柔性电子综述2012 ---在医疗，汽车行业，人机界面，移动设备以及其他场景下的可能应用

Flexible Electronics: The Next
Ubiquitous Platform

杂志: PROCEEDINGS OF THE IEEE

author: Arokia Nathan

2012的一篇柔性电子的综述，主要讲述柔性电子领域的薄膜材料和技术，以及思考未来在医疗，汽车行业，人机界面，移动设备以及其他场景下的可能应用
原英语论文就放这里了https://download.csdn.net/download/dss_dssssd/10778283

摘要

在过去的40多年，各种形式的薄膜电子（Thin-film electronics）支撑了显示，传感器以及能量转换领域的技术创新。这些技术也想成了柔性电子（flexible electronic）的基础。本文主要回顾柔性电子的现状，并尝试预测柔性电子在健康医疗（healthcare），环境监测(environmental monitoring),显示和人机交互（display and human-machine interactivity）,能量转换(energy conversion)， 管理和存储(management and storage)，通信和无线网络(commmunication and wireless networks)的未来前景

关键字

Computation; displays; energy generation; energy storage; flexible substrates; healthcare; human–machine interactivity;
lab-on-chip（芯片实验室）; mobility; sensors; thin-film technology; wireless networks

1. introduction 介绍

薄膜材料和设备的不断进步也推动了柔性电子的发展。经过数十年的开发和优化，薄膜材料能够提供大量的优点：low cost, large area compatibility, high scalability(高扩展性), seamless heterogeneous integration（无缝的异构集成）
异构集成http://www.solidstatechina.com/Defzjs.asp?id=5539：简单地说就是将分立制造的部件集成到一个更高级别的组装结构中，以增强其功能和改善其工作特性。

二极管和晶体管（diodes and transistors）是两种最常见的有源薄膜器件（active thin-film devices），广泛用于数字和模拟电路以及检测和能量产生等领域。尽管他们已经成功的用于柔性平台(flexible platforms)，但是他们的性能和适用性受受多因素的制约，比如，必须使用外来设备，必须依赖于高度优化的几何结构与新型材料的集成（consisting of highly
optimized geometries combined with integration of novel
materials.），进一步优化需要耗费巨大的经济成本。依赖于二极管和晶体管的有源薄膜器件尽管在学术界很受欢迎，但是在全面的系统集成方面（full-scale system integration）几乎没有进展。的确，大面积简单器件，比如电阻和电导网络的集成已经展示过。为了实现“下一代柔性系统”的全系统集成，在设计和制造方面急需新的范式转换(paradigm shift)。
范式转换：https://wiki.mbalib.com/wiki/%E8%8C%83%E5%BC%8F%E8%BD%AC%E6%8D%A2:范式转换用来描述在科学范畴里，一种在基本理论上从根本假设的改变。这种改变，后来亦被应用于各种其他学科方面的巨大转变。库恩在书中阐释，每一项科学研究的重大突破，几乎都是先打破道统，打破旧思惟，而后才成功的.从根本上打破旧思维

传统IC（集成电路）制造商的企业精神需要调整，提高对材料生长，沉积、集成和处理（material
growth/deposition, integration, and processing）是必要的，这同时通过思辨学术（speculative academic）来获得的。成本的降低，大面积，卷到卷(roo-to-roll)和柔性系统，需要conformal,distributed(分布式)和集成化（integrated）的功能。到目前为止传统的脆性材料和器件都无法满足。

正如集成电路取代了分立电路一样，柔性电子也将不可避免的代替固态集成电路，尽管相关的材料、技术、和器件在一定程度上人仍然不清楚。

本文回顾协议带柔性电子的材料，设计问题和技术，初步考虑了未来的应用,下图是可应用的场景。

我们总结了柔性薄膜器件的潜力，特殊材料 在可制造性(manugfacturability)、沉积问题（deposition）和监测技术上的局限性，必须在广泛使用之前加以解决和改进，特别参考了一种可用于系统设计的新材料–纳米材料(nanomateriasl)。

本文首先从应用的角度组织，介绍了材料工程师提出的一些更相关的问题，以便进一步讨论。我们举例说明柔性电子在 社会各个方面潜在的应用：医疗，汽车行，人机界面，移动通信和计算平台，嵌入式系统；以及市场上的特定应用：人机交互，能源存储和产生，移动通信和网络；同时也涉及到 柔性电子在计算平台的使用

2. 材料，技术和集成流程（materials, technologies and integration process）

薄膜材料的特性以及器件接口的质量，决定了器件性能的内在限制。

例如，环形振荡器https://zh.wikipedia.org/zh-hans/%E7%8E%AF%E5%BD%A2%E6%8C%AF%E8%8D%A1%E5%99%A8, 作为许多系统中最重要的构件之一，是许多新兴技术的基础，比如射频识别（RFIFs）标签[radio-frequency identification tagging]。环形振荡器的振荡频率受大量设计参数的影响，包括几何特性（geometric attributes），寄生电容(parasitic capacitance) 和供电电压（supply voltage）.然而，由于晶体管固有属性的限制，这些调整显得微不足道。将场效应迁移率（field-effect mobility）作为一个关键的性能指标，可以构建阶段延迟(stage delay)和迁移率（mobility)来说明使用普通的半导体时，迁移率依赖于环形振荡器的工作速度，而工作速度决定了每阶段的延时时间。散点图展显示了随着器件布局，寄生电容和供电电压改变，散点分布的典型变化，同时不同的材料，散点的分布存在整体的区别。

