高頻柔性FFlexCom程序在工業通信系統設計中的應用

楊 凡

(廣東女子職業技術學院應用外語學院，廣東廣州 511450)

0 引言

隨著電子設備在集成密度，性能，功耗和成本方面的快速發展，未來技術發展的方向也越來越受到關注，最新發展方向是電子設備材料的機械柔韌性；它包括可彎曲性、可折疊性和可拉伸性，可以兼有輕巧，超薄，透明，大面積集成，生物相容性和易于回收利用的特點.

湯代兵、廖孝彪申請了高柔性耐火型工業機器人系統用電纜專利，其設計的高柔性耐火型工業機器人系統用電纜，包括外護層、填充層、通信電纜、控制電纜和直流電源電力電纜，不僅具備極強的耐腐蝕性，耐扭曲性，而且有良好的高導熱性能與電磁兼容性；黃達基于Modbus通信的基本原理，從工程的角度進行了協議解釋，并探討了Modbus通信在工程實現中的技術要點，對于Modbus通信的工程實施具有參考價值；李永生，王志遠以電動單軌系統(EMS)這一應用多種工業通信技術的典型設備為例，對工業通信系統的規劃、實施和維護所采用的工作流程、技術要點和系統工具進行了深入研究，對于工業通信系統進行規劃、實施和維護工作提出了具體的指導意見；Xin Li和V.E.Taylor以4到6個cpu通信節點構成的并行計算系統作為對象，研究了系統對緩存隊列長度的需求，并提出了兩個問題：在并行計算系統的設計上，系統結構對數據緩存隊列長度需求有重要影響；在系統設計上，根據用戶需求設置緩存隊列大小會提高系統通信性能；Jiming Chen比較了WorldFIP和FF兩種現場總線在不同負荷下的通信性能；Salvatore Cavalieri等人對采用Profibus.DP網絡的多服務節點系統的通信實時性進行分析，主要分析了在保證實時通信的約束條件下的最長響應時間，并給出了相應的定理.可見，在工業網絡通信方面，學者們做了大量研究，在此基礎上，基于高頻柔性FFlexCom程序設計工業通信系統.相關研究證明，TOLAE所研究地器件(例如晶體管)的截止頻率在MHz范圍內，彎曲半徑低至50 μm[1]，這些最新的成果引出了一個全新的研究領域：無線通信系統可完全集成在超薄、可彎曲和柔性的基材(例如塑料甚至紙張)上.通過應用FFlexCom程序于有機光學設備，在魯棒性、實時性及產品設計方面嚴格需求，能解決工業通信系統的高頻柔性問題，明顯地提高設備機械柔韌性.

1 FFlexCom設計

1.1 FFlexCom程序適用對象

目前，主要支持4組新興材料實現柔性電路：

(1)有機半導體：可以使用薄膜和厚膜技術在柔性基板上沉積并構造有機半導體.與兼容的導電和介電材料結合使用，可以集成電路.特別是對于厚膜技術，由于不需要高溫，因此可以使用許多基板，最突出的是塑料薄膜和紙張.目前，有機電子產品往往需要較大的電源電壓.因此，除了提高空氣的速度和穩定性之外，還必須努力降低所需的電源電壓.相關研究證明，飽和遷移率在2 cm2/Vs的范圍內，晶體管的瞬態頻率略高于10 MHz，它們目前是柔性電子產品中最慢的材料[2].

(2)金屬氧化物：某些金屬氧化物及其合金充當半導體，可以通過薄膜技術沉積，與兼容的導電和介電材料結合使用，可以集成電路.可能的柔性基材是溫度穩定的塑料薄膜.這些基板材料需要在最高工藝溫度和電性能之間進行權衡.一方面，對于較高的退火溫度，性能(特別是飽和遷移率)通常更好.另一方面，隨著溫度的升高，柔性基板變得越來越不穩定.在聚酰亞胺薄膜上已征實在20 cm2/Vs范圍內的飽和遷移率和100 MHz以上的晶體管頻率.

(3)碳同素異形體和納米線：碳同素異形體和納米線具備半導體特性.近年來，已經建立了半導體同素異形體和納米線的高純度溶液的研究和生產.然而，它們形成晶體管器件的結構仍然具有挑戰性.碳基設備通常可以具有非常小的占地面積.在剛性情況下，碳納米管100 000 cm2/Vs和石墨烯200 000 cm2/Vs的飽和遷移率可以遠遠超過晶體硅1 400 cm2/Vs的飽和遷移率.對于柔性膜上的石墨烯，迄今為止已證實超過1 000cm2/Vs的飽和遷移率，其已經與晶體硅相當.確保晶體管在高GHz范圍內的過渡頻率.

(4)硅電路：單晶硅電路可以減薄到幾十微米.變薄的芯片變得柔性并且可以被轉移到塑料膜上，即可形成柔性封裝的硅電路.盡管這些變薄的技術可以從過去幾十年進行了大量研究，但是在變薄過程和包裝過程中的處理仍然非常困難.而且，在減薄過程中，電特性可能會發生顯著變化.晶體管的傳輸頻率在100 GHz范圍內.

