柔性電子――可以彎曲和伸展的高性能IC

      在電子領域中，剛性和平直是普遍現象，但在現實世界中卻非如此。

　　在許多應用場合，如果電子產品能適應曲線型表面或在使用時能夠彎曲，那么它們將大有用處，特別是在傳感檢測領域。檢測器陣列可以環繞心臟排放，隨著每次心跳進行伸展；人造外殼可以在機翼四周伸展，用于在飛行過程中傳遞詳細的局部信息；人造視網膜可以安裝在眼球后面的彎曲空間內，如同它所代替的生物傳感器一樣。然而至今為止，柔性技術還缺乏使這些應用成為可能所需要的足夠的性能、可制造性以及柔韌性。

　　不過伊利諾大學香檳分校(UIUC)展示的一種新技術或許能填補這個空白。一旦工程師從剛性和平直的思維框架中跳離出來，這一領域無疑會被發揚光大。UIUC設計的新電路具有長而薄的互連走線，采用標準半導體(硅、砷化鎵等)和傳統技術制造，然后被轉移到一個充分伸展的彈性薄片上。一旦薄片恢復到原本的形狀，那些薄到彎曲也不會斷裂的互連線就會在拉緊狀態下出現彎曲。如果設計合理的話，它們在被壓縮時進一步彎曲，在展開時變平。因此，彈性電路結構可以用或多或少的普通電子器件創建。

　　另外，彈性結構可以用來構成三維形狀的電子器件，并且這些器件可以被轉移到剛性襯底上。這也是UIUC團隊開發出第一個半球狀硅相機的方法。

　　無論目標是柔性還是外形，上述方法具有可以利用傳統微蝕刻和半導體工藝的優勢。主持UIUC研究工作的John Rogers，還組建了一家名為Semprius的公司來推進該技術的商用化。Rogers表示：“較重要的優勢在于我們使用已知且確定的材料和工藝技術，所取得的電路性能達到了同類設計的晶圓系統水平，而可伸展性達到了橡皮圈的水準(高達100%的張力，甚至更高)。另外一個相關的優勢是我們能充分利用所有已有的電子知識和制造裝備�！�

　　獨立咨詢顧問、前DARPA項目經理、摩托羅拉資深技術專家Bob Reuss也認為，該技術無論如何都會找到一條出路�！盀榱藢崿F至少具有中檔功能的保角和/或柔性電子器件，我相信這種技術極具價值。它的成功意味著將開辟出一個新的市場領域�！彼�表示。

　　另外，他補充道：“彈性S(Elastic S)在我看來是‘超越摩爾'的一個實例。它沒有出現在國際半導體技術藍圖中，也許永遠都不會。但是，它卻是用來更高效地使用針對計算機與通信以外應用的IC技術、或者實際替代成本和尺寸不具競爭力的現有IC基礎設施的眾多技術之一。"

　　彈性，但并非塑膠

　　創建柔性電子產品的較常用方法是將電路直接印刷到基于碳的塑膠上。這種技術的一個目標應用是目前正在商用化實現過程中的電子報紙。雖然這種技術正在逐漸成熟，但它卻存在與生俱來的問題：該技術采用的有機材料的電子性能要比半導體差得多。更糟的是，這些材料的開發并非來自電子產業發展過程中所產生的免費副產品。較后，雖然這些材料是柔性的，但它們沒有彈性：它們能彎曲，但不能伸展。

　　另外一種方法是制造傳統芯片，然后削薄晶圓，使它們重量變輕，硬度變軟。但是這種方法仍然缺乏伸展性，甚至彎曲能力也都受到了限制。還有一種方法是將小芯片粘附在彈性表面，事后再用一些導線將其連接起來。雖然這種方法兼具高性能和機械柔韌性，但其中涉及到許多非傳統(因此比較昂貴)的制造步驟。

　　UIUC的方法依賴于這樣的事實，即原本很脆的硅、砷化鎵和其它半導體材料在淀積到非常薄的層上以后將變得異常柔韌。Wisconsin-Madison大學的材料科學和工程學教授Max Lagally專業從事電子及其它產品的納米結構研究工作�！坝直∮秩犴g的硅(以及包括鍺在內的其它半導體材料)具有巨大的潛力�！彼�表示，“這種柔韌性充分發揮第三維空間的優勢�？梢詫λ鼈兪┘訌埩�，從而充分發揮更佳的電子性能；也可以對它們進行堆疊�！�

