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生醫應用開啟軟電技術新商機

上網時間: 2008年11月06日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:PDMS  軟性電子  3D 

在電子領域中,剛性(rigid)與平面(flat)設計可說是稀鬆平常,但在現實世界中卻不盡然。

如果電子產品能順應曲折的表面或在使用時能夠彎曲,那麼它在許多應用中將更見成效,特別是在感測應用領域。檢測器陣列可以環繞心臟排放,並隨著每一次心跳而延展;機翼四周的人造外殼可加以延伸,而在飛行過程中傳遞詳細的當地資訊;人造視網膜可以附著在眼球後面的彎曲空間內,取代生物感測器的作用。然而,至今為止,軟性技術還缺乏實現這些應用所需的性能、可製造性與柔軟度。

美國伊利諾大學香檳分校(UIUC)展示了一種新技術或許能填補這一空白。一旦工程師們得以跳脫出剛性和平面的思維框架,這一全新領域無疑地將會被發揚光大。UIUC設計新電路具有長而薄的互連走線,採用矽、砷化鎵等標準半導體與傳統技術製造,然後再將這些電路轉移至一個可充分伸展的彈性薄片上。一旦薄片基板可放鬆變形,那些薄到彎曲也不至於斷裂的互連走線就便會在緊繃狀態下彎曲變形。如果設計得宜,它們便可在被壓縮時更大幅地彎曲,或在展開時拉平。因此,彈性化的電路結構或多或少都可以採用一般的電子元件製作。

另外,彈性的結構可以用來形成三維(3D)形狀的電子元件,並且被轉移到剛性基板上。這也就是UIUC團隊開發出第一款半球狀矽晶相機的方法。

無論目標是實現可撓性還是外形,上述這一方法都具有可利用傳統微型微影技術(microlithography)和半導體製程的優勢。帶領UIUC研究工作的John Rogers還成立了一家名為Semprius的公司來推動該技術的商用化。Rogers表示:“最重要的優勢在於我們使用已知的現有材料與製程技術,就能使電路性能高達完成設計的晶圓系統水準,其可伸縮性已達到一般橡皮圈的程度(高達100%或更高的張力)。另一個優勢是我們能夠充分利用所有現有的電子知識和製造設備。”

曾任DARPA專案經理、摩托羅拉資深技術專家的顧問Bob Reuss也認為,該技術無論如何都會找到一條出路。“為了實現至少具有中階適度功能的可撓性電子元件,我相信這種技術極具價值。它的成功意味著一個全新市場領域的誕生。”他表示。

再者,他補充道:“彈性化的基板在我看來是超越‘摩爾定律’限制以外的一個實例。它並未(或許永遠不會)出現在國際半導體技術藍圖(ITRS)中;反之,它卻是使得IC技術能更有效用於各種領域(電腦與通訊以外)、或實際取代成本和尺寸對新設計應用已不具競爭力的現有IC基礎設施。”

圖1:人造眼球:這一電路設計由於具有可彎曲互連和彈性化轉移步驟,使這一半球狀檢測器陣列可採用傳統2D微影技術製造。
圖1:人造眼球:這一電路設計由於具有可彎曲互連和彈性化轉移步驟,使這一半球狀檢測器陣列可採用傳統2D微影技術製造。

可撓性並不等於彈性

目前已知開發可撓性電子產品的最佳途徑是將電路直接印刷在碳基塑膠上。這一技術目標應用之一是目前正在實現商用化的電子報紙。雖然這種技術正逐漸成熟,但它卻存在一個原生的特性問題:該技術採用的有機材料比半導體的電子性能更差。此外,更糟的是,這些材料並非來自電子產業開發過程中所產生的免費副產品。最後,雖然這些材料是可撓性的,但它們沒有彈性──雖然可彎曲,但卻不能伸展。

另外一種方法是製造傳統晶片,然後削薄晶圓,使其重量變輕、硬度變軟。同樣地,這種方法仍然缺乏伸展性,甚至使其彎曲性能受限。還有另一種方法是將小型晶片黏附在彈性表面,然後再用一些導線連接起來。雖然這種方法兼具高性能和機械式柔韌性,但其中仍涉及許多非傳統(因而較為昂貴)的製造步驟。

UIUC的方法所依據的論點在於:本質較脆的矽、砷化鎵和其它半導體材料在沈積至較薄的層以後,將會變得非常柔韌。一直致力於電子與其它元件的奈米結構研究的美國Wisconsin-Madison大學材料科學與工程學教授Max Lagally指出,“又薄又柔韌的矽或鍺等半導體材料擁有巨大的潛力──其所具備的柔韌性可充分發揮第三維空間的優勢。不但可對這些材料施加應力,使其充分發揮更佳的電子特性,也能夠對其進行堆疊。”

“事實上,由於承載材料具有可撓性,因而UIUC的方法並未充份利用這些性能優勢,”Lagally指出。這種作法與研究人員開發更複雜微米與奈米機械元件的方式截然不同。研究人員們的作法是在製造層中施加張力,使其在張力釋放後形成複雜的三維結構。然而,他強調這一研究小組最重要的成就在於轉移技術──即轉移矽晶片並使其最終以半球型方式互相連接。這實際上就是一個可見於矽晶中的半球形光電探測器首例。

據Rogers介紹,UIUC與西北大學等團隊已對於矽晶機械特性的理解方面帶來了重要的貢獻。“針對這些彎曲的機械特性和變形的模式,使得該團隊在理論機械學方面的先進研究更具突破性進展。”Rogers表示,“事實上,根據我們對彈性矽晶的仔細實驗研究顯示,在為可撓性基底上的堅硬材料進行彎曲處理時,每個先前已知的理論性假設都有其缺陷。”

此外,他也預測了在將元件的機械特性納入考慮後的未來電子學。“我認為這一類系統把機械設計提升到系統定義的最前端,其重要性就如同電路設計一樣。”他表示,“事實上,我們預計會有一種相當於PSPICE的機械結構將有助於電路佈局,使其得以在彈性配置中達到最佳化性能。一種機械/電子整合設計工具可能是最終所必備的。我們正與理論機械學專家和類比電路設計者展開密切合作,以實現這樣的成果。”

圖2:眼見為憑:儘管新相機的解析度低,但它能利用色彩和空間多工技術以及非常簡單的光學使拍攝出的伊利諾大學團隊照片仍清晰可辨。
圖2:眼見為憑:儘管新相機的解析度低,但它能利用色彩和空間多工技術以及非常簡單的光學使拍攝出的伊利諾大學團隊照片仍清晰可辨。


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