场效应迁移率：https://wenku.baidu.com/view/b575b040be1e650e52ea997d.html

场效应迁移率本身是大量参数的函数，除了材料的band mobility 和 电介质/半导体（dielectric/semiconductor） 接口的质量以外，还与接触电阻以及薄膜晶体管的动态特性有关。

尽管我们迫切的希望使用具有高迁移率的薄膜材料，但是成本和可扩展性（cost and scalability）在材料选择中起着至关重要的作用。比如在上图中，两种最高迁移率的材料是多晶硅（polycrystalline silico, ploy-Si）和半导体金属氧化物(semiconducting metal osides, $M{O}_x)$)，由于铟(indium)的短缺，$M{O}_x$很昂贵，尽管有大量的低成本Si，但是由于要大面积使用后沉积处理（post deposition processing），多晶硅的制造工艺也很昂贵.

将纳米线（nanowires, NWs），碳纳米管（carbon nanotubes CNTs），石墨烯（graphene）及其他纳米材料与半导体结合起来将实现性能的提高。基于这种复合材料的器件往往表现出更好的电气性能。比如更高的迁移率和亚阈值斜率，从而可以使用更低的工作电压，这在低功耗器件中很重要。薄膜材料的复合性质影响他们的机械特性以及TFT（薄膜晶体管）承受机械压力的耐久度，这是柔性电子的基本要求。

除了上述提到的器件性能和成本，遭受长时间的电或光偏置的稳定性也很重要。例如，上图2中，从全局尺度上描述了微米晶体microcrystalline（mc-si），纳米晶体nanocrystalline
（nc-si）和非晶硅amorphous silicon（a-si）的边际性能变化并不大，但是他们遭受电或光偏置受的稳定性却存在很大的不同。通过设计混合相位异构材料，与传统的非晶硅相比，可以实现更高的稳定性。

新的制造技术已经允许TFTs(薄膜晶体管)利用一维半导体（1-D semiconductors）的潜力， 比如CNTs和NWs，以及二维半导体管和电介质比如石墨烯（graphene），二硫化钼（$Mo{S}_2$），六方氮化硼(h-BN)单分子层(monolayers).这些器件具有优良的性能，但是在他们在柔性电子和集成系统中商业化之前需要进一步的研究发展。

制造方法对其性能、成本和稳定性也有重要影响，例如除了使用高迁移率的材料来实现高的器件跨导，也可以通过调整结构来实现，比如缩短沟道长度。

跨导：输出端电流的变化值与输入端电压的变化值之间的比值$g_m=\frac{\Delta I_{out}}{\Delta U_{in}}$

在传统的平面薄膜晶体管中，沟道长度 受光刻过程中衍射极限限制。对于垂直晶体管，沟道长度都半导体的厚度决定，已经被证实可以实现亚微米级（submicrometer）沟道长度，为传统材料，比如a-Si，实现高跨导铺平了道路。

晶体管是统称，包括二极管，三极管，场效应管等
另外，还开发了别的方法来制造大面积均匀的亚微米级薄膜晶体管。一种方法是基于新的边缘效应，这种边缘效应是由一种聚合物涂覆在预成型结构上产生的。图三所示。

沟道长度窄到400nm的聚合物薄膜晶体管可以使用这种方法制造，能实现$5\times 10^{-3}c{m}^2/V.s$的迁移率以及$10^6$的on/off current ratio。
on/off current ratio： ION/IOFF is the figure of merit for having high performance (more ION) and low leakage power (less IOFF) for the CMOS transistors. Typically more gate control leads to more ION/IOFF.

这种方法的一个关键优点是，它有助于使用低分辨率的图案技术，如shadow masking，以创建高度可复制的亚微米特征，从而避免了更传统的、耗时的平版印刷工艺。与喷墨打印技术结合，[可以应用按需的材料沉积和特殊模型的桌面可编程布线？apply
on-demand material deposition and desktop programmable
wiring of ad hoc patterns.]，后者在cnt和graphene-based ink中演示过。
这种创新的制造技术将有助于该技术在高跨导薄膜晶体管制造中的广泛应用

总结：主要讲了薄膜晶体管方面新的构造工艺。实现高迁移率—亚微米级沟道
。。。。
二极管也很重，除了用在电路中，也用在光电二极管（photodiodes）和光伏太阳能电池(photovoltaic (PV) solar cells)。也可用作发光二极管(light-emitting diodes, LED),薄膜二极管也可以集成到系统以增强其功能。在建筑物内部的表面喷涂薄膜二极管来发光没实现一种新型的发光方式。

随着可替代能源的发展，比如核聚变动力。

太阳能电池可以与机械灵活的，可紧急移动的自我维持系统相结合。

所有真实世界的系统都基于已证明可制造的，低成本的器件。这一非凡的成就，通常是在试点产品工厂建立的，而非当初始概念在实验室第一次提出时建立的。

任何可制造的设备都具有以下4个特点：

• superior and prespecified performance, with reproducibility, uniformity, and reliability # 能实现预先指定的性能， 具有重现性，一致性和可靠性

• high yield to acceptable tolerance： 稳定性好

• simulations exist for both reverse engineering during development and right-first-time design # 在开发的逆向工程和首次设计中存在仿真

