電子器件柔性化設(shè)計(jì)方法

1、電子器件柔性化設(shè)計(jì) 方法 電子器件柔性化設(shè)計(jì)方法 直接采用柔性功能材料 波紋結(jié)構(gòu) 直互聯(lián)島橋結(jié)構(gòu) 蛇形互聯(lián)島橋結(jié)構(gòu) 分形互聯(lián)島橋結(jié)構(gòu) 折紙結(jié)構(gòu) 剪紙結(jié)構(gòu) 采用柔性功能材料 傳統(tǒng)的柔性功能材料的相對介電常數(shù)、壓電系數(shù)、耦合因數(shù) 等較小，導(dǎo)致其性能相對欠佳。近年來，基于碳納米管和石 墨烯的柔性電子器件已經(jīng)有了長足的發(fā)展。碳納米管和石墨 烯薄膜材料在薄膜晶體管器件的應(yīng)用領(lǐng)域中，已展示出高載 流子遷移率和優(yōu)異的環(huán)境穩(wěn)定性等特點(diǎn)。基于碳納米管和石 墨烯的柔性電子器件是無機(jī)柔性電子器件中的一個(gè)重要發(fā)展 方向。 波紋結(jié)構(gòu) 將一個(gè)柔性基體沿一個(gè)方向做預(yù)拉伸處理，然后將 一個(gè)剛度很大的薄膜通過底面完全粘結(jié)在基體

2、上。 釋放柔性基體，薄膜在軸向上由于受到壓力發(fā)生屈 曲，最終薄膜和粘結(jié)的基體共同發(fā)生了波浪狀 的變 形，這種波浪狀的結(jié)構(gòu)能使薄膜和基體承受更大的 應(yīng)變。 波紋結(jié)構(gòu) Jiang和Song 等針對硬薄膜黏接在柔性基體上的屈曲模型做 了詳細(xì)的分析, 從理論上定量預(yù)測硅納米條帶波浪屈曲的波 長和幅值，以及屈曲薄膜的最大應(yīng)變 波紋結(jié)構(gòu) 但是硬膜屈曲結(jié)構(gòu)由于薄膜與柔性基體都是保持百分之百的 黏結(jié), 器件的延展性不高，僅有5%-10%。 直互聯(lián)島橋結(jié)構(gòu) DHKim等人開發(fā)出了直互聯(lián)島橋結(jié)構(gòu)法。在這種方法中， 功能組件(島)通過化學(xué)方法粘合在經(jīng)過預(yù)拉伸的基體上，組 件之間通過導(dǎo)線(橋)進(jìn)行連接，導(dǎo)線與基體之間

3、不發(fā)生粘合。 釋放預(yù)應(yīng)變后，導(dǎo)線發(fā)生面外屈曲而拱起從而提高柔性電子 器件的延展性。 直互聯(lián)島橋結(jié)構(gòu) 但是由于直導(dǎo)線的尺寸受到了島與島之間間距的影響，若要 繼續(xù)增大電子器件的延展率，就需要增大島的間距，導(dǎo)致整 個(gè)器件中功能組件的覆蓋率下降，影響到電路的大規(guī)模集成。 蛇形互聯(lián)島橋結(jié)構(gòu) HCKo等人基于TLi提出的蛇形導(dǎo)線這種幾何構(gòu)型，將 其應(yīng)用于島橋結(jié)構(gòu)中，即蛇形互聯(lián)島橋結(jié)構(gòu)。 在這種島橋結(jié)構(gòu)中，連接島所用的導(dǎo)線被替換成了蛇形導(dǎo)線， 相比于直導(dǎo)線，蛇形結(jié)構(gòu)在相同的島間距內(nèi)長度更大。當(dāng)設(shè) 備進(jìn)行拉伸時(shí)，由于蛇形結(jié)構(gòu)導(dǎo)線的面內(nèi)彎曲會(huì)累積很大的 應(yīng)變能，因此導(dǎo)線會(huì)發(fā)生面外的彎曲和扭轉(zhuǎn)(即面外屈曲)， 從

