MEMS融合瞬态电子技术迎突破，清华校友研发新型微机电系统和封装策略，让高集成度可降解芯片“照进现实”

蒙城，是安徽省亳州市的一个下属县，也是庄子的故里。2012 年，来自该县蒙城一中的杨权三以 677 分的高考成绩，成为全市理科第一，后就读于清华大学“钱学森力学班”。这是国家“基础学科拔尖学生培养试验计划”唯一定位于工科基础的试验班。

2021 年，在“柔性电子之父”、美国西北大学“五院院士”约翰·罗杰斯（John A. Rogers）教授课题组，杨权三获得了机械系的博士学位。

图 | 杨权三（来源：杨权三）

目前，他在麻省理工学院（MIT）做博后研究，师从生物工程系教授爱德华·博伊登（Edward S. Boyden）和机械工程系教授彼得·苏（Peter T.C. So），主要研发三维微纳加工技术，以为光学、材料、和生物等研究提供反应场所。对于更长远的打算，其表示：“如果有合适的机会，我希望入职国内的职位。”

时隔十年，回望当初全市第一的高考成绩，杨权三说：“来到大学后，还是意识到了自身的很多不足。身边有太多优秀的人，而且优秀得各不相同。不过无论是学习、科研、或是生活，并非争到第一才是好的。依照自己的兴趣，做自己喜欢的事，收获自己努力后的成果，这也是很开心的。”

而在前不久，其担任第一作者的新论文发表在 Nature Electronics 上。研究中，他把微机电系统（MEMS, microelectromechanical systems）成功带入可降解电子器件的“大家庭”中。不过，距离真正应用高性能高集成的可降解电子器件，依然有很长的路要走。

他表示：“在接下来几年里，我们希望把这个 concept 传递给其他研究者，吸引 MEMS 的研究者和 CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体）的研究者，可降解柔性电子领域进行的思维碰撞，为迈向高性能、高集度的可降解芯片而努力。”

（来源：Nature Electronics volume 5, pages526–538 (2022)）

把微机电系统引入瞬态电子器件“大家庭”

概括来说，此次工作解决了领域内存在多年的重大挑战。瞬态电子技术，也叫可降解电子技术。鉴于在医疗健康和环境保护方面的重要意义，它在近十年内获得了大量关注。

在医疗健康方面，当将其植入体内后，瞬态电子会在特定时长内持续发挥功能。待病人康复后，可在体内自行降解并被吸收，无需进行二次手术来取出器件，避免了二次手术引起的感染风险，也降低了医疗成本。

在环境保护方面，瞬态电子可以自行在环境中降解，从根本上降低了电子垃圾/电子废物对于当今环境的损害。

近几年来，学界在瞬态电子技术上取得了重大进步，通过它人们也在电路和半导体器件上实现了重大突破。

然而，要想真正实现与商用成熟产品相媲美的瞬态电子器件，就要解决一个重大难题：即如何把微机电系统引入到瞬态电子器件的“大家庭”中来。

在移动电子领域，MEMS 器件起着至关重要的作用。全球范围之内，每年大约有 300 亿个微机电器件被生产出来。然而，到目前为止并没有任何关于瞬态微机电系统的报道，这主要是因为微机电系统通常采用单微米级别的三维硅基的悬浮结构，通过这些悬浮的三维机械机构的运动或振动来实现相关功能。

常见案例有手机里的加速度计、陀螺仪、谐振器等。这些结构本身就十分具有挑战性，把这些结构和材料变成可降解的并实现相似的性能，更是难上加难。

然而，只有把微机电 MEMS 系统引入瞬态电子器件库，才能真正借助瞬态电子的技术平台，来制备与商用成熟产品相媲美的器件。

除了 MEMS 器件的本身难点之外，MEMS 的封装也是领域内“旷日持久”的一个重大难题。因此，要想做出可降解的功能型 MEMS，还得同时针对可降解 MEMS，研发封装材料和封装策略。

故在该研究中，主要难点有三：

其一，在材料和器件结构层次：如何寻找到合适的可降解材料和策略，来构建高性能微机电系统；

其二，在转印和集成策略层次：如何将这些可降解 MEMS 和之前被研发出来的可降解 IC（IC, integrated circuits）/CMOS 集成在一起，来构建一套柔性的可降解系统；

