起到整流的作用，其整流比高達90~180。根據其特點，其有可能代替傳統半導體，用于生產二極管和憶阻器[42]。

以彈性微流體通道作為模具，向其中澆注高導電率的液體合金，制作出一種多相的、可伸縮的、不對稱的環狀天線。這是第一次利用微流控技術制作的液體合金天線[25]。經過測試，在非拉伸狀態下，該天線的上輻射臂測量為56.4 mm,對應的共振頻率是2.7 GHz，而有效輻射臂長度和液滴合金存在一定關系。根據天線理論，假定有效介電常數趨近于1(由于PDMS薄膜的影響可以忽略不計)，天線的共振頻率f由上通道的總長度決定，因此實際的共振頻率會稍微小于設計的共振頻率。隨著可伸縮天線的上輻射臂增長，共振頻率會降低。由于微流道中的液體合金的高導電性和大的橫斷面，天線具有低導熱損失和高輻射效率等優點。電氣測量表明，在頻率小于2.4 GHz時，即使天線伸長了40%，天線的輻射效率通常保持在80%以上。除了這種單極子天線，另一種雙極子天線也正在研究中，并且也證明其具有良好的伸展性[43]。黃永安等人就設計了一種基于微流控的雙極子天線，其將液態金屬天線嵌入到Ecoflex中，制作了一種可逆拉伸、機械調頻的雙極子天線，這種天線即使在拉伸的狀態下也保持了穩定的共振頻率[28]。

圖11　液態金屬(連續金屬)元件：(a)液態合金連接；(b)新型憶阻器Fig.11　Liquid metal (continuous metal) components: (a) liquid metal connections, and (b) new memory resistor

天線的共振頻率與其物理尺寸成線性反比的關系，隨著天線的伸長其共振頻率通常會降低，因此在拉伸的工況下天線的共振頻率會明顯降低。在實際制作中，平面倒錐天線具有良好的寬波段性能，它的平面結構適合需要變形的場合，比如折疊、扭轉和伸長。可拉伸的平面倒錐天線具有葉狀的輻射體和巨大的地線層，以及超寬帶頻率，范圍從3.1~10.6 GHz，它是通過在彈性渠道網絡中注入液體合金來制造的[44]。結果表明該天線在頻率高于3.4 GHz,伸長40%時仍具有良好的阻抗匹配性。當天線分別處于放松狀態和伸長狀態時，天線的共振頻率分別為2.5 GHz和5 GHz時，此時阻抗仍能相應的匹配。在2.5 GHz頻率下，天線處于放松狀態下和伸長40%的狀態下的輻射場型會有輕微的變化，然而并沒有發現顯著的減小。在5 GHz的時候，卻會有稍微大的變化，但仍在合理的變化范圍內。因此，當天線伸長時，雖然在低頻段時，輻射效率會減少，但是仍然超過70%。

在天線的設計中，三維的電小天線受到眾多的青睞，因為它具有較小的尺寸，在一些對尺寸要求越來越高的便攜式的裝置和終端中越來越受到關注。然而，利用傳統的平面制造技術很難制造三維電小天線。隨著技術的進步，三維電小天線的制造越來越簡單，例如利用3D打印和氣動轉印種子金屬層然后采用電鍍模式制造三維電小天線。然而，這樣的方法制造成本高昂、天線輻射效率低下、共振帶寬狹窄。為了解決上述問題，Jobs等設計了一種球冠形的電小天線，它的中心固有頻率可以機械地進行調整。由于微流體合金回路具有良好的延展性、PDMS具有高度的伸縮性，利用氣力使具有液態合金螺旋的平面PDMS變形為3D球冠電力天線，如圖12a所示。測量結果表明其中心頻率在426~542 MHz范圍內變動，調頻范圍由48 MHz變化到9 MHz，其反射系數分別為-25.6 dB和-6.5 dB。但當它接近于平面時，效率快速下降。與平面時帶寬為2.4%相比，半球殼膨脹點的帶寬高達14.4%，如圖 12b所示。

圖12　可調諧3D電小天線：(a)天線制作的原理圖；(b)天線的反射系數和頻率響應圖Fig.12　Frequency tunable 3D electronically small antenna: (a) schematic diagram of the fabrication of the antenna, and (b) diagram of antenna reflection coefficient and frequency response

