高保真叶脉仿生学微电路的工艺设计以及电传输性能论证与理论研究

The goal of this project is to develop novel methodology to design leaf-inspired microcircuit which may improve overall efficiency of the electrical system; to establish a new microfabrication method for the high fidelity biomimetic circuit system; to raise the hypothesis of the conductance efficiency of the vein type circuit system, and to finally realize the standard model of the vein-like circuit design through systematic analysis; and thus, to further establish both the theoretical foundation and experimental basis which can provide technology and methodology support for the study of microvascular circuit and biomimetic design and application. The main content of the research include: the soft-lithographic mounding of biomimetic circuit from a dozen leaves of different plants, the establishment and optimization of circuit processing technology (including new method to reversibly bond leaf-inspired chip, bubble-free injection of electrode material, conductivity of injection material by polymer carbonation or chemical plating); conductance efficiency analysis of the leaf-inspired circuit system; systemic mechanism demonstration of bionic circuit.

本课题的研究目标是发展基于天然叶脉形状的微电路设计方法，提高系统整体的电导效率；建立高保真度的仿生学电路系统设计加工的新方法；提出叶脉型电路系统电导效率的的假说，进一步通过系统论证，最终实现广义微脉管微电路设计标准化模型；为仿生微脉管电路研究奠定理论与实验基础，并为集成化微脉管电路系统的研制、设计与应用，提供技术、工艺和方法的支持。课题的主要研究内容包括：直接以十几种不同植物的叶片为模板，实现仿生电路结构成型关键技术研究，建立和优化电路加工技术（包括提出叶脉芯片可逆连接的新方法，电性材料在叶脉芯片中的无气泡填充，电性材料通过化学镀、碳化等反应的导电化）；仿生叶脉电路系统电导效率的分析；仿生电路机理的提出与系统论证。

柔性电路板广泛用于智能消费电子设备。本项目研究成功一种新的柔性电路板加工工艺方法，该方法不同于传统的蚀刻和丝网印刷方法，传统的蚀刻和丝网印刷方法通常依靠丝网印刷的导电油墨作为导体在介电膜中形成所需的电路。 基于空气扩散机制，将液态金属直接注入生物相容性聚合物微芯片，以防止电路板直接暴露于外部环境，进一步对电路在复杂网络的全填充流体工艺控制方法的相关压力参数进行了优化, 并成功应用于连续流动PCR核酸检测芯片系统。在可逆封合的叶脉芯片之中，系统测试了基于不同电导材料填充叶脉芯片之后所形成的仿生学结构，完成了多种导电仿生电极的工艺的探讨，从而初步建立了多种材料的电型叶脉芯片工艺，并在多种填充材料中进行对比发现，通过液态金属作为导电介质可以保持非常高保真的仿生结构立体构型。通过共聚焦电子扫描镜以及荧光显微镜对管道在二维平面以及三维立体管道截面双重分析发现在微米以及纳米级别均保持较好的仿生学叶片叶脉结构保真度, 达到了课题所提出的高保真度微管道电极结构构建的目标。所生产的液态金属电路板具有良好的导热性，因为镓的导热性约为水的60倍，比空气的导热性高1000倍。此外，液态金属电路板具有良好的延展性和可重复性，这是满足大多数电气应用中所经历的极端变形所必需的。该方法可以制作不规则的电路板和复杂的图形，通道长度可达4 μm，通道宽度可达30 μm。该方法不仅可以解决传统电路板难以修改和修复的问题，而且可以有效地保护电路，实现电路的高保真。通过增加压力来封装微流体结构，实现高分辨率、高效率、高密封度的任意三维柔性液态金属电路板的制造策略。使用该方法制备的电路板具有良好的导电性和导热性，以及良好的恢复性、稳定性和延展性，并且能够防止电路被破坏。经过多次弯曲、拉伸和加热过程，电导率的变化非常小，这意味着它可以用于电子元件。由于其良好的生物相容性，可以极大地促进可穿戴设备和柔性显示器的发展。