[发明专利]一种基于片上网络结构的柔性电子系统

说明书

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。

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。