革命性的电子技术——柔性电子

与传统IC技术一样，制造工艺和装备也是柔性电子技术发展的主要驱动力。柔性电子制造技术水平指标包括芯片特征尺寸和基板面积大小，其关键是如何在更大幅面的基板上以更低的成本制造出特征尺寸更小的柔性电子器件。

柔性电子制造过程通常包括:  材料制备→沉积→图案化→封装,  可通过卷到卷(R2R)基板输送进行集成。

柔性电子制造主要关注生产成本、生产效率、可实现的特征尺寸,  以及有机材料的相容性等因素.  近年来,  由于活性材料及其图案化技术的突破,  柔性电子制造技术得到了长足的发展。

柔性电子制造的核心是薄膜晶体管(TFT)制造, 其关键制造技术是制作源漏极间沟道长度的高分辨率图案化技术,  直接影响输出电流、开关速度等器件性能.  在有机半导体图案化过程中,  特别需要消除寄生漏电和减少串音,  以确保高的开关比.  大多数应用要求有机薄膜晶体管(OTFT)沟道长度小于10 μm. 现有的图案化技术包括光刻、荫罩、打印(微接触印制和喷印)等。具体比较见下表。

光刻等能量束技术在微电子器件图案化中得到广泛应用,  分辨率高,  但因其工艺过程复杂、设备昂贵、溶剂和显影剂无法用于塑料基板,  加之耗时费料、仅适用于小面积图案化, 在刻蚀底层时环境要求苛刻,  去除光刻胶时会破坏有机电子材料的活性和聚合物基板等,  在柔性电子制造应用中受限。

荫罩技术为“干”工艺,  可避免溶剂破坏有机半导体,  但分辨率有限。

打印技术在同一个步骤中同时实现功能材料沉积和图案化,  主要方法有: (1) 将完整的电路转移并粘贴到柔性基板上,  如传印(图章); (2) 直接在柔性基板上制备电路,  如喷印和微接触印制(软刻蚀)。

在传印方法中,  首先通过标准光刻方法在硅晶片或玻璃板上制备整个结构,  然后转移到柔性基板上制造出高性能器件.  由于应用光刻和高温沉积技术,  传印技术只能制造小面积器件,  且加工成本高。

微接触印制可制造出多级图案用于掩模,  可与R2R批量化制造技术集成.  通常一个母版可制造100 个以上的图章,  每个图章又可实现3000 个以上的印记,  图章的成本相对较低,  可以每秒数厘米的速度制作60 nm 高分辨率图案,  但实现多层图案比较困难.  微接触印制可用于非晶硅、多晶硅及TMOS等多种材料,  但难以直接用于有机材料刻蚀.  兰红波等人对纳米压印刻蚀模具技术的研究进展及其发展趋势进行了详细的论述和分析。

柔性电子理想的图案化工艺应满足: 低成本、大面积、批量化工艺、低温、“加”式、非接触式、可实时调整、三维结构化、易于多层套准、可打印有机物/无机材料等.  从上图的表可知,  喷印是一种无接触、无压力、无印版的印刷复制技术, 它具有无版数码印刷的特征,  在室温下将溶液直写实现数字化柔性印刷,  简化了制造过程。  利用溶液化的半导体和金属材料取代传统的真空沉积材料,  可有效减低成本， 喷印还具有以下优势:

(1) 图案质量不受光刻焦距限制, 可在非平面表面甚至深沟结构上进行图案化

(2) 与有机/无机材料的良好兼容性;

(3) 直接利用CAD/ CAM数据加工器件,  可实现大面积动态对准和实时调整;

(4)  作为非接触式图案化技术,  可有效减少瑕疵,  并可利用虚拟掩模补偿层间变形、错位等缺陷;

(5) 无需物理掩模的按需打印(DOD)技术;

(6)  可实现复杂三维微结构的快速设计与加工,  并可通过基于软件打印控制系统进行图形的快速更改。

柔性电子的应用

伴随着柔性电子技术的发展，各种电子产品应运而生。正如微电子技术为大规模集成电路和计算机芯片技术提供技术平台一样，柔性电子技术为新产品的研发提供了崭新的的技术平台。柔性电子产品目前正处于研发起步阶段，部分产品已经投放市场。从现在的研发趋势来看，柔性电子技术在以下3个方面有着广泛的应用。

1 、柔性电子显示器

柔性电子显示器(flexible electronic display)是在柔性电子技术平台上研发出来的全新产品。与传统平板显示器不同，这种显示器能够被反复的弯曲和折叠，因而给我们的生活带来极大的便利。

例如，所有可视资料，包括各种书籍、报纸、杂志和视频文件都可以通过这种显示器来呈现，而且可以随时随地观看。尽管目前流行的MP4播放器和个人数字助理器(personal digital assistant，PDA)也能满足这样的使用需要，但其显示屏不能弯曲和折叠，只能在很小的屏幕范围内阅读和观看这些文字和视频，视觉效果受到极大的制约。相比而言，柔性电子显示器具有无可比拟的优势，它就像报纸一样，在需要时将其展开，使用完毕后将其卷曲甚至折叠，在保证携带方便的同时充分的兼顾了视觉效果。