其三，封装材料和策略层次：如何对脆弱的可降解 MEMS 进行封装，以便在环境保护和医疗健康方面实现安全使用。

在材料和器件结构层次上，杨权三所在课题组此前发现，硅的微米级乃至纳米级的薄膜，可以在体内或者环境中缓慢降解，因而用于 MEMS 的单晶/多晶硅，故可被认定为一种可降解材料。

除了硅这个核心材料，他和同事采用氮化硅、二氧化硅作为绝缘层，同时使用钨和钼作为导电层，所有这些材料都可以被降解。

在转印和集成策略层次上，为了制备高性能的可降解电子器件，研究小组在工业化成熟的硅基基底上进行了器件制备。

然后，利用各向异性的刻蚀将 MEMS 器件下面的硅除去，让 MEMS 器件变成悬浮状，仅留下四条氮化硅条带连接周围的、未被刻蚀的硅基底。

之后，通过课题组自研的转印工艺，利用聚二甲基矽氧烷（PDMS，Polydimethylsiloxane）将可降解的微机电系统，转移到可降解的柔性聚合物基底上。接着，再通过相似的工艺转印 CMOS，这样就能制备出来柔性 MEMS-CMOS 集成的可降解芯片。

（来源：Nature Electronics volume 5, pages526–538 (2022)）

在封装材料和策略层次上，MEMS 在环境和体内的工作有三大难点：

第一，当 MEMS 在环境里或者在体内，由于组织器官的摩擦以及血液组织液的流动，十分容易被损坏。而 MEMS 因此产生的无机碎片的几何尺寸，处于单微米的尺度上，很容易对细胞和组织产生损坏；

第二，对于一些接触式的 MEMS 器件比如粘度计，核心硅基结构需要一直浸没在生物组织液里来测量其浓度，难点在于如何让核心结构在接触组织液的同时，长期保护核心硅基结构；

第三，也是所有生物电子器件都会遇到的难题，即如果稳定地把器件固定在生物组织的某一个特定位置上，从而进行长时间的精确测量？

针对于这些挑战，杨权三分别针对非接触式和接触式的可降解 MEMS，开发出两套可降解的封装系统。对于非接触式的 MEMS，比如加速度计或者陀螺仪，他和所在团队采用可降解的生物蜡来作为坚固的器件封装，从而让 MEMS 器件能够稳定运行数天之久。

针对于接触式的 MEMS 比如黏性计，这些器件需要一直接触到生物组织或者生物液体。为此，他和同事采用可降解的可注射粘性水凝胶作为封装材料。

说到这里杨权三表示：“值得一提的是，这个封装材料/界面也是我之前主导的一项研究课题，2021 年发表于 Nature Materials。”

这一封装材料有三大优势：（1）可同时防止由于损坏或者降解导致的硅基碎片在体内到处流动，以避免损伤其他组织和器官；（2）对于大多数分子和蛋白质，水凝胶可起到快速渗透作用，故能保证水凝胶封装内的液体成分和水凝胶外的液体成分是相似的，这样既能保护封装内的 MEMS 器件，也能确保 MEMS 器件接触到生物组织液，从而进行精确的测量；（3）可以把器件牢牢地粘在组织表面达数周之久。以上优势可分别解决前面的三个难点。

近日，相关论文以《生态和生物可吸收的微机电系统》（Ecoresorbable and bioresorbable microelectromechanical systems）为题发表在 Nature Electronics 上 [1]，并成为当期封面论文。杨权三担任第一作者，美国西北大学“五院院士”约翰·罗杰斯（John A. Rogers）、以及同课题组的 Jan-Kai Chang 博士担任共同通讯作者。

（来源：Nature Electronics volume 5, pages526–538 (2022)）

投稿过程中，该论文获得了如下评价：“这是一篇由该领域的世界领导者（撰写）的关于可降解 MEMS 的系统性论文，内容的展示是杰出的”“整篇论文用系统全面的实验证明了整套可降解 MEMS 体系的可行性。整套技术细节都是鲁棒的、准确的、精准的，几乎没有技术批评的余地”。

