柔性电子――可以弯曲和伸展的高性能IC

      在电子领域中，刚性和平直是普遍现象，但在现实世界中却非如此。

　　在许多应用场合，如果电子产品能适应曲线型表面或在使用时能够弯曲，那么它们将大有用处，特别是在传感检测领域。检测器阵列可以环绕心脏排放，随着每次心跳进行伸展；人造外壳可以在机翼四周伸展，用于在飞行过程中传递详细的局部信息；人造视网膜可以安装在眼球后面的弯曲空间内，如同它所代替的生物传感器一样。然而至今为止，柔性技术还缺乏使这些应用成为可能所需要的足够的性能、可制造性以及柔韧性。

　　不过伊利诺大学香槟分校(UIUC)展示的一种新技术或许能填补这个空白。一旦工程师从刚性和平直的思维框架中跳离出来，这一领域无疑会被发扬光大。UIUC设计的新电路具有长而薄的互连走线，采用标准半导体(硅、砷化镓等)和传统技术制造，然后被转移到一个充分伸展的弹性薄片上。一旦薄片恢复到原本的形状，那些薄到弯曲也不会断裂的互连线就会在拉紧状态下出现弯曲。如果设计合理的话，它们在被压缩时进一步弯曲，在展开时变平。因此，弹性电路结构可以用或多或少的普通电子器件创建。

　　另外，弹性结构可以用来构成三维形状的电子器件，并且这些器件可以被转移到刚性衬底上。这也是UIUC团队开发出第一个半球状硅相机的方法。

　　无论目标是柔性还是外形，上述方法具有可以利用传统微蚀刻和半导体工艺的优势。主持UIUC研究工作的John Rogers，还组建了一家名为Semprius的公司来推进该技术的商用化。Rogers表示：“较重要的优势在于我们使用已知且确定的材料和工艺技术，所取得的电路性能达到了同类设计的晶圆系统水平，而可伸展性达到了橡皮圈的水准(高达100%的张力，甚至更高)。另外一个相关的优势是我们能充分利用所有已有的电子知识和制造装备。”

　　独立咨询顾问、前DARPA项目经理、摩托罗拉资深技术专家Bob Reuss也认为，该技术无论如何都会找到一条出路。“为了实现至少具有中档功能的保角和/或柔性电子器件，我相信这种技术极具价值。它的成功意味着将开辟出一个新的市场领域。”他表示。

　　另外，他补充道：“弹性S(Elastic S)在我看来是‘超越摩尔'的一个实例。它没有出现在国际半导体技术蓝图中，也许永远都不会。但是，它却是用来更高效地使用针对计算机与通信以外应用的IC技术、或者实际替代成本和尺寸不具竞争力的现有IC基础设施的众多技术之一。"

　　弹性，但并非塑胶

　　创建柔性电子产品的较常用方法是将电路直接印刷到基于碳的塑胶上。这种技术的一个目标应用是目前正在商用化实现过程中的电子报纸。虽然这种技术正在逐渐成熟，但它却存在与生俱来的问题：该技术采用的有机材料的电子性能要比半导体差得多。更糟的是，这些材料的开发并非来自电子产业发展过程中所产生的免费副产品。较后，虽然这些材料是柔性的，但它们没有弹性：它们能弯曲，但不能伸展。

　　另外一种方法是制造传统芯片，然后削薄晶圆，使它们重量变轻，硬度变软。但是这种方法仍然缺乏伸展性，甚至弯曲能力也都受到了限制。还有一种方法是将小芯片粘附在弹性表面，事后再用一些导线将其连接起来。虽然这种方法兼具高性能和机械柔韧性，但其中涉及到许多非传统(因此比较昂贵)的制造步骤。

　　UIUC的方法依赖于这样的事实，即原本很脆的硅、砷化镓和其它半导体材料在淀积到非常薄的层上以后将变得异常柔韧。Wisconsin-Madison大学的材料科学和工程学教授Max Lagally专业从事电子及其它产品的纳米结构研究工作。“又薄又柔韧的硅(以及包括锗在内的其它半导体材料)具有巨大的潜力。”他表示，“这种柔韧性充分发挥第三维空间的优势。可以对它们施加张力，从而充分发挥更佳的电子性能；也可以对它们进行堆叠。”