4.2集成傳感器

如今，我們的身體暴露在各種各樣的電磁場中，測量這些電磁場并提醒在可能對人體健康帶來損害的強電磁場下工作的專業人員非常重要，尤其是孕婦等高危人群。軟輻射傳感器能夠在有損健康的環境中發出警告信號，這將解決上述問題。隨著越來越多現代無線通訊系統的出現，電磁場不斷增強，很有可能對高危人群的健康造成威脅。根據局部硬化單元概率，設計了一種新型的輻射傳感器[45]。該傳感器包括了3個子模塊，3個子模塊都完全嵌入到拉伸基底中，包括：接收微波輻射的天線、把接收到的微波轉換成為相應的直流電信號的微波能量探測單元和LED顯示器。為了模擬高度暴露在電磁場中的情況，將連接有微波信號發生器的角狀天線放置在離微波輻射傳感器幾米遠的地方。實驗數據顯示當微波的輸入由-55 dBm變化到-15 dBm時，傳感器呈現線性特性。這意味著微波的輸入和相應的輸出直流電壓之間的關系很容易通過仔細的校核進行差值。在微波探測器中，輸出的1.76 V對應的微波輸入為-28 dBm，即當微波的輸入高于28 dBm時，LED顯示器保存其狀態不變。當天線既不松弛也不拉伸時，可以探測到5 m遠微波輻射。

為了能實現遠程實時監控各種生理參數，如體溫、心率、加速度、重力、機械壓力和運動，自組織無線身體區域網絡將在未來醫療中發揮重要的作用。然而，當在較大的曲面或運動件上工作時，普通的微縮傳感器的效果不好。因此，有必要開發新的大面積的可拉伸無線人體局域網[32]。為了驗證該類型無線人體局域網的可行性，作者團隊研發了微流控大面積可逆拉伸無線壓力傳感器，其大小為110 mm×80 mm，如圖 13所示。該傳感器本身包含兩部分：電壓用來控制波動以及產生共振微波信號；天線用來轉換微波波動信號。并且還有一個接收器，用來檢測傳感器測得的實時數據。這種設計和輻射傳感器非常相似，唯一的區別是轉換的電壓由計算機定量記錄而不是用LED來定性顯示。傳感器所發射的無線電波的強度的變化可以通過接收器進行跟蹤，并通過所連接的計算機進行實時記錄。通過校準這種對應關系，我們可以讀取在接收器中所記錄的信息——在外加負載下所得到的響應直流電壓。并且，由于液態合金具有很高的流動性，在除去所施加的負載后其沒有滯后性，使得我們可以觀察到期望得到的實時測量值。

圖13　大面積應力無線傳感器：(a)集成傳感器實物圖；(b)傳感器隨時間的響應曲線Fig.13　Large-area wireless strain sensor: (a) photograph of the wireless strain sensor and (b) the response of the sensor with time

為了驗證這一假說，作者團隊在集成傳感器中手動引入頻率在0.1左右的循環負載。首先將傳感器自由放置5 s，然后水平地伸展直到大約擴張了15%左右并保持5 s。接收機連續測量傳感器受到上述機械應力所產生的直流電壓響應，并最終記錄在計算機中。最終測得的電壓從最初的1.55 V變化到1.28 V左右。測得的結果表明，在去除所施加的負載后，無線應變傳感器每次都會迅速地返回它的原始狀態，沒有觀察到任何滯后。總之，這種集成了機械式可重構天線的傳感器不僅可以檢測大面積、高強度的壓力，而且能通過無線電實時發送測得的結果。更重要的是，除了可以用于大面積的測量外，它不需通過線路連接任何外部儀器，用于人體傳感器時不會給人們日常生活帶來不便。該傳感器為創造更符合人體工程學的可穿戴電子提供了新的可能性。

如今，隨著計算機成本的不斷降低，人們將可穿戴電子產品和家用電器無線傳感器連接到物聯網上。當無線人體局域網的傳感器連接到我們人體時，這種傳感器更加具有吸引力。這樣的傳感器的最基本功能就是特異性。通過批量生產技術，證實了一種超高頻的無線頻率身份標記[34]。在松弛和拉伸狀態下(拉伸20%)，這種傳感器在13.95 m內被識別到。機械拉伸試驗表明，它經過1 000次重復拉伸都不會被破壞，并且其機械或電學性能沒有任何顯著的下降，如圖14所示。與供應商提供的參考樣本做比較，證明了這種基于可拉伸的微波ID微流控芯片所承受的負載要比樣本高出50%。

圖14　微流體無線電力傳輸裝置：(a~c)制作過程實物圖；(d)其功率隨頻率的變化曲線Fig.14　Microfluidic wireless power transmission device: (a~c) schematic illustrations of the fabrication process and (d) power efficiency variations curves with frequency

