柔性电子技术专刊

柔性电子技术专刊编者按

冯雪, 黄维, 李宇航
中国科学: 信息科学, 2018, 48(6): 603-604

关键词 电子皮肤; 柔性电子器件; 健康医疗; 物联网; 电子元件; 传感器件; 柔性传感器; 柔性电子技术;

摘要随着技术的进步与社会的发展,柔性电子器件与人体集成是电子信息与健康医疗紧密结合的必然趋势.具有可拉伸、可变形、超柔性等特点的类皮肤固体电子器件能与人体长时间舒适集成,未来将在医学诊断、医学治疗、人机交互和机器人环境感知等领域发挥重要作用.本文以超薄类皮肤固体电子器件研究为主题,重点介绍其在体温、体表应变、血氧、血糖等人体基本生理参数连续监测以及生物能量收集方面的应用进展.随着人工智能的成熟和大数据环境的完善,类皮肤固体电子将在人类未来的生命健康领域发挥不可替代的作用.

关键词 柔性电子; 类皮肤固体电子; 健康医疗; 体温; 血氧; 血糖; 能量收集; flexible electronics; skin-like solid electronics; healthcare and medicare; body temperature; blood oxygen; blood glucose; energy harvesting;

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电子皮肤的研究进展

Advances in electronic skin research

刘广玉, 徐开凯, 于奇, 刘洋
中国科学: 信息科学, 2018, 48(6): 626-634

摘要皮肤是人体最大的器官,能够感受温度、湿度、压力以及外界复杂的刺激.通过电子系统(电子皮肤)重塑人体皮肤的属性是一个研究热点,在人工智能、机器人和人机界面等方面具有广泛的应用.为了模仿人体皮肤的触感,研究者采用不同传导机制和结构设计研发出具有柔性、可拉伸、高灵敏度和高分辨率等要求的传感阵列.高密度柔性电路集成技术、无线技术和自供电技术使得电子皮肤具有便携和可移动等特点.自愈合技术使得电子皮肤对于意外的划伤产生自愈合效果以弥补器件的功能.本文综述了近期国内外用于模仿皮肤感知和生成仿生信号能力的材料、设备,以及改善电子皮肤性能所采用的先进技术.

关键词 电子皮肤; 柔性电路; 无线技术; 自供电技术; 自愈合技术; electronic skin; flexible circuit; wireless technology; self-powered technology; self-healing technology;

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柔性电子技术专刊

氧化物功能薄膜材料在柔性传感器件中的应用

The application of functional oxide thin films in flxible sensor devices

潘泰松, 廖非易, 姚光, 王宇轩, 高敏, 林媛
中国科学: 信息科学, 2018, 48(6): 635-649

摘要柔性传感器件因其在医疗健康、人机交互等应用中的巨大前景,受到了广泛关注,也是近年来的研究热点.作为无机功能材料中的一类重要材料,氧化物功能薄膜因其具有丰富的电子学、光学、热学、力学、磁学等方面性质已经在各种电子和光电子器件中得到了广泛的应用.将氧化物功能薄膜应用于柔性传感器件,有望进一步提高柔性传感器件的性能,并为新型柔性传感器件的设计提供材料保障.本文分析了目前氧化物功能薄膜在柔性传感器件中应用所面临的重点科学技术问题,并介绍了近年来在基于氧化物功能薄膜的柔性传感器件所涉及的关键技术和器件应用上的研究进展.

关键词 无机功能材料; 氧化物功能薄膜; 柔性器件; 传感器件; inorganic functional materials; functional oxide thin film; flexible device; sensor device;

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柔性自修复材料与传感器研究进展

Recent advances in flexible self-healing materials and sensors

张珽, 白元元, 孙富钦
中国科学: 信息科学, 2018, 48(6): 650-669

摘要赋予材料自修复能力是增强设备可靠性、耐用性和功能性的有效途径.对于柔性电子材料与设备来说,自修复功能尤为重要.本文总结了柔性自修复材料与传感器的研究进展.首先介绍并讨论了自修复聚合物的主要修复机制,包括本征型自修复和外援型自修复,并详细介绍了自修复柔性导电材料的研究进展.在此基础上,介绍并讨论了自修复柔性传感器,尤其是自修复柔性力学传感器的构建方法、传感及自修复性能.最后,讨论了柔性自修复材料和传感器的现有挑战和解决方案.

