革命性的電子技術(shù)——柔性電子

1、- 革命性的電子技術(shù)柔性電子本文由傳感器技術(shù)（id:ww_cgqjs ）授權(quán)轉(zhuǎn)載柔性電子技術(shù)是一門新興的科學(xué)技術(shù)。建立在柔性和可延性基板之上的新興電子技術(shù)通稱為柔性電子技術(shù)。由于其獨特的柔性和延展性，柔性電子系統(tǒng)在很多方面有著廣闊的應(yīng)用前景。柔性電子（ flexible electronics ）又稱為塑料電子（plastic electronics） 、印刷電子（ printedelectronics ） 、有機電子（organic electronics ） 、聚合體電子（polymer electronics ）等；是將有機 /無機材料電子器件制作在柔性/可延性塑料或薄金屬基板上的新興電

2、子技術(shù)。在人們的印象中， 有機材料，如塑料等，都是很好的絕緣體，很少有人會想到塑料也能導(dǎo)電。近年來，由于對導(dǎo)電高分子的研究有了新突破，有機材料可以從傳統(tǒng)的絕緣體變成可導(dǎo)電的半導(dǎo)體，柔性電子便應(yīng)運而生?，F(xiàn)代化學(xué)等技術(shù)的發(fā)展，促進了柔性電子這樣一門學(xué)科的發(fā)展。柔性電子制造的關(guān)鍵包括制造工藝、基板和材料等，其核心是微納米圖案化（micro- and nanopatterning ）制造，涉及機械、材料、物理、化學(xué)、電子等多學(xué)科交叉研究。柔性電子以其獨特的柔性/延展性以及高效、 低成本制造工藝，在信息、 能源、 醫(yī)療、國防等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景，如柔性電子顯示器、有機發(fā)光二極管oled 、印刷 rfi

3、d 、薄膜太陽能電池板、電子報紙、電子皮膚(skin patches)/人工肌- 肉等。柔性電子除整合電子電路、電子組件、材料、平面顯示、納米技術(shù)等領(lǐng)域技術(shù)外，同時橫跨半導(dǎo)體、 封測、材料、化工、印刷電路板、顯示面板等產(chǎn)業(yè)，可協(xié)助傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，如塑料、印刷、化工、金屬材料等產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型，提升產(chǎn)業(yè)附加值，因此柔性電子技術(shù)的發(fā)展必將為產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和人類生活帶來革命性的變化。柔性電子技術(shù)是一場全新的電子技術(shù)革命，引起全世界的廣泛關(guān)注并得到了迅速發(fā)展。美國科學(xué)雜志將有機電子技術(shù)進展列為2000 年世界十大科技成果之一，與人類基因組草圖、科隆技術(shù)等重大發(fā)現(xiàn)并列。美國科學(xué)家艾倫黑格、艾倫馬克迪爾米德和日本科學(xué)家白川

4、英樹由于他們在導(dǎo)電聚合物領(lǐng)域的開創(chuàng)性工作而獲得2000 年諾貝爾化學(xué)獎。柔性電子與傳統(tǒng)電子制造的區(qū)別目前電子產(chǎn)業(yè)基本上都是屬于傳統(tǒng)的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，制造用到的設(shè)備相當(dāng)龐大，且費用高昂，制造效率低；整個柔性電子的概念是希望能夠把傳統(tǒng)半導(dǎo)體產(chǎn)品、組件及線路用印刷的方式來替代。主要從三方面來看柔性電子與傳統(tǒng)電子電路不同之處：（1）應(yīng)用前景一旦將很柔軟的基材應(yīng)用在設(shè)計方面或把線路做成無形的或可折迭的東西，那就跟傳統(tǒng)的硬式基材有很大的不同。 （2）制造成本采用卷到卷印刷工藝，并且在材料的使用上也可避免像光刻技術(shù)浪費95%以上材料的問題，而采用印刷方式印制上去的面積則等同于使用的面- 積，其使用率在90% 以

