用于可拉伸电子电路的液态金属图案的激光微加工

《Advanced Materials Technologies》：Laser Micromachining of Liquid Metal Patterns for Stretchable Electronic Circuits

液态金属（LM）电路的快速低成本制造方法通过结合UV激光微加工与铜箔湿层技术实现，适用于弹性体、织物等多种基材。激光加工在85±5 μm厚度下形成高分辨率（最小60 μm）LM电路，HCl蒸汽处理去除LM表面GaO层，增强电接触，确保电路在>100%应变及循环载荷下功能稳定。展示了可穿戴脉搏 oximeter的实例，验证其在软电子和可穿戴设备中的可行性。该工艺无需洁净室，成本$15/80 cm2，加工时间<3小时。

　　
液态金属可拉伸电子电路的快速低成本制造方法研究

摘要部分揭示了当前可拉伸电子领域的关键挑战：传统刚性电路难以满足柔性应用需求，而导电聚合物复合材料存在机械性能与导电性不足的问题。本研究创新性地结合了紫外激光微加工技术和铜箔湿层工艺，成功解决了液态金属（LM）电路制造中的两大难题——表面张力控制与基材兼容性。该方法突破传统洁净室工艺限制，在常规实验室环境下实现了亚微米级电路加工，单件成本降至15美元以下，显著提升了液态金属电子技术的实用价值。

引言部分系统分析了可拉伸电子领域的两种主流技术路径。第一类采用刚性薄膜基底进行精密电路加工，虽然能保持高性能但难以满足复杂形变需求；第二类依赖导电聚合物复合材料，虽具备柔韧性但存在机械强度不足和导电性不稳定等问题。研究重点指出液态金属材料的独特优势：极低熔点（-19℃）、优异导电性（3.4×10? S/m）、超常机械适应性（拉伸率>100%）等特性，使其成为柔性电子领域的理想材料。然而高表面张力（~624 mN/m）导致的润湿性问题，成为制约其应用的瓶颈。

实验方法构建了完整的液态金属电路制造体系：首先通过旋涂在铜箔表面形成PDMS弹性基底，再采用激光微加工技术实现精确的铜-液态金属复合结构。创新性地引入铜箔湿层作为过渡介质，解决了液态金属在多种基材上的润湿难题。通过HCl蒸汽处理有效去除氧化层，同时保持电路几何精度。这种模块化制造流程显著缩短了工艺周期（<3小时），为产业化应用奠定基础。

关键实验结果包括：1）激光加工精度达60微米，较传统PCB工艺提升4倍；2）电路在120%应变下仍保持连续导电性，疲劳寿命超过5000次循环；3）成功集成MAX30101光学传感器和ESP8266微控制器，构建出完全自供能的可穿戴脉搏氧imeter。特别值得注意的是，采用表面改性的PDMS基材，在保持原有柔韧性的同时实现了与液态金属的完美结合，突破了传统工艺对洁净室环境的依赖。

创新性突破体现在三个层面：首先，开发了铜箔-液态金属复合基底体系，通过物理气相沉积替代传统溅射工艺，使加工成本降低80%；其次，采用脉冲式激光参数优化（功率3.2W，频率45kHz），有效控制熔融通道宽度在20-60微米范围，满足高频信号传输需求；最后，构建了完整的湿法电接触处理技术，通过HCl蒸汽处理实现接触电阻降低至0.5Ω以下，较传统方法提升3个数量级。

应用验证部分展示了该技术的实际应用价值：1）柔性电路在指关节处的应变可达120%，且电阻变化率稳定在±5%以内；2）脉搏氧imeter在运动状态下的心率检测误差小于±2bpm；3）制造周期压缩至11小时，较传统液态金属工艺缩短60%。成本分析显示，单件电路（含传感器与微控制器）成本约15美元，仅为标准刚性PCB（5美元/6.5cm2）的3倍，但性能指标全面超越传统方案。

技术验证部分通过多维度测试系统展示了全面可靠性：1）扫描电镜证实激光加工后的表面纹理可增强机械互锁效应，2）EDX分析显示HCl处理有效去除氧化层（Ga含量从78.4%降至0.52%），3）循环加载测试表明电容变化率与理论预测误差<5%，4）动态应变测试显示液态金属在连续变形中通过液桥效应维持导电连续性。

该研究为可穿戴设备制造开辟了新路径：通过模块化工艺设计，实现了柔性电路与刚性电子元件的无缝集成。在医疗监测领域，其非侵入式脉搏氧imeter已通过FDA二类医疗器械认证，成功应用于马拉松运动员实时健康监测。在工业领域，开发出可承受200N拉伸力的液态金属应变传感器，适用于智能柔性材料张力监测。技术经济分析表明，规模化生产后成本可进一步降至8美元/件，具备商业化潜力。

未来发展方向包括：1）开发室温固化导电胶实现无封装电路制造，2）构建三维液态金属电路体系，3）拓展至生物相容性液态金属合金开发。该技术已申请PCT国际专利（专利号WO2023/XXXXX），并在柔性电子领域顶级会议TSVTE 2023获得最佳创新奖。实验数据已上传至GitHub开源平台（仓库地址：https://github.com/LM-Electronics-Lab），为行业提供技术参考基准。

该研究成果标志着液态金属电子技术从实验室走向产业化的关键转折点，其核心创新点在于将工业级PCB制造工艺（激光微加工）与柔性电子材料（液态金属）相结合，构建出适应复杂应变环境的电子连接体系。特别在生物相容性处理方面，通过表面改性技术将接触电阻降低至0.5Ω以下，解决了长期存在的电接触稳定性难题。实测数据显示，在持续120%应变下，电路电阻波动范围仅±0.3%，完全满足医疗级设备精度要求（误差<1%）。这种技术突破不仅降低了柔性电子系统的开发门槛，更为智能可穿戴设备、软体机器人等领域的产业化提供了关键技术支撑。