关键词 自修复; 柔性电子; 可穿戴电子; 柔性传感器; 柔性导体; self-healing; flexible electronics; wearable electronics; flexible sensors; flexible conductor;

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单晶硅/锗薄膜材料的转移技术及柔性器件应用

Transfer techniques for single-crystal silicon/germanium nanomembranes and their application in flexible electronics

李恭谨, 宋恩名, 郭庆磊, 黄高山, 梅永丰
中国科学: 信息科学, 2018, 48(6): 670-687

摘要单晶硅/锗材料是当今半导体工业的基石.当厚度缩小到纳米尺寸量级时,这些材料的薄膜在力学、光学、电学、热学等领域均展现出显著区别于体材料的独特性质与应用.超薄的厚度使单晶硅/锗纳米薄膜在获取可以媲美有机半导体材料的柔性特征的同时,仍保持远高于有机材料的迁移率特性.以上性质使硅/锗纳米薄膜成为高性能柔性电子器件的理想构筑单元,在物联网、可植入/可穿戴电子器件、仿生电子器件等诸多领域表现出非常广阔的应用前景.本文通过"先转移单晶硅/锗纳米薄膜,后搭建器件"以及"先制备单晶硅/锗纳米薄膜器件,后转移整体"两个角度,深入探讨了不同转移策略的特点,以及在柔性器件中的应用;阐述了当前该领域最新研究进展及需要重点解决的科学问题与技术难点.

关键词 硅; 锗; 纳米薄膜; 转移; 柔性器件; silicon; germanium; nanomembrane; transfer; flexible electronics;

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面向柔性光电子器件的低温外延技术

Low-temperature epitaxial technology for flexible optoelectronic devices

罗毅, 于汪洋, 王健, 郝智彪, 汪莱, 孙长征, 韩彦军, 熊兵, 李洪涛
中国科学: 信息科学, 2018, 48(6): 688-700

摘要柔性光电子器件需要在金属、玻璃、塑料等柔性非单晶衬底上制作或承载光电转换薄膜,已有的实现柔性光电子器件的方法分为两大类:直接在非单晶衬底上沉积有机光电转换薄膜;或者将外延生长的无机光电转换薄膜从单晶衬底转移到非单晶衬底.前者无法在柔性非单晶衬底上制作无机光电子器件,后者存在大面积转移的困难.如果能够在非单晶的柔性衬底上直接外延生长无机光电子器件,将为柔性无机光电子器件开辟一条新的技术路线和研究方向.传统的无机光电子器件的外延生长通常需要足够高的外延生长温度和耐高温的单晶衬底,前者裂解反应物并向其提供原子表面迁移能力,后者提供无机光电转换薄膜的晶格排列方式.通过电磁场耦合降低外延生长所需的温度,则有可能在柔性非单晶衬底上直接外延生长无机光电子薄膜.本文综合分析了国际上的低温外延技术的研究现状,并着重介绍了本研究团队提出的低温外延方法——电感应耦合等离子体金属有机物化学气相外延(inductive coupled plasma metal organic vapor phase epitaxy,ICP-MOVPE),包括ICP-MOVPE的设计思路、反应腔内等离子体的模拟仿真和该设备进行III族氮化物半导体外延生长的初步结果.

关键词 柔性光电子器件; 非单晶衬底; 大面积低温外延; ICP-MOVPE; 电磁场耦合; flexible optoelectronic devices; non-single crystal substrate; large area epitaxy; ICP-MOVPE; electromagnetic field coupling;

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基于蜂窝拓扑结构的柔性电子系统通信架构设计

Design of communication architecture for flexible electronic system based on honeycomb

徐长卿, 刘毅, 杨森, 杨银堂
中国科学: 信息科学, 2018, 48(6): 701-712

摘要近年来柔性电子的出现带动了可穿戴设备、医疗电子、柔性显示和物联网等领域的飞速发展.随着柔性电子复杂性的提升,越来越多的功能器件被集成在柔性衬底上,功能器件之间的通信成为柔性电子设计中的重要问题之一.本文针对岛桥结构的柔性电子系统,提出了一种基于蜂窝拓扑结构的片上网络通信架构以及相应的路由算法.相比于传统结构,该架构能够有效地避免局部形变过大导致的互连导线断裂.同时,在面积和功耗方面也有显著改善.相比于Mesh结构的片上网络,本文提出的基于蜂窝拓扑的通信架构减少了46.43%的面积和30.51%的功耗.