5、上，以長期發(fā)展角度來看，印刷方式會比傳統(tǒng)光刻技術(shù)的成本低很多；硅 cmos 晶元一般造價為 10/cm2，復(fù)合半導(dǎo)體甚至更貴，柔性電子實現(xiàn)的理想造價為 0.1/cm2， 從造價就可以看出柔性電子的巨大優(yōu)勢。（3）投資角度傳統(tǒng)的半導(dǎo)體廠動不動就要數(shù)十億甚至上百億的投資，但印刷的方式就像傳統(tǒng)的印刷只要投資數(shù)千萬就可把基本的規(guī)模建立起來。要強調(diào)的是印刷所要用的油墨跟傳統(tǒng)的印刷不一樣，需要特別研制，開發(fā)初期成本由于量少也比較高，但批量生產(chǎn)后成本就會變得較低廉了。柔性電子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和材料柔性電子技術(shù)雖然可應(yīng)用于不同領(lǐng)域，但是其基本結(jié)構(gòu)相似，至少包含以下4 個部分： 電子元器件、 柔性基板 fflexib

6、le substrate)、交聯(lián)導(dǎo)電體finterconnect) 和黏合層。柔性電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以下分別介紹柔性電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的4 個主要部分。 1、電子元器件電子元器件是柔性電子產(chǎn)品的基本組成部分，包括電子技術(shù)中常用的薄膜晶體管、傳感器 (sensor)等。這些電子元器件與傳統(tǒng)電子技術(shù)的元器件沒有本質(zhì)差別，部分元器件采用無機半導(dǎo)體材料(如硅 )，由于其材質(zhì)較脆，在變形過程中易于發(fā)生脆斷，所以它們通常不直接分布在電路板上，而是先安放在剛性的微胞元島(cell island) 上，然后承載元器件的微胞元島再分布在柔性基板上，這樣做的好處在于有利于保護電子元器件，避免其在彎曲過程中損壞。當(dāng)然，有些-

7、電子元器件也可以直接分布在柔性基板上，例如部分薄膜晶體管，由于自身特性，可以直接承受一定的應(yīng)變而不影響其功能。與傳統(tǒng)微電子技術(shù)相比，在柔性電子技術(shù)中，有機電子元器件的使用是一個顯著的特點，其中有機薄膜晶體管forganic thin film tran sistor， otft) 占據(jù)著十分重要的地位，有機材料的使用為減小元器件重量和厚度，提高其柔韌性和延展性創(chuàng)造了條件。2 、柔性基板柔性基板是柔性電子技術(shù)不同于傳統(tǒng)電子技術(shù)的最突出的地方。它具有傳統(tǒng)剛性基板的共同特點，首先就是絕緣性：絕緣的柔性基板保證電子設(shè)備在使用過程中不至于漏電，既確保其能正常工作，又能保證其使用的安全性。其次是較高的強度

8、：無論在哪種電子技術(shù)下，基板所起的作用相當(dāng)于骨架的作用，沒有較高的強度做保障，就不能保證其正常使用。再次就是廉價性：基板材料是電路中使用最多的材料之一，只有使用價格低廉的材料才能有效的降低電子產(chǎn)品的成本。除了上述基板的共同特點以外，柔性基板還有其自身獨有的特性。首先是柔韌性：柔性電子系統(tǒng)的柔韌性主要通過基板表現(xiàn)出來，對柔韌性要求不同的產(chǎn)品可使用不同材質(zhì)的基板；例如，電子皮膚通常采用柔性非常強的硅有機樹脂(si1icone)，而柔性電子顯示器對柔性的要求較電子皮膚弱，多采用聚對苯二甲酸乙二醇酯材料 (pet)俗稱聚脂。 其次是薄膜性： 雖然稱為基板， 但其在尺寸上已不再是“板” ，而是薄膜；柔性

9、電子系統(tǒng)的基板通- 常在 1mm 左右，既降低了材料的成本，又減輕了產(chǎn)品的重量鑒于上述考慮，柔性基板采用高分子聚合物是理想的選擇目前可供選擇的柔性基板材料包括杜邦公司的kapton聚酰亞胺 (polyimide ，pi)薄膜材料，聚二甲基硅氧烷，聚對苯二甲酸乙二醇酯(pet)等等，它們都能夠很好的滿足絕緣性、柔韌性以及強度要求。3、 交聯(lián)導(dǎo)電體電子元器件先分布在剛性的微胞元島上，許多個這樣的微胞元島再分布于柔性基板之上，這些微胞元島并不獨立存在，它們由交聯(lián)導(dǎo)電體連接，從而組成一個完整的柔性電路，也就是說交聯(lián)導(dǎo)電體在柔性電子系統(tǒng)中起到了電線的作用。交聯(lián)導(dǎo)電體以金屬薄膜的形式附著在柔性基板上。4