• proven adequate in-service lifetime 使用寿命在使用场景中可接受

对于纳米尺度的电子，光电和传感器，上述四个特点都富有挑战性。更一般性的考虑纳米管和纳米级的线甚至量子点（quantum dots）,

任何纳米尺度的二维图形都会经历极限尺度，这一尺度有小数字集合的统计差异给出${\sigma }_{N}1/\sqrt{N}$, $6-\sigma$下的制造几乎是不可能的。

当刻蚀或沉积是从结构上添加或移除单个的原子时，这一限制在7-nm是出现，对于纳米 half-pitch阵列，在$\sigma =12$时,对于阵列的电子传输和光学特性，出现明显无法忍受的差异。即使以极高的成本，通过特殊手段制造出这些阵列，注意，这种阵列不能用来写，读和存储信息，因为电子和光子将在极短的时间内大量泄漏。

考虑量子级别的线，适当的控制线与线之间的横截面积是困难的，这是由于基板上线之间的间距并不符合一定的规律。在这一问题解决之前，任何基于现有的大容量特性之外的想法是不可能的，这些导线的计算模型很原始，不能用于第一次正确的设计，因为没有足够明确的边界条件，而且没有考虑线之间的相互作用，最大的挑战是设计一种阵列，甚至是一条线，在整个阵列上自己的属性只有准确的15%的差异。
在实际操作中很小的压力就可能使院子移动或导电性改变，因此1000小时的器件运行上只有5%的变化是很难实现的，尤其是涉及到局部的大功率时。

CONCLUSION:小尺寸器件会有制造上的大问题

在考虑自底向上或自组装过程时（bottom-up or self-assembly process），会出现相同的问题，但是由于不同的原因。

6-sigma ：六西格玛是透过确定、消除引起残疵的流程来提高产品品质，降低生产中和商业流程中的变化程度https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%85%AD%E6%A8%99%E6%BA%96%E5%B7%AE

在99.999%的纯度水平上，很少有分子能够用于自组装，这是有6-sigma指定的。

球分子不适合用于连接阵列–原因：？可能使单个分子需要能力来协助用于电子寻址的后续阵列布线。？？？？

在这些分子的3 - 7纳米直径范围内，使这些非球形阵列在平面方向上具有足够小的标准偏差的能力对未来的研究也是一个挑战。

阵列不是球形，二维平面具有特殊的方向性，而分子是球形的，无严格的方向性？？？

可制造性与纳米尺度上的物理性质与材料的性质有密不可分的关系。

在纳米技术的论文里，只有不到1%的论文中包含单词‘yield’，‘reproducibility’,‘lifetime’。

为什么坚持研究本质上不可制造的东西呢？，然而这种观点只适用于单个纳米结构作为阵列的离散元素的应用。如果使用的这种结构群的平均值，那么纳米电子是可行的，平均值的统计意义也更有意义。即使面临着这种挑战，有大量基于纳米材料的有很大前景的应用，雏形，演示不断出现，在电子，光学和光电子领域。可转移的和符合的纳米材料提供了一系列好的电子，物理和生物化学性能。然而产生这些属性随需要的尺寸往往会对工具产生限制。

要充分探索这种方法的潜力，一个关键就是理解指导单个纳米结构功能和设计的原则每一集基于纳米结构的异质互联结构。

一系列高深宽比的1-d和分层的2-d纳米材料，包括金属和半导体（mental and semiconducting），金属纳米线(metallic nanowires)，碳纳米管(CNTs)，石墨烯(graphene)，h-BN,transition-metal chalcogenides 哇 去and oxides，具有广泛的性能，已成为柔性电子领域极富前景的材料。各种纳米结构会基于自组织生长，不需要昂贵的光刻技术来刻蚀纳米尺寸，因而在纳米尺寸上会有新的特性。
单个的纳米器件几乎是不可制造的，要理解薄膜纳米器件的平均特性，需要对单个纳米器件做更深层次的理解。
新的异质结构可以在原子水平上生长，而且生长的，高质量的材料可以作为进一步自集成的单元。具有良好的转移性，低维的结构可以通过湿法化学处理转移到任何基底上，因此有可能在多种尺度上定制复合材料，以及结合广泛的材料，比如无机和金属纳米粒子，有机分子/纳米结构，和聚合物(inorganic and metal
nanoparticles, organicmolecules/nanostructures, and polymers).
这将是未来柔性电子的关键材料，不仅与单个的纳米器件属性相关，海域之间的接口和如何接触有关。纳米结构 的特性与细致的结构和接口/环境。

如何通过处理实现可重复的材料属性？虽然新型纳米材料中的大多数已经可以合成，但是自组织的机制仍然不清楚，大多数以来经验，制造这些材料的配方都是偶尔被发现的；数千年以后的今天，我们才能用足够的分辨率对这些材料进行表征。现在也不能。。。，因而只能推测究竟是什么原子机制控制他们的生长和行为。去的奥纳米材料的全部潜力，我们需要新的技术手段来揭示在真实和实验条件下原子细节。

这种原位计量学，特别是多相催化计量学的发展取得了长足的进展这种原位探头变化范围从环境探查、扫描电子显微镜检查法、高压
x射线光电子能谱学、原位x射线散射和衍射技术和原位扫描探针和光谱学技术。这种原位计量技术的出现在纳米结构催化和操作方面取得了许多突破，