兼容可變形人體以及人體電磁場干擾的無線傳感器系統是可拉伸/順形電子最吸引人的特點。像任何其他的便攜式設備或系統，其相關的能量供應和存儲設備是其技術瓶頸，也對這些設備的伸縮性提出了巨大的挑戰。例如，如今的無線人體局域網傳感系統是基于剛性和柔性材料并且需要有一個笨重的電池，其服務時間仍然有限，這些是拉伸/順形電子所不能接受的。因為，在人體上實現完全集成的可拉伸/順形系統之前，電源模塊是需要克服的巨大障礙。采用新開發的制造技術，在PDMS上噴霧沉積合金液電路的無線電力傳輸裝置可以在0%和25%應變之間循環1 000次。由于液態合金的高導電性和可靠的制造技術，制造出來的低電阻線圈的阻值為8.1 Ω，線圈的寬為600 μm，厚為120 μm，長為82 cm。這是首次利用液態合金獲得如此高的電導率，和由銅制成的類似尺寸的參考線圈的性能相當。進一步改進和優化這類技術為制造獨立、完整的裝置或在皮膚上植入智能系統、實現人機交互提供了新的可能性。

5結語

得益于液態合金良好的流動性和高導電性，柔性微流控電子在加工工藝、應用開發等方面都得到了很好的發展，預期在機器人表面皮膚設計、可穿戴電子設備、嵌入式電子設備、航天通信系統等領域產生廣泛影響。然而總體上來講，該領域還處在一個早期的發展階段，許多的認識還停留在初期的階段，尤其是功能材料研發和力學可靠性等方面亟需更進一步的探索，同時在器件規模化應用方面也需要有一個積極的突破口，從而帶動更多更廣泛領域的研發人員的積極參與，迎接柔性電子所帶來的重大機遇與變革。

參考文獻References

[1]Whitney R.JournalofPhysiology[J], 1949, 109 (1-2).

[2]Shan W L, Lu T, Majidi C.SmartMaterialsandStructures[J], 2013, 22 (8).

[3]Collin B Er, Michael D D.Proc.SPIE9467,Micro-andNanotechnologySensors,Systems,andApplicationsVII[C]. 2015: 946708.

[4]Dickey M D.AcsAppliedMaterials&Interfaces[J], 2014, 6 (21): 18 369-18 379.

[5]Dickey M D, Chiechi R C, Larsen R J,etal.AdvancedFunctionalMaterials[J], 2008, 18 (7): 1 097-1 104.

[6]So J H, Thelen J, Qusba A,etal.AdvancedFunctionalMaterials[J], 2009, 19 (22): 3 632-3 637.

[7]Cheng S, Wu Z.LabonaChip[J], 2012, 12 (16): 2 782-2 791.

[8]Liu T Y, Sen P, Kim C J C J.JournalofMicroelectromechanicalSystems[J], 2012, 21 (2): 443-450.

[9]Kocourek V.ThesisforDoctorate[D]. Universit?tsverlag Ilmenau, 2008.

[10]Wang L, Liu J.ProceedingsoftheRoyalSocietyA-MathematicalPhysicalandEngineeringSciences[J], 2014, 470 (2172).

[11]Cademartiri L, Thuo M M, Nijhuis C A,etal.JournalofPhysicalChemistryC[J], 2012, 116 (20): 10 848-10 860.

[12]Ladd C, So J H, Muth J,etal.AdvancedMaterials[J], 2013, 25 (36): 5 081-5 085.

[13]Pourbaix M.AtlasofElectrochemicalEquilibriainAqueousSolutions, 2nded[M]. Houston: National Association of Corrosion, 1974.

[14]Gao Y X, Li H Y, Liu J.PlosOne[J], 2012, 7 (9).

[15]Gao Y X, Liu J.AppliedPhysicsA-MaterialsScience&Processing[J], 2012, 107 (3): 701-708.

[16]Gao Y X, Li H Y, Liu J.PlosOne[J], 2013, 8 (8).

[17]Wissman J, Lu T, Majidi C.Sensors[J], 2013.

[18]Boley J W, White E L, Chiu G T C,etal.AdvancedFunctionalMaterials[J], 2014, 24 (23): 3 501-3 507.

[19]Zheng Y, He Z Z, Yang J,etal.ScientificReports[J], 2014.

[20]Zheng Y, He Z Z, Gao Y X,etal.ScientificReports[J], 2013.

[21]Tabatabai A, Fassler A, Usiak C,etal.Langmuir[J], 2013, 29 (20): 6 194-6 200.

[22]Lee S, Song J, Kim H,etal.JournalofAerosolScience[J], 2012.

