电子器件柔性化设计方法

电子器件柔性化设计 方法
电子器件柔性化设计方法

直接采用柔性功能材料


波纹结构
直互联岛桥结构 蛇形互联岛桥结构 分形互联岛桥结构 折纸结构
剪纸结构
采用柔性功能材料

传统的柔性功能材料的相对介电常数、压电系数、耦合因数 等较小，导致其性能相对欠佳。近年来，基于碳纳米管和石 墨烯的柔性电子器件已经有了长足的发展。碳纳米管和石墨 烯薄膜材料在薄膜晶体管器件的应用领域中，已展示出高载 流子迁移率和优异的环境稳定性等特点。基于碳纳米管和石 墨烯的柔性电子器件是无机柔性电子器件中的一个重要发展 方向。
分形互联岛桥结构

S．Xu等人于2013年研制的可延展锂例子电池中 ，对蛇形导 线的几何构型进行了拓展，融入了分形的概念，设计了一种 自相似的蛇形导线，使锂电池的总延展率能达到～300％， 而功能组件覆盖率也高达～50％。 实验以及数值结果均表明， 在给定的空间内，这种分形结构的蛇形导线比传统的蛇形导 线具有更大的延展率。
直互联岛桥结构

但是由于直导线的尺寸受到了岛与岛之间间距的影响，若要 继续增大电子器件的延展率，就需要增大岛的间距，导致整 个器件中功能组件的覆盖率下降，影响到电路的大规模集成。
蛇形互联岛桥结构

H．C．Ko等人基于T．Li提出的蛇形导线这种几何构型，将 其应用于岛桥结构中，即蛇形互联岛桥结构。 在这种岛桥结构中，连接岛所用的导线被替换成了蛇形导线， 相比于直导线，蛇形结构在相同的岛间距内长度更大。当设 备进行拉伸时，由于蛇形结构导线的面内弯曲会累积很大的 应变能，因此导线会发生面外的弯曲和扭转(即面外屈曲)， 从而减小导线的应变能。在这个过程中，导线承担了电子器 件的几乎全部的应变，而器件中的半导体设备几乎不承受应 变，最终器件的可延展性能达到～100％。
波纹结构

但是硬膜屈曲结构由于薄膜与柔性基体都是保持百分之百的 黏结, 器件的延展性不高，仅有5%-10%。
Hale Waihona Puke Baidu
直互联岛桥结构

D．H．Kim等人开发出了直互联岛桥结构法。在这种方法中， 功能组件(岛)通过化学方法粘合在经过预拉伸的基体上，组 件之间通过导线(桥)进行连接，导线与基体之间不发生粘合。 释放预应变后，导线发生面外屈曲而拱起从而提高柔性电子 器件的延展性。
分形互联岛桥结构

在实际优化过程中，不仅要考虑系统的力学性能，也要考虑 系统的电学性能。因为虽然增加分形导线的级数可大大增加 导线的长度进而提高系统的延展性，但同时也增加了互联导 线的电阻，可能引起其它不可忽略的问题。
折纸结构

目前大家广泛关注的一种折纸结构Miura-ori，它主要靠相邻 面之间的折痕发生弯曲而变形，其他平面主要发生刚性转动， 并不发生变形，从而在系统受到外载时，可保证集成在上面 的器件不会发生破坏。 Miura-ori结构的基本单元由四个短边 为a长边为b且夹角为β的平行四边形组成.在折叠时两两构成 (峰)和(谷),给定平行四边 形的尺寸a和b后,Miura-ori结构的 折叠构型由两个平行四边形的折痕间夹角φ唯一确定
波纹结构

将一个柔性基体沿一个方向做预拉伸处理，然后将 一个刚度很大的薄膜通过底面完全粘结在基体上。 释放柔性基体，薄膜在轴向上由于受到压力发生屈 曲，最终薄膜和粘结的基体共同发生了波浪状 的变 形，这种波浪状的结构能使薄膜和基体承受更大的 应变。
波纹结构

Jiang和Song 等针对硬薄膜黏接在柔性基体上的屈曲模型做 了详细的分析, 从理论上定量预测硅纳米条带波浪屈曲的波 长和幅值，以及屈曲薄膜的最大应变
蛇形互联岛桥结构

蛇形导线岛桥结构同时解决了可延展性和覆盖率的问题，但 由于其复杂的几何构型和屈曲分析的非线性，对它的研究目 前仅停留在实验及数值模拟阶段，其力学性能上的很多问题， 如蛇形导线屈曲机理、应力应变关系，导线构型的优化，岛 桥结构与基体之间的相互作用等，仍然缺乏理论研究，阻碍 了柔性电子技术的发展。
剪纸结构

剪纸结构中存在镂空的条带使得整体在展开状态下可以实现 进一步的变形，如屈曲、扭转和剪切等，而折纸结构由于需 要保持纸面的完整性，在展开状态下的变形会受到纸面的限 制。因此，剪纸结构往往比折叠结构具有更大的延展性。
研究趋势

目前的可延展柔性结构，其可延展柔性通常在外力的作用下 完成，缺少功能性，另一方面结构与功能一体化的智能材料 正成为高分子领域的重要前沿研究方向，将智能材料与可延 展柔性电子结构集成，制备高性能的智能可延展柔性电子器 件，可为可延展柔性电子提供一个新的维度，大大拓宽可延 展柔性电子的应用范围，例如动态可控的可延展结构和软体 机器人等。另外，当前的可延展柔性电子器件，离真正的应 用还有很长的距离，还有很多的力学问题亟需解决，例如可 延展柔性电子器件的动力学问题、可靠性问题、界面力学问 题等
The End