近日，在浙江省杭州市召開的2019第二屆柔性電子國(guó)際學(xué)術(shù)大會(huì)上，柔性電子與智能技術(shù)全球研究中心研發(fā)團(tuán)隊(duì)（簡(jiǎn)稱“荷清柔電”）發(fā)布了兩款柔性芯片，分別為運(yùn)放芯片和藍(lán)牙SoC芯片，厚度均小于25微米。同時(shí)，荷清柔電還展示了利用柔性芯片制成的“創(chuàng)可貼”，可以監(jiān)測(cè)人體數(shù)據(jù)。

清華大學(xué)柔性電子技術(shù)研究中心主任馮雪認(rèn)為：“柔性電子技術(shù)是一種將有機(jī)、無機(jī)材料制作在柔性、可延展基板上的新興電子技術(shù)。”柔性芯片作為柔性電子的重要分支，突破了傳統(tǒng)剛性電路的物理形態(tài)，將在數(shù)字醫(yī)療、人工智能、智能制造、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域產(chǎn)生巨大而深遠(yuǎn)的影響。

目前，國(guó)內(nèi)外柔性芯片發(fā)展均處于起步階段，只有一小部分醫(yī)療檢測(cè)等領(lǐng)域的應(yīng)用可以投入量產(chǎn)。對(duì)于柔性芯片技術(shù)來說，電路制作材料和性能突破是最主要的限制。柔性芯片的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程剛剛起步，未來將可能帶來醫(yī)療監(jiān)測(cè)、可穿戴設(shè)備、機(jī)器人等領(lǐng)域的顛覆式變革。

隨著“柔性屏”、“折疊屏”等技術(shù)已經(jīng)投入應(yīng)用并被許多人熟知，“柔性芯片”對(duì)大家來說還是一個(gè)比較陌生的概念。柔性芯片所指何物？相比于傳統(tǒng)的剛性芯片有什么特征？在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r如何以及面臨什么樣的技術(shù)難點(diǎn)？本文對(duì)這些問題進(jìn)行了深入調(diào)查。

一、適合多種形變環(huán)境，帶來新一代人機(jī)交互體驗(yàn)

柔性芯片相對(duì)于剛性芯片有三大特點(diǎn)。

首先，薄。本次荷清柔電發(fā)布的兩款柔性芯片厚度均在25微米以下，薄于一般頭發(fā)絲直徑的1/4。

其次，柔。柔性芯片具有非常優(yōu)良的柔韌性，可以被輕易改變形狀。

最后，大。本次荷清柔電發(fā)布的柔性芯片大約在5cm2左右。

柔性芯片可以作為傳統(tǒng)剛性芯片的一個(gè)很好的補(bǔ)充，可用于許多不適合剛性芯片的情況，能夠在一定程度上適應(yīng)不同的工作環(huán)境，滿足設(shè)備的形變要求。

在可穿戴智能設(shè)備上，柔性芯片可能促進(jìn)“新一代可穿戴設(shè)備”的產(chǎn)生。可穿戴設(shè)備的形態(tài)將變得更加靈活可變。例如，以后，手機(jī)可能像腕帶一樣纏在手上，或者想頭巾一樣戴在頭上。但是，這也要依賴柔性電池、柔性屏等柔電子技術(shù)的發(fā)展。

在機(jī)器人領(lǐng)域，可以帶來更好的交互體驗(yàn)。柔性芯片為更加輕薄柔軟的電子感知系統(tǒng)提供支持，使得機(jī)器人對(duì)環(huán)境或人體的感知變得更加靈敏，進(jìn)而能夠又快又好地與環(huán)境或人體進(jìn)行信息溝通和互換，建立更完善的人機(jī)信息傳輸系統(tǒng)。

在人體醫(yī)療監(jiān)測(cè)方面，柔性芯片已經(jīng)得到了非常重要的應(yīng)用，包括無創(chuàng)血糖測(cè)量、光電血氧傳感器、坐骨神經(jīng)電信號(hào)采集、類皮膚柔性變形傳感器、碳納米纖維泡沫柔性壓力傳感器、類皮膚柔性壓力傳感器等柔性醫(yī)療電子產(chǎn)品方面。

二、國(guó)內(nèi)外均處于起步階段，目前主要應(yīng)用在醫(yī)療

馮雪稱：“柔性電子技術(shù)發(fā)展目前還處于起步階段?！蹦壳皣?guó)內(nèi)外的柔性芯片技術(shù)都才剛剛起步，大多數(shù)處于試驗(yàn)階段，小部分投入量產(chǎn)，主要集中在醫(yī)療傳感領(lǐng)域。

1、荷清柔電中心

荷清柔電中心發(fā)布的運(yùn)放芯片和藍(lán)牙SoC芯片，厚度僅為25微米。運(yùn)放芯片可用于放大模擬信號(hào)，藍(lán)牙SoC芯片則集成了處理器和藍(lán)牙無線通信功能。

