柔性傳感技術(shù)概述

柔性薄膜電子器件設(shè)計(jì)制備與集成技術(shù)2內(nèi)容提綱一、需求與應(yīng)用二、面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)三、國(guó)內(nèi)的情況和研究條件工業(yè)需求個(gè)人需求過(guò)去現(xiàn)在未來(lái)PNAS106,10875(2009).Science

327,1603(2010).生物集成需求可延展柔性化是微電子器件的革命性發(fā)展方向4現(xiàn)在未來(lái)采用柔性電子技術(shù)新生嬰兒護(hù)理與健康監(jiān)測(cè)Ann.Rev.Biomed.Eng.

14,113(2012).電子器件可伸展柔性的重要意義有機(jī)柔性電子器件的電學(xué)性能發(fā)展瓶頸5有機(jī)太陽(yáng)能電池能量轉(zhuǎn)換效率8.3%；無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池能量轉(zhuǎn)換效率41.1%(美國(guó)NationalEnergyRenewableLaboratory)藍(lán)光有機(jī)LED外部量子效率為4.8%，使用壽命小于15000小時(shí)；藍(lán)光無(wú)機(jī)LED外部量子效率達(dá)到60%，使用壽命達(dá)到50000小時(shí)以上（Kim等2010年報(bào)道）有機(jī)電子器件的電學(xué)性能與無(wú)機(jī)電子器件相比，相差數(shù)倍不能利用有機(jī)半導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)高頻高速特性！無(wú)機(jī)電子器件可伸展柔性的重要意義6可供生物集成電子器件的半導(dǎo)體材料碳納米管:高的電子遷移率,比較穩(wěn)定高溫生長(zhǎng),電異質(zhì)性0.11101001,00010,000聚合物:溶液處理工藝性能較差小分子材料:性能接近于a-Si真空沉積單晶材料:

需要研究固有的電荷傳輸；易碎，集成工藝存在挑戰(zhàn)SiGaAsa-Si?poly-SiNature(2008)NatureNano.(2007)Science(2001)PNAS(2001)高速柔性無(wú)機(jī)薄膜電子器件設(shè)計(jì)原理電子學(xué)功能部件依然采用無(wú)機(jī)材料從而保證高速功能通過(guò)力學(xué)及幾何設(shè)計(jì)使得電子器件具備柔性可延展大變形不改變器件電子學(xué)性能基本原理剛性材料通過(guò)結(jié)構(gòu)化力學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)柔性SiPDMSL+dLWavySiLLPDMSmotherwafer:Si高速柔性無(wú)機(jī)薄膜電子器件設(shè)計(jì)原理島橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)屈曲互聯(lián)導(dǎo)線設(shè)計(jì)電子學(xué)功能部件依然采用無(wú)機(jī)材料從而保證高速功能通過(guò)力學(xué)及幾何設(shè)計(jì)使得電子器件具備柔性可延展電子信息產(chǎn)業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要支柱之一9電子信息制造業(yè)收入（億元）增長(zhǎng)率（％）電子信息制造業(yè)收入在GDP中比重（％）電子信息制造產(chǎn)業(yè)在國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值中占有重要的穩(wěn)定比例電子信息制造業(yè)一直保持增長(zhǎng)，但增長(zhǎng)率在降低，高速柔性電子技術(shù)能夠促進(jìn)信息產(chǎn)業(yè)革新和升級(jí)。10二、面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)柔性無(wú)機(jī)微納電子器件原理器件或連線二氧化硅硅介電質(zhì)器件或連線柔性基體硅傳統(tǒng)“非柔性”電子器件“柔性”電子器件柔性化FlexibleICs難點(diǎn)與挑戰(zhàn)：基于無(wú)機(jī)薄膜的電子器件可延展柔性化？如何將脆性無(wú)機(jī)薄膜與柔性基體集成？大變形及疲勞載荷下薄膜器件是否失效？高速柔性薄膜電子器件設(shè)計(jì)制備與集成的挑戰(zhàn)1112關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題高速薄膜器件的可延展柔性化與集成化設(shè)計(jì)理論高速柔性薄膜器件的轉(zhuǎn)印實(shí)現(xiàn)及其界面物理機(jī)理柔性環(huán)境下無(wú)機(jī)薄膜器件的高速電子學(xué)性能與退化機(jī)理13科學(xué)問(wèn)題一：高速薄膜器件的可延展柔性化