原位测试：观察整个薄膜沉积过程中的薄膜形成过程的现场实时工具。雷泰的原位测量支持开发新的薄膜制程、材料和结构。在已建立的制程中，必须适用于高产量，且满足最大正常运行时间。雷泰的原位监测解决方案是当今市场上最为先进的解决方案。我公司系统涵盖整个薄膜应用领域，可以读取所有重要的薄膜生长参数。

多相催化计量学：是多相催化学科中一个重要组成部分，是研究在相接触面上发生的催化反应速率和反应机理的物理化学分支学科。

柔性基板的材料和技术是柔性电子器件的重要组成部分。两种柔性基板的合适材料是塑料(plastic)和不锈钢(stainless steel),尽管不锈钢的温度与沉积温度不冲突，但是高质量密度导致不适合作为便携式设备。此外，不易变形，不适合许多应用，尤其是可穿戴设备。塑料更轻和易变形，基底（substrate）必须要有耐溶剂性，以便使用标准的光刻方法。低成本和防潮

下表谢了一些常见塑料基底的关键特性：

使用塑料作为基底的一大挑战是需要降低温度。

表1所示的最大制造温度与发生非弹性变形的玻璃转变温度有关，而基板不再保持其原始尺寸，这对于光刻至关重要。

一些演示表示可以使用纸片paper作为基底或栅极绝缘层，这种方法导致了有可能以低成本进行大规模集成电子设备的设计，这些设备也是一次性的，完全可回收利用。

3.holistic system design 整体系统设计

虽然研究基地提供了未来柔性电子的基础，但只有从实验室进行技术创新，才能将这些技术转化为商业产品，明确地寻找潜在的应用，并最终体现在产品中。

只有从研究的早期阶段就考虑到这种技术的潜在最终用户和消费者的需求，才能满足这些期望。
挑战是如何成功的集成各种技术！！！

整个20世纪，工业设计师都支持公司确保新技术，尤其是像柔性电子这种颠覆性的新技术，能够以商业的形式出现。

Dieter Rams设计了以个设计师硬遵循的原则：如下表

设计师在将技术转化为产品是发挥着重要的作用。 基于柔性电子的产品也要使用同样的方法， 有很多事实证明工业设计在工业新技术发明中的重要作用。我们会体验到一些优雅的设计

讲了设计与研究的关系：
然而，设计师与创造未来技术的科学家合作的情况并不常见

设计的使用可以帮助科学家在他们的工作还处于研究阶段或技术转移过程的开始阶段时开发商业应用

在塑料发光二极管方面，将柔性电子技术的商业化的挑战是显而易见的。剑桥大学1989年申请了P-LED的专利，但是20年后，柔性电子显示技术才获得中低比例的使用。研究带来新的技术以及概念。

设计师们很快就发现了这种可变形的显示器在未来产品概念的构思上的潜力。

下图为Philips "fluid"smartphone

虽然这种产品几乎没有成功上市过。

设计师在支持甚至推动新技术的商业化中有很大的贡献，一些商业设计也能推动基础研究（underlying research）。

在早期科学研究中，设计师可以对研究方向提出质疑，帮助科学家探索，演示和交流未来潜在的应用。当然不设计者可以以更多其他的方式支持科学研究。：

1. 协助模型和原型的制造和发展： By assisting in the fabrication and development of models and prototypes

2. 从用户或市场的角度进行研究： Bringing the perspective of users and the marketplace to research

3. 像投资人员宣传新技术的潜力 ：Communicating the potential of new technology to investors and other nonscientific stakeholders

4. 探索和演示新技术的应用： Exploring and demonstrating applications for new technology

5. 确定商业化的路径 ： Identifying routes to commercialization

6. 提供一些实际应用中的可能遇到的问题： Providing early insight into practical issues

7. 更正或影响研究方向： Influencing the research direction

通过与工程师的对话，设计师在支持科学家将实验室的突破性想法转化为商业产品方面发挥着强大的作用。

这种资源通常得不到重视，设计潜力也得不到认可。除非科学家已经在商业化方面取得了一些进展，否则很少有科学家会涉及到这样的设计专业知识。接下来提供一下应用的例子，灵活的系统可能胡提供更出色的功能，甚至会作为一种改变市场的新技术出现。

conclusion： 设计师在连接研究和实验方面有着很重要的作用。。。

IV HEALTHCARE 医疗 健康

电子材料的灵活性对于医学和生物工程(medical and bioengineering)是很有吸引力的.生命体本身是灵活可塑的，因此在生活系统上成功集成电子系统所不可会缺的条件是电子器件的柔韧性。但是为了执行日常任务，最好具有一定的硬度。
examples:

1. bionic eye 仿生眼球
   一个电活动的可寻址矩阵阵列，每个单元记录图像并通过视神经将其传送给病人。

2. bionic ear 电子耳

是利用柔性薄膜电子材料的完美平台。

在听觉系统，尤其是耳蜗内部，耳膜的震动是听见声音和微调的关键。
**具有独特的刚度和几何形状，薄膜和压力传感阵列相结合作为仿生听觉系统。**在特定的频率个声波压力下，图7中的（Bottom membrane）下层基底膜会在特定的位置以特定的幅度振动。微阵列压力传感器在每一特定位置都会被激活，并发出与位置对应的音调和响度的声音信号来模仿真实的声音。微小的压电结构(~2-5 um 高)也能集成进来，形成内置的反馈层。通常情况下，人耳能滤除一些噪声，并能从声音中分辨出自己感兴趣的声音。这种反馈机制能使薄膜振动。强化感兴趣的信号，滤除噪音。