　　“事实上，UIUC方法仅利用了这些性能优势中的少许，因为承载材料是柔性的。”Lagally指出。这与创建复杂得多的微米和纳米机械器件的研究人员的做法绝然相反。这些研究人员在制造好的层中施加张力，在张力释放后就能形成复杂的三维结构。他解释说，其小组的较突出成就是转移技术，即转移硅片并以较终半球图案的方式进行连接。这确实是采用硅片的首个半球形光电探测器实例。

　　然而，据Rogers介绍，UIUC团队与西北大学以及其它地方的同事对理解硅片机械特性方面作出了重要贡献。“弯曲机械特性和变形模式推动着前沿理论力学的发展。”Rogers表示，“事实上，我们对弹性硅片的详细实验研究表明，每个前面已知的对一致性衬底上的坚硬材料所做的理论性弯曲处理的假设是有缺陷的。"

　　此外，他预测了考虑机械特性后的电子器件的未来。“我认为这类系统将把机械设计带到系统定义的较前沿，其重要性可能与电路设计一样高。”他表示，“事实上我们预计，有一种相当于PSPICE的机械结构可以帮助电路版图设计在弹性配置中达到较优的性能。机械/电子联合设计工具可能是较终所需要的。我们正与理论力学专家和模拟电路设计师开展紧密合作，争取获得这样的成果。"

　　潜在应用

　　“对电子学来说确实存在着一个完全未被开垦的应用领域，基于半导体晶圆的传统技术无法实现该领域所要求的属性。”Rogers指出，“较突出的例子分为两大类：生物激励器件和生物医学器件。两者都依赖于具有生物系统版图的系统，两者都没有半导体晶圆所特具有的刚性平面特性。”

　　在生物医学领域，Rogers表示：“我们正在研究电子传感器片，它能与人脑复杂且弯曲的表面紧密集成在一起。我们与宾夕法尼亚州大学医学分校的Brian Litt教授合作的目标是提供这样一个系统，它能在癫痫病人实际发作之前检测到病症开始的征兆。”

　　该技术在这些领域有很好的成功机会，Reuss同时表示，他相信这种技术将证明是有利于投资者的。“不管是增加、替换还是监视生物功能，都需要柔性/可伸展的电子产品来高效且舒适地实现与人体的连接。”他表示，“随着老龄化人口的增加，以及用药物医治各种衰老疾病想法的普及，合适的技术解决方案看起来存在着巨大的市场。”结构健康监测和便携式电子产品也将成为极有吸引力的应用，他补充道。

　　然而Reuss并不认为商用化成功是理所当然的，因为产业惯性可能是个问题。“有一个很常见的说法：如果用硅可以完成，那就用硅做吧。”他说，“因此传统IC，也许会薄到小于50um，而且永远不会被抛弃。”

　　另外他补充道，新技术的优势可能被更高的成本所抵消，这种成本来自于比在塑胶等衬底上简单印刷油墨要复杂得多的工艺流程。如果有油墨可以提供接近传统IC的性能，那么性价比分析可能变得更加困难。

　　North Bridge Venture Partners公司的Carmichael Roberts是Rogers新技术的领投投资者，因此他对该技术寄于厚望就不足为奇了。“传统硅已经做成了数十亿美元的产品。”他表示，“在10年或更少的时间内，这种新的硅片技术也具有产生数十亿美元产品的潜力。”

图3：伊利诺大学研究人员首次演示了一种弹性硅，其中有个很薄的带状材料在伸展时可直接连接到二甲基硅氧烷(PDMS)。一旦允许放松，所用的丝带在弹性材料随后被变形时可产生幅度和波长变化的正弦波。在这种系统中，伸展和压缩一些百分点是可以适应的。图中所示的丝带为20um宽、100nm厚。

作者: Sunny Bains

Sunny Bains(www.sunnybains.com)是伦敦的一位科学家，也是一名自由技术记者。

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