【“威”视制造】你应知道的柔性混合电子学和柔性混合电子学制造创新机构

《空天防务观察》此前已先后推出13期我中心青年学者、知名制造技术研究专家刘亚威先生的独家专栏文章（详见本文最后的列表）。本期，刘亚威先生将为我们解读“柔性混合电子学”和美国“柔性混合电子学制造创新机构”。

柔性混合电子制造是一种处于电子行业与高精密印刷行业交叉位置的创新工艺，能够创造新型传感器——更轻，或者贴合人体曲线，或者能伸展至物体或结构表面，与传统电子架构相比，能够实现完全的使用完整性。集成极薄硅组件的柔性混合技术能够使许多领域产生变革，改变穿戴习惯和监测身体信息的方式，通过物联网提升设备间的互联。柔性混合电子学能够激发可穿戴设备的应用：提升医疗健康监测水平，改善个人健康；用于照顾老人或辅助受伤士兵的柔性机器人；嵌入到道路、桥梁和其它结构的网格或纤维中的轻质传感器。

美国国防部长阿什顿•卡特于2015年8月28日宣布成立国家制造创新网络中第七家制造创新机构——柔性混合电子学制造创新机构（FHEMII），该机构由美国国防部牵头组建，预计将获得超过1.71亿美元的初始公私联合资金投入。本文将向您初步展示柔性混合电子学和柔性混合电子学制造创新机构。

一、关于柔性混合电子学

（1）什么是柔性混合电子学

柔性混合电子学（FHE）是一个处于电子行业与高精密印刷行业交叉位置的创新制造业部门，能够创造下一代传感器平台——保形、可伸展、减重，激发民用领域的崭新应用，并且对国防部系统非常重要。这些FHE制造工艺在柔性、可伸展的衬底上使用导电和有源墨水和粘贴剂，将极薄硅集成电路与传感器和功率器件集成。柔性混合电子技术通过创新的FHE制造，将在柔性、保形和可伸展的架构内保持传统电子电路的全部功能。这些功能器件可以粘贴在弯曲、不规则和经常伸展的物体和人体上。

（2）为何投资柔性混合电子学

FHE处于电子行业和高性能印刷业的十字路口，这两个行业在美国拥有强大的工业界和学术界力量。两个行业的交叉为行业的继续成长带来巨大机遇，投资FHE将增强美国在这个新兴技术领域的竞争力。对于电子行业来说，利用新技术将裸片商业化并且降低电子封装的难度，将刺激大量产品部门的增长（如医疗、消费品、防务等）。对于国内印刷业，对电子器件利用高精密制造技术，将开启新的竞争性市场并且在数字时代变得兴旺。

FHE是一种潜在的颠覆性技术，能够解决海陆空多个国防部平台上的当前和未来挑战。FHE制造生态系统将带来崭新的军民用产品，如：用于日常和健身的可穿戴健康监测设备；改善健康管理方式的医疗健康监测手段；用于照顾老人或辅助受伤士兵的柔软机器人；用于结构、飞行器或汽车的监测传感器；用于极端环境的轻质耐久传感器。

可穿戴与柔性传感革命。我们可以将当前的可穿戴电子设备看作1.0版本。想象5年后的3.0版本是什么样子——我们拥有更小、更薄而更耐用的设备，并且具备更多特质和能力。对于老人和体质羸弱者，智能贴片和柔软机器人将使其行动更方便。从操场到专业级别的运动员都可以穿上智能制服和其它服装。智能传感器实时监测我们汽车和飞行器的性能，嵌入桥梁和智能建筑等新的基础设施中。传感器网络能监测极端环境，如深海钻井，用于卫星或天体无人行走车的高温和低温航天任务。

FHE的军民用需求

健康监测。FHE最重要的一个颠覆性应用就是健康监测，一个例子就是通过“智能贴片”。抽血是一个有害过程，但它仍是最广泛使用的技术——用来测量体内化学水平，检查传染病和器官功能。然而现在，成像能够通过分析糖中的生物标记，测量体内化学水平，就比如利用FHE贴片持续监测病人或战士。一种精确、低成本的贴片能够对压力、焦虑、疲劳、认知能力状况以及其它医学和健康状况提供重要的反馈。这种贴片还能够用于监测不能承受持续抽血和分析血样的病人。比如，只能抽一丁点血的早产儿、战士以及其它第一急救者、驾驶员和慢性病。

