CN110994215A - 一种基于片上网络结构的柔性电子系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于片上网络结构的柔性电子系统，该系统包括以下部分：部分一：基于岛桥结构的柔性材料基体；部分二：基于蛇形互连导线的三层夹心柔性导线结构；部分三：基于Mesh拓扑结构的柔性片上网络通信架构。本发明实现的柔性电子系统能够实现互连导线的延展率较大，通信模块所受应力较小，并能解决柔性电子系统互连线资源匮乏的问题，对柔性电子的互联通信有重要意义。

Description

一种基于片上网络结构的柔性电子系统
技术领域
本发明涉及一种基于片上网络结构的柔性电子系统。
背景技术
随着可穿戴设备、生物医疗技术、物联网等领域的蓬勃发展，电子产品需要满足人体适用性提出的新要求。传统的电子系统由硬性器件组成，重量较大，无法实现可弯曲、可延展等特点。有机柔性电子器件虽然取得了突出的成果，但随着可延展应用的发展，有机柔性电子器件材料的电学性能受到限制，使得其在功能及应用领域受到很大制约。普通的无机半导体材料运用较广，但其硬脆的特点，难以满足拉伸、弯曲、扭转等人体适用性要求。如何克服无机半导体材料刚性的特点，使得电子器件具有可延展性和柔韧性，这是实现无机器件的柔性化解决的首要问题。
由岛桥互联结构组成的柔性电子系统，虽然解决了无机器件的可延展问题，但由于其器件较少，仅适用于简单的柔性电子系统。随着生物医疗技术的发展，复杂柔性系统上器件的高度集成，需要更多的电子模块，不同模块之间的通信问题成为柔性电子技术的新难点。尽管岛桥结构为超大延展性的电子设备提供了可能，但其单层不交叉的布线要求却带来了柔性基板上互连线资源匮乏的问题，不相邻的岛屿之间无法通信，使得复杂的柔性电子系统难以实现。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术柔性基板上互连线资源匮乏，不相邻的岛屿之间无法通信，导致复杂的柔性电子系统难以实现的问题。
为了实现上述目的，本发明提出一种基于片上网络结构的柔性电子系统，其包括三个部分：部分一：基于岛桥结构的柔性材料基体；部分二：基于蛇形互连导线的三层夹心柔性导线结构；部分三：基于Mesh拓扑结构的柔性片上网络通信架构。
传统的柔性岛桥互联结构包括：柔性材料基底，由超弹性材料组成，用于为柔性分立岛屿和互连导线提供可延展基底；柔性材料的岛屿，由分立的柔性材料的岛屿组成，用于刚性无机半导体材料电子器件的转印；柔性互连导线，用于实现相邻两个岛屿上无机半导体材料电子器件间的互联通信。传统的岛桥互联结构模型通过岛桥结构基体和柔性互连导线实现刚性电子器件的可延展。
经典的片上网络拓扑结构模块包括：交换节点模块，由输入/输出模块、分配器模块、交叉开关模块和数据接口模块等组成，用于转发接收到的数据包；资源节点模块，由不同IP核或存储器组成，用于处理数据和信息；互连网络，由互连直导线组成，用于定义整个片上网络系统的通讯架构，以及长距离的数据包传输。
本发明基于以上系统模型结构进行了多方面的综合优化：
针对基于传统的柔性岛桥结构基体：传统的岛桥结构基体由一层弹性材料基底和一层弹性材料岛屿阵列组成，电子器件通过转印技术转印到预拉伸变形的弹性岛屿上，形成柔性电子模块。基底用于实现岛屿间的连接，岛屿之间的间隔为沟槽，用于应变隔离。岛桥结构原理在于：基底伸缩时，尽可能减少岛屿上的应变，使得应变集中在沟槽内，进而减少刚性电子器件的形变。本发明部分可延展柔性岛桥基体采用的岛屿高度与基底厚度之比能最大程度的减小岛屿上平台所受应力，采用基于片上网络结构的岛屿阵列分布方式能有效解决不相邻岛屿之间的互联通信问题。
针对基于经典柔性蛇形互连导线结构：传统的柔性蛇形导线的一个单元由两个半圆和三条直线组成，导线的延展率受到三个无量纲参数的影响，分别是：高跨比、单元数量和截面的宽厚比。本发明部分采用的三层夹心结构在导线上下两侧分别覆盖一层超弹性材料，能有效增加导线的可靠性。蛇形导线尺寸设计结合不同柔性岛桥基体的沟槽宽度，增加了柔性蛇形导线的延展率，用于连接相邻岛屿上的刚性电子器件。