[23]Jayasinghe S N, Qureshi A N, Eagles P A M.Small[J], 2006, 2 (2): 216-219.

[24]Kim D, Yoo J H, Lee Y,etal. 2014Ieee27thInternationalConferenceonMicroElectroMechanicalSystems(Mems)[C]. 2014,971-974.

[25]Cheng S, Rydberg A, Hjort K,etal.AppliedPhysicsLetters[J], 2009, 94 (14): 144 103.

[26]Park J, Wang S D, Li M,etal.NatureCommunications[J], 2012, 3.

[27]Kim H J, Son C, Ziaie B.AppliedPhysicsLetters[J], 2008, 92 (1): 011 904.

[28]Huang Y A, Wang Y Z, Xiao L,etal.LabonaChip[J], 2014, 14 (21): 4 205-4 212.

[29]So J H, Dickey M D.LabonaChip[J], 2011, 11 (5): 905-911.

[30]Siegel A C, Tang S K Y, Nijhuis C A,etal.AccountsofChemicalResearch[J], 2010, 43 (4): 518-528.

[31]Fassler A, Majidi C.LabonaChip[J], 2013, 13 (22): 4 442-4 450.

[32]Jeong S H, Hagman A, Hjort K,etal.LabonaChip[J], 2012, 12 (22): 4 657-4 664.

[33]Gozen B A, Tabatabai A, Ozdoganlar O B,etal.AdvancedMaterials[J], 2014, 26 (30): 5 211-5 216.

[34]Jeong S H, Hjort K, Wu Z G.ScientificReports[J], 2015, 5.

[35]Kramer R K, Majidi C, Wood R J.AdvancedFunctionalMaterials[J], 2013, 23 (42): 5 292-5 296.

[36]Lim K S, Chang W J, Koo Y M,etal.LabonaChip[J], 2006, 6 (4): 578-580.

[37]Yu M F, Lourie O, Dyer M J,etal.Science[J], 2000, 287 (5453): 637-640.

[38]Lu T, Finkenauer L, Wissman J,etal.AdvancedFunctionalMaterials[J], 2014, 24 (22): 3 351-3 356.

[39]Dickey M D, Chiechi R C, Larsen R J,etal.AdvancedFunctionalMaterials[J], 2008, 18 (7): 1 097-1 104.

[40]Sen P, Kim C J.IeeeTransactionsonIndustrialElectronics[J], 2009, 56 (4): 1 314-1 330.

[41]Peroulis C.IEEETransMicrowTheoryTech[J], 2007, 55 (12): 2 919-2 929.

[42]Koo H J, So J H, Dickey M D,etal.AdvancedMaterials[J], 2011, 23 (31): 3 559-3 564.

[43]Cheng S, Wu Z G, Hallbjorner P,etal.IeeeTransactionsonAntennasandPropagation[J], 2009, 57 (12): 3 765-3 771.

[44]Khan M R, Hayes G J, So J H,etal.AppliedPhysicsLetters[J], 2011, 99 (1): 013 501.

[45]Cheng S, Wu Z G.AdvancedFunctionalMaterials[J], 2011, 21 (12): 2 282-2 290.

(編輯惠瓊)

Flexible Microfluidic Electronics: Materials,Processes and Devices

YIN Zhouping, WU Zhigang, HUANG Yongan

(State Key Laboratory of Digital Manufacturing Equipment and Technology, Flexible Electronics Research Center,

Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

Abstract：Microfluidic technology is an emerging technology of controlling, operating and detecting complex fluid under microscale. With the combination of flexible electronic technology, a new flexible microfluidic electronic technology is developed, which is expected to play an important role in the fields of deformable electrodes, wearable electronics, flexible antennas and others. At present, the liquid metal used in microfluidic electronic technology, due to its liquid state at room temperature and large surface tension characteristics, faces many challenges in the material, process and equipment. This paper focuses on the configuration and properties of liquid metal, the fabrication processes and characteristics of microfluidic electronics, and the advanced applications of flexible microfluidic electronics. Finally we prospect the flexible microfluidic electronic technology and the main challenges.

Key words：flexible electronics; liquid metal; microfluidic; wireless sensor; liquid antenna

中圖分類號：TN05

文獻標識碼：A

文章編號：1674-3962(2016)02-0108-10

DOI:10.7502/j.issn.1674-3962.2016.02.04

基金項目：國家自然科學基金(51175209，51575216)

收稿日期：2015-09-08

第一作者：尹周平，男，1972年生，教授，博士生導師，Email: yinzhp@mail.hust.edu.cn