与耳蜗植入相比，这种仿生人耳能听到更广宽的频率和声音响度。

人造舌头或鼻子的协助机器。嗅觉和味觉的感觉受体中有一系列的化学受体。这些受体中的许多都能感知特定的化学特性，包括酸度、盐浓度和酶亲合力。神经元放电的频率与“闻到”或“尝到”的感觉幅度成比例。酸，咸，以及甜的亚型被认为是pH。一些碱性金属或钙离子能够使用先进的电阻分析仪提取出来，分子化合物，如糖也可以通过酶和传感器转换成可测量的电信号。

皮下植入这种薄膜材料，其中配有pH， 温度传感器，压力或特定的酶传感器，可以对患者实时监测以及改善生活质量将是医学史上重大的突破。如可以实现此装置，可以实时监测患者的学血液情况，不许抽血就可获得数据。用于现场伤员救治，也可以立刻提供关于恢复和存活率的信息，同时也可以将该装置放入传统的绷带中，以及集成到床单和病人宿舍里，来监测和识别体温异常，以及分析汗液元素。
与芯片上的实验室(LOC)一样，这些薄膜也将成为下一代医疗保健方法的关键组成部分身体的热量分布，汗液成分，身体某些部位的频率和体位压力在生病阶段和恢复阶段会提供很多信息。

也可以安装在体外，作为诊断和检测工具。

比如类似的热，湿度，盐或压力传感器可以放在传单上来实时监测病人。

柔性薄膜也可以在破译大脑中发生的思维过程中扮演关键角色
了解底层的神经网络及其对个体生理和行为的影响一直是许多神经科学家研究的重点，具有重大的文化和社会意义。尽管有很多现成的图像生成技术，比如近红外光谱(near infrared
(NIR) spectroscopy,)，磁共振成像(magnetic resonance imaging)，脑电图(electroencephalogram).在认知测试试验中使用都受限，
利用由近红外二极管、探测器、电感器、热传感器和电极组成的多功能薄膜像素阵列，可以形成高分辨率的多用途图像，更重要的是，同时获得的数据将使人们对神经信号传播、处理和存储机制有更多的了解

一些robust(鲁棒性好), optically transparent(透光的)，flexible，electrically active的材料已经出现：

**ZnO-based power generation， thin-film oscillators（振荡器），wireless power transferring sysems ，thin-film energy storage and batteries **

这些例子暗示了在一个聚合平台上实现健康监测、数据处理、数据通信、能源生成和存储的可变形薄膜的可能性，当然如何控制传感系统与潮湿的传感环境的交互仍然需要解决。

LOC
LOC是下一代医疗保健最重要的微系统之一，在微分析、药物开发、疾病诊断等方面有极大地应用前景。

微流控：微流体技术是指在微观尺寸下控制、操作和检测复杂流体的技术，是在微电子、微机械、生物工程和纳米技术基础上发展起来的一门全新交叉学科

LOCs包括微流体和传感器，有时也包含驱动器和分析原件。

在单一柔性平台上集成微流体和传感器，可大大提高生化反应效率和检测灵敏度，增加反应/检测速度，减少可能的交叉污染、制造时间和成本。微流体和传感器的制作技术不同，使得两者的集成很复杂，从而极大地提高了系统成本，尤其是集成在聚合物基底上时。

SAW 表面声波
采用表面声波(SAWs)作为驱动机制的微泵和混合器从集成的角度来看是很有吸引力的替代方案。他们为微流体的应用提供了极大的潜力，因为他们使用的是低成本的$ZnO$压电薄膜，它可以在商业可用的硅片和可形变基底上沉积。
以SAW为基础的微型泵和混合器结构简单，制作简单，价格低廉，并可作为无运动部件的主动泵和混合装置。它们已被证明是可靠和有效的

使用射频溅射技术在碎片上沉积ZnO薄膜，在此基础上制作出SAW器件。
目前还无法在柔性聚合物基板上直接集成，尽管你随着时间这一技术迟早会出现。

将一个固有谐振频率的ac交流电传入梳状变换器（interdigited
transducer IDT）上，会通过压电效应，激发产生声波，在表面传播。如图9，在一些疏水表面上，声波与液体的耦合会引起声波的传输和液滴的运动。当SAW器件的表面能降低时，使用自组织的单层膜，声波可以用来推动液滴前进？高阶模态波，例如Sezawa波，对微滴的流动和输送更有效，在ZnO上的SAW也被用来远程传输混合液滴，避免化学性质极其活泼的ZnO与一些生化液滴直接接触。

以ZnO为基础的SAW设备已被用于生物传感。一旦有额外的物体添加到表面上，谐振频率就会降低，而声波期间的灵敏度与工作频率成正比。用高频Sezawa波探测前列腺抗原与抗体之间的反应。随着前列腺抗体浓度增加，频率增加，表示有较大的可能性存在前列腺疾病。如图11.SAW器件很大，限制了谐振频率和灵敏度

