柔性传感技术概述

柔性薄膜电子器件设计制备与集成技术2内容提纲一、需求与应用二、面临的技术挑战三、国内的情况和研究条件工业需求个人需求过去现在未来PNAS106,10875(2009).Science327,1603(2010).生物集成需求可延展柔性化是微电子器件的革命性发展方向4现在未来采用柔性电子技术新生婴儿护理与健康监测Ann.Rev.Biomed.Eng.14,113(2012).电子器件可伸展柔性的重要意义有机柔性电子器件的电学性能发展瓶颈5有机太阳能电池能量转换效率8.3%；无机太阳能电池能量转换效率41.1%(美国NationalEnergyRenewableLaboratory)蓝光有机LED外部量子效率为4.8%，使用寿命小于15000小时；蓝光无机LED外部量子效率达到60%，使用寿命达到50000小时以上（Kim等2010年报道）有机电子器件的电学性能与无机电子器件相比，相差数倍不能利用有机半导体实现高频高速特性！无机电子器件可伸展柔性的重要意义6可供生物集成电子器件的半导体材料碳纳米管:高的电子迁移率,比较稳定高温生长,电异质性0.11101001,00010,000聚合物:溶液处理工艺性能较差小分子材料:性能接近于a-Si真空沉积单晶材料:需要研究固有的电荷传输；易碎，集成工艺存在挑战SiGaAsa-Si?poly-SiNature(2008)NatureNano.(2007)Science(2001)PNAS(2001)高速柔性无机薄膜电子器件设计原理电子学功能部件依然采用无机材料从而保证高速功能通过力学及几何设计使得电子器件具备柔性可延展大变形不改变器件电子学性能基本原理刚性材料通过结构化力学设计实现柔性SiPDMSLdLpreprePDMSmotherwafer:Si高速柔性无机薄膜电子器件设计原理岛桥结构设计屈曲互联导线设计电子学功能部件依然采用无机材料从而保证高速功能通过力学及几何设计使得电子器件具备柔性可延展电子信息产业是国民经济的重要支柱之一9200820092010201120120200004000060000800001000000481216202428电子信息制造业收入（亿元）增长率（％）200820092010201120120369121518电子信息制造业收入在GDP中比重（％）电子信息制造产业在国内生产总值中占有重要的稳定比例电子信息制造业一直保持增长，但增长率在降低，高速柔性电子技术能够促进信息产业革新和升级。10二、面临的技术挑战柔性无机微纳电子器件原理器件或连线二氧化硅硅介电质器件或连线柔性基体硅传统“非柔性”电子器件“柔性”电子器件柔性化FlexibleICs难点与挑战：基于无机薄膜的电子器件可延展柔性化？如何将脆性无机薄膜与柔性基体集成？大变形及疲劳载荷下薄膜器件是否失效？高速柔性薄膜电子器件设计制备与集成的挑战1112关键科学问题高速薄膜器件的可延展柔性化与集成化设计理论高速柔性薄膜器件的转印实现及其界面物理机理柔性环境下无机薄膜器件的高速电子学性能与退化机理13科学问题一：高速薄膜器件的可延展柔性化与集成化设计理论科学难点如何实现脆性无机薄膜器件的可延展柔性？如何设计无机薄膜与柔性基体的集成结构？研究思路利用力学屈曲变形使得互连导线或薄膜出现波浪状基于分形的互连可展结构及基体表面微结构布控可延展柔性结构聚合物柔性基体无机薄膜或互连导线prepre聚合物柔性基体无机薄膜或互连导线14科学问题二：高速柔性薄膜器件的转印实现及其界面物理机理科学难点如何实现脆性薄膜与柔性基体的转印集成？如何控制大变形下无机薄膜/柔性基体间的界面失效？研究思路调控无机薄膜/柔性基体界面的粘附特性利用断裂力学确定界面失效准则大变形异质界面柔性器件15科学问题三：柔性环境下无机薄膜器件的高速电子学性能与退化机理科学难点如何保证可延展柔性环境下无机薄膜的电学性能及其可靠性？研究思路通过理论分析无机薄膜在变形下的电学性能通过实验与理论计算结合方式确定多场耦合作用下的无机薄膜的电学性能16主要研究内容①力学介入的可延展柔性高速薄膜器件集成化设计研究②高速柔性薄膜器件的高效、大规模转印集成技术研究③满足柔性基体集成的高速薄膜器件的微纳制备技术研究④柔性/刚性异质界面对高速薄膜器件集成及电子学性能的调控机理研究⑤具有柔性互连导线的高速薄膜器件的延迟机制与可靠性研究171.力学介入的可延展柔性高速薄膜器件集成化设计研究？？图研究内容：集成电路的可延展柔性化设计原理互连导线自相似结构的大变形机理无机薄膜应变隔离的新原理及其实现方法可延展柔性集成电路的仿真分析科学贡献：基于力学屈曲变形的结构可延展柔性化理论技术突破：微纳尺度可延展柔性结构的优化设计方法岛-桥构型自相似导线182.