楊 凡

(廣東女子職業(yè)技術(shù)學(xué)院應(yīng)用外語(yǔ)學(xué)院，廣東廣州 511450)

0 引言

隨著電子設(shè)備在集成密度，性能，功耗和成本方面的快速發(fā)展，未來(lái)技術(shù)發(fā)展的方向也越來(lái)越受到關(guān)注，最新發(fā)展方向是電子設(shè)備材料的機(jī)械柔韌性；它包括可彎曲性、可折疊性和可拉伸性，可以兼有輕巧，超薄，透明，大面積集成，生物相容性和易于回收利用的特點(diǎn).

湯代兵、廖孝彪申請(qǐng)了高柔性耐火型工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)用電纜專利，其設(shè)計(jì)的高柔性耐火型工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)用電纜，包括外護(hù)層、填充層、通信電纜、控制電纜和直流電源電力電纜，不僅具備極強(qiáng)的耐腐蝕性，耐扭曲性，而且有良好的高導(dǎo)熱性能與電磁兼容性；黃達(dá)基于Modbus通信的基本原理，從工程的角度進(jìn)行了協(xié)議解釋，并探討了Modbus通信在工程實(shí)現(xiàn)中的技術(shù)要點(diǎn)，對(duì)于Modbus通信的工程實(shí)施具有參考價(jià)值；李永生，王志遠(yuǎn)以電動(dòng)單軌系統(tǒng)(EMS)這一應(yīng)用多種工業(yè)通信技術(shù)的典型設(shè)備為例，對(duì)工業(yè)通信系統(tǒng)的規(guī)劃、實(shí)施和維護(hù)所采用的工作流程、技術(shù)要點(diǎn)和系統(tǒng)工具進(jìn)行了深入研究，對(duì)于工業(yè)通信系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃、實(shí)施和維護(hù)工作提出了具體的指導(dǎo)意見(jiàn)；Xin Li和V.E.Taylor以4到6個(gè)cpu通信節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的并行計(jì)算系統(tǒng)作為對(duì)象，研究了系統(tǒng)對(duì)緩存隊(duì)列長(zhǎng)度的需求，并提出了兩個(gè)問(wèn)題：在并行計(jì)算系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對(duì)數(shù)據(jù)緩存隊(duì)列長(zhǎng)度需求有重要影響；在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，根據(jù)用戶需求設(shè)置緩存隊(duì)列大小會(huì)提高系統(tǒng)通信性能；Jiming Chen比較了WorldFIP和FF兩種現(xiàn)場(chǎng)總線在不同負(fù)荷下的通信性能；Salvatore Cavalieri等人對(duì)采用Profibus.DP網(wǎng)絡(luò)的多服務(wù)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的通信實(shí)時(shí)性進(jìn)行分析，主要分析了在保證實(shí)時(shí)通信的約束條件下的最長(zhǎng)響應(yīng)時(shí)間，并給出了相應(yīng)的定理.可見(jiàn)，在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信方面，學(xué)者們做了大量研究，在此基礎(chǔ)上，基于高頻柔性FFlexCom程序設(shè)計(jì)工業(yè)通信系統(tǒng).相關(guān)研究證明，TOLAE所研究地器件(例如晶體管)的截止頻率在MHz范圍內(nèi)，彎曲半徑低至50 μm[1]，這些最新的成果引出了一個(gè)全新的研究領(lǐng)域：無(wú)線通信系統(tǒng)可完全集成在超薄、可彎曲和柔性的基材(例如塑料甚至紙張)上.通過(guò)應(yīng)用FFlexCom程序于有機(jī)光學(xué)設(shè)備，在魯棒性、實(shí)時(shí)性及產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面嚴(yán)格需求，能解決工業(yè)通信系統(tǒng)的高頻柔性問(wèn)題，明顯地提高設(shè)備機(jī)械柔韌性.