與集成化設(shè)計(jì)理論科學(xué)難點(diǎn)如何實(shí)現(xiàn)脆性無(wú)機(jī)薄膜器件的可延展柔性？如何設(shè)計(jì)無(wú)機(jī)薄膜與柔性基體的集成結(jié)構(gòu)？研究思路利用力學(xué)屈曲變形使得互連導(dǎo)線或薄膜出現(xiàn)波浪狀基于分形的互連可展結(jié)構(gòu)及基體表面微結(jié)構(gòu)布控可延展柔性結(jié)構(gòu)聚合物柔性基體無(wú)機(jī)薄膜或互連導(dǎo)線聚合物柔性基體無(wú)機(jī)薄膜或互連導(dǎo)線14科學(xué)問(wèn)題二：高速柔性薄膜器件的轉(zhuǎn)印實(shí)現(xiàn)

及其界面物理機(jī)理科學(xué)難點(diǎn)如何實(shí)現(xiàn)脆性薄膜與柔性基體的轉(zhuǎn)印集成？如何控制大變形下無(wú)機(jī)薄膜/柔性基體間的界面失效？研究思路調(diào)控?zé)o機(jī)薄膜/柔性基體界面的粘附特性利用斷裂力學(xué)確定界面失效準(zhǔn)則大變形異質(zhì)界面柔性器件15科學(xué)問(wèn)題三：柔性環(huán)境下無(wú)機(jī)薄膜器件的

高速電子學(xué)性能與退化機(jī)理科學(xué)難點(diǎn)如何保證可延展柔性環(huán)境下無(wú)機(jī)薄膜的電學(xué)性能及其可靠性？研究思路通過(guò)理論分析無(wú)機(jī)薄膜在變形下的電學(xué)性能通過(guò)實(shí)驗(yàn)與理論計(jì)算結(jié)合方式確定多場(chǎng)耦合作用下的無(wú)機(jī)薄膜的電學(xué)性能16主要研究?jī)?nèi)容力學(xué)介入的可延展柔性高速薄膜器件集成化設(shè)計(jì)研究高速柔性薄膜器件的高效、大規(guī)模轉(zhuǎn)印集成技術(shù)研究滿足柔性基體集成的高速薄膜器件的微納制備技術(shù)研究柔性/剛性異質(zhì)界面對(duì)高速薄膜器件集成及電子學(xué)性能的調(diào)控機(jī)理研究具有柔性互連導(dǎo)線的高速薄膜器件的延遲機(jī)制與可靠性研究171.力學(xué)介入的可延展柔性高速薄膜器件集成化設(shè)計(jì)研究？？圖研究?jī)?nèi)容：集成電路的可延展柔性化設(shè)計(jì)原理互連導(dǎo)線自相似結(jié)構(gòu)的大變形機(jī)理無(wú)機(jī)薄膜應(yīng)變隔離的新原理及其實(shí)現(xiàn)方法可延展柔性集成電路的仿真分析科學(xué)貢獻(xiàn)：基于力學(xué)屈曲變形的結(jié)構(gòu)可延展柔性化理論技術(shù)突破：微納尺度可延展柔性結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法島-橋構(gòu)型自相似導(dǎo)線182.高速柔性薄膜器件的高效、大規(guī)模轉(zhuǎn)印集成技術(shù)研究研究?jī)?nèi)容：柔性基體表面微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)界面粘附力調(diào)控的機(jī)理薄膜與柔性基體轉(zhuǎn)印結(jié)合過(guò)程及控制參數(shù)大規(guī)模局部主動(dòng)控制的轉(zhuǎn)移印刷集成方法科學(xué)貢獻(xiàn)：基于界面可控粘附的轉(zhuǎn)印理論與集成方法技術(shù)突破：實(shí)現(xiàn)高效高成品率的轉(zhuǎn)印技術(shù)轉(zhuǎn)印機(jī)理大規(guī)模轉(zhuǎn)印193.滿足柔性基體集成的高速薄膜器件的微納制備技術(shù)研究研究?jī)?nèi)容：小型化、薄膜器件的外延結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和生長(zhǎng)技術(shù)小型化、薄膜器件的器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制備技術(shù)面向精確轉(zhuǎn)印的襯底剝離和微結(jié)構(gòu)支撐技術(shù)科學(xué)貢獻(xiàn)：薄膜材料的微型化設(shè)計(jì)和制備研究技術(shù)突破：滿足轉(zhuǎn)印的襯底剝離技術(shù)和微支撐結(jié)構(gòu)襯底剝離后的微支撐結(jié)構(gòu)204.柔性/剛性異質(zhì)界面對(duì)高速薄膜器件集成及電子學(xué)