图 | 相关论文（来源：Nature Electronics volume）

期刊编辑还邀请该团队写了一篇 research briefing 来补充性地介绍此次工作 [2], 同时 Nature Electronics 的编辑也对该论文发表了 editorial（社论）[3]。

“期刊每月只有一篇 editorial，在里面编辑高度赞扬了我们的工作通过把 MEMS 引入到了可降解电子器件的家族中来，同时有望解决电子垃圾这个重大挑战。”杨权三表示。

图 | 关于此次论文的社论（来源：Nature Electronics volume）

将生产高性能、高集成度的可降解 MEMS/CMOS 芯片

如前所述，杨权三本科就读于清华大学钱学森力学班，期间主要学习力学和机械。读博期间师从 John A. Rogers 教授后，他十分想把力学和机械的知识，带到可降解电子器件领域。

后来，他把想法告诉了导师。其表示：“听完我的陈述后，John A. Rogers 教授说，那我们就做可降解的微机电系统 MEMS！”

事实上，该课题组一直十分想把 MEMS 带入可降解电子器件领域内，但是做可降解 MEMS 不仅需要电子、材料、化学和生物集成方面的研究，也需要精通机械和力学。

对此杨权三说道：“这个研究算是站在巨人的肩膀上取得的成功，当时我组内的师兄 Jan-Kai Chang  研发出一套转印工艺，可将高性能可降解的 CMOS 器件转印到可降解柔性基底上，为我们 MEMS 的转印工艺奠定了基础。在他的耐心帮助下，我们改进了整个工艺，并将改进后的工艺用到了脆弱的 MEMS 系统上。”

在可降解的封装策略上，以上两种封装策略也是基于之前杨权三的工作来构建的 [4-5]。再加上该团队有着靠谱的医学合作方，愿意把其想法付诸实施并一起探讨问题，所以项目整体进展得还算顺利。

（来源：Nature Electronics volume 5, pages526–538 (2022)）

接下来，他和同事将结合高性能可降解 MEMS 和 CMOS 器件，制备出复杂的高度集成化的可降解芯片，在性能上达到与商用产品类似；同时，也将研发生态可持续的工艺，以便制备可降解的电子芯片。

此外，杨权三也将继续探索可降解电子器件在医疗和环保上的应用。和此次论文同期发布的，还有其作为共同一作在 Science 上发表的论文 [6]。在 Science 论文里，他和同事提出了生物可吸收的柔性神经冷却装置，能以快速可逆的方式通过冷冻周围神经来阻断疼痛信号。

他最后表示：“我们的目标是在近五年内利用可持续绿色的制备方法，生产出高性能、高集成度的可降解 MEMS/CMOS 芯片，以减轻病人的手术痛苦、以及减少环境中的电子垃圾。”

参考资料：

1.Yang, Q., Liu, TL., Xue, Y. et al. Ecoresorbable and bioresorbable microelectromechanical systems. Nat Electron 5, 526–538 (2022). https://doi.org/10.1038/s41928-022-00791-1

2.Microelectromechanical systems that can dissolve in the body or the environment. Nat Electron 5, 487–488 (2022). https://doi.org/10.1038/s41928-022-00796-w

3.Making electronics that don’t last. Nat Electron 5, 479 (2022). https://doi.org/10.1038/s41928-022-00834-7

4.Yang, Q., Wei, T., Yin, R.T. et al. Photocurable bioresorbable adhesives as functional interfaces between flexible bioelectronic devices and soft biological tissues. Nat Mater 20, 1559–1570 (2021). https://doi.org/10.1038/s41563-021-01051-x

5.Yang, Q., Lee, S., Xue, Y. et al. Materials, Mechanics Designs, and Bioresorbable Multisensor Platforms for Pressure Monitoring in the Intracranial Space. Adv. Funct. Mater 30(17), 1910718 (2020). https://doi.org/10.1002/adfm.201910718

6.Reeder, J.T., Xie, Z., Yang, Q. et al. Soft, bioresorbable coolers for reversible conduction block of peripheral nerves. Science 337(6601), 109-115 (2022). https://doi.org/10.1126/science.abl8532