高频柔性FFlexCom程序在工业通信系统设计中的应用

杨 凡

(广东女子职业技术学院应用外语学院，广东广州 511450)

0 引言

随着电子设备在集成密度，性能，功耗和成本方面的快速发展，未来技术发展的方向也越来越受到关注，最新发展方向是电子设备材料的机械柔韧性；它包括可弯曲性、可折叠性和可拉伸性，可以兼有轻巧，超薄，透明，大面积集成，生物相容性和易于回收利用的特点.

汤代兵、廖孝彪申请了高柔性耐火型工业机器人系统用电缆专利，其设计的高柔性耐火型工业机器人系统用电缆，包括外护层、填充层、通信电缆、控制电缆和直流电源电力电缆，不仅具备极强的耐腐蚀性，耐扭曲性，而且有良好的高导热性能与电磁兼容性；黄达基于Modbus通信的基本原理，从工程的角度进行了协议解释，并探讨了Modbus通信在工程实现中的技术要点，对于Modbus通信的工程实施具有参考价值；李永生，王志远以电动单轨系统(EMS)这一应用多种工业通信技术的典型设备为例，对工业通信系统的规划、实施和维护所采用的工作流程、技术要点和系统工具进行了深入研究，对于工业通信系统进行规划、实施和维护工作提出了具体的指导意见；Xin Li和V.E.Taylor以4到6个cpu通信节点构成的并行计算系统作为对象，研究了系统对缓存队列长度的需求，并提出了两个问题：在并行计算系统的设计上，系统结构对数据缓存队列长度需求有重要影响；在系统设计上，根据用户需求设置缓存队列大小会提高系统通信性能；Jiming Chen比较了WorldFIP和FF两种现场总线在不同负荷下的通信性能；Salvatore Cavalieri等人对采用Profibus.DP网络的多服务节点系统的通信实时性进行分析，主要分析了在保证实时通信的约束条件下的最长响应时间，并给出了相应的定理.可见，在工业网络通信方面，学者们做了大量研究，在此基础上，基于高频柔性FFlexCom程序设计工业通信系统.相关研究证明，TOLAE所研究地器件(例如晶体管)的截止频率在MHz范围内，弯曲半径低至50 μm[1]，这些最新的成果引出了一个全新的研究领域：无线通信系统可完全集成在超薄、可弯曲和柔性的基材(例如塑料甚至纸张)上.通过应用FFlexCom程序于有机光学设备，在鲁棒性、实时性及产品设计方面严格需求，能解决工业通信系统的高频柔性问题，明显地提高设备机械柔韧性.

1 FFlexCom设计

1.1 FFlexCom程序适用对象

目前，主要支持4组新兴材料实现柔性电路：

(1)有机半导体：可以使用薄膜和厚膜技术在柔性基板上沉积并构造有机半导体.与兼容的导电和介电材料结合使用，可以集成电路.特别是对于厚膜技术，由于不需要高温，因此可以使用许多基板，最突出的是塑料薄膜和纸张.目前，有机电子产品往往需要较大的电源电压.因此，除了提高空气的速度和稳定性之外，还必须努力降低所需的电源电压.相关研究证明，饱和迁移率在2 cm2/Vs的范围内，晶体管的瞬态频率略高于10 MHz，它们目前是柔性电子产品中最慢的材料[2].

(2)金属氧化物：某些金属氧化物及其合金充当半导体，可以通过薄膜技术沉积，与兼容的导电和介电材料结合使用，可以集成电路.可能的柔性基材是温度稳定的塑料薄膜.这些基板材料需要在最高工艺温度和电性能之间进行权衡.一方面，对于较高的退火温度，性能(特别是饱和迁移率)通常更好.另一方面，随着温度的升高，柔性基板变得越来越不稳定.在聚酰亚胺薄膜上已征实在20 cm2/Vs范围内的饱和迁移率和100 MHz以上的晶体管频率.

(3)碳同素异形体和纳米线：碳同素异形体和纳米线具备半导体特性.近年来，已经建立了半导体同素异形体和纳米线的高纯度溶液的研究和生产.然而，它们形成晶体管器件的结构仍然具有挑战性.碳基设备通常可以具有非常小的占地面积.在刚性情况下，碳纳米管100 000 cm2/Vs和石墨烯200 000 cm2/Vs的饱和迁移率可以远远超过晶体硅1 400 cm2/Vs的饱和迁移率.对于柔性膜上的石墨烯，迄今为止已证实超过1 000cm2/Vs的饱和迁移率，其已经与晶体硅相当.确保晶体管在高GHz范围内的过渡频率.

(4)硅电路：单晶硅电路可以减薄到几十微米.变薄的芯片变得柔性并且可以被转移到塑料膜上，即可形成柔性封装的硅电路.尽管这些变薄的技术可以从过去几十年进行了大量研究，但是在变薄过程和包装过程中的处理仍然非常困难.而且，在减薄过程中，电特性可能会发生显著变化.晶体管的传输频率在100 GHz范围内.

