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国内自研柔性芯片问世,这是个什么技术?

7月13日在浙江省杭州市召开的2019第二届柔性电子国际学术大会上,柔性电子与智能技术全球研究中心研发团队发布了两款可任意卷曲弯折的超薄柔性芯片。两款芯片厚度均小于25微米,约为一根头发丝的三分之一到二分之一。柔性芯片是什么技术?有什么优势?制造难点又在哪?

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2000年,美国《科学》杂志曾将柔性电子技术与人类基因组草图、生物克隆技术等重大发现评为世界十大科技成果。美国科学家艾伦黑格、艾伦·马克迪尔米德和日本科学家白川英树更是凭借其在柔性电子领域的开创性工作获得2000年诺贝尔化学奖,三位诺贝尔奖得主预测柔性电子技术将带来一场电子技术革命。如今,这场电子技术革命在市场的推动下已经悄然来临。根据调研机构IDTechEx预计,2018年柔性电子市场为469.4亿美元,到2028年将达到3010亿美元,2018—2028年期间年均复合增长率近30%。

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7月13日在浙江省杭州市召开的2019第二届柔性电子国际学术大会上,柔性电子与智能技术全球研究中心研发团队发布了两款可任意卷曲弯折的超薄柔性芯片。两款芯片厚度均小于25微米,约为一根头发丝的三分之一到二分之一。此项技术为我国柔性电子产业的发展增添了浓墨重彩的一笔。
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柔性芯片是什么?

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柔性电子是一种技术的通称,是将有机/无机材料电子器件制作在柔性/可延性基板上的新兴电子技术。相对于传统电子,柔性电子具有更大的灵活性,能够在一定程度上适应不同的工作环境,满足设备的形变要求。但是相应的技术要求同样制约了柔性电子的发展。柔性芯片是利用柔性电子技术制作成的芯片。
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柔性芯片的优势
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随着电子设备的发展,柔性电子设备越来越受到大家的重视,这种设备是指在存在一定范围的形变(弯曲、折叠、扭转、压缩或拉伸)条件下仍可工作的电子设备。
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柔性电子技术是行业新兴领域,它的出现不但整合电子电路、电子组件、材料、平面显示、纳米技术等领域技术外,同时横跨半导体、封测、材料、化工、印刷电路板、显示面板等产业,可协助传统产业,如塑料、印刷、化工、金属材料等产业的转型。其在信息、能源、医疗、制造等各个领域的应用重要性日益凸显,已成为世界多国和跨国企业竞相发展的前沿技术。
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柔性电子技术是一种将有机、无机材料制作在柔性、可延性基板上的新兴电子技术。“这一技术颠覆性改变了传统刚性电路的物理形态,极大促进了人、机、物的融合。柔性芯片将有望在通信、数字医疗、智能制造、物联网等领域得到应用。”冯雪说。
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制造难点在哪
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据悉,它们的两款柔性芯片组成的柔性微系统的功能,也就是是运放芯片和蓝牙SoC芯片。运放是运算放大器的简称,在实际电路中,通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。由于早期应用于模拟计算机中,用以实现数学运算。运放是一个从功能的角度命名的电路单元,可以由分立的器件实现,也可以实现在半导体芯片当中。
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蓝牙SoC芯片是一种集成蓝牙功能,用于短距离无线通讯的芯片,按功能分为蓝牙数据模块和蓝牙语音模块。蓝牙模块是指集成蓝牙功能的芯片基本电路集合,用于无线网络通讯。
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目前柔性电子的制造方法主要有三种。一是转移印刷,利用中间转印载体将线路图案转移到柔性承印物上。二是喷墨印刷,直接沉积功能性材料以在基材上形成图案。三是基于纤维结构的柔性电子器件制作方法。