1 FFlexCom設(shè)計(jì)

1.1 FFlexCom程序適用對(duì)象

目前，主要支持4組新興材料實(shí)現(xiàn)柔性電路：

(1)有機(jī)半導(dǎo)體：可以使用薄膜和厚膜技術(shù)在柔性基板上沉積并構(gòu)造有機(jī)半導(dǎo)體.與兼容的導(dǎo)電和介電材料結(jié)合使用，可以集成電路.特別是對(duì)于厚膜技術(shù)，由于不需要高溫，因此可以使用許多基板，最突出的是塑料薄膜和紙張.目前，有機(jī)電子產(chǎn)品往往需要較大的電源電壓.因此，除了提高空氣的速度和穩(wěn)定性之外，還必須努力降低所需的電源電壓.相關(guān)研究證明，飽和遷移率在2 cm2/Vs的范圍內(nèi)，晶體管的瞬態(tài)頻率略高于10 MHz，它們目前是柔性電子產(chǎn)品中最慢的材料[2].

(2)金屬氧化物：某些金屬氧化物及其合金充當(dāng)半導(dǎo)體，可以通過(guò)薄膜技術(shù)沉積，與兼容的導(dǎo)電和介電材料結(jié)合使用，可以集成電路.可能的柔性基材是溫度穩(wěn)定的塑料薄膜.這些基板材料需要在最高工藝溫度和電性能之間進(jìn)行權(quán)衡.一方面，對(duì)于較高的退火溫度，性能(特別是飽和遷移率)通常更好.另一方面，隨著溫度的升高，柔性基板變得越來(lái)越不穩(wěn)定.在聚酰亞胺薄膜上已征實(shí)在20 cm2/Vs范圍內(nèi)的飽和遷移率和100 MHz以上的晶體管頻率.

(3)碳同素異形體和納米線：碳同素異形體和納米線具備半導(dǎo)體特性.近年來(lái)，已經(jīng)建立了半導(dǎo)體同素異形體和納米線的高純度溶液的研究和生產(chǎn).然而，它們形成晶體管器件的結(jié)構(gòu)仍然具有挑戰(zhàn)性.碳基設(shè)備通?？梢跃哂蟹浅Ｐ〉恼嫉孛娣e.在剛性情況下，碳納米管100 000 cm2/Vs和石墨烯200 000 cm2/Vs的飽和遷移率可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)晶體硅1 400 cm2/Vs的飽和遷移率.對(duì)于柔性膜上的石墨烯，迄今為止已證實(shí)超過(guò)1 000cm2/Vs的飽和遷移率，其已經(jīng)與晶體硅相當(dāng).確保晶體管在高GHz范圍內(nèi)的過(guò)渡頻率.

(4)硅電路：?jiǎn)尉Ч桦娐房梢詼p薄到幾十微米.變薄的芯片變得柔性并且可以被轉(zhuǎn)移到塑料膜上，即可形成柔性封裝的硅電路.盡管這些變薄的技術(shù)可以從過(guò)去幾十年進(jìn)行了大量研究，但是在變薄過(guò)程和包裝過(guò)程中的處理仍然非常困難.而且，在減薄過(guò)程中，電特性可能會(huì)發(fā)生顯著變化.晶體管的傳輸頻率在100 GHz范圍內(nèi).

1.2 FFlexCom模型設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了高頻模型，準(zhǔn)靜態(tài)緊湊模型可捕獲所制造器件的特性以進(jìn)行電路仿真，通過(guò)開(kāi)發(fā)詳細(xì)的器件模型，特別著重于與方向相關(guān)的低場(chǎng)遷移率，利用改進(jìn)的trap-induced hockley-Read-Hall(陷阱誘發(fā)的肖克利—雷爾霍爾，SRH)重組模型來(lái)預(yù)測(cè)高頻和非靜態(tài)器件的性能.驗(yàn)證設(shè)備模型后，通過(guò)進(jìn)一步設(shè)計(jì)打印過(guò)程來(lái)優(yōu)化設(shè)備的飽和遷移率和接觸電阻，與RFID相關(guān)的電路將作為基準(zhǔn)，并在這些改進(jìn)過(guò)程中進(jìn)行驗(yàn)證.

1.3 FFlexCom關(guān)鍵技術(shù)

有機(jī)和金屬氧化物技術(shù)的共同點(diǎn)是，層厚度可能非常薄，可以減小到幾十納米，同時(shí)可以精確控制.然而，橫向尺寸的控制更具挑戰(zhàn)性，并且在1 μm左右變得極其昂貴.因此，自對(duì)準(zhǔn)技術(shù)、遮蔽技術(shù)和垂直結(jié)構(gòu)對(duì)于先進(jìn)的柔性有機(jī)和金屬氧化物器件變得至關(guān)重要.自對(duì)準(zhǔn)和遮蔽現(xiàn)在經(jīng)常用于對(duì)準(zhǔn)器件不同層(柵極，漏極，源極，溝道中的半導(dǎo)體等)中的結(jié)構(gòu)，以便能夠制造出可大規(guī)模縮放的晶體管并使寄生效應(yīng)最小化[3-4].

