Flexible Electronics: The Next
Ubiquitous Platform

雜誌: PROCEEDINGS OF THE IEEE

author: Arokia Nathan

2012的一篇柔性電子的綜述，主要講述柔性電子領域的薄膜材料和技術，以及思考未來在醫療，汽車行業，人機介面，移動裝置以及其他場景下的可能應用
原英語論文就放這裡了https://download.csdn.net/download/dss_dssssd/10778283

摘要

在過去的40多年，各種形式的薄膜電子（Thin-film electronics）支撐了顯示，感測器以及能量轉換領域的技術創新。這些技術也想成了柔性電子（flexible electronic）的基礎。本文主要回顧柔性電子的現狀，並嘗試預測柔性電子在健康醫療（healthcare），環境監測(environmental monitoring),顯示和人機互動（display and human-machine interactivity）,能量轉換(energy conversion)， 管理和儲存(management and storage)，通訊和無線網路(commmunication and wireless networks)的未來前景

關鍵字

Computation; displays; energy generation; energy storage; flexible substrates; healthcare; human–machine interactivity;
lab-on-chip（晶片實驗室）; mobility; sensors; thin-film technology; wireless networks

1. introduction 介紹

薄膜材料和裝置的不斷進步也推動了柔性電子的發展。經過數十年的開發和優化，薄膜材料能夠提供大量的優點：low cost, large area compatibility, high scalability(高擴充套件性), seamless heterogeneous integration（無縫的異構整合）
異構整合

http://www.solidstatechina.com/Defzjs.asp?id=5539：簡單地說就是將分立製造的部件整合到一個更高級別的組裝結構中，以增強其功能和改善其工作特性。

二極體和電晶體（diodes and transistors）是兩種最常見的有源薄膜器件（active thin-film devices），廣泛用於數字和類比電路以及檢測和能量產生等領域。儘管他們已經成功的用於柔性平臺(flexible platforms)，但是他們的效能和適用性受受多因素的制約，比如，必須使用外來裝置，必須依賴於高度優化的幾何結構與新型材料的整合（consisting of highly
optimized geometries combined with integration of novel
materials.），進一步優化需要耗費巨大的經濟成本。依賴於二極體和電晶體的有源薄膜器件儘管在學術界很受歡迎，但是在全面的系統整合方面（full-scale system integration）幾乎沒有進展。的確，大面積簡單器件，比如電阻和電導網路的整合已經展示過。為了實現“下一代柔性系統”的全系統整合，在設計和製造方面急需新的正規化轉換(paradigm shift)。
正規化轉換：

https://wiki.mbalib.com/wiki/%E8%8C%83%E5%BC%8F%E8%BD%AC%E6%8D%A2:正規化轉換用來描述在科學範疇裡，一種在基本理論上從根本假設的改變。這種改變，後來亦被應用於各種其他學科方面的巨大轉變。庫恩在書中闡釋，每一項科學研究的重大突破，幾乎都是先打破道統，打破舊思惟，而後才成功的.從根本上打破舊思維

傳統IC（積體電路）製造商的企業精神需要調整，提高對材料生長，沉積、整合和處理（material
growth/deposition, integration, and processing）是必要的，這同時通過思辨學術（speculative academic）來獲得的。成本的降低，大面積，捲到卷(roo-to-roll)和柔性系統，需要conformal,distributed(分散式)和整合化（integrated）的功能。到目前為止傳統的脆性材料和器件都無法滿足。

正如積體電路取代了分立電路一樣，柔性電子也將不可避免的代替固態積體電路，儘管相關的材料、技術、和器件在一定程度上人仍然不清楚。

本文回顧協議帶柔性電子的材料，設計問題和技術，初步考慮了未來的應用,下圖是可應用的場景。

我們總結了柔性薄膜器件的潛力，特殊材料 在可製造性(manugfacturability)、沉積問題（deposition）和監測技術上的侷限性，必須在廣泛使用之前加以解決和改進，特別參考了一種可用於系統設計的新材料–納米材料(nanomateriasl)。

本文首先從應用的角度組織，介紹了材料工程師提出的一些更相關的問題，以便進一步討論。我們舉例說明柔性電子在 社會各個方面潛在的應用：醫療，汽車行，人機介面，行動通訊和計算平臺，嵌入式系統；以及市場上的特定應用：人機互動，能源儲存和產生，行動通訊和網路；同時也涉及到 柔性電子在計算平臺的使用