高速柔性薄膜器件的高效、大规模转印集成技术研究研究内容：柔性基体表面微结构设计实现界面粘附力调控的机理薄膜与柔性基体转印结合过程及控制参数大规模局部主动控制的转移印刷集成方法科学贡献：基于界面可控粘附的转印理论与集成方法技术突破：实现高效高成品率的转印技术转印机理大规模转印193.满足柔性基体集成的高速薄膜器件的微纳制备技术研究研究内容：小型化、薄膜器件的外延结构设计和生长技术小型化、薄膜器件的器件结构设计和制备技术面向精确转印的衬底剥离和微结构支撑技术科学贡献：薄膜材料的微型化设计和制备研究技术突破：满足转印的衬底剥离技术和微支撑结构衬底剥离后的微支撑结构204.柔性/刚性异质界面对高速薄膜器件集成及电子学性能的调控机理研究研究内容：电-力-热等多场耦合下的薄膜器件性能基本参量的实验表征方法大变形情况下柔性/刚性界面对高速薄膜器件电子学性能的影响柔性基体上集成薄膜结构的应变空间分布对电学性能的调控机理科学贡献：界面对高速薄膜器件电子学性能的调控机理技术突破：电-力-热多场耦合性能表征方法裂纹滑移脱粘L-dL215.具有柔性互连导线的高速薄膜器件的延迟机制与可靠性研究研究内容：高速可延展无机薄膜器件互连导线延迟模型高速可延展无机薄膜器件互连导线可靠性评估薄膜/基体系统的稳定性与可靠性界面强度在大变形情况下的演化及失效过程科学贡献：高速可延展无机薄膜器件互连导线延迟机理技术突破：薄膜器件稳定性和失效准则大变形22三、国内的情况和研究条件通过力学机理设计的柔性无机mLED具比有机LED具有更高的亮度、更长的寿命；比传统无机LED具有更低的成本和高的延展性。（PNAS105:18675-18680,2008）柔性无机μLED研究进展：可延展柔性无机电子器件通过力学机理设计的柔性无机mLED具比有机LED具有更高的亮度、更长的寿命；比传统无机LED具有更低的成本和高的延展性。（Science325:977-981,2009）柔性无机μLED研究进展：可延展柔性无机电子器件研究进展：可延展柔性无机电子器件可延展柔性电路板(Science320:507-511,2008)电子路板的延展性高达140%可扭转、弯曲（PNAS105:18675-18680,2008）研究进展：可延展柔性无机电子器件大脑上超柔的电路电路的柔性使得其在湿润的条件下与大脑不规则表面实现非常好的全面接触（NatureMaterials9:511-517,2010）1cmunwrapped75mm25mm7.0mm2.8mmunwrappedwrappedwrapped0.3cm75mm2.8mmwrapped将电子元件转移印刷到曲面上，实现与人眼相似的功能，同时通过内压的调控微调镜头曲面的曲率，实现镜头的缩放。可调电子眼（PNAS108(5),1788-1793,2011）（Nature454,748-753,2008）研究进展：可延展柔性无机电子器件多功能医用导管利用结构的高延展性（高达100％），实现了将多种功能的芯片集成于导管头上，减小了微创手术的创伤。多功能医用导管CatheterSensorsACFfilm15mmDeviceIntegrationontocatheterlesionlesion5mmCPDMStactilesensorelectrodeelectrode1mmrabbitheart500mm1mmdeflateinflateLEDtempsensorelectrode500mmelectrode（NatureMaterials10,316-323,2011）研究进展：可延展柔性无机电子器件仿表皮的的电子原件具有与皮肤相近的模量，在无需外加粘结剂的情况下，在各种工况下（褶皱、弯曲）与人体皮肤保持很好的的接触。仿表皮的柔性电子器件bareskinskinpatchdeformrelaxaftertransferelectronicsafterintegrationontoskinelectronicsfrontsidetattooafterdeformationbacksideoftattoo0.5cmtattoo（Science333,838-843,2011）研究进展：可延展柔性无机电子器件研究进展：可延展柔性无机电子器件可延展柔性电池(NATURECOMMUNICATIONS4:1543,2013)高达200％-250%的延展性研究进展：可延展柔性无机电子器件可延展柔性电池(NATURECOMMUNICATIONS4:1543,2013)研究进展：柔性电子器件的制备和集成方法ACSNano2011实现了波浪构型的柔性可延展铁电薄膜器件制备。自2011年发表以来被引用10次。3233研究进展：柔性结构破坏的大变形分析理论Appl.Phys.Lett.,2010从断裂力学角度提出了界面滑移破坏的的表征方法Adv.Func.Mater.2008理论和实验分了柔性结构界面破坏的三种模式及其演化趋势分析了波浪构型的柔性结构薄膜屈曲的形貌和演化趋势。Appl.Phys.Lett.,2011