10、黏合層柔性電子系統(tǒng)各種組成部分的結(jié)合需要黏合層，而黏合層對交聯(lián)導(dǎo)電體和柔性基板的結(jié)合尤其重要。柔性電子系統(tǒng)的黏合層應(yīng)具有以下特性： (1)耐熱性柔性電子產(chǎn)品在裝配和使用過程中，不可避免的要經(jīng)歷高于常溫的環(huán)境，一定的耐熱性是必要的。(2)結(jié)合力。由于柔性電子產(chǎn)品在使用過程中要不斷的經(jīng)受拉壓彎曲變形，而經(jīng)黏合層連接的兩個薄層通常具有不同的力學(xué)性能，如果結(jié)合力不夠大，必然導(dǎo)致兩個薄層的相對滑動甚至剝離。 (3)彎曲能力。黏合層本身是柔性電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的一個組成部分，其自身的彎曲能力對整個結(jié)構(gòu)的彎曲能力具有重要影響。目前柔性電路中常用的黏合層材料主要有丙烯酸樹脂和環(huán)氧樹脂。5 、覆蓋層覆蓋層(又稱封裝層

11、 )主要保護- 柔性電路不受塵埃、潮氣或者化學(xué)藥品的侵蝕，同時也能減小彎曲過程中電路所承受的應(yīng)變，而最近的研究表明覆蓋層能夠減小柔性電路中剛性微胞元島fcellisland) 邊緣的應(yīng)力強度，并且能夠抑制其與柔性基板的分離(delamination) 。根據(jù)柔性電子系統(tǒng)的特點，需要覆蓋層能夠忍受長期的撓曲，因此覆蓋層材料和基板材料一樣，抗疲勞性必需滿足一定要求。另外，覆蓋層覆蓋子蝕刻后的電路之上，因而要求其具有良好的敷形性，以滿足無氣泡層壓的要求。用于覆蓋層的常用材料為丙烯酸樹脂、環(huán)氧樹脂以及聚酰亞胺等。柔性電子系統(tǒng)的制備工藝與傳統(tǒng) ic 技術(shù)一樣，制造工藝和裝備也是柔性電子技術(shù)發(fā)展的主要驅(qū)動

12、力。柔性電子制造技術(shù)水平指標(biāo)包括芯片特征尺寸和基板面積大小，其關(guān)鍵是如何在更大幅面的基板上以更低的成本制造出特征尺寸更小的柔性電子器件。柔性電子制造過程通常包括: 材料制備沉積圖案化封裝, 可通過卷到卷 (r2r)基板輸送進行集成。柔性電子制造主要關(guān)注生產(chǎn)成本、 生產(chǎn)效率、 可實現(xiàn)的特征尺寸, 以及有機材料的相容性等因素. 近年來 , 由于活性材料及其圖案化技術(shù)的突破 , 柔性電子制造技術(shù)得到了長足的發(fā)展。柔性電子制造的核心是薄膜晶體管(tft) 制造 , 其關(guān)鍵制造技術(shù)是制作源漏極間溝道長度的高分辨率圖案化技術(shù), 直接影響輸出電流、開關(guān)速度等器件性能. 在有機半導(dǎo)體圖案化過程中, - 特別需

