可延展柔性光子/电子集成器件及转印技术
发布时间：2021-01-21 17:49
基于无机半导体材料的光子/电子集成器件,是现代信息系统的重要组成部分和基础支撑.人与信息的交互融合是信息技术的主要发展方向,这种新的信息交互手段对电子集成器件提出了可延展柔性化的需求,以实现物理世界、信息数据和人类社会资源的综合利用.可延展柔性化的集成器件,可突破传统刚性无机集成器件不可变形、无法与人体曲面环境集成的瓶颈,极大拓展了传统半导体器件的物理形态及应用范围,也必将在健康医疗、脑机融合、物联网等领域产生巨大影响.本文对可延展柔性光子/电子集成器件的基本原理和设计方法进行了详细介绍,并以大脑、心脏和皮肤可集成的可延展柔性无机电子集成器件为例展示了其在生物医疗方面的应用价值,然后介绍了可延展柔性光子/电子集成器件的转印制备技术,最后展望了其未来发展方向.
【文章来源】：中国科学:物理学 力学 天文学. 2016,46(04)北大核心
【文章页数】：14 页
【部分图文】：
(网络版彩图)可延展柔性无机电子的结构设计.(a)波浪结构
?怼⑸杓浦票负妥?〖际醯难芯拷??并展望了未来的应用发展方向.2可延展柔性电子集成器件通过优化的结构和中性层等力学设计后,高性能的无机半导体材料在整体性能上实现了柔性甚至可延展性.其中,金属氧化物半导体场效应晶体管(Metaloxidesemiconductorfield-effecttransistors,MOSFERs)是通过力学优化后得到的最为典型的一类电子元件[29].N型和P型的MOSFERs通过连接后形成电路,例如互补金属氧化物半导体(Complem-entarymetaloxidesemiconductor,简称CMOS)逆变器,对CMOS回路进行不同的布局可以得到丰富的功能.图2(a)所示的CMOS回路结合了中性轴和波浪结构的优点,由于其振幅远远小于波长,CMOS回路在发生折叠后,扭转和弯曲过程中仍然保持很小的应变,使得其电子学性能基本不受影响[12].CMOS回路也可采用更为优化的非共面网格设计,如岛桥结构(图2(b))和蜿蜒结构[14].非共面的网格设计具有非图2(网络版彩图)可延展柔性CMOS回路.(a)波浪结构[12];(b)岛桥结构[14];(c)CMOS回路集成到乙烯手套和皮革上[30]Figure2(Coloronline)FlexibleandstretchableCMOScircuits.(a)Inwaryconfiguration[12];(b)inisland-bridgeconfiguration[14];(c)opticalimagesofCMOScircuitsonfingerjointsofvinylandleather[30].常好的抗拉伸能力,能够承受的拉伸变形达到140%.结合非共面网格设计和低模量的应变隔离层封装,CMOS回路可以集成到多种基体上,例如皮革、布料和乙烯手套等(图2(c))[30].2.1生物集成的可延展柔性无机电子器件通过转印技术集成的可延展柔性无机电子在与生物体进行集成时具有得天独厚的优势:(1)可延展柔性无机电子能够适应人体及其组织柔软、非可展曲面等体征,实现器件与人体的紧密贴合而不影响日常活动;(2
黄银等.中国科学:物理学力学天文学2016年第46卷第4期044607-4图3(网络版彩图)(a)超薄生物集成的柔性脑电极[33];(b)猫科动物大脑皮层的扫描信号[33];(c)薄网状结构柔性脑电极[34]Figure3(Coloronline)(a)Ultrathinandflexibleelectrodeforbrainsurfacerecoding[33];(b)mappingresultsfromfelineneocortex[33];(c)ultrathinmeshelectrodarray[34].高速多路复用和高时间分辨率,可实时扫描猫科动物大脑的空间分布特性,其扫描结果发现了癫痫可能是在新皮质层传播的周期性螺旋波(图3(b))[33].为了进一步提高柔性脑电极与组织的接触,将超薄网状结构柔性脑电极置于生物可吸收的蚕丝蛋白衬底上,并保证其总厚度在10m以下.当蚕丝蛋白在体液中溶解后,柔性脑电极能更加紧密、无损地贴合在脑组织表面(图3(c))[34].研究心脏表面的电位活动图对人们了解心脏疾病状态、外科手术中局部组织的诊断有着重要意义.气囊导管系统可显著提高心血管疾病患者的治疗水平,但其监测到的信息强烈依赖于组织的接触,仍不能反馈与软组织的机械接触以及心脏内部的电位状态信息[35,36].因此,研究者们设计了基于可延展柔性无机电子技术的多功能气囊导管系统[37].柔性多功能气囊导管系统将接触式传感器和多电极集成到球状基体上,并通过蛇形导线连接(图4(a)).图4(b)两图分别展示了多功能气囊导管与活的兔子心脏右心室直接接触以及对心外膜进行消融治疗.图4(c)分别展示了在右心室和左心房部位记录到的电位图.柔性多功能医用气囊导管的研制为临床微创手术提供了新的手段和方法,将大大减少病人在微创手术中的创伤.作为更优的设计,气囊导管上集成了高密度的电极,且每个电极都采用局部放大和多路复用技术[37].这种高密度的电极分布大大提?