2. 材料，技術和整合流程（materials, technologies and integration process）

薄膜材料的特性以及器件介面的質量，決定了器件效能的內在限制。

例如，環形振盪器https://zh.wikipedia.org/zh-hans/%E7%8E%AF%E5%BD%A2%E6%8C%AF%E8%8D%A1%E5%99%A8, 作為許多系統中最重要的構件之一，是許多新興技術的基礎，比如射頻識別（RFIFs）標籤[radio-frequency identification tagging]。環形振盪器的振盪頻率受大量設計引數的影響，包括幾何特性（geometric attributes），寄生電容(parasitic capacitance) 和供電電壓（supply voltage）.然而，由於電晶體固有屬性的限制，這些調整顯得微不足道。將場效應遷移率（field-effect mobility）作為一個關鍵的效能指標，可以構建階段延遲(stage delay)和遷移率（mobility)來說明使用普通的半導體時，遷移率依賴於環形振盪器的工作速度，而工作速度決定了每階段的延時時間。散點圖展顯示了隨著器件佈局，寄生電容和供電電壓改變，散點分佈的典型變化，同時不同的材料，散點的分佈存在整體的區別。

場效應遷移率：https://wenku.baidu.com/view/b575b040be1e650e52ea997d.html

場效應遷移率本身是大量引數的函式，除了材料的band mobility 和 電介質/半導體（dielectric/semiconductor） 介面的質量以外，還與接觸電阻以及薄膜電晶體的動態特性有關。

儘管我們迫切的希望使用具有高遷移率的薄膜材料，但是成本和可擴充套件性（cost and scalability）在材料選擇中起著至關重要的作用。比如在上圖中，兩種最高遷移率的材料是多晶矽（polycrystalline silico, ploy-Si）和半導體金屬氧化物(semiconducting metal osides, $MO_x)$)，由於銦(indium)的短缺， $MO_x$很昂貴，儘管有大量的低成本Si，但是由於要大面積使用後沉積處理（post deposition processing），多晶矽的製造工藝也很昂貴.

將納米線（nanowires, NWs），碳納米管（carbon nanotubes CNTs），石墨烯（graphene）及其他納米材料與半導體結合起來將實現效能的提高。基於這種複合材料的器件往往表現出更好的電氣效能。比如更高的遷移率和亞閾值斜率，從而可以使用更低的工作電壓，這在低功耗器件中很重要。薄膜材料的複合性質影響他們的機械特性以及TFT（薄膜電晶體）承受機械壓力的耐久度，這是柔性電子的基本要求。

除了上述提到的器件效能和成本，遭受長時間的電或光偏置的穩定性也很重要。例如，上圖2中，從全域性尺度上描述了微米晶體microcrystalline（mc-si），納米晶體nanocrystalline
（nc-si）和非晶矽amorphous silicon（a-si）的邊際效能變化並不大，但是他們遭受電或光偏置受的穩定性卻存在很大的不同。通過設計混合相位異構材料，與傳統的非晶矽相比，可以實現更高的穩定性。

新的製造技術已經允許TFTs(薄膜電晶體)利用一維半導體（1-D semiconductors）的潛力， 比如CNTs和NWs，以及二維半導體管和電介質比如石墨烯（graphene），二硫化鉬（ $MoS_2$），六方氮化硼(h-BN)單分子層(monolayers).這些器件具有優良的效能，但是在他們在柔性電子和整合系統中商業化之前需要進一步的研究發展。

製造方法對其效能、成本和穩定性也有重要影響，例如除了使用高遷移率的材料來實現高的器件跨導，也可以通過調整結構來實現，比如縮短溝道長度。

跨導：輸出端電流的變化值與輸入端電壓的變化值之間的比值 $g_m=\frac{\Delta I_{out}}{\Delta U_{in}}$

在傳統的平面薄膜電晶體中，溝道長度 受光刻過程中衍射極限限制。對於垂直電晶體，溝道長度都半導體的厚度決定，已經被證實可以實現亞微米級（submicrometer）溝道長度，為傳統材料，比如a-Si，實現高跨導鋪平了道路。

電晶體是統稱，包括二極體，三極體，場效電晶體等
另外，還開發了別的方法來製造大面積均勻的亞微米級薄膜電晶體。一種方法是基於新的邊緣效應，這種邊緣效應是由一種聚合物塗覆在預成型結構上產生的。圖三所示。

溝道長度窄到400nm的聚合物薄膜電晶體可以使用這種方法制造，能實現 $5 \times 10^{-3} cm^2/V.s$的遷移率以及 $~10^6$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.