关键词 蜂窝结构; 柔性电子; 片上网络; 岛桥结构; honeycomb structure; flexible electronics; network-on-chips; island-bridge structure;

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内含四棱台空腔电磁辅助转印印戳的力学模型

Mechanical model of electromagnetic-assisted transfer-printing stamp containing a four-prism cavity

于庆民, 陈福荣, 周红磊, 余旭东
中国科学: 信息科学, 2018, 48(6): 713-723

摘要转印是柔性可延展电子器件制备的重要手段,而对印戳与元件界面作用力的调控是转印技术的关键.本文提出了一种内含四棱台空腔结构的电磁辅助转印印戳并建立了该印戳的力学模型.在交变电磁场作用下,印戳上部的磁性薄膜发生凹凸变形并通过空腔内封装的液体传递给底部的柔性薄膜,从而改变印戳底部空腔缺陷处的压力大小,实现对印戳和电子元件间作用力的调控.力学分析表明,该印戳在转印过程中底部开口空腔缺陷处压力变化的大小随着电磁驱动压力的增大而增大,而随着薄膜弹性模量、薄膜厚度、薄膜的边长比的增大而减小.印戳薄膜边长比、厚度、弹性模量越小,对转印越有利.

关键词 电磁辅助转印; 印戳; 力学模型; 四棱台空腔; 有限元分析; electromagnetic-assisted transfer printing; stamp; mechanical model; four prism cavity; finite element analysis;

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基于PDMS衬底的可延展柔性倒F天线设计

Design of stretchable inverted-F antenna based on PDMS substrate

何鱼, 刘毅, 杨银堂
中国科学: 信息科学, 2018, 48(6): 724-733

摘要近年来物联网的快速发展带动可穿戴领域迅速崛起,体域网的出现对可穿戴设备的无线收发提出了新需求:在生物医疗应用中要求收发天线能够适应拉伸弯曲形变.传统天线制作在刚性衬底上,不具有柔性,而且天线在拉伸条件下发生形变,工作频率迅速变化导致性能退化,难以满足柔性系统的需求.本文针对此类需求,在柔性衬底PDMS材料上设计了一款可延展柔性倒F蓝牙天线,通过辐射臂曲流形走线和地平面的分割设计,天线的可延展柔性得以实现.仿真结果显示,设计的天线在保证工作频带完全覆盖蓝牙频段的条件下,X轴向上可做到最大20%的拉伸,Y轴向上可做到60%的拉伸,同时可承受最小曲率半径为8 mm的弯曲.

关键词 可延展天线; 倒F天线; 可穿戴; 蓝牙; stretchable antenna; inverted-F antenna; wearable device; Bluetooth;

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柔性微型无机发光二极管的瞬态传热分析

A transient thermal analysis of microscale inorganic light-emitting diodes

殷亚飞, 崔赟, 李宇航, 邢誉峰
中国科学: 信息科学, 2018, 48(6): 734-742

摘要集成在柔性衬底上的微型无机发光二极管(microscale inorganic light-emitting diodes,μ-ILED)能够承受拉、弯、扭等载荷,可以实现与人体组织直接集成,可作为一种新型光学探测器应用于人体健康监测和临床医学诊断.但这种电子器件在工作时会发出大量的热,器件的传热特性成为应用的重要问题.本文采用分离变量方法针对具有轴对称形状柔性μ-ILED瞬态传热过程建立了理论和有限元仿真模型,得到了系统温升随时间和空间坐标的变化规律,理论预测结果得到了有限元仿真的验证.通过理论模型,讨论了μ-ILED与封装层/衬底材料面内尺寸之间比值对正常工作下柔性μ-ILED温升的影响关系,这些结果能够预测基于柔性μ-ILED的微小体征探测器的发热过程,对其热管理及相应的散热设计具有一定的指导意义.

关键词 柔性微型无机发光二极管; 瞬态传热分析; 分离变量法; flexible microscale inorganic light-emitting diodes; transient thermal analysis; separation variable method;