国防需求。柔性混合电子制造将实现国防部所需的重要器件的制造，通过新型柔性外形要素、减重或增强系统耐久性而改进军用平台，并且最终提升士兵作战能力。在士兵层面，存在提供额外能力但是又要大幅减轻战场负重的双重挑战，因此，需要超轻质电池、传感器和通信工具。轻质而耐用的智能传感器或传感带能够保护指挥所或重要场地，同时也能指示出一个建筑物是否安全或为敌所占。将嵌入式传感能力植入飞行器机身和机翼的需求，以及为水下与太空应用开发轻质结构、组件和系统的需求都十分强烈。国防部必须保护进入有毒环境的战士，比如储藏洞，而智能环境柔性混合电子传感器能够完成这项任务。最后，对人员认知能力、惊吓以及损伤的实时监测，以及是否暴露在危险环境中，都可以通过柔性混合电子学的发展而实现。

（3）为什么要成立这个机构

柔性混合电子学融合了印刷电子学、塑料电子学、有机电子学等，所有这些都在亚洲、欧洲和北美洲其它国家得到了国家层面的支持。欧盟“地平线2020”计划中实施了诸多有机电子学的项目，比如最近宣布的“用于大面积智能表面的有机晶体管的先进高分辨率印刷”（ATLASS）项目。台湾地区的工业技术研究中心（ITRI）正在进行许多柔性电子学研发项目。

美国国防部在投资先进电子学发展方面有很长的历史，比如上世纪50年代开始的、在硅谷与私人工业和风险投资者们合作开发的集成电路。柔性混合电子是一种潜在的颠覆性技术，能够解决海陆空多个国防部平台上的当前和未来挑战。因此，尽管国防预算在下降，我们对于在国防与国家层面的最高优先级投资是不会停滞的。

该机构运用可持续的公私合作（PPP）模式，这是一个经济且高效的策略，既可以构建强大的创新能力，又可以利用有限的国防部资源。在这个领域，需要一个有活力的国内商业基础，这些PPP制造研究模式将带来这样的能力。柔性混合电子学制造创新机构将基于之前由陆军研究实验室（ARL）和空军研究实验室（AFRL）完成的工作，构建能够为更多研究人员和企业所用的能力。这样，就能使该机构从其它联邦投资中获益，如国防预先研究计划局（DARPA）、国家科学基金（NSF）和特种作战司令部（SOCOM）。充分利用该机构的设施，将使未来实现原型制造所需的成本和资源大大减少，政府将最终受益。

二、关于制造创新机构

（1）机构概况

柔性混合电子学制造创新机构（FHEMII）将设在加州硅谷核心地带，由公私合作（PPP）制造联盟——柔性科技联盟负责领导，并接受美国国防部监管。机构将获得0.75亿美元的联邦政府资金投入，以及0.96亿美元的由地方政府、大学和企业等投入的配套资金。机构目前由162家企业、非盈利组织和大学等成员组成，其中96家是关键合作伙伴。关键合作伙伴包括应用材料、苹果、联合技术公司（UTC）和高通等电子与半导体公司；洛克希德•马丁、波音、通用动力、雷神、通用电气、摩托罗拉等终端用户，它们能够将这些柔性、可弯曲的电子器件嵌入从医疗设备到超声速飞行器的各种军民用产品中；斯坦福、哈佛、MIT、UC伯克利等从事前沿研究的大学。