這種方法的一個關鍵優點是，它有助於使用低解析度的圖案技術，如shadow masking，以建立高度可複製的亞微米特徵，從而避免了更傳統的、耗時的平版印刷工藝。與噴墨列印技術結合，[可以應用按需的材料沉積和特殊模型的桌面可程式設計佈線？apply
on-demand material deposition and desktop programmable
wiring of ad hoc patterns.]，後者在cnt和graphene-based ink中演示過。
這種創新的製造技術將有助於該技術在高跨導薄膜晶體管制造中的廣泛應用

總結：主要講了薄膜電晶體方面新的構造工藝。實現高遷移率—亞微米級溝道
。。。。
二極體也很重，除了用在電路中，也用在光電二極體（photodiodes）和光伏太陽能電池(photovoltaic (PV) solar cells)。也可用作發光二極體(light-emitting diodes, LED),薄膜二極體也可以整合到系統以增強其功能。在建築物內部的表面噴塗薄膜二極體來發光沒實現一種新型的發光方式。

隨著可替代能源的發展，比如核聚變動力。

太陽能電池可以與機械靈活的，可緊急移動的自我維持系統相結合。

所有真實世界的系統都基於已證明可製造的，低成本的器件。這一非凡的成就，通常是在試點產品工廠建立的，而非當初始概念在實驗室第一次提出時建立的。

任何可製造的裝置都具有以下4個特點：

• superior and prespecified performance, with reproducibility, uniformity, and reliability # 能實現預先指定的效能， 具有重現性，一致性和可靠性

• high yield to acceptable tolerance： 穩定性好

• simulations exist for both reverse engineering during development and right-first-time design # 在開發的逆向工程和首次設計中存在模擬

• proven adequate in-service lifetime 使用壽命在使用場景中可接受

對於納米尺度的電子，光電和感測器，上述四個特點都富有挑戰性。更一般性的考慮納米管和納米級的線甚至量子點（quantum dots）,

任何納米尺度的二維圖形都會經歷極限尺度，這一尺度有小數字集合的統計差異給出 $\sigma_N ~ 1 / \sqrt N$, $6-\sigma$下的製造幾乎是不可能的。

當刻蝕或沉積是從結構上新增或移除單個的原子時，這一限制在7-nm是出現，對於納米 half-pitch陣列，在 $\sigma =12$時,對於陣列的電子傳輸和光學特性，出現明顯無法忍受的差異。即使以極高的成本，通過特殊手段製造出這些陣列，注意，這種陣列不能用來寫，讀和儲存資訊，因為電子和光子將在極短的時間內大量洩漏。

考慮量子級別的線，適當的控制線與線之間的橫截面積是困難的，這是由於基板上線之間的間距並不符合一定的規律。在這一問題解決之前，任何基於現有的大容量特性之外的想法是不可能的，這些導線的計算模型很原始，不能用於第一次正確的設計，因為沒有足夠明確的邊界條件，而且沒有考慮線之間的相互作用，最大的挑戰是設計一種陣列，甚至是一條線，在整個陣列上自己的屬性只有準確的15%的差異。
在實際操作中很小的壓力就可能使院子移動或導電性改變，因此1000小時的器件執行上只有5%的變化是很難實現的，尤其是涉及到區域性的大功率時。

CONCLUSION:小尺寸器件會有製造上的大問題

在考慮自底向上或自組裝過程時（bottom-up or self-assembly process），會出現相同的問題，但是由於不同的原因。

6-sigma ：六西格瑪是透過確定、消除引起殘疵的流程來提高產品品質，降低生產中和商業流程中的變化程度https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%85%AD%E6%A8%99%E6%BA%96%E5%B7%AE

在99.999%的純度水平上，很少有分子能夠用於自組裝，這是有6-sigma指定的。

球分子不適合用於連線陣列–原因：？可能使單個分子需要能力來協助用於電子定址的後續陣列布線。？？？？

在這些分子的3 - 7納米直徑範圍內，使這些非球形陣列在平面方向上具有足夠小的標準偏差的能力對未來的研究也是一個挑戰。

陣列不是球形，二維平面具有特殊的方向性，而分子是球形的，無嚴格的方向性？？？

可製造性與納米尺度上的物理性質與材料的性質有密不可分的關係。

在納米技術的論文裡，只有不到1%的論文中包含單詞‘yield’，‘reproducibility’,‘lifetime’。

為什麼堅持研究本質上不可製造的東西呢？，然而這種觀點只適用於單個納米結構作為陣列的離散元素的應用。如果使用的這種結構群的平均值，那麼納米電子是可行的，平均值的統計意義也更有意義。即使面臨著這種挑戰，有大量基於納米材料的有很大前景的應用，雛形，演示不斷出現，在電子，光學和光電子領域。可轉移的和符合的納米材料提供了一系列好的電子，物理和生物化學效能。然而產生這些屬性隨需要的尺寸往往會對工具產生限制。

