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(duì)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(duì)欠佳。近年來(lái)，基于碳納米管和石墨烯的柔性電子器件已經(jīng)有了長(zhǎng)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)?；谔技{米管和石墨烯的柔性電子器件是無(wú)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(guò)底面完全粘結(jié)在基體上。釋放柔性基體，薄膜在軸向上由于受到壓

2、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(duì)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(cè)硅納米條帶波浪屈曲的波長(zhǎng)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(kāi)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(guò)化學(xué)方法粘合在經(jīng)過(guò)預(yù)拉伸的基體上，組件之間通過(guò)導(dǎo)線(橋)進(jìn)行連接，導(dǎo)線與基體之間不發(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

3、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(zhǎng)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)，從而減小導(dǎo)線的應(yīng)變能。在這個(gè)過(guò)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

4、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(wèn)題，但由于其復(fù)雜的幾何構(gòu)型和屈曲分析的非線性，對(duì)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(wèn)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(duì)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)

5、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(guò)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(jí)數(shù)可大大增加導(dǎo)線的長(zhǎng)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(wèn)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。 Miura-ori結(jié)構(gòu)的基本單元由四個(gè)短邊為a長(zhǎng)邊為b且?jiàn)A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(kāi)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(kāi)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(shì)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