Modelling and Physical Design Automation for Organic and Printed Devices and Circuits

Abstract

Durant aquests darrers anys, l’interès per la fabricació de sistemes electrònics de baix cost ha anat augmentant degut a l’interès en la sensorització de les ciutats intel·ligents i la indústria 4.0. Han anat apareixent múltiples aplicacions de baix cost, com per exemple, adhesius RFID per la identificació de productes, pantalles flexibles o etiquetes intel·ligents entre d’altres. Per aquesta necessitat, l’Electrònica Orgànica i Impresa s’ha posicionat com a tecnologia alternativa al silici amb uns avantatges competitius importats gràcies als materials i mètodes de fabricació innovadors en el món de l’electrònica, permetent l’elaboració de dispositius de baix cost, flexibles, lleugers, de gran àrea i biodegradables. Tot i aquest interès, hi ha molta feina encara per fer en relació amb el modelatge de dispositius, el disseny i la simulació de circuits complexos. Aquesta tesi està enfocada al desenvolupament d’un Process Design Kit (PDK) amb les metodologies necessàries per a l’elaboració d’un model industrial que incorpora el comportament DC i AC dels transistors orgànics, combinat amb les variacions introduïdes pels factors ambientals i la variabilitat intrínseca del dispositiu. El PDK s’ha desenvolupat amb una gran component automàtica, de tal forma que pugui evolucionar en paral·lel als dispositius orgànics a ser usats. En el marc de la tesi s’ha desenvolupat un entorn de caracterització elèctrica automàtica que genera informes dels dispositius i dels models permetent l’anàlisi de gran quantitat de dispositius i els seus paràmetres. Al mateix temps, s’ha dut a terme un estudi de com l’afecten els diferents factors externs com la llum, humitat o temperatura, i la incidència de l’aplicació de potencials en els terminals de forma repetitiva. La part de disseny físic del PDK està basat en un conjunt de cel·les parametritzades (PCells) elaborades de tal forma que siguin correctes per disseny i que combinades amb mètodes automàtics permeten la generació de matrius de dispositius i circuits en un temps reduït. S’han realitzat múltiples dispositius i circuits diferents seguint aquesta metodologia per tal de poder ser caracteritzats i modelats usant les eines desenvolupades en el PDK. Els resultats d’aquesta tesi han permès aplicar els coneixements en dos fabricants de dispositius orgànics amb l’objectiu de dissenyar circuits orgànics. Un dels grans assoliments d’aquesta tesi és la simulació i disseny d’una etiqueta RFID de 16 bits elaborada mitjançant tecnologia orgànica i basada en els mètodes desenvolupats i implementats en el PDK desenvolupat. Per altra banda, l’eina implementada permet seguir l’evolució dels dispositius sense una intervenció major en la mateixa, permetent avançar amb els nous dispositius, creant i parametritzant models sense grans esforços.

Durante estos últimos años, el interés por la fabricación de sistemas electrónicos de bajo coste ha ido aumentando debido al esfuerzo en la sensorización de las ciudades inteligentes y la industria 4.0. Han ido apareciendo múltiples aplicaciones de bajo coste, como por ejemplo, adhesivos RFID para la identificación de productos, pantallas flexibles o etiquetas inteligentes entre otros. Por esta necesidad, la Electrónica Orgánica y Impresa se ha posicionado como tecnología alternativa al silicio con unas ventajas competitivas importantes gracias a los materiales y métodos de fabricación innovadores en el mundo de la electrónica, permitiendo la elaboración de dispositivos de bajo coste , flexibles, ligeros, de gran área y biodegradables. A pesar de este interés, hay mucho trabajo por hacer en relación con el modelado de dispositivos, el diseño y la simulación de circuitos complejos. Esta tesis está enfocada al desarrollo de un Process Design Kit (PDK) con las metodologías necesarias para la elaboración de un modelo industrial que incorpora el comportamiento DC y AC los transistores orgánicos, combinado con las variaciones introducidas por los factores ambientales y la variabilidad intrínseca del dispositivo. El PDK ha desarrollado con una gran componente automática, de tal forma que pueda evolucionar en paralelo a los dispositivos orgánicos a ser usados. En el marco de la tesis se ha desarrollado un entorno de caracterización eléctrica automática que genera informes de los dispositivos y de los modelos permite el análisis de gran cantidad de dispositivos y sus parámetros. Al mismo tiempo, se ha llevado a cabo un estudio de cómo le afectan los diferentes factores externos como la luz, humedad o temperatura, y la incidencia de la aplicación de potenciales en los terminales de forma repetitiva. La parte de diseño físico del PDK está basado en un conjunto de celdas parametrizadas (PCells) elaboradas de tal forma que sean correctos para diseño y que combinadas con métodos automáticos permiten la generación de matrices de dispositivos y circuitos en un tiempo reducido. Se han realizado múltiples dispositivos y circuitos diferentes siguiendo esta metodología para poder ser caracterizados y modelados usando las herramientas desarrolladas en el PDK. Los resultados de esta tesis han permitido aplicar los conocimientos en dos fabricantes de dispositivos orgánicos con el objetivo de diseñar circuitos orgánicos. Uno de los grandes logros de esta tesis es la simulación y diseño de una etiqueta RFID de 16 bits elaborada mediante tecnología orgánica y basada en los métodos desarrollados e implementados en el PDK desarrollado. Por otra parte, la herramienta implementada permite seguir la evolución de los dispositivos sin una intervención mayor en la misma, permitiendo avanzar con los nuevos dispositivos, creando y parametrizando modelos sin grandes esfuerzos.

In recent years, the interest in the manufacture of low-cost electronic systems has been on the rise due to increasing efforts of using sensors in Smart Cities and Industry 4.0. Multiple low-cost applications are beginning to appear, such as RFID stickers for product identification, flexible displays, or smart tags among others. Due to this need, Organic and Printed Electronics has positioned itself as an alternative technology to silicon with competitive advantages thanks to innovative materials and manufacturing methods in the world of electronics, allowing the production of low-cost, flexible, lightweight, large area and biodegradable devices. Despite this interest, there is still a lot of work to be done related to device modeling, design and simulation of complex circuits. This thesis focus on the development of a Process Design Kit (PDK) with the necessary methodologies for the elaboration of an industrial model, which incorporates the DC and AC behavior of organic transistors, combined with the variations introduced by environmental factors and the intrinsic variability of the device. The PDK has been developed with a large automatic component, so it can evolve at the same time as the organic devices to be used. Within the framework of the thesis, an automatic electrical characterization environment has been developed with an output that provides the reports of devices and models allowing the analysis of a large number of transistors and their parameters. At the same time, a study of how it is affected by different external factors such as light, humidity or temperature, and the incidence of the application over and over again of potentials in the terminals has been done. The physical design part of the PDK is based on a set of Parameterized Cells (PCells), made in such a way that they are correct by design and combined with automatic methods allow the generation of arrays of devices and circuits in a reduced time. Multiple different devices and circuits have been made following this methodology in order to be able for characterization and modeling using the tools developed in the PDK. The results of this thesis have allowed applying the knowledge in two different manufacturers of organic devices with the aim of design flexible systems. One of the great achievements of this thesis is the simulation and design of a 16-bit RFID tag developed by using organic technology and based on the methods developed and implemented in the developed PDK. On the other hand, the implemented tool allows following the evolution of the devices without a greater intervention on it, allowing advancing with new devices, creating and parameterizing models without great efforts.