要充分探索這種方法的潛力，一個關鍵就是理解指導單個納米結構功能和設計的原則每一集基於納米結構的異質互聯結構。

一系列高深寬比的1-d和分層的2-d納米材料，包括金屬和半導體（mental and semiconducting），金屬納米線(metallic nanowires)，碳納米管(CNTs)，石墨烯(graphene)，h-BN,transition-metal chalcogenides 哇 去and oxides，具有廣泛的效能，已成為柔性電子領域極富前景的材料。各種納米結構會基於自組織生長，不需要昂貴的光刻技術來刻蝕納米尺寸，因而在納米尺寸上會有新的特性。
單個的納米器件幾乎是不可製造的，要理解薄膜納米器件的平均特性，需要對單個納米器件做更深層次的理解。
新的異質結構可以在原子水平上生長，而且生長的，高質量的材料可以作為進一步自整合的單元。具有良好的轉移性，低維的結構可以通過溼法化學處理轉移到任何基底上，因此有可能在多種尺度上定製複合材料，以及結合廣泛的材料，比如無機和金屬納米粒子，有機分子/納米結構，和聚合物(inorganic and metal
nanoparticles, organicmolecules/nanostructures, and polymers).
這將是未來柔性電子的關鍵材料，不僅與單個的納米器件屬性相關，海域之間的介面和如何接觸有關。納米結構 的特性與細緻的結構和介面/環境。

如何通過處理實現可重複的材料屬性？雖然新型納米材料中的大多數已經可以合成，但是自組織的機制仍然不清楚，大多數以來經驗，製造這些材料的配方都是偶爾被發現的；數千年以後的今天，我們才能用足夠的解析度對這些材料進行表徵。現在也不能。。。，因而只能推測究竟是什麼原子機制控制他們的生長和行為。去的奧納米材料的全部潛力，我們需要新的技術手段來揭示在真實和實驗條件下原子細節。

這種原位計量學，特別是多相催化計量學的發展取得了長足的進展這種原位探頭變化範圍從環境探查、掃描電子顯微鏡檢查法、高壓
x射線光電子能譜學、原位x射線散射和衍射技術和原位掃描探針和光譜學技術。這種原位計量技術的出現在納米結構催化和操作方面取得了許多突破，

原位測試：觀察整個薄膜沉積過程中的薄膜形成過程的現場實時工具。雷泰的原位測量支援開發新的薄膜製程、材料和結構。在已建立的製程中，必須適用於高產量，且滿足最大正常執行時間。雷泰的原位監測解決方案是當今市場上最為先進的解決方案。我公司系統涵蓋整個薄膜應用領域，可以讀取所有重要的薄膜生長引數。

多相催化計量學：是多相催化學科中一個重要組成部分，是研究在相接觸面上發生的催化反應速率和反應機理的物理化學分支學科。

柔性基板的材料和技術是柔性電子器件的重要組成部分。兩種柔性基板的合適材料是塑料(plastic)和不鏽鋼(stainless steel),儘管不鏽鋼的溫度與沉積溫度不衝突，但是高質量密度導致不適合作為行動式裝置。此外，不易變形，不適合許多應用，尤其是可穿戴裝置。塑料更輕和易變形，基底（substrate）必須要有耐溶劑性，以便使用標準的光刻方法。低成本和防潮

下表謝了一些常見塑料基底的關鍵特性：

使用塑料作為基底的一大挑戰是需要降低溫度。

表1所示的最大製造溫度與發生非彈性變形的玻璃轉變溫度有關，而基板不再保持其原始尺寸，這對於光刻至關重要。

一些演示表示可以使用紙片paper作為基底或柵極絕緣層，這種方法導致了有可能以低成本進行大規模整合電子裝置的設計，這些裝置也是一次性的，完全可回收利用。

3.holistic system design 整體系統設計

雖然研究基地提供了未來柔性電子的基礎，但只有從實驗室進行技術創新，才能將這些技術轉化為商業產品，明確地尋找潛在的應用，並最終體現在產品中。

只有從研究的早期階段就考慮到這種技術的潛在終端使用者和消費者的需求，才能滿足這些期望。
挑戰是如何成功的整合各種技術！！！

整個20世紀，工業設計師都支援公司確保新技術，尤其是像柔性電子這種顛覆性的新技術，能夠以商業的形式出現。

Dieter Rams設計了以個設計師硬遵循的原則：如下表

設計師在將技術轉化為產品是發揮著重要的作用。 基於柔性電子的產品也要使用同樣的方法， 有很多事實證明工業設計在工業新技術發明中的重要作用。我們會體驗到一些優雅的設計

講了設計與研究的關係：
然而，設計師與創造未來技術的科學家合作的情況並不常見

設計的使用可以幫助科學家在他們的工作還處於研究階段或技術轉移過程的開始階段時開發商業應用

在塑料發光二極體方面，將柔性電子技術的商業化的挑戰是顯而易見的。劍橋大學1989年申請了P-LED的專利，但是20年後，柔性電子顯示技術才獲得中低比例的使用。研究帶來新的技術以及概念。