13、要消除寄生漏電和減少串音, 以確保高的開關(guān)比. 大多數(shù)應(yīng)用要求有機薄膜晶體管(otft) 溝道長度小于10 m. 現(xiàn)有的圖案化技術(shù)包括光刻、蔭罩、打印(微接觸印制和噴印 )等。具體比較見下表。 光刻等能量束技術(shù)在微電子器件圖案化中得到廣泛應(yīng)用, 分辨率高 , 但因其工藝過程復(fù)雜、設(shè)備昂貴、 溶劑和顯影劑無法用于塑料基板, 加之耗時費料、僅適用于小面積圖案化, 在刻蝕底層時環(huán)境要求苛刻, 去除光刻膠時會破壞有機電子材料的活性和聚合物基板等, 在柔性電子制造應(yīng)用中受限。蔭罩技術(shù)為“干”工藝, 可避免溶劑破壞有機半導(dǎo)體, 但分辨率有限。 打印技術(shù)在同一個步驟中同時實現(xiàn)功能材料沉積和圖案化, 主要方法

14、有 : (1) 將完整的電路轉(zhuǎn)移并粘貼到柔性基板上, 如傳印 (圖章 ); (2) 直接在柔性基板上制備電路, 如噴印和微接觸印制(軟刻蝕)。在傳印方法中, 首先通過標(biāo)準(zhǔn)光刻方法在硅晶片或玻璃板上制備整個結(jié)構(gòu), 然后轉(zhuǎn)移到柔性基板上制造出高性能器件 . 由于應(yīng)用光刻和高溫沉積技術(shù), 傳印技術(shù)只能制造小面積器件 , 且加工成本高。 微接觸印制可制造出多級圖案用于掩模 , 可與 r2r 批量化制造技術(shù)集成. 通常一個母版可制造 100 個以上的圖章 , 每個圖章又可實現(xiàn)3000 個以上的印記 , 圖章的成本相對較低, 可以每秒數(shù)厘米的速度制作 60 nm 高分辨率圖案 , 但實現(xiàn)多層圖案比較困難.

15、 微接觸印制可用于非晶硅、多晶硅及 tmos 等多種材料 , 但- 難以直接用于有機材料刻蝕. 蘭紅波等人對納米壓印刻蝕模具技術(shù)的研究進展及其發(fā)展趨勢進行了詳細(xì)的論述和分析。柔性電子理想的圖案化工藝應(yīng)滿足: 低成本、大面積、批量化工藝、低溫、 “加”式、非接觸式、可實時調(diào)整、三維結(jié)構(gòu)化、易于多層套準(zhǔn)、可打印有機物/無機材料等 . 從上圖的表可知 , 噴印是一種無接觸、無壓力、 無印版的印刷復(fù)制技術(shù) , 它具有無版數(shù)碼印刷的特征, 在室溫下將溶液直寫實現(xiàn)數(shù)字化柔性印刷, 簡化了制造過程。利用溶液化的半導(dǎo)體和金屬材料取代傳統(tǒng)的真空沉積材料, 可有效減低成本，噴印還具有以下優(yōu)勢: (1) 圖案質(zhì)量不

16、受光刻焦距限制 , 可在非平面表面甚至深溝結(jié)構(gòu)上進行圖案化(2) 與有機/無機材料的良好兼容性;(3) 直接利用 cad/ cam數(shù)據(jù)加工器件 , 可實現(xiàn)大面積動態(tài)對準(zhǔn)和實時調(diào)整;(4) 作為非接觸式圖案化技術(shù), 可有效減少瑕疵, 并可利用虛擬掩模補償層間變形、錯位等缺陷; (5) 無需物理掩模的按需打印(dod) 技術(shù) ;(6) 可實現(xiàn)復(fù)雜三維微結(jié)構(gòu)的快速設(shè)計與加工, 并可通過基于軟件打印控制系統(tǒng)進行圖形的快速更改。柔性電子的應(yīng)用伴隨著柔性電子技術(shù)的發(fā)展，各種電子產(chǎn)品應(yīng)運而生。正如微電子技術(shù)為大規(guī)模集成電路和計算機芯片技術(shù)提供技術(shù)平臺一樣，柔性電子技術(shù)為新產(chǎn)品的研發(fā)提供了嶄新的的技術(shù)平臺。柔