薄膜体声谐振器(thin-film bulk
acoustic resonator， FBAR)传感器提高了灵敏度。工作方式类似于QCMs（quartz crystal microbalances）。fbar由一层压电薄膜(如ZnO和AlN)夹在两个金属电极之间构成，其中施加了微波信号。

微波产生的声波与QCMs有 类似的使用方式。FBARs可以使用千兆赫兹的范围内，但是QCMs只有几兆赫兹的范围内。FBARs更灵敏。FBARs还有一个额外的优势，因为它们的尺寸小得多，可以用于阵列传感，制造成本相对低廉，并且与传统的CMOS兼容。

典型的FBAR结构：

FBARs验证牛血清蛋白的质量负载效应如图13所示，

在给定的bsa浓度县，在1.5GHz的谐振频率出，与QCMs相比，响应增加了三个数量级的。

这些结果清楚地证明了在微流体和传感中使用单一驱动机制的可行性。它们还表明声波在LOC应用中的适用性。这大大简化了这些微系统的制造和操作，提高了它们的灵敏度和性能

在可变形的塑性材料上制造这种结构是接下来的挑战。这方面的初步工作在开展

V 汽车行业 AUTOMOTIVE INDUSTRY

自从火发现以来，燃烧反应极大地推动了人类社会的发展。主要有两方面：

1. 固定的质量和体积能量密度，比如1公斤原油含有近50兆焦耳的化学能 intrinsic mass and volume energy densities
2. 存储和便携性 storge and portability ,油在表面条件下是液态的，易于储存、运输和转换.

锂电池能提供0.5MJ/kg，一些新的电池成分，降低$c{o}_2$的释放量，更轻量化的设计也为可替代的电池方案寻找新的出路。

电车在18世纪中期就提出，但是目前尚未广泛应用，这是由于，相比于电池而言，燃料有很高的能量密度(J/Kg),这就需要电车需要更大的电池来存储能量。也导致了电车的性能要低于传统的燃油汽车。但是日益短缺的燃油资源也推动了电车领域的发展。

使用纳米结构的薄膜电池的进展提高了能量密度,并且混合的超级大电容也增加了能量和功率密度 (Advances in thin-film battery technology through the use of nanostructures for enhanced energy density and hybrid supercapacitor allowed increased energy and power densities)。轻量化的基底，比如聚对苯二甲乙二醇酯(polyethylene terephthalate, PET)和纸(paper),也降低了电池的质量，此外，最近电池结构的发展使得它们在电动汽车的碳纤维框架内无缝集成，导致整体重量和空间的显著节省。柔性薄膜技术在这种情况下尤其有利，因为它允许电池以相对较低的成本制作成合适的形状

该图展示了PET基底上柔性薄膜电池的示意图

柔性薄膜技术也可以用于交通标志[113, 114]

[113]BCooperative Communications Between Vehicles and Intelligent Road Signs,[ in Proc. 8th Int. Conf.ITS Telecommun., Oct. 24, 2008, pp. 121–126.
[114] IPENZ Conference, Institution of Professional Engineers New Zealand., and CSP Pacific (Firm)Engineering, Providing the Foundations for Society, Wellington, New Zealand, Papers Presented in the Technical Programme, Feb.9–13, 1996.

智能道路的设计目标是提高道路安全，降低道路拥堵和能源消耗

路标和汽车能够相互交互，动态调整任何一方来优化道路系统。薄膜材料的有点事耐用性以及集合成本低。

VI 显示和人机交互 DISPLAYS AND HUMAN–MACHINE INTERACTIVITY

提高用户对电子设备的使用体验需要在灵活、可变形的体系结构(包括显示器、处理器、存储器和其他重要的电子元件)等方面进行持续的技术开发。
这种发展使得可穿戴的，交互的，便携的设备(wearable, interactive, portable devices)成为可能。或许最关键的部分是显示，几个原型已经做出来了[115]
[115] High-performance organic-inorganic hybrid plastic substratefor flexible displays and electronics,[ J. Soc.Inf. Display, vol. 19, no. 1, pp. 63–69, 2011

最常用的方法是利用喷墨打印技术制造以金属纳米颗粒为基础的功能性聚合物器件
[116-120],
当然也探索了其他的材料,比如NWs[121],CNTs,[45, 122]graphene[46]

[116] T. Yamada, Y. Tsubata, C. Sekine, and T. Ohnishi, BInvited paper: Recent progress in light-emitting polymers for full color OLEDs,[ in SID Symp. Dig. Tech. Papers, 2008, vol. 39, no. 1, pp. 404–406.

[117] M.-C. Choi, Y. Kim, and C.-S. Ha, BPolymers for flexible displays: From material selection to device applications,[ Progr. Polymer Sci., vol. 33, no. 6, pp. 581–630, Jun. 2008.

