冬季2022：微纳电子中的可折叠电路研究与应用

芯片|Vol 1|冬季2022你，C.-Y. 等人芯片1，1000341月8芯片研究文章微纳电子DOI：10.1016/j.chip.2022.100034用于智能数字的可折叠电路使能的小型化灰尘尤春玉1，2，<$，胡伯凡1，2，<$，徐伯瑞1，张子玉1，吴斌民1，黄高山1，3，宋恩明1，2，梅&永丰1，2，3，4，李1复旦大学材料科学系高分子分子工程国家重点实验室，上海200438 2复旦大学[2]这些作者对本书的贡献相当电子邮件：sem@fudan.edu.cn（En-Ming Song），yfm@fudan.edu.cn（Yong-FengMei）Cite as：你，C.Y. 等人用于智能数字灰尘的可折叠电路使能的小型化多功能传感器芯片1，100034（2022）。https://doi.org/10.1016/j.chip.2022.100034投稿时间：2022年接受日期：2022年在线发布：2022年11月17日智能灰尘，指的是小型化，多功能传感器微粒，将为物联网（IoT）和环境保护应用开辟数据采集机会。然而，在高密度传感器的集成、设备平台的进一步小型化和成本降低方面仍然存在关键障碍在这里，我们展示了智能数字灰尘的概念，以解决这些问题，其结果结合了（i）互补金属氧化物半导体（CMOS）处理方法的成熟和（ii）新兴柔性电子器件的独特形状因子。作为智能数字尘埃的原型，我们提出了一个毫米级多功能光电传感器平台，由高性能光电传感器核心和商业上可用的集成电路元件组成。智能材料辅助光电传感机制能够基于超低功耗的单芯片实现实时、高灵敏度的氢气、温度和相对湿度（RH）传感。这里提出的这种微系统为物联网的多功能传感需求引入了一种可行的解决方案，并可以作为快速发展的未来智能灰尘框架的构建模块关键词：智能灰尘，柔性电子，纳米膜器件，多功能传感器介绍新兴的物联网（IoT）技术设想了一个完全连接的未来1，2。随着数据成为数字时代的“新石油”，数据收集技术，特别是物联网所需的各种数据，成为一个日益严重的问题。在这种背景下，智能灰尘的想法被提出为大规模部署到环境中的沙粒级平台，集成了传感，信号处理和通信能力3-5，可以准确地处理数据收集问题。从近二十年前的智能灰尘的初始工作开始，最近开发的工作各自集中在单个主题上，实施例的范围从信号处理6-8到功率管理9-11，以及到无线通信12-14。特别值得注意的是微型飞行器15的新兴技术，其中生物启发的3D形态在空气中带来受调节的运动，为部署大量智能灰尘5、16的长期挑战提供了解决方案。尽管近年来取得了进步，但很少有微系统接近实现智能灰尘的原始愿景并成为商业上可行的。由于物联网应用的多样性传感器可以在不同的原理下工作，例如检测金属氧化物气体传感器17、18的阻抗变化和监测相对湿度（RH）传感器19的电容变化，这使设计复杂化并阻碍小型化。最近堆叠芯片20和缩小功能区域13、21的工作已经显示出减小系统尺寸的潜力然而，前者增加了成本，由于量身定制的assem- bly和封装过程，而后者降低了设备特性，由于闪烁噪声的影响增加。因此，难以在小型化、传感器集成和成本降低之间取得平衡。为了解决这些问题，我们提出了智能数字灰尘22的想法，它出现在图2中。1.一、 在理想的情况下，智能数字尘埃包括（i）光伏电源输入，（ii）脉冲位置调制光输出，（iii）光电多功能传感器，以及（iv）灵活的模拟和数字电路，如图所示。凌晨1由于为如此小型和众多的系统更换电池是不切实际的，光伏电源输入将是长期能源供应的理想选择23。光输出的脉冲位置调制可以在低电压条件下产生，并以高效率传递信息11。利用单个光电机构感测多个环境信号节省了在IoT的各种条件下构造和安装许多不同传感器的费用和努力24、25。