针对基于Mesh拓扑结构的柔性片上网络通信架构：传统的片上网络拓扑结构中交换节点与资源节点、交换节点与交换节点之间由直导线连接，很难具有延展性。本发明部分的片上网络交换节点排列采用Mesh拓扑结构，能实现多核的复杂柔性电子系统，互连导线替换为柔性蛇形导线，能实现片上网络通信架构的可延展。
最终得到本发明解决方案如下：
该基于片上网络结构的柔性电子系统包括：柔性材料岛桥结构基体、刚性片上网络通信架构模块和三层夹心结构柔性蛇形导线组件；其中：
柔性材料岛桥结构基体包括柔性材料的平面基底和分立的多个柔性材料的岛屿，所述多个柔性材料的岛屿固定于平面基底上并呈矩形阵列排布；
刚性片上网络通信架构模块基于Mesh拓扑结构，包括多个资源节点模块和多个交换节点模块，分别对应转印于各个柔性材料的岛屿表面；
三层夹心结构柔性蛇形导线组件的中间层为金属蛇形导线，具有周期性的弧形弯折结构；该金属蛇形导线的上、下表面分别复合一层柔性材料，记为柔性蛇形上层和柔性蛇形下层，宽度与金属蛇形导线一致；
所述多个柔性材料的岛屿中：对应于交换节点模块的柔性材料的岛屿尺寸一致，并呈矩形阵列排布；对应于资源节点模块的柔性材料的岛屿尺寸一致，并呈矩形阵列排布；每个交换节点模块均与相邻的资源节点模块对角布置；
所述三层夹心结构柔性蛇形导线组件呈矩形阵列分布于所述多个柔性材料的岛屿之间的沟槽内，柔性蛇形下层与沟槽内的平面基底固定；其中，用于连接相邻交换节点模块的三层夹心结构柔性蛇形导线组件的端部为直线型，留出用于资源节点模块-交换节点模块连接的三层夹心结构柔性蛇形导线组件的安装位置。
在以上方案的基础上，本发明还进一步作了如下优化：
可选地，所述平面基底和柔性材料的岛屿均为正方形。
可选地，对应于交换节点模块的柔性材料的岛屿的面积小于对应于资源节点模块的柔性材料的岛屿的面积。
可选地，所述平面基底和柔性材料的岛屿均采用超弹性材料PDMS。
可选地，对于不同规模的片上网络，所述平面基底尺寸和厚度固定，用于转印交换节点模块的柔性材料的岛屿面积固定，用于转印资源节点模块的柔性材料的岛屿面积随片上网络规模大小而改变。
可选地，所述柔性蛇形上层和柔性蛇形下层均采用超弹性材料PI。
可选地，所述金属蛇形导线主体的每一个单元由依次相接的正向半圆-直线段-反向半圆-直线段构成，其中的直线段相互平行。
可选地，记所述每一个单元的直线段长度为蛇形导线的高度，相邻直线段间距离为蛇形导线的跨度，则金属蛇形导线的高跨比为4，截面的宽厚比为0.06。
可选地，所述资源节点模块由片上网络的IP核或存储器构成，所述交换节点模块由片上网络的路由器模块构成。
本发明具有以下有益效果：
采用本发明的柔性电子系统模型，当施加的应力作用在柔性基底时，通过基底和柔性蛇形导线的形变，实现整个片上网络结构的柔性电子系统的拉伸或压缩。
本发明通过改变柔性岛桥结构基体上岛屿的排列，可以增加柔性电子系统的复杂程度，增大系统的延展率，实现的柔性岛屿平台上所受应变较小，形变程度低。
本发明通过改变柔性蛇形导线的三个性能参数，包括导线的高跨比、单元数量和截面的宽厚比，可以连接片上网络资源节点和交换节点模块，实现的柔性导线延展率高。
本发明通过改变片上网络拓扑结构Mesh结构中资源节点和交换节点、交换节点和交换节点之间的互连线可以实现片上网络的可延展，实现的片上网络系统延展率高。
附图说明
图1为本发明的基于片上网络结构的柔性电子系统的结构示意图(平面布局)。
图2为本发明的一个实施例的示意图(平面布局)。
图3为柔性材料正方形基底正视图。
图4为柔性材料正方形岛屿基体正视图。
图5为柔性材料正方形岛屿基体俯视图。
图6为蛇形互连导线示意图。
图7为三层夹心结构蛇形柔性互连导线的示意图。
图8为三层夹心结构蛇形柔性互连导线的俯视图。
图9为片上网络交换节点柔性互联系统的示意图。
图10为片上网络交换节点和资源节点柔性互联系统的示意图。
附图标号说明：
1-柔性材料岛桥结构基体，101-平面基底，102-岛屿；
2-刚性片上网络通信架构模块，201-资源节点模块，202-交换节点模块；
3-三层夹心结构柔性蛇形导线组件，301-金属蛇形导线，302-柔性蛇形上层，303-柔性蛇形下层。
具体实施方式
以下结合附图和实施例，对本发明的基于片上网络结构的柔性互联电子系统作进一步详述。