4、而減小導(dǎo)線的應(yīng)變能。在這個(gè)過程中，導(dǎo)線承擔(dān)了電子器 件的幾乎全部的應(yīng)變，而器件中的半導(dǎo)體設(shè)備幾乎不承受應(yīng) 變，最終器件的可延展性能達(dá)到100。 蛇形互聯(lián)島橋結(jié)構(gòu) 蛇形導(dǎo)線島橋結(jié)構(gòu)同時(shí)解決了可延展性和覆蓋率的問題，但 由于其復(fù)雜的幾何構(gòu)型和屈曲分析的非線性，對它的研究目 前僅停留在實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬階段，其力學(xué)性能上的很多問題， 如蛇形導(dǎo)線屈曲機(jī)理、應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，導(dǎo)線構(gòu)型的優(yōu)化，島 橋結(jié)構(gòu)與基體之間的相互作用等，仍然缺乏理論研究，阻礙 了柔性電子技術(shù)的發(fā)展。 分形互聯(lián)島橋結(jié)構(gòu) SXu等人于2013年研制的可延展鋰?yán)与姵刂?，對蛇形導(dǎo) 線的幾何構(gòu)型進(jìn)行了拓展，融入了分形的概念，設(shè)計(jì)了一種 自相似的蛇

5、形導(dǎo)線，使鋰電池的總延展率能達(dá)到300， 而功能組件覆蓋率也高達(dá)50。 實(shí)驗(yàn)以及數(shù)值結(jié)果均表明， 在給定的空間內(nèi)，這種分形結(jié)構(gòu)的蛇形導(dǎo)線比傳統(tǒng)的蛇形導(dǎo) 線具有更大的延展率。 分形互聯(lián)島橋結(jié)構(gòu) 在實(shí)際優(yōu)化過程中，不僅要考慮系統(tǒng)的力學(xué)性能，也要考慮 系統(tǒng)的電學(xué)性能。因?yàn)殡m然增加分形導(dǎo)線的級數(shù)可大大增加 導(dǎo)線的長度進(jìn)而提高系統(tǒng)的延展性，但同時(shí)也增加了互聯(lián)導(dǎo) 線的電阻，可能引起其它不可忽略的問題。 折紙結(jié)構(gòu) 目前大家廣泛關(guān)注的一種折紙結(jié)構(gòu)Miura-ori，它主要靠相鄰 面之間的折痕發(fā)生彎曲而變形，其他平面主要發(fā)生剛性轉(zhuǎn)動(dòng)， 并不發(fā)生變形，從而在系統(tǒng)受到外載時(shí)，可保證集成在上面 的器件不會(huì)發(fā)生破壞。

6、Miura-ori結(jié)構(gòu)的基本單元由四個(gè)短邊 為a長邊為b且夾角為的平行四邊形組成.在折疊時(shí)兩兩構(gòu)成 (峰)和(谷),給定平行四邊 形的尺寸a和b后,Miura-ori結(jié)構(gòu)的 折疊構(gòu)型由兩個(gè)平行四邊形的折痕間夾角唯一確定 剪紙結(jié)構(gòu) 剪紙結(jié)構(gòu)中存在鏤空的條帶使得整體在展開狀態(tài)下可以實(shí)現(xiàn) 進(jìn)一步的變形，如屈曲、扭轉(zhuǎn)和剪切等，而折紙結(jié)構(gòu)由于需 要保持紙面的完整性，在展開狀態(tài)下的變形會(huì)受到紙面的限 制。因此，剪紙結(jié)構(gòu)往往比折疊結(jié)構(gòu)具有更大的延展性。 研究趨勢 目前的可延展柔性結(jié)構(gòu)，其可延展柔性通常在外力的作用下 完成，缺少功能性，另一方面結(jié)構(gòu)與功能一體化的智能材料 正成為高分子領(lǐng)域的重要前沿研究方向，將智能材料與可延 展柔性電子結(jié)構(gòu)集成，制備高性能的智能可延展柔性電子器 件，可為可延展柔性電子提供一個(gè)新的維度，大大拓寬可延 展柔性電子的應(yīng)用范圍，例如動(dòng)態(tài)可控的可