重要的另一个特征在宏观领域，折叠和卷曲是减少足迹尺寸的本能方法，并且它们已被证明在微观和介观尺寸中是有效的26-28。因此，将柔性系统向上折叠减少了平面研究文章DOI：芯片|Vol 1|冬季2022你，C.-Y. 等人芯片1，1000342月8图1|小型化智能数字灰尘足迹的折叠方法示意图。a、一个理想的智能数字灰尘的基本功能部分，集成了完整的传感，计算和通信能力。b、折叠式智能数码尘，体积缩小，功能完好。c，在柔性硅纳米膜光电传感器阵列和其他市售部件上实现的智能数字灰尘原型的尺寸类似于堆叠多个芯片，而系统的大部分可以在同一个晶片上制造，如图所示。 1 b.本文提出了一个毫米级的智能数字灰尘原型，具有多功能的传感能力，以证明上述概念的可行性。我们展示了用智能材料装饰的高度灵活的硅纳米膜晶体管，并实现了气体、温度和RH的低能耗光电传感。制造过程是互补金属氧化物半导体（CMOS）兼容，和所得的晶体管的性能是国家的最先进的。我们结合了我们的传感器核心与商业上可访问的组件，如电阻器，放大器，多路复用器，和电池，创造一个灵活的电路。我们通过折叠整个电路并用3D打印模具封装来完成系统 （图 1c）系统的占地面积最小化，并且其实时、多功能感测性能不受损害。结果显示，结合成熟的CMOS技术和快速发展的柔性电子产品的优势，可以创造出更好的物联网设备。结果和讨论图图2a示出了用于多功能感测的光电核心的多层配置的方案。智能材料对环境变化表现出透明性或颜色变化（例如，湿度、温度和特定的气体气氛），并装饰在功能区域的顶部来自绝缘体上硅（SOI）的300 nm热氧化物用作下面结构的封装。硅纳米膜（Si-NM）、堆叠栅极电介质和金属接触形成场效应晶体管。旋涂聚酰亚胺缓冲层Kwik-Sil硅酮粘合剂和Kapton膜支撑层构成柔性衬底。图2b是在直径为5mm的弯曲管上制造的晶体管阵列的照片，示出了新颖的弯曲能力。图2c示出了晶体管的敏感区域的放大图。通道长度为20 µm，宽度为300 µm。图2d示出了光电多功能感测机构的示意图智能材料在环境变化下表现出变色或透射率变化，从而改变光晶体上的照明因此，环境参数，例如，温度或RH或某些气体气氛的浓度由光电流反映随后的模拟和数字电路放大器将微弱的电流转变为可传输的电压信号. 图图2 e示出了当1%的氢/氮混合气体进入纯氮气氛时，在其上覆盖或不覆盖智能材料的情况下，装置的输出电压变化。这里使用的智能材料是Pd/MoO3双层，其气致变色性能已被广泛研究29，30。当气氛变化时，智能材料装饰的器件的输出电压在短短30 s内显著上升，而没有智能材料装饰的器件的输出电压下面我们将详细讨论系统输出电压的特性，这里的趋势差异足以证明智能材料在我们的光电传感中的必要性。由于整个检测过程都是在室温下进行的，这种快速检测不仅证明了光电传感机理的可行性，而且显示了其潜在的优越性。图案定义、生长、蚀刻和转印中的标准半导体处理策略使得能够直接从SOI晶片制造图3a示出了感测芯的关键过程，并且细节出现在方法中。以来研究文章DOI：芯片|Vol 1|冬季2022你，C.-Y. 等人芯片1，1000343月8===-∼∼图 2|基于光电机制的智能数字微尘多功能传感核心。 a，用不同的刺激响应智能材料装饰的柔性纳米膜金属氧化物半导体场效应晶体管的分解图示意图。b，在弯曲表面上制造的柔性光电晶体管阵列的照片比例尺为5 mm。标注的D、G和S代表晶体管的漏极、栅极和源极端子。c，具有背栅结构的典型光电晶体管的光学图像。比例尺为200 µm。d、智能材料辅助多功能传感的传感机理示意图，其中环境变化下的色差被高灵敏度的光电晶体管捕获。e，在环境中的氢浓度刺激下跨阻抗放大后光电传感器的时间依赖性性能。原始晶片为n型且适度掺杂，硼离子注入工艺形成源极和漏极重掺杂区，并且使沟道保持不变，以获得高迁移率且易于考虑栅极可调谐性。