柔性传感技术概述.ppt

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 1 1 10 100 1 000 10 000 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 Si GaAs a Si poly Si Nature 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 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 9 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 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 11 12 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 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 力学介入的可延展柔性高速薄膜器件集成化设计研究高速柔性薄膜器件的高效 大规模转印集成技术研究满足柔性基体集成的高速薄膜器件的微纳制备技术研究柔性 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 17 1 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 18 2 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 19 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 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 20 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 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 21 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 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 LED 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 LED 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 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 CPDMS 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 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 32 33 研究进展 柔性结构破坏的大变形分析理论 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