17、性電子產(chǎn)品目前正處于研發(fā)起步階段，部分產(chǎn)品- 已經(jīng)投放市場。從現(xiàn)在的研發(fā)趨勢來看，柔性電子技術(shù)在以下 3 個方面有著廣泛的應(yīng)用。1 、柔性電子顯示器柔性電子顯示器 (flexible electronic display) 是在柔性電子技術(shù)平臺上研發(fā)出來的全新產(chǎn)品。與傳統(tǒng)平板顯示器不同，這種顯示器能夠被反復(fù)的彎曲和折疊，因而給我們的生活帶來極大的便利。例如，所有可視資料，包括各種書籍、報紙、雜志和視頻文件都可以通過這種顯示器來呈現(xiàn)，而且可以隨時隨地觀看。盡管目前流行的mp4 播放器和個人數(shù)字助理器(personal digital assistant，pda) 也能滿足這樣的使用需要，但其顯示

18、屏不能彎曲和折疊，只能在很小的屏幕范圍內(nèi)閱讀和觀看這些文字和視頻，視覺效果受到極大的制約。相比而言，柔性電子顯示器具有無可比擬的優(yōu)勢，它就像報紙一樣，在需要時將其展開，使用完畢后將其卷曲甚至折疊，在保證攜帶方便的同時充分的兼顧了視覺效果。柔性電子顯示器的樣品目前已研制成功， 相信離進入市場已為時不遠(yuǎn)值得一提的是，柔性電子顯示器采用更多的輕質(zhì)有機材料取代無機材料，所以其重量比傳統(tǒng)顯示器輕，這種特性有利于提高其便攜性。此外，高分子有機材料的使用為降低成本提供了可能性。另外，柔性電子顯示器具有薄厚度的特點，其厚度可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于目前流行的液晶顯示器，所以柔性電子顯示器的另一種名稱就是紙狀電子顯示器（pa

19、perlike electronic display) 。2 、薄膜太陽能電池板薄膜太陽能電池板（thin film solar cel1) 是- 柔性電子技術(shù)的另一項具體應(yīng)用在當(dāng)今世界里，能源已成為全球高度關(guān)注的話題，而我國不僅面臨能源短缺，還面臨環(huán)境污染太陽能作為一種清潔能源，可以在環(huán)境零污染的前提下有效的緩解能源短缺的矛盾。作為最常用的利用太陽能的方式，太陽能電池板能夠以最低的成本覆蓋較大的面積從而有效的利用太陽能。目前，非晶硅薄膜（thin film amorphous sili con）太陽能電池板已經(jīng)研發(fā)成功并進入市場銷售?；谌嵝噪娮蛹夹g(shù)的薄膜太陽能電池板能夠滿足大功率的發(fā)電需要

20、，比如可以在陽光充足的沙漠地區(qū)太陽能發(fā)電廠里使用這種薄膜太陽能電池板。除此以外，還可以充分利用其柔韌和輕質(zhì)的特點，將其集成在衣服上。穿上這種衣服在陽光下行走或運動，隨身攜帶的小電器 （例如 mp3 播放器和筆記本電腦)的電源就可由衣服上的薄膜太陽能電池板供給，從而達到即節(jié)約又環(huán)保的目的。3、柔性電子在rfid領(lǐng)域的應(yīng)用背景射頻識別（rfid ）技術(shù)以無需人工接觸即可完成信息輸入和處理、操作快捷方便、發(fā)展迅速等特點，廣泛運用于生產(chǎn)、物流、交通、醫(yī)療、食品、防偽等領(lǐng)域。射頻識別系統(tǒng)通常由應(yīng)答器、閱讀器組成。電子標(biāo)簽是應(yīng)答器諸多形式中的一種，可以理解為一種薄膜型構(gòu)造的應(yīng)答器，具有使用方便、體積小、輕

21、薄、可嵌入產(chǎn)品內(nèi)等特點。未來的射頻識別系統(tǒng)中將越來越多的使用電子標(biāo)簽。電子標(biāo)簽的構(gòu)造形勢朝著輕、 薄、小、軟的方向發(fā)展的趨勢。在這方面，- 柔性電子器件有著別的材料無法比擬的優(yōu)勢，因此在射頻識別系統(tǒng)的電子標(biāo)簽未來的發(fā)展很可能會與柔性電子制造相結(jié)合，使得rfid 電子標(biāo)簽的使用更加廣泛和方便。另外，還可以很大程度上降低成本，帶來更高的效益。這也是柔性電子制造將來的發(fā)展方向之一。制作低成本柔性電子標(biāo)簽具有兩方面的意義。 一方面，是制作柔性電子器件的有益嘗試。電子電路與電子器件朝著“輕、薄、小、軟”的方向發(fā)展，而柔性電子電路與電子器件的開發(fā)研制則更引人注目。例如現(xiàn)在已經(jīng)能夠生產(chǎn)的柔性電路板，是一種含