設計師們很快就發現了這種可變形的顯示器在未來產品概念的構思上的潛力。

下圖為Philips "fluid"smartphone

雖然這種產品幾乎沒有成功上市過。

設計師在支援甚至推動新技術的商業化中有很大的貢獻，一些商業設計也能推動基礎研究（underlying research）。

在早期科學研究中，設計師可以對研究方向提出質疑，幫助科學家探索，演示和交流未來潛在的應用。當然不設計者可以以更多其他的方式支援科學研究。：

1. 協助模型和原型的製造和發展： By assisting in the fabrication and development of models and prototypes

2. 從使用者或市場的角度進行研究： Bringing the perspective of users and the marketplace to research

3. 像投資人員宣傳新技術的潛力 ：Communicating the potential of new technology to investors and other nonscientific stakeholders

4. 探索和演示新技術的應用： Exploring and demonstrating applications for new technology

5. 確定商業化的路徑 ： Identifying routes to commercialization

6. 提供一些實際應用中的可能遇到的問題： Providing early insight into practical issues

7. 更正或影響研究方向： Influencing the research direction

通過與工程師的對話，設計師在支援科學家將實驗室的突破性想法轉化為商業產品方面發揮著強大的作用。

這種資源通常得不到重視，設計潛力也得不到認可。除非科學家已經在商業化方面取得了一些進展，否則很少有科學家會涉及到這樣的設計專業知識。接下來提供一下應用的例子，靈活的系統可能胡提供更出色的功能，甚至會作為一種改變市場的新技術出現。

conclusion： 設計師在連線研究和實驗方面有著很重要的作用。。。

IV HEALTHCARE 醫療 健康

電子材料的靈活性對於醫學和生物工程(medical and bioengineering)是很有吸引力的.生命體本身是靈活可塑的，因此在生活系統上成功整合電子系統所不可會缺的條件是電子器件的柔韌性。但是為了執行日常任務，最好具有一定的硬度。
examples:

1. bionic eye 仿生眼球
   一個電活動的可定址矩陣陣列，每個單元記錄影象並通過視神經將其傳送給病人。

2. bionic ear 電子耳

是利用柔性薄膜電子材料的完美平臺。

在聽覺系統，尤其是耳蝸內部，耳膜的震動是聽見聲音和微調的關鍵。
**具有獨特的剛度和幾何形狀，薄膜和壓力感測陣列相結合作為仿生聽覺系統。**在特定的頻率個聲波壓力下，圖7中的（Bottom membrane）下層基底膜會在特定的位置以特定的幅度振動。微陣列壓力感測器在每一特定位置都會被啟用，併發出與位置對應的音調和響度的聲音訊號來模模擬實的聲音。微小的壓電結構(~2-5 um 高)也能整合進來，形成內建的反饋層。通常情況下，人耳能濾除一些噪聲，並能從聲音中分辨出自己感興趣的聲音。這種反饋機制能使薄膜振動。強化感興趣的訊號，濾除噪音。

與耳蝸植入相比，這種仿生人耳能聽到更廣寬的頻率和聲音響度。

人造舌頭或鼻子的協助機器。嗅覺和味覺的感覺受體中有一系列的化學受體。這些受體中的許多都能感知特定的化學特性，包括酸度、鹽濃度和酶親合力。神經元放電的頻率與“聞到”或“嚐到”的感覺幅度成比例。酸，鹹，以及甜的亞型被認為是pH。一些鹼性金屬或鈣離子能夠使用先進的電阻分析儀提取出來，分子化合物，如糖也可以通過酶和感測器轉換成可測量的電訊號。

皮下植入這種薄膜材料，其中配有pH， 溫度感測器，壓力或特定的酶感測器，可以對患者實時監測以及改善生活質量將是醫學史上重大的突破。如可以實現此裝置，可以實時監測患者的學血液情況，不許抽血就可獲得資料。用於現場傷員救治，也可以立刻提供關於恢復和存活率的資訊，同時也可以將該裝置放入傳統的繃帶中，以及整合到床單和病人宿舍裡，來監測和識別體溫異常，以及分析汗液元素。
與晶片上的實驗室(LOC)一樣，這些薄膜也將成為下一代醫療保健方法的關鍵組成部分身體的熱量分佈，汗液成分，身體某些部位的頻率和體位壓力在生病階段和恢復階段會提供很多資訊。