其研發(fā)的柔性傳感器“創(chuàng)可貼”里鑲嵌了可彎曲的監(jiān)測(cè)芯片。將它貼在體表，即可監(jiān)測(cè)血壓、血糖、提問等數(shù)據(jù)，并能將數(shù)據(jù)無線上傳至手機(jī)應(yīng)用或云端，這項(xiàng)技術(shù)已通過國(guó)家藥監(jiān)局和歐盟CE認(rèn)證。

“我們通過特殊的晶圓減薄工藝、力學(xué)設(shè)計(jì)和封裝設(shè)計(jì)，使得剛性的硅芯片呈現(xiàn)出柔性和可彎曲變形的特征?！痹摴救嵝孕酒夹g(shù)研發(fā)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人王波說，“硅基集成電路的柔性化十分具有挑戰(zhàn)性，這兩款柔性芯片在這一挑戰(zhàn)上運(yùn)用了新技術(shù)?！?/p>

2、美國(guó)半導(dǎo)體公司和空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）

2018年1月，AFRL和美國(guó)半導(dǎo)體公司利用3D打印領(lǐng)域的創(chuàng)新共同研發(fā)出全球首個(gè)柔性系統(tǒng)級(jí)芯片（SoC），據(jù)稱是當(dāng)時(shí)最復(fù)雜的柔性集成電路，可用于物聯(lián)網(wǎng)控制，存儲(chǔ)能力是其他柔性器件的7000倍。

這項(xiàng)技術(shù)的獨(dú)特之處不僅是芯片的柔性，而且還實(shí)現(xiàn)了一個(gè)帶有存儲(chǔ)器的微控制器，能夠控制系統(tǒng)和收集數(shù)據(jù)以滿足未來使用。

研究者Berrigan表示：“通常硅基集成電路都脆而易折。當(dāng)我們將這些器件放入一個(gè)柔性的封裝中，它將能夠在惡劣環(huán)境下的正常工作。我們對(duì)硅集成電路進(jìn)行減薄直至其變得柔軟，但仍能維持電路功能，這使我們能夠靈活放置微控制器?！?/p>

3、ARM

ARM聯(lián)合高校共同研發(fā)基于機(jī)器學(xué)習(xí)的塑料柔性傳感器，用于檢測(cè)氣味，旨在簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、將柔性傳感器成本降至最低，最終用于食品、服裝等消費(fèi)品的氣味檢測(cè)。

塑料芯片將擁有傳感器陣列、定制的機(jī)器學(xué)習(xí)處理器、以及端口，所有這些組件都將集成在一張薄薄的塑料膜上。雖然塑料電子有望比硅便宜得多，但它們能容納的晶體管數(shù)量有限，因?yàn)檫@類晶體管要大得多。據(jù)稱，原型芯片將在 2019 年制造和測(cè)試。

4.維也納技術(shù)大學(xué)

2017年4月，維也納技術(shù)大學(xué)研究者在《自然》上發(fā)表論文稱，發(fā)現(xiàn)二硫化鉬是一種類似于石墨烯的二維材料，研究者進(jìn)一步使用二硫化鉬研制柔性微處理器 。

研究者制造了一種由二維材料二硫化鉬組成的晶體管，并將115個(gè)這樣的晶體管構(gòu)成一種新型微處理器。這種微處理器能夠進(jìn)行一比特的邏輯運(yùn)算，而未來有望拓展至多比特運(yùn)算。

硅制薄片很容易折斷，但維也納技術(shù)大學(xué)研究者使用的過渡金屬硫化物像2D材料，由一層原子或分子厚度的晶體制作而成，可折曲自如。“2D半導(dǎo)體微處理器”是柔性芯片的另一思路。

三、主要難點(diǎn)：制作材料和性能突破

目前柔性電子的制造方法主要有三種。一是轉(zhuǎn)移印刷，利用中間轉(zhuǎn)印載體將線路圖案轉(zhuǎn)移到柔性承印物上。二是噴墨印刷，直接沉積功能性材料以在基材上形成圖案。三是基于纖維結(jié)構(gòu)的柔性電子器件制作方法。

柔性芯片作為柔性電子的一個(gè)分支，仍存在一些技術(shù)上的難點(diǎn)。首先，柔性芯片在不損壞本身電子性能的基礎(chǔ)上的伸展性和彎曲性，對(duì)電路的制作材料提出了新的挑戰(zhàn)和要求。

其次，柔性電子的制備條件以及組成電路的各種電子器件的性能相對(duì)于傳統(tǒng)的電子器件來說仍然不足，也是其發(fā)展的一大難題。

目前，柔性芯片支持的柔性傳感器設(shè)備已經(jīng)可以量產(chǎn)，進(jìn)而用于醫(yī)療監(jiān)測(cè)、工業(yè)控制等領(lǐng)域。半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)中國(guó)固態(tài)照明聯(lián)盟副秘書長(zhǎng)耿波表示：“在大規(guī)模應(yīng)用之前，必須加強(qiáng)包括安全和待機(jī)時(shí)間等技術(shù)問題檢測(cè)。”