1.2 FFlexCom模型设计

设计并开发了高频模型，准静态紧凑模型可捕获所制造器件的特性以进行电路仿真，通过开发详细的器件模型，特别着重于与方向相关的低场迁移率，利用改进的trap-induced hockley-Read-Hall(陷阱诱发的肖克利—雷尔霍尔，SRH)重组模型来预测高频和非静态器件的性能.验证设备模型后，通过进一步设计打印过程来优化设备的饱和迁移率和接触电阻，与RFID相关的电路将作为基准，并在这些改进过程中进行验证.

1.3 FFlexCom关键技术

有机和金属氧化物技术的共同点是，层厚度可能非常薄，可以减小到几十纳米，同时可以精确控制.然而，横向尺寸的控制更具挑战性，并且在1 μm左右变得极其昂贵.因此，自对准技术、遮蔽技术和垂直结构对于先进的柔性有机和金属氧化物器件变得至关重要.自对准和遮蔽现在经常用于对准器件不同层(栅极，漏极，源极，沟道中的半导体等)中的结构，以便能够制造出可大规模缩放的晶体管并使寄生效应最小化[3-4].

垂直设备架构使用垂直通道和垂直载波传输，以使通道长度由“薄”层定义，目前，可以主要观察两种垂直结构.对于第一类垂直结构，结构化的半导体层以定义良好的厚度沉积，该厚度定义了器件尺寸，在这些层的上方，下方和/或之间制造接触电极.它们的薄度还定义了器件尺寸，具体结构如图1所示；对于第二种垂直结构，沉积具有限定的厚度的结构化介电层，可能在其上方和/或下方具有接触电极.紧接着沉积的介电层的垂直壁，沉积随后的半导体/电介质/电极层，同样具有良好定义的薄度[5-6].

图1 半导体垂直结构图

第一种垂直架构可在一个空间方向上增强对设备尺寸的控制，该空间方向通常与通道长度对齐.第二种垂直架构有效地增强了在两个空间方向上对器件尺寸的控制，通常用于精确控制沟道长度和介电层厚度.

2 FFlexCom在半导体的应用研究

FFlexCom适用的4个对象：有机半导体、金属氧化物半导体、碳半导体和硅半导体，以及四个对象应用于可弯曲电子设备的主要应用研究.

2.1 有机半导体在可弯曲电子设备的应用

高频柔性电子设备仿真工具.实现并验证了基于有机的薄膜场效应晶体管(OFET)和薄膜碳纳米管FET(CNT-FET)的多尺度仿真框架.该框架组合了不同比例的模型，以包含许多已知的效果，从而实现了很高的准确性.所采用的仿真模型包括漂移扩散，动力学蒙特卡洛和等效电路.该框架可以模拟不同的材料，接触界面，氧化物界面，掺杂状态和陷阱状态.可以预见所有上述影响对器件性能的影响，因此，可以很好地理解和优化设备物理特性.与未来发展特别相关的是预测和优化混合材料的新可能性，它可以允许最高10 MHz的工作频率.只有同时考虑纳米级效应，动力学方法和漂移扩散模型的独特组合，才能实现这些优化.

有机电子中的柔性有源雷达背散射标签.开发了垂直有机可渗透基极晶体管(VO-PBT)，可以在柔性基板以及玻璃基板上制造.通过开发兼容的无源器件，可以集成柔性有机电路.使用该技术，展示了一个振荡频率为5.2 MHz的LC振荡器.开发和测试第一个使用信用卡大小的有机有源雷达后向散射标签的本地化系统，该系统使用开关注入锁定振荡器(SILO)概念[7].

柔性生物医学系统的MEGAHERTZ有机薄膜晶体管.开发和改进了有机薄膜晶体管(Thin Film Transistor，TFT)和兼容的无源晶体管及其建模.特别关注的是具有神经接口，低电源电压(约3 V)和低功耗的无线植入物.在该研究中，有机TFT的沟道长度达到了亚微米范围，如图2所示.基于已验证的设备FEM仿真，正在完善针对OFETS的当前EDA模型，以大大提高紧凑型EDA模型的准确性.特别是，漏极接触电阻的建模得到了改善，虽然p型有机TFT可用于信号处理和放大，但n型TFT可以并且将仅用于偏置.将慢速n型晶体管引入该技术仍然具有很大的好处.启用了电流偏置方案，从而大大降低了跨导对晶体管阈值电压的依赖性.