1.2 FFlexCom模型設計

設計并開發了高頻模型，準靜態緊湊模型可捕獲所制造器件的特性以進行電路仿真，通過開發詳細的器件模型，特別著重于與方向相關的低場遷移率，利用改進的trap-induced hockley-Read-Hall(陷阱誘發的肖克利—雷爾霍爾，SRH)重組模型來預測高頻和非靜態器件的性能.驗證設備模型后，通過進一步設計打印過程來優化設備的飽和遷移率和接觸電阻，與RFID相關的電路將作為基準，并在這些改進過程中進行驗證.

1.3 FFlexCom關鍵技術

有機和金屬氧化物技術的共同點是，層厚度可能非常薄，可以減小到幾十納米，同時可以精確控制.然而，橫向尺寸的控制更具挑戰性，并且在1 μm左右變得極其昂貴.因此，自對準技術、遮蔽技術和垂直結構對于先進的柔性有機和金屬氧化物器件變得至關重要.自對準和遮蔽現在經常用于對準器件不同層(柵極，漏極，源極，溝道中的半導體等)中的結構，以便能夠制造出可大規模縮放的晶體管并使寄生效應最小化[3-4].

垂直設備架構使用垂直通道和垂直載波傳輸，以使通道長度由“薄”層定義，目前，可以主要觀察兩種垂直結構.對于第一類垂直結構，結構化的半導體層以定義良好的厚度沉積，該厚度定義了器件尺寸，在這些層的上方，下方和/或之間制造接觸電極.它們的薄度還定義了器件尺寸，具體結構如圖1所示；對于第二種垂直結構，沉積具有限定的厚度的結構化介電層，可能在其上方和/或下方具有接觸電極.緊接著沉積的介電層的垂直壁，沉積隨后的半導體/電介質/電極層，同樣具有良好定義的薄度[5-6].

圖1 半導體垂直結構圖

第一種垂直架構可在一個空間方向上增強對設備尺寸的控制，該空間方向通常與通道長度對齊.第二種垂直架構有效地增強了在兩個空間方向上對器件尺寸的控制，通常用于精確控制溝道長度和介電層厚度.

2 FFlexCom在半導體的應用研究

FFlexCom適用的4個對象：有機半導體、金屬氧化物半導體、碳半導體和硅半導體，以及四個對象應用于可彎曲電子設備的主要應用研究.

2.1 有機半導體在可彎曲電子設備的應用

高頻柔性電子設備仿真工具.實現并驗證了基于有機的薄膜場效應晶體管(OFET)和薄膜碳納米管FET(CNT-FET)的多尺度仿真框架.該框架組合了不同比例的模型，以包含許多已知的效果，從而實現了很高的準確性.所采用的仿真模型包括漂移擴散，動力學蒙特卡洛和等效電路.該框架可以模擬不同的材料，接觸界面，氧化物界面，摻雜狀態和陷阱狀態.可以預見所有上述影響對器件性能的影響，因此，可以很好地理解和優化設備物理特性.與未來發展特別相關的是預測和優化混合材料的新可能性，它可以允許最高10 MHz的工作頻率.只有同時考慮納米級效應，動力學方法和漂移擴散模型的獨特組合，才能實現這些優化.

有機電子中的柔性有源雷達背散射標簽.開發了垂直有機可滲透基極晶體管(VO-PBT)，可以在柔性基板以及玻璃基板上制造.通過開發兼容的無源器件，可以集成柔性有機電路.使用該技術，展示了一個振蕩頻率為5.2 MHz的LC振蕩器.開發和測試第一個使用信用卡大小的有機有源雷達后向散射標簽的本地化系統，該系統使用開關注入鎖定振蕩器(SILO)概念[7].

柔性生物醫學系統的MEGAHERTZ有機薄膜晶體管.開發和改進了有機薄膜晶體管(Thin Film Transistor，TFT)和兼容的無源晶體管及其建模.特別關注的是具有神經接口，低電源電壓(約3 V)和低功耗的無線植入物.在該研究中，有機TFT的溝道長度達到了亞微米范圍，如圖2所示.基于已驗證的設備FEM仿真，正在完善針對OFETS的當前EDA模型，以大大提高緊湊型EDA模型的準確性.特別是，漏極接觸電阻的建模得到了改善，雖然p型有機TFT可用于信號處理和放大，但n型TFT可以并且將僅用于偏置.將慢速n型晶體管引入該技術仍然具有很大的好處.啟用了電流偏置方案，從而大大降低了跨導對晶體管閾值電壓的依賴性.

圖2 積極縮放橫向有機TFT

用于無線通信系統的解決方案(穩定，高截止頻率的有機晶體管).開發從溶液中處理的有機場效應晶體管.目的是通過將超高移動性解決方案處理技術與平面和垂直短通道設備架構相結合，顯著提高fT.使用溶液沉積策略，如圖3(a)和3(b)所示，其中圖3(a)表示用于形成高度結晶的有機半導體膜的剪切過程的示意圖，3(b)表示解決方案剪切的實驗室設置.以使有機半導體從溶液中受控生長，利用這些策略，可以可靠且可復制的方式形成高度取向的晶體，從而引起了潛在的大面積，低成本的有機TFT制造.當前，可以在平面器件架構中可靠地制造有效飽和遷移率μsat在6～10 cm2/Vs之間的器件.在8 μm的通道長度下，如圖3(c)所示，器件的遷移率仍為1～2 cm2/Vs.對于這些設備，估計大約500 kHz的過渡頻率.由于隨之而來的器件尺寸縮放和溶液沉積技術的工程化，這些值預計將顯著增加[8-9].