如图1所示，本实施例的基于片上网络结构的柔性电子系统包括三部分，柔性材料岛桥基体结构、柔性蛇形互连导线、刚性无机半导体材料电子器件三个部分组成整个柔性电子系统，由于片上网络采用Mesh拓扑结构，对不同规模2×2、3×3、4×4、5×5划分下的柔性网络分别进行了设计，对柔性材料基底施加应力时，会得到连接相邻两个电子器件的柔性蛇形导线所受应力，从而降低刚性电子器件组成系统的应力。本实施例的柔性电子系统结构包括多个IP核和存储器结构，相比于简单传感器的柔性电子系统，本实施例的柔性电子系统具有更高的延展率和更多的资源节点。
进一步地，本实施例的柔性材料岛桥基体结构包括正方形基底和正方形岛屿基体。具体地，参见图3、图4和图5。
上述正方形基底采用超弹性材料PDMS构成，为柔性系统提供可延展基底，连接柔性岛屿。由于PDMS材料的最大延展率达到200％，故用做柔性电子系统基底能适用于一般系统的形变要求，正方形尺寸采用16mm×16mm，厚度为0.5mm。
上述正方形岛屿采用超弹性材料PDMS分立排列构成，为电子器件提供转印平台。由于不同尺寸的片上网络结构中交换节点和资源节点面积和个数不同，相应用于转印的柔性正方形岛屿面积和个数也不同。在2×2Mesh结构中，用于转印资源节点的柔性正方形岛屿共4个，尺寸为4mm×4mm；用于转印交换节点的柔性正方形岛屿共4个，尺寸为1mm×1mm。在3×3Mesh结构中，用于转印资源节点的柔性正方形岛屿共9个，尺寸为2.56mm×2.56mm；用于转印交换节点的柔性正方形岛屿共9个，尺寸为1mm×1mm。在4×4Mesh结构中，用于转印资源节点的柔性正方形岛屿共16个，尺寸为1.8mm×1.8mm；用于转印交换节点的柔性正方形岛屿共16个，尺寸为1mm×1mm。在5×5Mesh结构中，用于转印资源节点的柔性正方形岛屿共25个，尺寸为1.3mm×1.3mm；用于转印交换节点的柔性正方形岛屿共25个，尺寸为1mm×1mm。所有岛屿以Mesh拓扑结构排列的方式均匀平铺在柔性正方形基底上，岛屿的厚度都为0.625mm。
进一步地，本实施例的三层夹心结构柔性互连导线包括一层蛇形互连导线和两层蛇形柔性材料。具体地，参见图6、图7和图8。
上述蛇形互连导线采用金属铜构成，用于传递节点间的数据。蛇形互连导线的一个单元由两个半圆和三条直线构成，其中最长直线长度为蛇形导线的高度，相邻直线间距离为蛇形导线的跨度。由于不同尺寸的片上网络结构沟槽宽度不同，为了保证不同尺寸片上网络结构中导线的延展率相同，针对影响导线延展率的三个无量纲参数设计为一致：高跨比为4、单元数量为4和截面的宽厚比为0.06。柔性蛇形导线的尺寸为：在2×2Mesh结构中，内半径Ri为0.25mm、外半径RO为0.35mm、l1为0.5mm、l2为2mm、线厚为0.006mm、线宽w为0.1mm；在3×3Mesh结构中，内半径为0.167mm、外半径为0.234mm、l1为0.334mm、l2为1.336mm、线厚为0.004mm、线宽为0.067mm；在4×4Mesh结构中，内半径0.125mm、外半径0.25mm、l1为0.25mm、l2为1mm、线厚为0.003mm、线宽为0.05mm；在5×5Mesh结构中，内半径为0.1mm、外半径为0.14mm、l1为0.2mm、l2为0.8mm、线厚为0.0024mm、线宽为0.04mm。
上述蛇形柔性材料采用超弹性材料PI构成，为蛇形导线增加保护和更大延展率。由于两层蛇形PI材料分别覆盖在蛇形导线的上下两面，故而蛇形PI材料尺寸与蛇形导线完全一致。在2×2Mesh结构中，蛇形PI材料厚度为0.012mm；在3×3Mesh结构中，蛇形PI材料厚度为0.008mm；在4×4Mesh结构中，蛇形PI材料厚度为0.006mm；在5×5Mesh结构中，蛇形PI材料厚度为0.0048mm。
进一步地，本实施例的片上网络数据传输结构包括交换节点模块和资源节点模块。具体地，参见图9和图10。