图2 积极缩放横向有机TFT

用于无线通信系统的解决方案(稳定，高截止频率的有机晶体管).开发从溶液中处理的有机场效应晶体管.目的是通过将超高移动性解决方案处理技术与平面和垂直短通道设备架构相结合，显着提高fT.使用溶液沉积策略，如图3(a)和3(b)所示，其中图3(a)表示用于形成高度结晶的有机半导体膜的剪切过程的示意图，3(b)表示解决方案剪切的实验室设置.以使有机半导体从溶液中受控生长，利用这些策略，可以可靠且可复制的方式形成高度取向的晶体，从而引起了潜在的大面积，低成本的有机TFT制造.当前，可以在平面器件架构中可靠地制造有效饱和迁移率μsat在6～10 cm2/Vs之间的器件.在8 μm的通道长度下，如图3(c)所示，器件的迁移率仍为1～2 cm2/Vs.对于这些设备，估计大约500 kHz的过渡频率.由于随之而来的器件尺寸缩放和溶液沉积技术的工程化，这些值预计将显着增加[8-9].

图3 无线通信系统的解决方案图

印刷有机晶体管的高频建模和表征.准静态紧凑模型可捕获所制造器件的特性以进行电路仿真.开发了详细的器件模型，特别着重于与方向相关的低场迁移率，并开发了一种改进的陷阱诱发的重组模型来预测高频和非静态器件的性能.验证设备模型后，将通过进一步设计打印过程来优化设备的饱和迁移率和接触电阻.与RFID相关的电路作为基准，并在改进过程中进行验证.

2.2 金属氧化物半导体在可弯曲电子设备的应用

具有新颖架构的RF电路和系统的薄膜晶体管.研究交替接触TFT，如图4所示.现有技术的TFT在半导体层的同一界面上具有源电极和漏电极.ACTFT将它们放置在半导体层的相对两侧，因此不对称，并提供了更大的几何自由度.使用DC I-V和C-V技术评估了ACTFT器件，并特别强调了器件架构中无源元件的影响.对于通道长度为2 μm的设备，可以证明55 MHz的fT.通过进一步减少重叠电容和通道长度，器件的fT有望超过100 MHz.

图4 交替接触金属氧化物TFT的横截面

机械柔性薄膜基片上的无线铟镓锌氧化物发射器和器件.研究了非晶TFT，其沟道尺寸的可扩展尺寸仅为100 nm.这些短通道通过聚焦离子束刻蚀来构造，所产生的器件可以弯曲至2 mm的半径.该项目使用这些设备来实现第一个灵活的开关键控(OOK)发射器，如图5所示，该发射器将能够在13.55 Mhz ISM频段内工作.可用于传输信息和传感器数据，例如温度，光强度或湿度.

图5 OOK发射机的系统级原理图

2.3 碳半导体在可弯曲电子设备的应用

高速柔性晶体管基于金属氧化物的TFT和基于单壁碳纳米管的TFT.通过原子层沉积(atomic layer deposition，ALD)来制造使用不同半导体金属氧化物的基于金属氧化物的TFT.ln2O3，ZnO，SnO2和IZO用作半导体材料，三元化合物IZO通过ALD由ln2O3和ZnO制成纳米层压板.与其他金属氧化物相比，它具有更高的迁移率和更低的亚阈值斜率.目前为止，平面n型器件实现了1.5 cm2/Vs的饱和迁移率，0V的导通电压，0.5 V/decade的亚阈值斜率和低磁滞.

基于石墨烯的异质结晶体管.实现了高度创新的基于垂直石墨烯/硅的异质结晶体管(GBHT).首先，借助于非常高频率(140 MHz)的等离子体增强化学气相沉积法，将n型掺杂的非晶态氢化硅(a-Si：H)沉积在石墨烯(Gr)的顶部.肖特基二极管的大整流比达到了1.6·104(±1 V).肖特基势垒高度(取决于温度的IV特性)约为0.4 eV.

2.4 硅半导体在可弯曲电子设备的应用

高效节能无线集线器-使用减薄的SiGe BiCMOS芯片，设计实现了用于与集成天线进行无线通信的模块.将电路板减薄至约20 μm，并使用创新的自适应互连布局将其嵌入聚合物封装中，以允许在芯片上和芯片外的布线间距小于108 μm[10].整个设计非常灵活，厚度约为100 μm，无线通信模块将在5.5 GHz左右的载波频率上支持100 Mbit/s的速度和10 mW的RF输出功率.由于机械灵活性，模块须适应其形状和周围环境的变化，即必须补偿天线特性的变化.该模块使用倍增天线，可调负载阻抗和自适应偏置来实现这种RF适应性.不带电源的最终尺寸约为20毫米×5毫米，厚度仅为100 μm.如图6(a)为厚度为45 μm的三通道5 GHz—6 GHz0.25 μm SiGe BiCMOS功率放大器的硅芯片图，图6(b)为该芯片仿真的和测量的正向增益.

图6 厚度为45 μm的5～6 GHz的硅BiCMOS图

3 结论

工业无线通信技术的发展，DFG(Deutsche Forschungs Gemeinschaft德国科学基金会)作为国际著名的支持公共性研究的机构，组织基于FFlexCom提高柔性电子技术的速度、可靠性和使用范围.采用灵活的电子设备解决了应用过程中的环境适应性，不仅可弯曲、可折叠、可拉伸，而且价格适中，重量轻，超薄，透明且易于回收，将更自然集成到日常生活.