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触摸设备，用户体验现在主要围绕着显示本身，在这种情况下，与显示设备的非视觉交互是下一代以显示为中心的设备的一个重要元素。触摸屏的新技术不断发展和商业化，例如多点触控(multitouch
gestures),
但是仍然不能提供100%的用户体验满意度，只能提供实时的视觉反馈，但是仍然需要认识努力？需要你看屏幕。

现在有一些新的尝试，比如通过一个小电流从电极到传入神经纤维在用户的手指产生感知刺激。：然而，这样的架构与当前的以显示为中心的设备是不兼容的，后者本质上要求反馈必须来自于显示表面本身，并且没有视觉上的阻碍。

一种方法是使用50年前提出的“electrovibration”，
原理：“Bproducing a characteristic feeling when
a metal, connected to an ac power line and covered by a
thin insulator, is touched, which disappears when the
power line is disconnected”,
一个连接到交流电的金属，外面覆盖一层绝缘材料，当触碰是会产生特殊的感觉，而当断电时，何种特殊的感觉消失。
后来使用触摸表面和手指之间的静电作用来解释这一线性。
当使用者的手指在表面滑动时，所施加的随时间变化的电势在屏幕下方的导电层和手指之间引起间歇性的吸引和排斥静电力。这种静电吸引改变了用户皮肤和表面之间的正常接触力，可以调节动摩擦和触摸感觉。随后研究表明，屏幕下方的电导体产生的电信号与触摸感知存在相关性，可以使用这种原理来制造可编程的触摸界面。
传统的透明导体(TC)以脆性金属氧化物半导体为主，这严重限制了这种器件的灵活性。
石墨烯是理想的柔性传统的透明导体TC，涂覆柔性聚合物介电层，比如对二甲苯[137]，可用于制造完全透明、特定位置的反馈表面。

这种器件需要完全透明，可以直接放在柔性显示界面上，实现特定位置实时的可编程。

最近展示了一种基于石墨烯的可编程触摸表面[138]

原理图：

最下面是集成在一个柔性显示器flexible display上的石墨烯透明导体TC，上面是一个柔性且光学透明的聚合物介质层，涂有纳米结构的触摸表面nanostructured touch surface。
这一原型柔性电触觉装置接受存储在手机音频文件中的输入信号模式，可以使用广泛的应用电信号，并能够产生不同的触摸感知

当集成到触摸屏上时，这将为普通用户提供全新的交互体验，并成为视障人士最重要的沟通媒介之一

使用触觉来操纵屏幕，不同的触摸方式会产生不用的电信号，同时还可以将触摸方式以特定的触觉反馈给用户

VII 电源和移动器件

移动电子设备的能源需求，对此电池，或电化学电容器是唯一的解决方案。近年来，电池技术取得了许多进展，研究主要集中在两个领域
一是通过新的化学过程，新的材料或现有系统的优化来增加能量和能量密度；降低非活性组分与活性组分的比例，来提高能量密度；提高转换效率和充电能力;以及提高安全性和环境特性。

• Nanomaterials play a big role in this development。纳米材料
• 使用纠缠纳米材料，它能承受机械弯曲而不堵塞表面，比如SiNWs 硅纳米线，使用较大的表面积。可以允许接机械误差，比如体积膨胀或开裂。
• 防止聚合物结晶，提高聚合物或离子-液基电解质的离子导电性，提供更大的机械刚度和更高的耐压能力

另一方面 改变电池的设计形式，从固体散体组件转向薄的、柔性的[145]，甚至是可拉伸的[146]和透明的[143]装置。

纳米技术的而出现推动了能量转换和存储的发展，石墨烯已经被用于各种能源应用，例如电池[147]、[148]和超级电容器
[149] -[152]，光催化分解水[153]，pvs [154]。石墨烯的surface-area-to-volume比例很大，是得他在此类应用中具有较大的优势，具有机械柔性，极好的电学和光学特性。

虽然石墨烯在能源应用领域的应用才刚刚开始，但最新的研究结果是有希望的。例如，石墨烯超级电容的性能优于活性炭超级电容，其能量密度与商用电池相当。

此外，石墨烯还可用于新一代的能量获取纳米器件，如纳米光电机械系统(NOEMS)。它们可以利用纳米级产生的能量，将环境源(如环境噪声或电磁辐射)的能量转化为机械振动。
。Nokia Morph
Concept (Fig. 16).

一种新的概念：纺织一体化。嵌入纺织品的电子产品正在成为现实，而嵌入纺织品的传感器可能会变得无处不在，因此能量源是必不可少的。在纺织品上的能量供应器件，不仅需要薄的尺寸和柔韧性，还需要可拉伸(能承受10%~20%的应变 )，纤维结构非常适合于高表面积电极，在封装的设备中，工作应变高达100%(图17)，而性能没有任何下降。

此前未报道的可拉伸电化学电容器在50%的应变下进行了测试，并显示出了令人印象深刻的性能.

这提供了新的可能性，包括(integration of thin-film energy scavenging (e.g., PVs or
thermoelectrics) and textile energy storage).

CONCLUSION：可伸展的能量供应器件

越来越多的集成增加了移动设备的功耗，主要由于处理，显示和RF接口。未来的设备需要更强的功耗和更长的待机时间。正如前面所讲的，传统的电池无法满足这些需求。此外，对独立设备的需求也在迅速增加，这些设备可以在没有电源的情况下长时间工作。因此，能量收集和存储是移动设备制造商面临的挑战之一。

对更薄设备的需求正在推动向超级电容的过渡(图16)[158]、[159]，有逐步减小的尺寸和重量，更持久、更稳定的性能。更高效的能源收集方法可以创造出完全自主的手机。

有很多不同的方法从周围环境中获得或清除能源。比如低频振动，热量（通过温度梯度），生物移动和太阳能。the collection of low-frequency vibrations [160], heat (via temperature gradients) [161], biomechanical motion [162], and solar energy [163],在这些中，太阳能是最有前景的。