（2）机构的主要任务与研究方向

柔性混合电子学制造创新机构将集合企业、大学、其它学术界和培训机构以及联邦政府的力量，共同投资这项新兴技术，为先进研究和商业产品开发提供桥梁，在关键的军民用领域产生优势。同时，机构将投资教育与工人发展，培育下一代科学家、工程师和技术人员。制订技术路线图以及制订和颁布工业标准都将是机构重要的任务。FHEMII将与专业组织和同业协会伙伴一道聚集力量并提供各种机会，提升FHE的技术成熟度和制造成熟度，并且更广泛地传播相关信息。最终，该机构将拥有设计、制作和测试FHE工艺的完整方法，能够为工业界、学术界和政府实验室所用。

柔性材料与器件（美国空军研究实验室）

该机构主要关注5个领域：

1）柔性混合电子材料的规模化与低成本。导电和有源的墨水和粘贴剂，柔性、可伸展的新型衬底，或者采用低成本可再生能源的衬底，如织物与纤维素。

2）极薄器件加工。领先的极薄硅集成电路和传感器的加工。开发用于测试、切片和减薄硅晶圆的新工具，这是该机构的基础方向与支柱任务。

3）集成器件/传感器的印刷与封装工艺。诸如用于精确安装极薄硅器件的高速自动拾取和放置工艺，将制作互连和数据线的高性能印刷工业与用于传感器的压印工艺融合，将关键的能源存储、收获功能与系统设计集成。

4）系统设计工具。在协同软件空间中集成新型制造设计规则的软件和硬件设计能力。

5）可靠性、测试与建模。确保从材料到制造工艺都满足工业界和国防部的可靠性要求。

（3）国防部的监管

国防部作为柔性混合电子学制造创新机构的牵头组建部门以及联邦出资方，将对机构运行负有一定的管理职责。柔性混合电子学机构将由国防部长办公室（OSD）制造技术办公室监管。OSD将项目管理和合同订立工作分配给各军种，空军研究实验室（AFRL）负责项目招标，AFRL代表也将作为机构的首席技术官（CTO）协调政府需求，陆军研究实验室负责项目管理。陆海空三军制造专家组（包括国防制造电子机构、特种部队、国防威胁降低局以及物理科学实验室），以及民间机构人员将参与机构的日常工作，这些人员将在机构确定技术发展方向时给予智力支持。

（4）小企业的参与

有着各种背景的小企业将是FHEMII中非常有价值的一部分，他们的要求FHEMII都有所考虑，特别是——认识到先期投入对小企业可能是个挑战，机构将采用分级会员制，鼓励小企业参与但只需较低费用和成本分摊；小企业的参与包括全部参加技术委员会，以及派代表加入管理委员会；知识产权计划（IPP）中，小企业与大中型企业的地位同等；在项目招标时，将鼓励跨工业部门、在大中小企业之间组建团队。

刘亚威先生此前已为《空天防务观察》提供13篇“‘威’视制造”专栏文章，如下表所示：

序号	篇名	发表日期
1	美国数字制造与设计创新机构助力美国智能制造	2月16日
2	非热压罐成形技术用于MS-21机翼主承力构件生产	2月23日
3	热塑性复合材料加速进入民机主承力结构	2月25日
4	轨道加工工艺颠覆航空异种材料构件制孔	2月27日
5	增材制造（3D打印）——“美国制造，美国能行！”	3月11日
6	2014，美国国家制造创新网络雏形初现	4月8日
7	揭秘莫纳什大学增材制造中心——澳大利亚增材制造先锋	4月22日
8	美国通用电气公司“工业互联网”——两大革命共鸣下的智能制造新前景	5月27日
9	美国通用电气公司——高端增材制造技术的领军者	6月1日
10	“数字制造”VS“智能制造”	8月17日
11	你应知道的集成光子学和集成光子学制造创新机构	8月24日
12	波音采用创新技术制造NASA新概念飞机机身	9月28日
13	无人机复合材料结构低成本制造技术（节选）	10月9日

以上文章引起了广泛关注和较大反响，有兴趣的读者可在本号中搜寻阅读。

（航空工业发展研究中心 刘亚威）

作者简介：

刘亚威，航空工业发展研究中心青年学者，国防制造创新问题研究专家，足迹遍布全球几十个国家，对国外先进制造技术、智能制造、制造成熟度等有深入研究与独到见解。

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