圖3 無線通信系統的解決方案圖

印刷有機晶體管的高頻建模和表征.準靜態緊湊模型可捕獲所制造器件的特性以進行電路仿真.開發了詳細的器件模型，特別著重于與方向相關的低場遷移率，并開發了一種改進的陷阱誘發的重組模型來預測高頻和非靜態器件的性能.驗證設備模型后，將通過進一步設計打印過程來優化設備的飽和遷移率和接觸電阻.與RFID相關的電路作為基準，并在改進過程中進行驗證.

2.2 金屬氧化物半導體在可彎曲電子設備的應用

具有新穎架構的RF電路和系統的薄膜晶體管.研究交替接觸TFT，如圖4所示.現有技術的TFT在半導體層的同一界面上具有源電極和漏電極.ACTFT將它們放置在半導體層的相對兩側，因此不對稱，并提供了更大的幾何自由度.使用DC I-V和C-V技術評估了ACTFT器件，并特別強調了器件架構中無源元件的影響.對于通道長度為2 μm的設備，可以證明55 MHz的fT.通過進一步減少重疊電容和通道長度，器件的fT有望超過100 MHz.

圖4 交替接觸金屬氧化物TFT的橫截面

機械柔性薄膜基片上的無線銦鎵鋅氧化物發射器和器件.研究了非晶TFT，其溝道尺寸的可擴展尺寸僅為100 nm.這些短通道通過聚焦離子束刻蝕來構造，所產生的器件可以彎曲至2 mm的半徑.該項目使用這些設備來實現第一個靈活的開關鍵控(OOK)發射器，如圖5所示，該發射器將能夠在13.55 Mhz ISM頻段內工作.可用于傳輸信息和傳感器數據，例如溫度，光強度或濕度.

圖5 OOK發射機的系統級原理圖

2.3 碳半導體在可彎曲電子設備的應用

高速柔性晶體管基于金屬氧化物的TFT和基于單壁碳納米管的TFT.通過原子層沉積(atomic layer deposition，ALD)來制造使用不同半導體金屬氧化物的基于金屬氧化物的TFT.ln2O3，ZnO，SnO2和IZO用作半導體材料，三元化合物IZO通過ALD由ln2O3和ZnO制成納米層壓板.與其他金屬氧化物相比，它具有更高的遷移率和更低的亞閾值斜率.目前為止，平面n型器件實現了1.5 cm2/Vs的飽和遷移率，0V的導通電壓，0.5 V/decade的亞閾值斜率和低磁滯.

基于石墨烯的異質結晶體管.實現了高度創新的基于垂直石墨烯/硅的異質結晶體管(GBHT).首先，借助于非常高頻率(140 MHz)的等離子體增強化學氣相沉積法，將n型摻雜的非晶態氫化硅(a-Si：H)沉積在石墨烯(Gr)的頂部.肖特基二極管的大整流比達到了1.6·104(±1 V).肖特基勢壘高度(取決于溫度的IV特性)約為0.4 eV.

2.4 硅半導體在可彎曲電子設備的應用

高效節能無線集線器-使用減薄的SiGe BiCMOS芯片，設計實現了用于與集成天線進行無線通信的模塊.將電路板減薄至約20 μm，并使用創新的自適應互連布局將其嵌入聚合物封裝中，以允許在芯片上和芯片外的布線間距小于108 μm[10].整個設計非常靈活，厚度約為100 μm，無線通信模塊將在5.5 GHz左右的載波頻率上支持100 Mbit/s的速度和10 mW的RF輸出功率.由于機械靈活性，模塊須適應其形狀和周圍環境的變化，即必須補償天線特性的變化.該模塊使用倍增天線，可調負載阻抗和自適應偏置來實現這種RF適應性.不帶電源的最終尺寸約為20毫米×5毫米，厚度僅為100 μm.如圖6(a)為厚度為45 μm的三通道5 GHz—6 GHz0.25 μm SiGe BiCMOS功率放大器的硅芯片圖，圖6(b)為該芯片仿真的和測量的正向增益.

圖6 厚度為45 μm的5～6 GHz的硅BiCMOS圖

3 結論

工業無線通信技術的發展，DFG(Deutsche Forschungs Gemeinschaft德國科學基金會)作為國際著名的支持公共性研究的機構，組織基于FFlexCom提高柔性電子技術的速度、可靠性和使用范圍.采用靈活的電子設備解決了應用過程中的環境適應性，不僅可彎曲、可折疊、可拉伸，而且價格適中，重量輕，超薄，透明且易于回收，將更自然集成到日常生活.