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柔性芯片能否完全替代传统刚性芯片?

时间:2019-07-23 阅读:
随着“柔性屏”、“折叠屏”等技术已经投入应用并被许多人熟知,“柔性芯片”对大家来说还是一个比较陌生的概念。柔性芯片所指何物?相比于传统的刚性芯片有什么特征?在国内外的发展状况如何以及面临什么样的技术难点?本文对这些问题进行了深入调查。

近日,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(简称“荷清柔电”)发布了两款柔性芯片,分别为运放芯片和蓝牙SoC芯片,厚度均小于25微米。同时,荷清柔电还展示了利用柔性芯片制成的“创可贴”,可以监测人体数据。

清华大学柔性电子技术研究中心主任冯雪认为:“柔性电子技术是一种将有机、无机材料制作在柔性、可延展基板上的新兴电子技术。”柔性芯片作为柔性电子的重要分支,突破了传统刚性电路的物理形态,将在数字医疗、人工智能、智能制造、物联网等领域产生巨大而深远的影响。

目前,国内外柔性芯片发展均处于起步阶段,只有一小部分医疗检测等领域的应用可以投入量产。对于柔性芯片技术来说,电路制作材料和性能突破是最主要的限制。柔性芯片的产业化进程刚刚起步,未来将可能带来医疗监测、可穿戴设备、机器人等领域的颠覆式变革。

随着“柔性屏”、“折叠屏”等技术已经投入应用并被许多人熟知,“柔性芯片”对大家来说还是一个比较陌生的概念。柔性芯片所指何物?相比于传统的刚性芯片有什么特征?在国内外的发展状况如何以及面临什么样的技术难点?本文对这些问题进行了深入调查。

一、适合多种形变环境,带来新一代人机交互体验

柔性芯片相对于刚性芯片有三大特点。

首先,薄。本次荷清柔电发布的两款柔性芯片厚度均在25微米以下,薄于一般头发丝直径的1/4。

其次,柔。柔性芯片具有非常优良的柔韧性,可以被轻易改变形状。

最后,大。本次荷清柔电发布的柔性芯片大约在5cm²左右。

柔性芯片可以作为传统刚性芯片的一个很好的补充,可用于许多不适合刚性芯片的情况,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。

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。

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。

在人体医疗监测方面,柔性芯片已经得到了非常重要的应用,包括无创血糖测量、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方面。

二、国内外均处于起步阶段,目前主要应用在医疗

冯雪称:“柔性电子技术发展目前还处于起步阶段。”目前国内外的柔性芯片技术都才刚刚起步,大多数处于试验阶段,小部分投入量产,主要集中在医疗传感领域。

1、荷清柔电中心

荷清柔电中心发布的运放芯片和蓝牙SoC芯片,厚度仅为25微米。运放芯片可用于放大模拟信号,蓝牙SoC芯片则集成了处理器和蓝牙无线通信功能。

其研发的柔性传感器“创可贴”里镶嵌了可弯曲的监测芯片。将它贴在体表,即可监测血压、血糖、提问等数据,并能将数据无线上传至手机应用或云端,这项技术已通过国家药监局和欧盟CE认证。

“我们通过特殊的晶圆减薄工艺、力学设计和封装设计,使得刚性的硅芯片呈现出柔性和可弯曲变形的特征。”该公司柔性芯片技术研发团队负责人王波说,“硅基集成电路的柔性化十分具有挑战性,这两款柔性芯片在这一挑战上运用了新技术。”

2、美国半导体公司和空军研究实验室(AFRL)

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),据称是当时最复杂的柔性集成电路,可用于物联网控制,存储能力是其他柔性器件的7000倍。

这项技术的独特之处不仅是芯片的柔性,而且还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。

研究者Berrigan表示:“通常硅基集成电路都脆而易折。当我们将这些器件放入一个柔性的封装中,它将能够在恶劣环境下的正常工作。我们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,这使我们能够灵活放置微控制器。”

3、ARM

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。

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。

4.维也纳技术大学

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 。

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。

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。

三、主要难点:制作材料和性能突破

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。

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。

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。

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。”

(来源:智东西)

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