垂直設(shè)備架構(gòu)使用垂直通道和垂直載波傳輸，以使通道長(zhǎng)度由“薄”層定義，目前，可以主要觀察兩種垂直結(jié)構(gòu).對(duì)于第一類垂直結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)化的半導(dǎo)體層以定義良好的厚度沉積，該厚度定義了器件尺寸，在這些層的上方，下方和/或之間制造接觸電極.它們的薄度還定義了器件尺寸，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示；對(duì)于第二種垂直結(jié)構(gòu)，沉積具有限定的厚度的結(jié)構(gòu)化介電層，可能在其上方和/或下方具有接觸電極.緊接著沉積的介電層的垂直壁，沉積隨后的半導(dǎo)體/電介質(zhì)/電極層，同樣具有良好定義的薄度[5-6].

圖1 半導(dǎo)體垂直結(jié)構(gòu)圖

第一種垂直架構(gòu)可在一個(gè)空間方向上增強(qiáng)對(duì)設(shè)備尺寸的控制，該空間方向通常與通道長(zhǎng)度對(duì)齊.第二種垂直架構(gòu)有效地增強(qiáng)了在兩個(gè)空間方向上對(duì)器件尺寸的控制，通常用于精確控制溝道長(zhǎng)度和介電層厚度.

2 FFlexCom在半導(dǎo)體的應(yīng)用研究

FFlexCom適用的4個(gè)對(duì)象：有機(jī)半導(dǎo)體、金屬氧化物半導(dǎo)體、碳半導(dǎo)體和硅半導(dǎo)體，以及四個(gè)對(duì)象應(yīng)用于可彎曲電子設(shè)備的主要應(yīng)用研究.

2.1 有機(jī)半導(dǎo)體在可彎曲電子設(shè)備的應(yīng)用

高頻柔性電子設(shè)備仿真工具.實(shí)現(xiàn)并驗(yàn)證了基于有機(jī)的薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管(OFET)和薄膜碳納米管FET(CNT-FET)的多尺度仿真框架.該框架組合了不同比例的模型，以包含許多已知的效果，從而實(shí)現(xiàn)了很高的準(zhǔn)確性.所采用的仿真模型包括漂移擴(kuò)散，動(dòng)力學(xué)蒙特卡洛和等效電路.該框架可以模擬不同的材料，接觸界面，氧化物界面，摻雜狀態(tài)和陷阱狀態(tài).可以預(yù)見(jiàn)所有上述影響對(duì)器件性能的影響，因此，可以很好地理解和優(yōu)化設(shè)備物理特性.與未來(lái)發(fā)展特別相關(guān)的是預(yù)測(cè)和優(yōu)化混合材料的新可能性，它可以允許最高10 MHz的工作頻率.只有同時(shí)考慮納米級(jí)效應(yīng)，動(dòng)力學(xué)方法和漂移擴(kuò)散模型的獨(dú)特組合，才能實(shí)現(xiàn)這些優(yōu)化.

有機(jī)電子中的柔性有源雷達(dá)背散射標(biāo)簽.開(kāi)發(fā)了垂直有機(jī)可滲透基極晶體管(VO-PBT)，可以在柔性基板以及玻璃基板上制造.通過(guò)開(kāi)發(fā)兼容的無(wú)源器件，可以集成柔性有機(jī)電路.使用該技術(shù)，展示了一個(gè)振蕩頻率為5.2 MHz的LC振蕩器.開(kāi)發(fā)和測(cè)試第一個(gè)使用信用卡大小的有機(jī)有源雷達(dá)后向散射標(biāo)簽的本地化系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用開(kāi)關(guān)注入鎖定振蕩器(SILO)概念[7].