　　“事實上，UIUC方法僅利用了這些性能優勢中的少許，因為承載材料是柔性的�！盠agally指出。這與創建復雜得多的微米和納米機械器件的研究人員的做法絕然相反。這些研究人員在制造好的層中施加張力，在張力釋放后就能形成復雜的三維結構。他解釋說，其小組的較突出成就是轉移技術，即轉移硅片并以較終半球圖案的方式進行連接。這確實是采用硅片的首個半球形光電探測器實例。

　　然而，據Rogers介紹，UIUC團隊與西北大學以及其它地方的同事對理解硅片機械特性方面作出了重要貢獻�！皬澢鷻C械特性和變形模式推動著前沿理論力學的發展。”Rogers表示，“事實上，我們對彈性硅片的詳細實驗研究表明，每個前面已知的對一致性襯底上的堅硬材料所做的理論性彎曲處理的假設是有缺陷的。"

　　此外，他預測了考慮機械特性后的電子器件的未來�！拔艺J為這類系統將把機械設計帶到系統定義的較前沿，其重要性可能與電路設計一樣高�！彼�表示，“事實上我們預計，有一種相當于PSPICE的機械結構可以幫助電路版圖設計在彈性配置中達到較優的性能。機械/電子聯合設計工具可能是較終所需要的。我們正與理論力學專家和模擬電路設計師開展緊密合作，爭取獲得這樣的成果。"

　　潛在應用

　　“對電子學來說確實存在著一個完全未被開墾的應用領域，基于半導體晶圓的傳統技術無法實現該領域所要求的屬性。”Rogers指出，“較突出的例子分為兩大類：生物激勵器件和生物醫學器件。兩者都依賴于具有生物系統版圖的系統，兩者都沒有半導體晶圓所特具有的剛性平面特性�！�

　　在生物醫學領域，Rogers表示：“我們正在研究電子傳感器片，它能與人腦復雜且彎曲的表面緊密集成在一起。我們與賓夕法尼亞州大學醫學分校的Brian Litt教授合作的目標是提供這樣一個系統，它能在癲癇病人實際發作之前檢測到病癥開始的征兆�！�

　　該技術在這些領域有很好的成功機會，Reuss同時表示，他相信這種技術將證明是有利于投資者的。“不管是增加、替換還是監視生物功能，都需要柔性/可伸展的電子產品來高效且舒適地實現與人體的連接。”他表示，“隨著老齡化人口的增加，以及用藥物醫治各種衰老疾病想法的普及，合適的技術解決方案看起來存在著巨大的市場�！苯Y構健康監測和便攜式電子產品也將成為極有吸引力的應用，他補充道。

　　然而Reuss并不認為商用化成功是理所當然的，因為產業慣性可能是個問題�！坝幸粋�很常見的說法：如果用硅可以完成，那就用硅做吧。”他說，“因此傳統IC，也許會薄到小于50um，而且永遠不會被拋棄。”

　　另外他補充道，新技術的優勢可能被更高的成本所抵消，這種成本來自于比在塑膠等襯底上簡單印刷油墨要復雜得多的工藝流程。如果有油墨可以提供接近傳統IC的性能，那么性價比分析可能變得更加困難。

　　North Bridge Venture Partners公司的Carmichael Roberts是Rogers新技術的領投投資者，因此他對該技術寄于厚望就不足為奇了�！皞鹘y硅已經做成了數十億美元的產品。”他表示，“在10年或更少的時間內，這種新的硅片技術也具有產生數十億美元產品的潛力。”

圖3：伊利諾大學研究人員首次演示了一種彈性硅，其中有個很薄的帶狀材料在伸展時可直接連接到二甲基硅氧烷(PDMS)。一旦允許放松，所用的絲帶在彈性材料隨后被變形時可產生幅度和波長變化的正弦波。在這種系統中，伸展和壓縮一些百分點是可以適應的。圖中所示的絲帶為20um寬、100nm厚。

作者: Sunny Bains

Sunny Bains(www.sunnybains.com)是倫敦的一位科學家，也是一名自由技術記者。

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