光刻和反应离子蚀刻（RIE）隔离的phototransistors，防止信号串扰。通过等离子体增强化学气相沉积（PECVD）和原子层沉积（ALD）沉积栅极电介质，其具有最小的表面状态和先进的高k栅极可调谐性剥离工艺形成金属接触并完成刚性晶体管的制造。电感耦合等离子体反应离子刻蚀（ICP-RIE）工艺通过将样品键合到多层柔性衬底上并翻转整个器件，刻蚀掉SOI晶片的处理层，只留下数百纳米厚的Si-NM和掩埋氧化物（BOX）与柔性衬底。最后，不同的智能材料装饰到灵活的晶体管，使多功能传感在一个芯片上。光刻、ALD和ICP-RIE是集成电路制造中的典型和标准措施，从而确保工艺兼容性和向更大规模的可行性。图3b显示了一个典型的光电晶体管在黑暗中在电源电压VDS-1此外图S1显示反式-光电晶体管在曲率为1cm-1的弯曲状态和平坦状态下的FER特性，并且两者之间基本上没有差异。图S2示出了在不同的阈值电压之后光电晶体管的阈值电压弯曲周期和阈值电压显示微小的变化。 图 3 c represents各种栅极电压（V GS）下的输出字符，显示在稍大的VDS，这有可能作为驱动电流的情况下，灵活的晶体管组成的模拟或数字，在进一步的应用中，塔尔电路的高输出电流。由于智能数字微尘的传感器阵列是基于光电传感机制的，光电传感器是实现高精度环境传感的关键 图 3d展示了在450 nm激光的不同照射下，在VDS-2 V下的转移曲线在图3e中，绘制了柔性光电晶体管在450 nm激光的不同辐照强度下的光电流（VDS1 V）。光电晶体管在宽范围内（从7 nW到0.1 mW）显示出线性响应，显示出至少83 dB的动态范围。每个单个制造的传感核心的电气性能可以与最先进的CMOS对应物相匹配，从而留出空间来基于此处使用的相同工艺制造整个灵活的模拟和数字电路。传感芯优异的光电特性不仅使多功能环境传感成为可能，而且由于其工作在亚阈值区域，因此消耗的能量最小。我们进一步将传感核心与商用芯片组件集成，以将其扩展为智能数字灰尘原型，具有各种环境传感能力以及基本的信号处理和通信功能。图4a是硬币旁边的智能数字灰尘原型的照片，示出了在所有三个维度上的毫米级的微缩足迹。图4b展示了电气操作原理的示意图。智能数字微尘的整个工作过程可以分为片上传感平台和片外信号处理系统两部分每个光电晶体管作为光电检测器（PD）检测不同的环境信号并将其电流传递到多路复用器。前置放大器将选定的电流转换为稳定的电压信号，并将其传递到片外系统。具有通用输入/输出（GPIO）的模数转换器（ADC）将电压信号传输到用户界面。整个系统由电池供电。由于可穿戴设备的发展，无线多功能系统的设计取得了很大的进步，并为我们的系统设计带来了灵感31，32。的研究文章DOI：芯片|Vol 1|冬季2022你，C.-Y. 等人芯片1，1000344月8图 3 |CMOS兼容制造工艺和性能的智能数字灰尘传感核心。 a.利用标准集成电路工艺制造传感芯的关键步骤的方案。b，在电源电压VDS=-1 V时，典型光电晶体管在黑暗中的传输特性 c，器件在不同V GS条件下的暗态输出特性。d.在450 nm激光辐照下，在电源电压（VDS）为-2 V时，器件的漏系统可以进一步扩展到完全无线和图。S3示出了可行的系统设计的框图。图4c-e示出了在恒定光照条件下，在不同环境刺激下传感平台的输出电压。刺激是典型的气体浓度（即，氢气）、温度和RH。本文所用的刺激响应材料是Pd/WO3双层膜用于氢浓度，聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAm）水凝胶用于温度，聚（甲基丙烯酸羟乙酯-这些材料的透射率随环境变化的变化已被证明研究文章DOI：芯片|Vol 1|冬季2022你，C.-Y. 等人芯片1，1000345月8图4|毫米级多功能传感平台。硬币旁边的装置的照片。b.