柔性生物醫(yī)學(xué)系統(tǒng)的MEGAHERTZ有機(jī)薄膜晶體管.開(kāi)發(fā)和改進(jìn)了有機(jī)薄膜晶體管(Thin Film Transistor，TFT)和兼容的無(wú)源晶體管及其建模.特別關(guān)注的是具有神經(jīng)接口，低電源電壓(約3 V)和低功耗的無(wú)線植入物.在該研究中，有機(jī)TFT的溝道長(zhǎng)度達(dá)到了亞微米范圍，如圖2所示.基于已驗(yàn)證的設(shè)備FEM仿真，正在完善針對(duì)OFETS的當(dāng)前EDA模型，以大大提高緊湊型EDA模型的準(zhǔn)確性.特別是，漏極接觸電阻的建模得到了改善，雖然p型有機(jī)TFT可用于信號(hào)處理和放大，但n型TFT可以并且將僅用于偏置.將慢速n型晶體管引入該技術(shù)仍然具有很大的好處.啟用了電流偏置方案，從而大大降低了跨導(dǎo)對(duì)晶體管閾值電壓的依賴性.

圖2 積極縮放橫向有機(jī)TFT

用于無(wú)線通信系統(tǒng)的解決方案(穩(wěn)定，高截止頻率的有機(jī)晶體管).開(kāi)發(fā)從溶液中處理的有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管.目的是通過(guò)將超高移動(dòng)性解決方案處理技術(shù)與平面和垂直短通道設(shè)備架構(gòu)相結(jié)合，顯著提高fT.使用溶液沉積策略，如圖3(a)和3(b)所示，其中圖3(a)表示用于形成高度結(jié)晶的有機(jī)半導(dǎo)體膜的剪切過(guò)程的示意圖，3(b)表示解決方案剪切的實(shí)驗(yàn)室設(shè)置.以使有機(jī)半導(dǎo)體從溶液中受控生長(zhǎng)，利用這些策略，可以可靠且可復(fù)制的方式形成高度取向的晶體，從而引起了潛在的大面積，低成本的有機(jī)TFT制造.當(dāng)前，可以在平面器件架構(gòu)中可靠地制造有效飽和遷移率μsat在6～10 cm2/Vs之間的器件.在8 μm的通道長(zhǎng)度下，如圖3(c)所示，器件的遷移率仍為1～2 cm2/Vs.對(duì)于這些設(shè)備，估計(jì)大約500 kHz的過(guò)渡頻率.由于隨之而來(lái)的器件尺寸縮放和溶液沉積技術(shù)的工程化，這些值預(yù)計(jì)將顯著增加[8-9].

圖3 無(wú)線通信系統(tǒng)的解決方案圖

印刷有機(jī)晶體管的高頻建模和表征.準(zhǔn)靜態(tài)緊湊模型可捕獲所制造器件的特性以進(jìn)行電路仿真.開(kāi)發(fā)了詳細(xì)的器件模型，特別著重于與方向相關(guān)的低場(chǎng)遷移率，并開(kāi)發(fā)了一種改進(jìn)的陷阱誘發(fā)的重組模型來(lái)預(yù)測(cè)高頻和非靜態(tài)器件的性能.驗(yàn)證設(shè)備模型后，將通過(guò)進(jìn)一步設(shè)計(jì)打印過(guò)程來(lái)優(yōu)化設(shè)備的飽和遷移率和接觸電阻.與RFID相關(guān)的電路作為基準(zhǔn)，并在改進(jìn)過(guò)程中進(jìn)行驗(yàn)證.

2.2 金屬氧化物半導(dǎo)體在可彎曲電子設(shè)備的應(yīng)用

具有新穎架構(gòu)的RF電路和系統(tǒng)的薄膜晶體管.研究交替接觸TFT，如圖4所示.現(xiàn)有技術(shù)的TFT在半導(dǎo)體層的同一界面上具有源電極和漏電極.ACTFT將它們放置在半導(dǎo)體層的相對(duì)兩側(cè)，因此不對(duì)稱，并提供了更大的幾何自由度.使用DC I-V和C-V技術(shù)評(píng)估了ACTFT器件，并特別強(qiáng)調(diào)了器件架構(gòu)中無(wú)源元件的影響.對(duì)于通道長(zhǎng)度為2 μm的設(shè)備，可以證明55 MHz的fT.通過(guò)進(jìn)一步減少重疊電容和通道長(zhǎng)度，器件的fT有望超過(guò)100 MHz.