也可以安裝在體外，作為診斷和檢測工具。

比如類似的熱，溼度，鹽或壓力感測器可以放在傳單上來實時監測病人。

柔性薄膜也可以在破譯大腦中發生的思維過程中扮演關鍵角色
瞭解底層的神經網路及其對個體生理和行為的影響一直是許多神經科學家研究的重點，具有重大的文化和社會意義。儘管有很多現成的影象生成技術，比如近紅外光譜(near infrared
(NIR) spectroscopy,)，磁共振成像(magnetic resonance imaging)，腦電圖(electroencephalogram).在認知測試試驗中使用都受限，
利用由近紅外二極體、探測器、電感器、熱感測器和電極組成的多功能薄膜畫素陣列，可以形成高解析度的多用途影象，更重要的是，同時獲得的資料將使人們對神經訊號傳播、處理和儲存機制有更多的瞭解

一些robust(魯棒性好), optically transparent(透光的)，flexible，electrically active的材料已經出現：

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

這些例子暗示了在一個聚合平臺上實現健康監測、資料處理、資料通訊、能源生成和儲存的可變形薄膜的可能性，當然如何控制感測系統與潮溼的感測環境的互動仍然需要解決。

LOC
LOC是下一代醫療保健最重要的微系統之一，在微分析、藥物開發、疾病診斷等方面有極大地應用前景。

微流控：微流體技術是指在微觀尺寸下控制、操作和檢測複雜流體的技術，是在微電子、微機械、生物工程和納米技術基礎上發展起來的一門全新交叉學科

LOCs包括微流體和感測器，有時也包含驅動器和分析原件。

在單一柔性平臺上整合微流體和感測器，可大大提高生化反應效率和檢測靈敏度，增加反應/檢測速度，減少可能的交叉汙染、製造時間和成本。微流體和感測器的製作技術不同，使得兩者的整合很複雜，從而極大地提高了系統成本，尤其是整合在聚合物基底上時。

SAW 表面聲波
採用表面聲波(SAWs)作為驅動機制的微泵和混合器從整合的角度來看是很有吸引力的替代方案。他們為微流體的應用提供了極大的潛力，因為他們使用的是低成本的 $ZnO$壓電薄膜，它可以在商業可用的矽片和可形變基底上沉積。
以SAW為基礎的微型泵和混合器結構簡單，製作簡單，價格低廉，並可作為無運動部件的主動泵和混合裝置。它們已被證明是可靠和有效的

使用射頻濺射技術在碎片上沉積ZnO薄膜，在此基礎上製作出SAW器件。
目前還無法在柔性聚合物基板上直接整合，儘管你隨著時間這一技術遲早會出現。

將一個固有諧振頻率的ac交流電傳入梳狀變換器（interdigited
transducer IDT）上，會通過壓電效應，激發產生聲波，在表面傳播。如圖9，在一些疏水錶面上，聲波與液體的耦合會引起聲波的傳輸和液滴的運動。當SAW器件的表面能降低時，使用自組織的單層膜，聲波可以用來推動液滴前進？高階模態波，例如Sezawa波，對微滴的流動和輸送更有效，在ZnO上的SAW也被用來遠端傳輸混合液滴，避免化學性質極其活潑的ZnO與一些生化液滴直接接觸。

以ZnO為基礎的SAW裝置已被用於生物感測。一旦有額外的物體新增到表面上，諧振頻率就會降低，而聲波期間的靈敏度與工作頻率成正比。用高頻Sezawa波探測前列腺抗原與抗體之間的反應。隨著前列腺抗體濃度增加，頻率增加，表示有較大的可能性存在前列腺疾病。如圖11.SAW器件很大，限制了諧振頻率和靈敏度

薄膜體聲諧振器(thin-film bulk
acoustic resonator， FBAR)感測器提高了靈敏度。工作方式類似於QCMs（quartz crystal microbalances）。fbar由一層壓電薄膜(如ZnO和AlN)夾在兩個金屬電極之間構成，其中施加了微波訊號。

微波產生的聲波與QCMs有 類似的使用方式。FBARs可以使用千兆赫茲的範圍內，但是QCMs只有幾兆赫茲的範圍內。FBARs更靈敏。FBARs還有一個額外的優勢，因為它們的尺寸小得多，可以用於陣列感測，製造成本相對低廉，並且與傳統的CMOS相容。

典型的FBAR結構：

FBARs驗證牛血清蛋白的質量負載效應如圖13所示，

在給定的bsa濃度縣，在1.5GHz的諧振頻率出，與QCMs相比，響應增加了三個數量級的。

這些結果清楚地證明了在微流體和感測中使用單一驅動機制的可行性。它們還表明聲波在LOC應用中的適用性。這大大簡化了這些微系統的製造和操作，提高了它們的靈敏度和效能

在可變形的塑性材料上製造這種結構是接下來的挑戰。這方面的初步工作在開展

V 汽車行業 AUTOMOTIVE INDUSTRY

自從火發現以來，燃燒反應極大地推動了人類社會的發展。主要有兩方面：

1. 固定的質量和體積能量密度，比如1公斤原油含有近50兆焦耳的化學能 intrinsic mass and volume energy densities
2. 儲存和便攜性 storge and portability ,油在表面條件下是液態的，易於儲存、運輸和轉換.