平台的功能图，显示了硬件模块，包括传感，信号选择，信号放大，电源管理和数据交换。c-e，在氢气（c）、温度（d）、相对湿度（e）等不同环境变化下输出信号的变化趋势f，平台的刺激响应材料辅助光电操作原理的示意图水凝胶1代表PNIPAm，水凝胶2是聚（HEMA-共-AAc）。测试场景的照片，包括ADC、电源输入和个人计算机用户界面。h，多功能传感平台的图形用户界面（GUI），支持测量数据的实时可视化、存储和分析。研究文章DOI：芯片|Vol 1|冬季2022你，C.-Y. 等人芯片1，1000346月8其内在机制已在其他地方进行了深入的讨论图S4-6显示了这些智能材料在一定环境刺激下的透射率变化。对于Pd/WO3双层智能材料，我们采用WO3作为在含氢环境中主要改变透光率的材料氢气在钯上解离成原子氢，其扩散穿过钯层，随后作为氢离子和电子插入Pd/WO3界面。WO3中的W6+离子被还原为W5+。W的化学价态的变化导致透射率的变化对于tem-温度传感，我们使用PNIPAm，这是研究最多的热敏水凝胶之一。PNIPAm在相对较低的温度下由于其分子间和分子内氢键而溶于水，因此它几乎是透明的。从热力学角度看，氢键的形成导致混合焓（Δ Hmix<0）降低，有利于溶解过程。在酰胺基周围形成高度有序的水分子层，这降低了系统的熵（CH3Smix0）。<在该温度下，将PNIPAm和PNIPG混合物0溶解在水溶液中，其中聚合物链显示出柔性和膨胀的无规卷曲构象。<随着温度的升高，氢键作用减弱，异丙基基团间的疏水作用增强，导致混合体系的熵降低熵的变化影响氢键的放热当PNIPAm的混合比>0时，发生熵驱动的相分离，PNIPAm链发生聚集并聚结成紧密堆积的球形构象，使体系不透明.在RH传感的情况下，我们利用水凝胶的吸水性，并选择聚（HEMA-co-AAc），因为它的高稳定性和易于合成。甲基丙烯酸酯基水凝胶吸收的水有当它相对干燥时，水凝胶的不规则多孔结构充满空气。空气和水凝胶的折射系数之间的不匹配以及在透射光传播期间的大量界面干扰使得水凝胶在干燥条件下呈现半透明随着环境湿度的增加由于水和水凝胶具有相似的折射系数，它们减少了光散射，增加了整体光透射。该平台的输出电压遵循以下简单方程：VCCRH是由一个单一的智能材料和光电晶体管组合测量，RH值可能会发生低估在一个炎热的环境。然而，由于平台还包含温度传感器，因此可以通过添加反馈电路或附加软件过程来补偿这种因此，我们的温度传感的稳定性可以得到增强。利用所建立的关系，我们可以进行实时环境参数传感。从观测数据获得氢气浓度、温度和RH的过程如图4f所示。每一个用某种智能材料装饰的PD都有助于特定的环境指标。由于光电晶体管产生的光电流是传感过程的基础，我们采用PD 4作为参考，以调整环境光的变化。 图 4 g描述了测试装置的图像。被测器件（DUT）被放置在一个密封的腔室中，以提供一定的RH或气体环境。传感平台输出的信号与ADC模块连接后，传送到计算机，并作为环境监测的实时信号显示正在评估中。图 4 h显示了开发的多功能传感平台的图形用户界面（GUI）。用户可以实时监测环境信号，并且调整时间段以查看在感兴趣的某个该系统捕获氢含量的增加，如黄线所示，其中包括浪涌阶段和缓慢稳定的增长期。红线和蓝线还记录了过去10 s内的温度和相对湿度趋势，表明传感器平台附近的相对湿度条件稳定，温度逐渐下降。这些结果表明，将该平台应用为物联网应用的多功能传感需求的传感元件的潜力我们提出了一种使用折叠柔性电路的智能数字灰尘的原型。该传感器核心采用自下而上的背蚀刻技术，表现出卓越的灵活性和器件性能。通过刚性加工组件和商业上可获得的聚酰亚胺基板，原型的平面尺寸已经大幅减小。通过以灵活的方式构建整个系统，系统可以折叠更多次，空间利用率将达到高层次与智能灰尘更传统的芯片堆叠方案相比对于芯片堆叠方案，芯片的尺寸对其在堆叠组合中的位置具有更大的影响，而不是取决于芯片的功能。