柔性电子显示器的样品目前已研制成功，相信离进入市场已为时不远．值得一提的是，柔性电子显示器采用更多的轻质有机材料取代无机材料，所以其重量比传统显示器轻，这种特性有利于提高其便携性。此外，高分子有机材料的使用为降低成本提供了可能性。另外，柔性电子显示器具有薄厚度的特点，其厚度可以远远小于目前流行的液晶显示器，所以柔性电子显示器的另一种名称就是纸状电子显示器（paper—like electronic display)。

2 、薄膜太阳能电池板

薄膜太阳能电池板（thin film solar cel1)是柔性电子技术的另一项具体应用．在当今世界里，能源已成为全球高度关注的话题，而我国不仅面临能源短缺，还面临环境污染．太阳能作为一种清洁能源，可以在环境零污染的前提下有效的缓解能源短缺的矛盾。

作为最常用的利用太阳能的方式，太阳能电池板能够以最低的成本覆盖较大的面积从而有效的利用太阳能。目前，非晶硅薄膜（thin film amorphous Sili—Con）太阳能电池板已经研发成功并进入市场销售。

基于柔性电子技术的薄膜太阳能电池板能够满足大功率的发电需要，比如可以在阳光充足的沙漠地区太阳能发电厂里使用这种薄膜太阳能电池板。

除此以外，还可以充分利用其柔韧和轻质的特点，将其集成在衣服上。穿上这种衣服在阳光下行走或运动，随身携带的小电器（例如MP3播放器和笔记本电脑)的电源就可由衣服上的薄膜太阳能电池板供给，从而达到即节约又环保的目的。

3、柔性电子在RFID领域的应用背景

射频识别（RFID）技术以无需人工接触即可完成信息输入和处理、操作快捷方便、发展迅速等特点，广泛运用于生产、物流、交通、医疗、食品、防伪等领域。射频识别系统通常由应答器、阅读器组成。

电子标签是应答器诸多形式中的一种，可以理解为一种薄膜型构造的应答器，具有使用方便、体积小、轻薄、可嵌入产品内等特点。未来的射频识别系统中将越来越多的使用电子标签。

电子标签的构造形势朝着轻、薄、小、软的方向发展的趋势。在这方面，柔性电子器件有着别的材料无法比拟的优势，因此在射频识别系统的电子标签未来的发展很可能会与柔性电子制造相结合，使得RFID电子标签的使用更加广泛和方便。另外，还可以很大程度上降低成本，带来更高的效益。这也是柔性电子制造将来的发展方向之一。

制作低成本柔性电子标签具有两方面的意义。一方面，是制作柔性电子器件的有益尝试。电子电路与电子器件朝着“轻、薄、小、软”的方向发展，而柔性电子电路与电子器件的开发研制则更引人注目。

例如现在已经能够生产的柔性电路板，是一种含有精致导线，采用薄薄的、柔顺的聚合物薄膜制造的电路，它能够适用表面安装技术并能够被弯曲为无数种所需形状。

采用SMT技术的柔性电路很薄、很轻巧，绝缘厚度小于25微米，这种柔性电路能够被任意弯曲并且可以弯曲后放入圆柱体中，以充分利用三维体积。

它打破了传统固有使用面积的思维定势，从而形成充分利用体积形状的能力，这能够在目前的采用的方法上极大的增加有效使用密度，形成高密度组装形式。顺应了电子产品“柔性化”的发展趋势。

另一方面,能够加速射频识别技术在我国的被认识和发展的过程。射频识别系统中，应答器是技术关键所在。电子标签是RFID应答器诸多形式中的一种，而柔性化的电子标签更是适用于更多场合，电子标签成本的降低将大力推动射频识别技术的真正广泛应用。

4、 电子皮肤

柔性电子技术的另一项重要应用就是电子皮肤（electronic skin)。电子皮肤又称为皮肤状电子，其基本特征是将各种电子元器件集成在柔性基板之上从而形成皮肤状的电路板，像皮肤一样具有很高的柔韧性和弹性，可以用于许多其它电器设备。

例如，在机器人技术中可以广泛的应用电子皮肤：电子皮肤集成了各种传感器和导电体，将外界的受力或受热情况转换为电信号后传递给机器人的电脑进行信号处理，因此电子皮肤又称敏感皮肤(sensitive skin)。

电子皮肤的两个最基本的特点可以概括为：

1)像人的皮肤一样具有柔性和弹性以便机器人可以像真人一样行动灵活和敏捷。

2)电子皮肤上分布传感器以便机器人能敏锐的感觉到外界环境的变化。

目前，国内外对电子皮肤的研究方兴未艾。针对机器人皮肤的重要电子元器件—— 传感器，国内在其原理及应用研究方面取得了一定进展。基于红外传感器的电子皮肤的设计方法，提高了机器人对未知环境的感知能力以便及时避让障碍物。