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柔性芯片作为柔性电子的一个分支,仍存在一些技术上的难点。首先,柔性芯片在不损坏本身电子性能的基础上的伸展性和弯曲性,对电路的制作材料提出了新的挑战和要求。
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其次,柔性电子的制备条件以及组成电路的各种电子器件的性能相对于传统的电子器件来说仍然不足,也是其发展的一大难题。
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目前,柔性芯片支持的柔性传感器设备已经可以量产,进而用于医疗监测、工业控制等领域。半导体行业协会中国固态照明联盟副秘书长耿波表示:“在大规模应用之前,必须加强包括安全和待机时间等技术问题检测。”
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应用领域
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采用该技术的这两款芯片在体积上能够做到更轻薄、延展性更强,而且还可任意弯曲变形。相关实体产品的推出也将对人工智能、医疗、通信、物联网等领域产生深远影响,因为采用柔性芯片技术可以设计出比现有刚性技术更轻薄且柔软的电子感知系统,能够与机器人或人体更好的贴合。
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典例如在生物医疗领域,无创血糖测量、光电血氧传感器、坐骨神经电信号采集、类皮肤柔性变形传感器、碳纳米纤维泡沫柔性压力传感器、类皮肤柔性压力传感器等柔性医疗电子产品中,柔性电子技术都能得到很好的应用。
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除此之外,在可穿戴智能设备上,柔性芯片可能促进“新一代可穿戴设备”的产生。可穿戴设备的形态将变得更加灵活可变。例如,以后,手机可能像腕带一样缠在手上,或者想头巾一样戴在头上。但是,这也要依赖柔性电池、柔性屏等柔电子技术的发展。
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在机器人领域,可以带来更好的交互体验。柔性芯片为更加轻薄柔软的电子感知系统提供支持,使得机器人对环境或人体的感知变得更加灵敏,进而能够又快又好地与环境或人体进行信息沟通和互换,建立更完善的人机信息传输系统。
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随着科技的进步,未来各行各业也都将应用到更多的柔性技术来制作智能产品,从刚性到柔性,不仅代表着材料形态上的变化,也代表在制作上也可以突破固有思维的束缚,可以设计出更加符合人体构造的产品,满足更多的应用需求。
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国外柔性电子技术发展状况

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1、美国半导体公司和空军研究实验室(AFRL)

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2018年1月,AFRL和美国半导体公司利用3D打印领域的创新共同研发出全球首个柔性系统级芯片(SoC),这是史上最复杂的柔性集成电路,存储能力是其他柔性器件的7000倍。
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AFRL材料和制造司令部研究科学家Dan Berrigan博士表示,此次技术进展的独特之处并不仅仅是新芯片的柔性,而是实现了一个带有存储器的微控制器,能够控制系统和收集数据以满足未来使用。
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Berrigan表示,“通常硅基集成电路都是脆的,如果用于恶劣环境,需要通过封装进行保护。当我们寻求将这些器件放入一个柔性的封装中,将能够实现恶劣环境下的正常工作。通过与美国半导体的合作,我们可对硅集成电路进行减薄直至其变得柔软,但仍能维持电路功能,这使我们能够将微控制器放置在我们以前无法放置的地方。”
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2.维也纳技术大学
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2017年4月,维也纳技术大学研究者在《自然》上发表论文称,发现二硫化钼是一种类似于石墨烯的二维材料,研究者进一步使用二硫化钼研制柔性微处理器。
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研究者制造了一种由二维材料二硫化钼组成的晶体管,并将115个这样的晶体管构成一种新型微处理器。这种微处理器能够进行一比特的逻辑运算,而未来有望拓展至多比特运算。
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光子学研究所的Stefan Wachter、Dmitry Polyushkin和Thomas Mueller和维也纳固态电子学研究所的Ole Bethge共同合作,用二硫化钼制造微处理器。他们用自制电路对硅制基片蚀刻,用氧化铝层进行分层,再将两层分子厚度的二硫化钼置于硅制基片上方。
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“基片只起到介质载体的作用,因此能用玻璃或是包括柔性基质在内的其他材料替换。”研究人员写道。
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硅制薄片很容易折断,但维也纳技术大学研究者使用的过渡金属硫化物像2D材料,由一层原子或分子厚度的晶体制作而成,可折曲自如。“2D半导体微处理器”是柔性芯片的另一思路。

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3、ARM

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ARM联合高校共同研发基于机器学习的塑料柔性传感器,用于检测气味,旨在简化设计、将柔性传感器成本降至最低,最终用于食品、服装等消费品的气味检测。

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塑料芯片将拥有传感器阵列、定制的机器学习处理器、以及端口,所有这些组件都将集成在一张薄薄的塑料膜上。虽然塑料电子有望比硅便宜得多,但它们能容纳的晶体管数量有限,因为这类晶体管要大得多。据称,原型芯片将在2019 年制造和测试。
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总结
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但这次我国在柔性芯片技术上取得的突破,让柔性芯片可以实现真正的量产化,可谓是本土半导体技术领域的一大步,毕竟这让中国在柔性电子技术上拉近了与国外先进技术的差距。而下一步,柔性传感器及柔性电池等技术将成为下一步集中攻坚的领域,比如目前还处于初级发展阶段的柔性传感器,还需解决形态、电路融合、信息处理等多个挑战,这需要不同领域的专家共同来完成。

来源:电子工程专辑?

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