22、有精致導(dǎo)線，采用薄薄的、柔順的聚合物薄膜制造的電路，它能夠適用表面安裝技術(shù)并能夠被彎曲為無數(shù)種所需形狀。采用smt 技術(shù)的柔性電路很薄、很輕巧，絕緣厚度小于25 微米，這種柔性電路能夠被任意彎曲并且可以彎曲后放入圓柱體中，以充分利用三維體積。它打破了傳統(tǒng)固有使用面積的思維定勢，從而形成充分利用體積形狀的能力，這能夠在目前的采用的方法上極大的增加有效使用密度，形成高密度組裝形式。順應(yīng)了電子產(chǎn)品“柔性化”的發(fā)展趨勢。另一方面,能夠加速射頻識別技術(shù)在我國的被認(rèn)識和發(fā)展的過程。射頻識別系統(tǒng)中，應(yīng)答器是技術(shù)關(guān)鍵所在。電子標(biāo)簽是rfid 應(yīng)答器諸多形式中的一種，而柔性化的電子標(biāo)簽更是適用于更多場合，電子標(biāo)

23、簽成本的降低將大力推動射頻識別技術(shù)的真正廣泛應(yīng)用。4、 電子皮膚- 柔性電子技術(shù)的另一項重要應(yīng)用就是電子皮膚（electronic skin)。 電子皮膚又稱為皮膚狀電子，其基本特征是將各種電子元器件集成在柔性基板之上從而形成皮膚狀的電路板，像皮膚一樣具有很高的柔韌性和彈性，可以用于許多其它電器設(shè)備。例如，在機器人技術(shù)中可以廣泛的應(yīng)用電子皮膚：電子皮膚集成了各種傳感器和導(dǎo)電體，將外界的受力或受熱情況轉(zhuǎn)換為電信號后傳遞給機器人的電腦進行信號處理，因此電子皮膚又稱敏感皮膚(sensitive skin) 。電子皮膚的兩個最基本的特點可以概括為：像人的皮膚一樣具有柔性和彈性以便機器人可以像真人一樣行

24、動靈活和敏捷。電子皮膚上分布傳感器以便機器人能敏銳的感覺到外界環(huán)境的變化。目前，國內(nèi)外對電子皮膚的研究方興未艾。針對機器人皮膚的重要電子元器件傳感器，國內(nèi)在其原理及應(yīng)用研究方面取得了一定進展。基于紅外傳感器的電子皮膚的設(shè)計方法，提高了機器人對未知環(huán)境的感知能力以便及時避讓障礙物。此外，解決了電子皮膚中諸多傳感器的信號融合問題。由于 pvdf 壓電薄膜具有壓電能力高，柔韌，極薄，質(zhì)輕，很接近人體皮膚的特性，因此國內(nèi)外圍繞該材料進行電子皮膚傳感器的研究較為普遍。國外對電子皮膚的相關(guān)問題研究也取得了相當(dāng)?shù)倪M展日本的研究人員不僅發(fā)展了電子皮膚的相關(guān)理論，更是制造出試驗性產(chǎn)品針對電子皮膚的力感受問題進行研究，通過建立受力與傳感器電容的關(guān)系探討了- 實現(xiàn)力傳感的可能性。盡管電子皮膚的基本原理并不復(fù)雜，但是如何給機器人覆蓋電子皮膚具有相當(dāng)?shù)奶魬?zhàn)性，因為電子皮膚是感受機器人全身的外界環(huán)境，必須具有整體性，同時，電子皮膚作為一種外表部件，存在受外部因素而損壞的可能性。當(dāng)電子皮膚的整體或部分損壞時，需要及時更換。針對