较小的芯片通常需要堆叠在顶部，而较大的芯片则堆叠在底部。这就带来了额外的困难--Vout=2−I×R（1）芯片的互连设计。此外，堆叠芯片所需的特殊设计，所需的不同制备工艺，其中，Vcc是电池的电源电压，I是感测芯的漏极电流，R是内置电阻器的电阻。随着氢浓度的升高，智能材料（此处为Pd/WO3双层）的透射率降低30，33，如图12所示S4，减小输出电流并使输出电压自发地上升，如根据Eq. (1).温度传感方案是类似的，因为随着温度的升高，透射率急剧下降（图11）。S5）34、35。对于RH感测，水凝胶的透射率随着收集的水填充其孔并降低分散而因此，输出电压随着RH增加而降低。应该注意的是，防止相对湿度和温度传感的相互作用是至关重要的。为了防止RH偏移对温度感测的干扰，我们将PNIPAm封装在聚二甲基硅氧烷（PDMS）模具中并将其与大气分离，因为所有水凝胶都从其周围环境中吸收水38。另一方面，温度漂移对相对湿度传感的干扰也是存在的。图S7显示了不同温度下的RH传感特性当温度升高时，在相同的RH气氛下，我们的平台的输出电压确实表现出增加。当对于不同的芯片以及对非常规制造设备的需要不可避免地带来成本的增加采用折叠法，整个系统可以像普通电路一样设计，整个器件可以在同一批次中同时制备，带来更高的效率和成本优势。单个设备上的多个传感功能，即氢气、相对湿度和温度传感的光电原理。由于基于视觉效应变化的分子或环境检测已经建立了相当长的一段时间，因此只需要最小的工作来扩展传感能力。诸如pH、一氧化氮和磁场的环境变量是其他典型感测对象39-43的示例。然而，本研究的目的是证明小型化多功能传感平台作为智能数字灰尘原型的可行性，并且所提出的这三个传感功能对于我们的主题是足够的。此外，微小系统的能量输入必须是有限的，因此功率消耗的资源分配至关重要。在降低模拟和数字电路或通信电路的功耗的同时，研究文章DOI：芯片|Vol 1|冬季2022你，C.-Y. 等人芯片1，1000347月8∼∼∼× ×× ×传感器系统的性能不可避免地会降低，一个合适的出路是通过应用新的传感机制来降低传感器的能量成本。此外，许多感测方法需要加热18、44、45，但是它消耗相当大量的能量并且使系统的集成复杂化。因此，许多感测机构不能用于智能灰尘系统中。我们的传感器内核功耗低于1 nW，性能不会下降，满足物联网应用的要求，使其成为智能灰尘的理想候选者。所展示的多功能传感原型展示了光电环境传感的潜力，随着信号处理单元、通信系统和大规模部署方案等组件的进步，智能数字灰尘的概念将得以实现，并成为物联网时代的核心这些微系统可以在智能家居、数字孪生和环境监测等新应用中提供重要机会以环境相关应用为例，这些微系统报告的温度和相对湿度数据可以有效地警报甚至预防野火，这已经成为最近的一个严重问题46。高精度、大面积的温室气体排放测绘也可能有助于更明智地判断实现碳中和的紧迫性。方法传感器芯的制造制造从市售的SOI晶片（弱n掺杂; Shanghai SimguiTechnology Co. Ltd.）开始，它由220-nm顶部硅、300-nm BOX层和725-µm处理衬底组成。硼离子注入形成了以及掺杂浓度为10× 19 cm-3的漏极区。光刻和RIE将Si-NM图案定义为每个的功能区域。光电晶体管PECVD和ALD生长SiO2/Al2O3叠层栅介质（厚度为50/15nm）.在源极和漏极区域处打开穿过电介质的通孔之后，电子束蒸发或溅射生长Cr/Au金属接触（厚度为5/150 nm）。将聚酰亚胺的缓冲层（厚度为2 μm）旋涂到样品上，并使用Kwik-Sil（WorldPrecision Instruments ） 将 器 件 结 合 到 Kapton 膜 （ 厚 度 为 14 μm;DuPont）上。