【参考文献】：
期刊论文
[1]可延展柔性无机微纳电子器件原理与研究进展[J]. 冯雪,陆炳卫,吴坚,林媛,宋吉舟,宋国锋,黄永刚. 物理学报. 2014(01)
[2]柔性电子系统及其力学性能[J]. 许巍,卢天健. 力学进展. 2008(02)
本文编号：2991622
【文章来源】：中国科学:物理学 力学 天文学. 2016,46(04)北大核心
【文章页数】：14 页
【部分图文】：
(网络版彩图)可延展柔性无机电子的结构设计.(a)波浪结构
?怼⑸杓浦票负妥?〖际醯难芯拷??并展望了未来的应用发展方向.2可延展柔性电子集成器件通过优化的结构和中性层等力学设计后,高性能的无机半导体材料在整体性能上实现了柔性甚至可延展性.其中,金属氧化物半导体场效应晶体管(Metaloxidesemiconductorfield-effecttransistors,MOSFERs)是通过力学优化后得到的最为典型的一类电子元件[29].N型和P型的MOSFERs通过连接后形成电路,例如互补金属氧化物半导体(Complem-entarymetaloxidesemiconductor,简称CMOS)逆变器,对CMOS回路进行不同的布局可以得到丰富的功能.图2(a)所示的CMOS回路结合了中性轴和波浪结构的优点,由于其振幅远远小于波长,CMOS回路在发生折叠后,扭转和弯曲过程中仍然保持很小的应变,使得其电子学性能基本不受影响[12].CMOS回路也可采用更为优化的非共面网格设计,如岛桥结构(图2(b))和蜿蜒结构[14].非共面的网格设计具有非图2(网络版彩图)可延展柔性CMOS回路.(a)波浪结构[12];(b)岛桥结构[14];(c)CMOS回路集成到乙烯手套和皮革上[30]Figure2(Coloronline)FlexibleandstretchableCMOScircuits.(a)Inwaryconfiguration[12];(b)inisland-bridgeconfiguration[14];(c)opticalimagesofCMOScircuitsonfingerjointsofvinylandleather[30].常好的抗拉伸能力,能够承受的拉伸变形达到140%.结合非共面网格设计和低模量的应变隔离层封装,CMOS回路可以集成到多种基体上,例如皮革、布料和乙烯手套等(图2(c))[30].2.1生物集成的可延展柔性无机电子器件通过转印技术集成的可延展柔性无机电子在与生物体进行集成时具有得天独厚的优势:(1)可延展柔性无机电子能够适应人体及其组织柔软、非可展曲面等体征,实现器件与人体的紧密贴合而不影响日常活动;(2
黄银等.中国科学:物理学力学天文学2016年第46卷第4期044607-4图3(网络版彩图)(a)超薄生物集成的柔性脑电极[33];(b)猫科动物大脑皮层的扫描信号[33];(c)薄网状结构柔性脑电极[34]Figure3(Coloronline)(a)Ultrathinandflexibleelectrodeforbrainsurfacerecoding[33];(b)mappingresultsfromfelineneocortex[33];(c)ultrathinmeshelectrodarray[34].高速多路复用和高时间分辨率,可实时扫描猫科动物大脑的空间分布特性,其扫描结果发现了癫痫可能是在新皮质层传播的周期性螺旋波(图3(b))[33].为了进一步提高柔性脑电极与组织的接触,将超薄网状结构柔性脑电极置于生物可吸收的蚕丝蛋白衬底上,并保证其总厚度在10m以下.当蚕丝蛋白在体液中溶解后,柔性脑电极能更加紧密、无损地贴合在脑组织表面(图3(c))[34].研究心脏表面的电位活动图对人们了解心脏疾病状态、外科手术中局部组织的诊断有着重要意义.气囊导管系统可显著提高心血管疾病患者的治疗水平,但其监测到的信息强烈依赖于组织的接触,仍不能反馈与软组织的机械接触以及心脏内部的电位状态信息[35,36].因此,研究者们设计了基于可延展柔性无机电子技术的多功能气囊导管系统[37].柔性多功能气囊导管系统将接触式传感器和多电极集成到球状基体上,并通过蛇形导线连接(图4(a)).图4(b)两图分别展示了多功能气囊导管与活的兔子心脏右心室直接接触以及对心外膜进行消融治疗.图4(c)分别展示了在右心室和左心房部位记录到的电位图.柔性多功能医用气囊导管的研制为临床微创手术提供了新的手段和方法,将大大减少病人在微创手术中的创伤.作为更优的设计,气囊导管上集成了高密度的电极,且每个电极都采用局部放大和多路复用技术[37].这种高密度的电极分布大大提?
【参考文献】：
期刊论文
[1]可延展柔性无机微纳电子器件原理与研究进展[J]. 冯雪,陆炳卫,吴坚,林媛,宋吉舟,宋国锋,黄永刚. 物理学报. 2014(01)
[2]柔性电子系统及其力学性能[J]. 许巍,卢天健. 力学进展. 2008(02)
本文编号：2991622
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