上述片上网络的资源节点模块采用硅材料的正方形构成，为柔性系统提供IP核或存储器模块。由于柔性电子系统的延展率与岛屿覆盖率相关，对于不同尺寸的片上网络Mesh拓扑结构，改变正方形资源节点面积，保证总的覆盖率相同。在2×2Mesh结构中，正方形资源节点模块共4个，尺寸为4mm×4mm；在3×3Mesh结构中，正方形资源节点模块共9个，尺寸为2.56mm×2.56mm；在4×4Mesh结构中，正方形资源节点模块共16个，尺寸为1.8mm×1.8mm；在5×5Mesh结构中，正方形资源节点模块共25个，尺寸为1.3mm×1.3mm。所有资源节点模块转印在相应的正方形岛屿上，厚度均为0.1mm。
上述片上网络的交换节点模块采用硅材料的正方形构成，为柔性系统提供路由器来传输数据。由于所有Mesh拓扑结构的正方形路由器相同，尺寸均为1mm×1mm，所有交换节点模块转印在相应的正方形岛屿上，厚度为0.1mm，在2×2Mesh结构中，正方形交换节点模块共4个；在3×3Mesh结构中，正方形交换节点模块共9个；在4×4Mesh结构中，正方形交换节点模块共16个；在5×5Mesh结构中，正方形交换节点模块共25个。

Claims (9)

1.一种基于片上网络结构的柔性电子系统，其特征在于：包括柔性材料岛桥结构基体(1)、刚性片上网络通信架构模块(2)和三层夹心结构柔性蛇形导线组件(3)；其中：
柔性材料岛桥结构基体(1)包括柔性材料的平面基底(101)和分立的多个柔性材料的岛屿(102)，所述多个柔性材料的岛屿(102)固定于平面基底上并呈矩形阵列排布；
刚性片上网络通信架构模块(2)基于Mesh拓扑结构，包括多个资源节点模块(201)和多个交换节点模块(202)，分别对应转印于各个柔性材料的岛屿(102)表面；
三层夹心结构柔性蛇形导线组件(3)的中间层为金属蛇形导线(301)，具有周期性的弧形弯折结构；该金属蛇形导线(3)的上、下表面分别复合一层柔性材料，记为柔性蛇形上层(302)和柔性蛇形下层(303)，宽度与金属蛇形导线(301)一致；
所述多个柔性材料的岛屿(102)中：对应于交换节点模块的柔性材料的岛屿(2)尺寸一致，并呈矩形阵列排布；对应于资源节点模块的柔性材料的岛屿(2)尺寸一致，并呈矩形阵列排布；每个交换节点模块均与相邻的资源节点模块对角布置；
所述三层夹心结构柔性蛇形导线组件(3)呈矩形阵列分布于所述多个柔性材料的岛屿(2)之间的沟槽内，柔性蛇形下层(303)与沟槽内的平面基底(101)固定；其中，用于连接相邻交换节点模块(202)的三层夹心结构柔性蛇形导线组件(3)的端部为直线型，留出用于资源节点模块(201)-交换节点模块(202)连接的三层夹心结构柔性蛇形导线组件(3)的安装位置。
2.根据权利要求1所述的基于片上网络结构的柔性电子系统，其特征在于：所述平面基底(101)和柔性材料的岛屿(102)均为正方形。
3.根据权利要求1或2所述的基于片上网络结构的柔性电子系统，其特征在于：对应于交换节点模块的柔性材料的岛屿(102)的面积小于对应于资源节点模块的柔性材料的岛屿(102)的面积。
4.根据权利要求1所述的基于片上网络结构的柔性电子系统，其特征在于：所述平面基底(101)和柔性材料的岛屿(102)均采用超弹性材料PDMS。
5.根据权利要求3所述的基于片上网络结构的柔性电子系统，其特征在于：对于不同规模的片上网络，所述平面基底(101)尺寸和厚度固定，用于转印交换节点模块的柔性材料的岛屿(102)面积固定，用于转印资源节点模块的柔性材料的岛屿(102)面积随片上网络规模大小而改变。
6.根据权利要求1所述的基于片上网络结构的柔性电子系统，其特征在于：所述柔性蛇形上层(302)和柔性蛇形下层(303)均采用超弹性材料PI。
7.根据权利要求1所述的基于片上网络结构的柔性电子系统，其特征在于：所述金属蛇形导线(301)主体的每一个单元由依次相接的正向半圆-直线段-反向半圆-直线段构成，其中的直线段相互平行。
8.根据权利要求7所述的基于片上网络结构的柔性电子系统，其特征在于：记所述每一个单元的直线段长度为蛇形导线的高度，相邻直线段间距离为蛇形导线的跨度，则金属蛇形导线(301)的高跨比为4，截面的宽厚比为0.06。
9.根据权利要求1所述的基于片上网络结构的柔性电子系统，其特征在于：所述资源节点模块(201)由片上网络的IP核或存储器构成，所述交换节点模块(202)由片上网络的路由器模块构成。
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