Si是迄今为止应用最广泛的光子吸收器，目前主导着光伏器件（PV devices）市场,能量转化效率高达25%，尽管在过去的几十年中有了显著的发展[166]，在没有政府补贴的情况下，硅基太阳能电池的高成本仍然是大规模实施太阳能的瓶颈。

对于PV器件而言，新材料和概念的出现可以降低成本和提高转换效率。考虑带移动设备表面积的有限性，高的转换效率尤为重要。

薄膜太阳能电池，比如a-si非晶硅，碲化镉cadmium telluride
(CdTe)，铜铟镓硒copper indium gallium diselenide
(CIGS)，薄膜晶体硅thin-film crystalline Si，被认为第二代光伏器件(PVs)。如何降低制造成本也推动了薄膜器件材料的发展。一种更加廉价和通用的方法是利用有机光伏(organic photovoltaic，OPV)电池[170]和染料敏化太阳能电池（dye-sensitized solar cells，DSSCs）。
与si相比，有更低的制造成本。即使有很低的能像转换率

由于其极高的电子和光学性能，石墨烯可以用在光电器件的各种方面，包括：TC窗，抗反射层，光敏材料，电荷传输通道， 催化剂。（TC window, antireflective layer, photoactive
material, channel for charge transport, and catalyst）。

conclusion：主要讲述新型的电池， 石墨烯的应用。 应该没用

VIII 无线系统 WIRELESS SYSTEMS

移动设备提供了实时的数据连接，这种现状是通过无线通信网络的快速发展而实现的。
除了全球移动通信系统(GSM)，现在设备能够还可以通过一系列不同的协议进行通信，包括无线局域网(WLANs)，蓝牙，近场通信(NFC)、全球定位系统(GPS);只接收调频广播，和无线个人区域网络(WPANs)。

虽然这些协议已经成为电信行业的重要驱动因素，但自主柔性板/系统应该是无电线的，并且具有双向通信的能力。

基本的通信系统

source通常用于产生产生载波信号，频率在850MHz到5GHz之间，2,。4GHz很值得注意。

TX和Rx是通信过程中两个重要的部分，在两者之间传播时会混杂噪音和通信通道畸变。

移动设备的无线通信模块， （basic dipole）基本偶极子， 最常用的基本几何图形有微带、贴片和平面倒f天线(PIFA)(microstrips, patch, and planar inverted-F antennas (PIFA))，它们的优点是非常紧凑，正方形的，可以在几个不同的频率共振来允许多波段操作。

使用柔性衬底(例如聚酰亚胺、聚酯或硅酮)的新器件概念已经出现，因此对柔性天线的关注越来越多[193] -[197]，可以cinder天线可以安装在系统的非平面表面上

19演示了一种柔性PIFA天线，并在弯曲前后进行仿真。可以看出共振峰频率不受影响。

柔性和可拉伸的天线，也可以用在纺织衣物，医疗应用，柔性的RFID标签中。
这种天线的主要优点是鲁棒性、重量轻和对机械应变的耐受性。

可伸缩天线使用聚二甲基硅氧烷（PDMS）制作，

过程：
将PDMS结构剥离，并引入孔以注入液体共晶（成分： 镓铟锡合金: 68.5% Ga, 21.5% In, 10% Sn,
$\sigma =3.46\times 10^{6}S/m$)）来形成辐射元素。

柔性天线的设计还存在大量的挑战，

对周围环境异常敏感，在弯曲过程中噪声、屏蔽和衰减的影响是需要解决的重要参数对于可伸缩天线。需要注意的是，薄膜金[202]或纳米材料(例如CNTs)等导体存在一些问题，它们的阻抗通常取决于应变，而应变又反过来影响天线的谐振频率，因袭需要补偿匹配网络（Compensated matching circuits），

为了减少损耗，在发生应变期间，要维持特征阻抗最小（~50欧姆)

另外，若材料的电阻与应变程度有关，则该材料可能很有吸引力，因为它们提供了通过机械拉伸实现可调天线的机会。

IX: 嵌入到生活环境中

建筑会有高能源消耗和到两$C{O}_2$气体的排放，新一代的有源、可控的材料和具有柔性形式的设备正在被研究，以取代整个建筑环境中更传统的产品。
可根据季节变化，采用"smart Window "技术实现住宅和写字楼的温度控制。[19 高亮 ],

建筑集成光伏(Building-integrated PV, BIPV)系统有多种用途,不需要移动和燃料，在试用期间不会产生污染。
BIPV模块对能耗的影响不仅要从发电的角度分析，还要从热、光两个方面分析。
Si占据光伏市场。

X 战场环境

环境变得越来越恶劣，气候变化的加速导致了全球降雨量的减少，。。。，人口压力

缓解淡水短缺，将海水转化为淡水，虽然有很多技术，但是由于高成本低效益只适用于发达国家。

基于平行板电容结构的电过程可以作为替代品，
阐述了基本的概念

在平行薄膜上施加偏压，使海水在电极间流动。这会在海水中产生电场，导致离子污染物向极性相反的电极漂移。通过使用类似海绵的二次电极，可以吸附和固定这些游离离子，从而达到净水的目的。与现有的其他技术相比，这种脱盐过程主要得益于低能耗。此外，薄膜柔性电子元件所固有的低成本、大面积制造工艺有助于以最小的成本创造超高通量系统，这是全球可获得的淡水生产所必需的