然后翻转样品，用SF6/O2的ICP-RIE工艺去除SOI晶片的处理层通过光刻和RIE工艺在BOX层上形成接触窗，完成了传感器芯的制作。通过电子束蒸发在聚乙烯膜上沉积Pd/WO3双层（5/20 nm）。PNI-PAm的制备开始于溶解7.91g N-异丙基丙烯酰胺，将1.32 g聚（乙烯醇）（PVA）和215.6 mg（0.0014 mol）N，将该溶液的520.0 µL等分试样移取至离心管中，然后在剧烈振动下依次向离心管中加入7.0 µL N，N，然后将溶液滴入PDMS模具中并密封以保护PNIPAm。通过将4 mL甲基丙烯酸2-羟乙酯、3 mL 2-羟基-2-甲基苯丙酮和ImL二甲基丙烯酸乙二醇酯混合在一起，将它们滴加在两个PDMS模具之间并紫外固化20秒来形成聚（HEMA-共-AAc）这些智能材料通过标准转印工艺转移和装饰到传感器芯上。根据电路设计放置市售组件，将其焊接到柔性印刷电路板上，折叠系统，并用3D打印的PVA外壳成品组件封装系统。低噪声精密运算放大器（TLC2201IDR，Texas Instruments）和 高 精 度 低 压 差 线 性 稳 压 器 （ XC6206P332MR ， TorexSemiconductor）以及匹配的电容和电阻被焊接到柔性印刷电路上。然后将该系统折叠并用3D打印的PVA壳进行包裹。光 电 性 能 表 征 输 出 和 传 输 特 性 的 特 点 是 由 一 个 精 确 的 源 表（Keysight B2902B）。在光衰减器（广州欧abt光学技术有限公司）的调制下，用半导体激光器（450-nm; Xi'AN Lei Ze ElectronicTechnology Co. LTD ） 提 供 照 明 。 使 用 光 功 率 计 （ ThorlabsPM100D）校准辐照功率多功能传感测试装置将微系统置于与气体混合室连接的密封石英容器中。通过改变氮气瓶和氢氮混合气体（0.1%、1%和4%）瓶的气体流量比，获得不同浓度的氢气气氛通过向气体混合室中注入不同的饱和盐溶液（K2CO3、NaCl、KCl和K2SO4）获得可变RH相应的RH值分别为43%、75%、85%和97%。通过将整个系统置于干燥箱中，实现了10%的附加RH值通过在热板上直接加热容器来进行温度依赖性测试。电信号通过导线连接到数据采集板上，然后连接到个人计算机上。一个定制的软件控制系统，并使用16的过采样率来降低噪音。引用1. Al-Fuqaha，A.，Guizani，M.，Mohammadi，M.，Aledhari，M. &Ayyash，M.物联网：使能技术、协议和应用调查。IEEE通信监视器家教 17，2347 -2376（2015）中所述。 https://doi.org/10.1109/comst.2015。2444095.2. Zanella，A.，Bui，N.，Castellani，A.，万杰利斯塔湖&Zorzi，M.物联网为智慧城市。IEEE Internet Things J.1，22-32（2014）。https://doi.org/10.1109/jiot的网站。2014.2306328.3. Sailor，M.J. Link，J.R.Chem. Commun. 11，1375 -1383（2005）。 https://doi.org/10.1039/b417554a。4. Warneke，B.，最后，M，利博维茨湾Pister，K.S. J. 智能尘埃：与一台100毫米计 算 机 通 信 。 Computer34 ， 44-51 （ 2001 ） . https://doi.org/10 的 网 站 。1109/2.895117.5. 卡恩，J.M.，卡茨河H. &Pister，K. 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