圖4 交替接觸金屬氧化物TFT的橫截面

機(jī)械柔性薄膜基片上的無(wú)線銦鎵鋅氧化物發(fā)射器和器件.研究了非晶TFT，其溝道尺寸的可擴(kuò)展尺寸僅為100 nm.這些短通道通過(guò)聚焦離子束刻蝕來(lái)構(gòu)造，所產(chǎn)生的器件可以彎曲至2 mm的半徑.該項(xiàng)目使用這些設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)第一個(gè)靈活的開(kāi)關(guān)鍵控(OOK)發(fā)射器，如圖5所示，該發(fā)射器將能夠在13.55 Mhz ISM頻段內(nèi)工作.可用于傳輸信息和傳感器數(shù)據(jù)，例如溫度，光強(qiáng)度或濕度.

圖5 OOK發(fā)射機(jī)的系統(tǒng)級(jí)原理圖

2.3 碳半導(dǎo)體在可彎曲電子設(shè)備的應(yīng)用

高速柔性晶體管基于金屬氧化物的TFT和基于單壁碳納米管的TFT.通過(guò)原子層沉積(atomic layer deposition，ALD)來(lái)制造使用不同半導(dǎo)體金屬氧化物的基于金屬氧化物的TFT.ln2O3，ZnO，SnO2和IZO用作半導(dǎo)體材料，三元化合物IZO通過(guò)ALD由ln2O3和ZnO制成納米層壓板.與其他金屬氧化物相比，它具有更高的遷移率和更低的亞閾值斜率.目前為止，平面n型器件實(shí)現(xiàn)了1.5 cm2/Vs的飽和遷移率，0V的導(dǎo)通電壓，0.5 V/decade的亞閾值斜率和低磁滯.

基于石墨烯的異質(zhì)結(jié)晶體管.實(shí)現(xiàn)了高度創(chuàng)新的基于垂直石墨烯/硅的異質(zhì)結(jié)晶體管(GBHT).首先，借助于非常高頻率(140 MHz)的等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法，將n型摻雜的非晶態(tài)氫化硅(a-Si：H)沉積在石墨烯(Gr)的頂部.肖特基二極管的大整流比達(dá)到了1.6·104(±1 V).肖特基勢(shì)壘高度(取決于溫度的IV特性)約為0.4 eV.

2.4 硅半導(dǎo)體在可彎曲電子設(shè)備的應(yīng)用

高效節(jié)能無(wú)線集線器-使用減薄的SiGe BiCMOS芯片，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了用于與集成天線進(jìn)行無(wú)線通信的模塊.將電路板減薄至約20 μm，并使用創(chuàng)新的自適應(yīng)互連布局將其嵌入聚合物封裝中，以允許在芯片上和芯片外的布線間距小于108 μm[10].整個(gè)設(shè)計(jì)非常靈活，厚度約為100 μm，無(wú)線通信模塊將在5.5 GHz左右的載波頻率上支持100 Mbit/s的速度和10 mW的RF輸出功率.由于機(jī)械靈活性，模塊須適應(yīng)其形狀和周圍環(huán)境的變化，即必須補(bǔ)償天線特性的變化.該模塊使用倍增天線，可調(diào)負(fù)載阻抗和自適應(yīng)偏置來(lái)實(shí)現(xiàn)這種RF適應(yīng)性.不帶電源的最終尺寸約為20毫米×5毫米，厚度僅為100 μm.如圖6(a)為厚度為45 μm的三通道5 GHz—6 GHz0.25 μm SiGe BiCMOS功率放大器的硅芯片圖，圖6(b)為該芯片仿真的和測(cè)量的正向增益.

圖6 厚度為45 μm的5～6 GHz的硅BiCMOS圖

3 結(jié)論

工業(yè)無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，DFG(Deutsche Forschungs Gemeinschaft德國(guó)科學(xué)基金會(huì))作為國(guó)際著名的支持公共性研究的機(jī)構(gòu)，組織基于FFlexCom提高柔性電子技術(shù)的速度、可靠性和使用范圍.采用靈活的電子設(shè)備解決了應(yīng)用過(guò)程中的環(huán)境適應(yīng)性，不僅可彎曲、可折疊、可拉伸，而且價(jià)格適中，重量輕，超薄，透明且易于回收，將更自然集成到日常生活.