鋰電池能提供0.5MJ/kg，一些新的電池成分，降低 $co_2$的釋放量，更輕量化的設計也為可替代的電池方案尋找新的出路。

電車在18世紀中期就提出，但是目前尚未廣泛應用，這是由於，相比於電池而言，燃料有很高的能量密度(J/Kg),這就需要電車需要更大的電池來儲存能量。也導致了電車的效能要低於傳統的燃油汽車。但是日益短缺的燃油資源也推動了電車領域的發展。

使用納米結構的薄膜電池的進展提高了能量密度,並且混合的超級大電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)。輕量化的基底，比如聚對苯二甲乙二醇酯(polyethylene terephthalate, PET)和紙(paper),也降低了電池的質量，此外，最近電池結構的發展使得它們在電動汽車的碳纖維框架內無縫整合，導致整體重量和空間的顯著節省。柔性薄膜技術在這種情況下尤其有利，因為它允許電池以相對較低的成本製作成合適的形狀

該圖展示了PET基底上柔性薄膜電池的示意圖

柔性薄膜技術也可以用於交通標誌[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.

智慧道路的設計目標是提高道路安全，降低道路擁堵和能源消耗

路標和汽車能夠相互互動，動態調整任何一方來優化道路系統。薄膜材料的有點事耐用性以及集合成本低。

VI 顯示和人機互動 DISPLAYS AND HUMAN–MACHINE INTERACTIVITY

提高使用者對電子裝置的使用體驗需要在靈活、可變形的體系結構(包括顯示器、處理器、儲存器和其他重要的電子元件)等方面進行持續的技術開發。
這種發展使得可穿戴的，互動的，便攜的裝置(wearable, interactive, portable devices)成為可能。或許最關鍵的部分是顯示，幾個原型已經做出來了[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噴墨列印技術製造以金屬納米顆粒為基礎的功能性聚合物器件
[116-120],
當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.

[118] S. Utsunomiya, T. Kamakura, M. Kasuga, M. Kimura, W. Miyazawa, S. Inoue, and T. Shimoda, B21.3: Flexible color AM-OLED display fabricated using Surface Free Technology by Laser Ablation/Annealing (SUFTLA) and ink-jet printing technology,[ in SID Symp. Dig. Tech. Papers, 2003, vol. 34, no. 1, pp. 864–867.

[119] R. Street, W. Wong, S. Ready, M. Chabinyc, A. Arias, S. Limb, A. Salleo, and R. Lujan, BJet printing flexible displays,[ Mater. Today, vol. 9, no. 4, pp. 32–37, Apr. 2006.

[120] B.-J. de Gans, P. C. Duineveld, and U. S. Schubert, BInkjet printing of polymers: State of the art and future developments,[ Adv. Mater., vol. 16, no. 3, pp. 203–213, Feb. 2004.

[121] Y.-Y. Noh, X. Cheng, H. Sirringhaus, J. I. Sohn, M. E. Welland, and D. J. Kang, BInk-jet printed ZnO nanowire field effect transistors,[ Appl. Phys. Lett., vol. 91, no. 4, 2007043109.

[122] P. Beecher, P. Servati, A. Rozhin, A. Colli, V. Scardaci, S. Pisana, T. Hasan, A. J. Flewitt, J. Robertson, G. W. Hsieh, F. M. Li, A. Nathan, A. C. Ferrari, and W. I. Milne, BInk-jet printing of carbon nanotube thin film transistors,[ J. Appl. Phys., vol. 102, no. 4, 2007, 043710

[45] T. Takenobu, N. Miura, S.-Y. Lu, H. Okimoto, T. Asano, M. Shiraishi, and Y. Iwasa, BInk-jet printing of carbon nanotube thin-film transistors on flexible plastic substrates,[ Appl. Phys. Exp., vol. 2, Feb. 2009, 025005.

[46] F. Torrisi, T. Hasan, W. Wu, Z. Sun, A. Lombardo, T. Kulmala, G. W. Hshieh, S. J. Jung, F. Bonaccorso, P. J. Paul, D. P. Chu, and A. C. Ferrari, BInk-jet printed graphene electronics,[ ACS Nano, vol. 6, no. 4, pp. 2992–3006, Apr. 2012.