性能的調(diào)控機(jī)理研究研究?jī)?nèi)容：電-力-熱等多場(chǎng)耦合下的薄膜器件性能基本參量的實(shí)驗(yàn)表征方法大變形情況下柔性/剛性界面對(duì)高速薄膜器件電子學(xué)性能的影響柔性基體上集成薄膜結(jié)構(gòu)的應(yīng)變空間分布對(duì)電學(xué)性能的調(diào)控機(jī)理科學(xué)貢獻(xiàn)：界面對(duì)高速薄膜器件電子學(xué)性能的調(diào)控機(jī)理技術(shù)突破：電-力-熱多場(chǎng)耦合性能表征方法裂紋滑移脫粘作用力L-dL215.具有柔性互連導(dǎo)線的高速薄膜器件的延遲機(jī)制

與可靠性研究研究?jī)?nèi)容：高速可延展無(wú)機(jī)薄膜器件互連導(dǎo)線延遲模型高速可延展無(wú)機(jī)薄膜器件互連導(dǎo)線可靠性評(píng)估薄膜/基體系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性界面強(qiáng)度在大變形情況下的演化及失效過(guò)程科學(xué)貢獻(xiàn)：高速可延展無(wú)機(jī)薄膜器件互連導(dǎo)線延遲機(jī)理技術(shù)突破：薄膜器件穩(wěn)定性和失效準(zhǔn)則大變形22三、國(guó)內(nèi)的情況和研究條件

通過(guò)力學(xué)機(jī)理設(shè)計(jì)的柔性無(wú)機(jī)mLED具比有機(jī)LED具有更高的亮度、更長(zhǎng)的壽命；比傳統(tǒng)無(wú)機(jī)LED具有更低的成本和高的延展性。（PNAS105:18675-18680,2008）柔性無(wú)機(jī)μLED研究進(jìn)展：可延展柔性無(wú)機(jī)電子器件

通過(guò)力學(xué)機(jī)理設(shè)計(jì)的柔性無(wú)機(jī)mLED具比有機(jī)LED具有更高的亮度、更長(zhǎng)的壽命；比傳統(tǒng)無(wú)機(jī)LED具有更低的成本和高的延展性。（Science325:977-981,2009）柔性無(wú)機(jī)μLED研究進(jìn)展：可延展柔性無(wú)機(jī)電子器件研究進(jìn)展：可延展柔性無(wú)機(jī)電子器件可延展柔性電路板(Science320:507-511,2008)

電子路板的延展性高達(dá)

140%可扭轉(zhuǎn)、彎曲（PNAS105:18675-18680,2008）研究進(jìn)展：可延展柔性無(wú)機(jī)電子器件大腦上超柔的電路

電路的柔性使得其在濕潤(rùn)的條件下與大腦不規(guī)則表面實(shí)現(xiàn)非常好的全面接觸（NatureMaterials9:511-517,2010）1cmunwrapped75m25m7.0m2.8munwrappedwrappedwrapped0.3cm75m2.8mwrapped將電子元件轉(zhuǎn)移印刷到曲面上，實(shí)現(xiàn)與人眼相似的功能，同時(shí)通過(guò)內(nèi)壓的調(diào)控微調(diào)鏡頭曲面的曲率，實(shí)現(xiàn)鏡頭的縮放。可調(diào)電子眼（PNAS108(5),1788-1793,2011）（Nature454,748-753,2008）

研究進(jìn)展：可延展柔性無(wú)機(jī)電子器件多功能醫(yī)用導(dǎo)管利用結(jié)構(gòu)的高延展性（高達(dá)100％），實(shí)現(xiàn)了將多種功能的芯片集成于導(dǎo)管頭上，減小了微創(chuàng)手術(shù)的創(chuàng)傷。多功能醫(yī)用導(dǎo)管CatheterSensorsACFfilm15mmDeviceIntegrationontocatheterlesionlesion5mmCPDMStactilesensorelectrodeelectrode1mmrabbitheart500m1mmdeflateinflateLEDtempsensorelectrode500melectrode（NatureMaterials10,316-323,2011）研究進(jìn)展：可延展柔性無(wú)機(jī)電子器件仿表皮的的電子原件具有與皮膚相近的模量，在無(wú)需外加粘結(jié)劑的情況下，在各種工況下（褶皺、彎曲）與人體皮膚保持很好的的接觸。仿表皮的柔性電子器件bareskinskinpatchdeformrelaxaftertransferelectronicsafterintegrationontoskinelectronicsfrontsidetattooafterdeformationbacksideoftattoo0.5cmtattoo（Science333,838-843,2011）研究進(jìn)展：可延展柔性無(wú)機(jī)電子器件研究進(jìn)展：可延展柔性無(wú)機(jī)電子器件可延展柔性電池(NATURECOMMUNICATIONS4:1543,2013)高達(dá)200％-250%的延展性研究進(jìn)展：可延展柔性無(wú)機(jī)電子器件可延展柔性電池(NATURECOMMUNICATIONS4:1543,2013)研究進(jìn)展：柔性電子器件的制備和集成方法ACSNano