觸控裝置，使用者體驗現在主要圍繞著顯示本身，在這種情況下，與顯示裝置的非視覺互動是下一代以顯示為中心的裝置的一個重要元素。觸控式螢幕的新技術不斷髮展和商業化，例如多點觸控(multitouch
gestures),
但是仍然不能提供100%的使用者體驗滿意度，只能提供實時的視覺反饋，但是仍然需要認識努力？需要你看螢幕。

現在有一些新的嘗試，比如通過一個小電流從電極到傳入神經纖維在使用者的手指產生感知刺激。：然而，這樣的架構與當前的以顯示為中心的裝置是不相容的，後者本質上要求反饋必須來自於顯示錶面本身，並且沒有視覺上的阻礙。

一種方法是使用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”,
一個連線到交流電的金屬，外面覆蓋一層絕緣材料，當觸碰是會產生特殊的感覺，而當斷電時，何種特殊的感覺消失。
後來使用觸控表面和手指之間的靜電作用來解釋這一線性。
當使用者的手指在表面滑動時，所施加的隨時間變化的電勢在螢幕下方的導電層和手指之間引起間歇性的吸引和排斥靜電力。這種靜電吸引改變了使用者面板和表面之間的正常接觸力，可以調節動摩擦和觸控感覺。隨後研究表明，螢幕下方的電導體產生的電訊號與觸控感知存在相關性，可以使用這種原理來製造可程式設計的觸控介面。
傳統的透明導體(TC)以脆性金氧半導體為主，這嚴重限制了這種器件的靈活性。
石墨烯是理想的柔性傳統的透明導體TC，塗覆柔性聚合物介電層，比如對二甲苯[137]，可用於製造完全透明、特定位置的反饋表面。

這種器件需要完全透明，可以直接放在柔性顯示介面上，實現特定位置實時的可程式設計。

最近展示了一種基於石墨烯的可程式設計觸控表面[138]

原理圖：

最下面是整合在一個柔性顯示器flexible display上的石墨烯透明導體TC，上面是一個柔性且光學透明的聚合物介質層，塗有納米結構的觸控表面nanostructured touch surface。
這一原型柔性電觸覺裝置接受儲存在手機音訊檔案中的輸入訊號模式，可以使用廣泛的應用電訊號，並能夠產生不同的觸控感知

當整合到觸控式螢幕上時，這將為普通使用者提供全新的互動體驗，併成為視障人士最重要的溝通媒介之一

使用觸覺來操縱螢幕，不同的觸控方式會產生不用的電訊號，同時還可以將觸控方式以特定的觸覺反饋給使用者

VII 電源和移動器件

移動電子裝置的能源需求，對此電池，或電化學電容器是唯一的解決方案。近年來，電池技術取得了許多進展，研究主要集中在兩個領域
一是通過新的化學過程，新的材料或現有系統的優化來增加能量和能量密度；降低非活性組分與活性組分的比例，來提高能量密度；提高轉換效率和充電能力;以及提高安全性和環境特性。

• Nanomaterials play a big role in this development。納米材料
• 使用糾纏納米材料，它能承受機械彎曲而不堵塞表面，比如SiNWs 矽納米線，使用較大的表面積。可以允許接機械誤差，比如體積膨脹或開裂。
• 防止聚合物結晶，提高聚合物或離子-液基電解質的離子導電性，提供更大的機械剛度和更高的耐壓能力

另一方面 改變電池的設計形式，從固體散體元件轉向薄的、柔性的[145]，甚至是可拉伸的[146]和透明的[143]裝置。

納米技術的而出現推動了能量轉換和儲存的發展，石墨烯已經被用於各種能源應用，例如電池[147]、[148]和超級電容器
[149] -[152]，光催化分解水[153]，pvs [154]。石墨烯的surface-area-to-volume比例很大，是得他在此類應用中具有較大的優勢，具有機械柔性，極好的電學和光學特性。

雖然石墨烯在能源應用領域的應用才剛剛開始，但最新的研究結果是有希望的。例如，石墨烯超級電容的效能優於活性炭超級電容，其能量密度與商用電池相當。

此外，石墨烯還可用於新一代的能量獲取納米器件，如納米光電機械系統(NOEMS)。它們可以利用納米級產生的能量，將環境源(如環境噪聲或電磁輻射)的能量轉化為機械振動。
。Nokia Morph
Concept (Fig. 16).

一種新的概念：紡織一體化。嵌入紡織品的電子產品正在成為現實，而嵌入紡織品的感測器可能會變得無處不在，因此能量源是必不可少的。在紡織品上的能量供應器件，不僅需要薄的尺寸和柔韌性，還需要可拉伸(能承受10%~20%的應變 )，纖維結構非常適合於高表面積電極，在封裝的裝置中，工作應變高達100%(圖17)，而效能沒有任何下降。

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