2-2 可延展柔性化设计在线视频

下面我们来学习可延展柔性设计

刚刚我们说的是可弯曲

那什么叫可延展呢

就像弹簧

你拉开再松手

弹簧可以恢复到原来的样子

可延展电子器件

就是我们的电子器件

可以像弹簧一样

承受一定的拉伸作用

既不会发生结构的破坏

也不会造成功能的失效

实现结构的可延展性的方法

目前主要有两种方式

一种是结构的可延展性

我们通过力学的结构设计方式

使得传统的不可拉伸的

无机功能器件具有可拉伸特性

比如我们的金属钢材

它们本身是很难被拉伸的

但是我们把钢材制作成

弹簧的形状

就可以使得这种弹簧结构的金属材质

也能够很容易的被拉伸或者压缩

实现电子器件可延展的

另外一种方式就是材料本身

就具有可延展性

比如说我们用

有机弹性体的本征柔性材料

来代替传统的硅基电子器件

目前研究比较广泛的

就是有机电子器件

比如有机的OLED屏

所以在接下来的章节里面

我们主要介绍第一种

通过力学结构设计

来实现无机电子器件

可延展性的方法

发展可延展柔性电子器件的

重要目标

就是使传统的电子器件

能够与人体自然的集成

我刚刚在前面已经讲过

人体的大部分组织

都是具有可延展性的

而且都是处于一个

动态变形的状态

比如说我们要做各种动作

走路 伸懒腰 下蹲等等

好比我们的手指关节部位的

皮肤组织

在我们的关节弯曲时

这块皮肤就能够伸展开来

受到了拉伸

所以关节处褶皱状的皮肤结构

正是实现这一部位

可延展的重要原因

这种褶皱状的结构在生理学上

是可以增大皮肤的比表面积

以促进散热

同时也使得这一部位

具有可延展性

以适应关节的动态运动

除了我们自己平时能观察到的

外部组织

咱们人体的内部消化系统

从食道 胃到大肠 小肠

他们的内表面也是充满了

这种褶皱结构

这种结构的优点之一

能够在肠胃消化食物的时候

能够实现一个自由的伸展

那么我们怎么让材料变柔

使它能按照设计的结构

去进行拉伸

洗衣机上的（排）水管

大家都应该见过

这种波纹状的水管

材料一般本身是不可以延展的

就像左边这张图

我们可以通过结构的设计

做出右边这种波纹状的褶皱结构

这样它就可以被弯曲

甚至被拉伸

方便我们在各种空间下使用

从前面的几个例子来看

大家有没有注意到

我们一直在强调的几个关键词

具有可延展性的结构

它们都有一个共同的特征

波浪状的褶皱结构

这种波形褶皱结构的几何模型

可以简单的描述为正弦形式

是其波长为拉姆达

幅值为A

现在还有两个问题要解决

一个是如何制备出这种波形结构

同时与传统的微电子工艺兼容

第二个是如何进行结构的优化

尽可能的提高其延展性

并保持力学的可靠性

现在我们来回答第一个问题

如何制备波形结构

制备的主要思想

是利用薄膜结构的表面失稳

我们可以通过图来解释一下

首先我们把图中绿色的硅条带

粘到准备拉伸的

蓝色PDMS硅橡胶的衬底之上

然后缓慢的释放基底的预应变

这时候硅条带受到了压缩

发生了表面的失稳

形成中间图所示那样的波形结构

制备完成以后

波形的结构就可以在被拉伸

或被压缩的时候发生面外的弯曲

从而使得整个器件具备了延展性

在这种波形结构的设计中

我们比较关心两个问题

其一是可以施加多大的预应变

硅条带不会发生断裂

其二是

所制备的波形结构的可延展性

到底有多少

也就是它能承受多大力的压缩

或者拉伸

这两个问题

我们可以根据我们固体力学的理论

给出精确的解答

研究结果表明

波形结构所允许施加的最大预应变

与材料的断裂的应变的平方成正比

波形结构的延展性近似等于

所施加的预应变

换句话说

当波形结构被完全展平时候

就达到了其最大的延展性

基于波形结构

这种最简单的设计制备原理

研究者们制备出了

可延展的薄膜晶体管

薄膜晶体管

可以承受8%的拉伸应变

而不会引起功能的失效

此外

研究者们还通过

这种预拉伸释放得到的

具有可延展性的铁电纳米条带

实现了在8%拉伸的作用下

材料的铁电性能

也一样不发生明显的变化

在这种波形结构中

硅条带粘接在柔性的衬底上

受限于衬底的约束

波形结构的可延展性

一般在10%以下

为了进一步提高结构的延展性

我们必须要考虑新型的结构

我们来看一下

实际应用中的电子器件

它们大多不是一个

简单的条带结构

比如说传统的PCB板

它包含了硬质的芯片

电阻 电容等功能单元

以及功能单元间的互连导线

如果要使复杂的电路板

也同时具备可延展性

我们就需要采用一种

基于柔性衬底的岛桥结构

不希望变形的功能单元为岛

互连导线为桥

我们通过优化互连导线的结构

使得整个电路具有可延展性

通过优化桥的结构

我们来实现

可延展性的核心思想是

直线变曲线

整体变局部

下面我们简要介绍

三种经典的岛桥结构

包括直线型岛桥结构

蛇形岛桥结构

以及自相似蛇形岛桥结构

首先什么是直线型岛桥结构

直线型岛桥结构的制备方法

和之前波形结构的类似

我们把无机的电子器件转印到

准备进行拉伸的柔性衬底上

通过释放预应变

使得互连导线从“直线”

失稳变成“曲线”

在这里就是直桥变曲桥

这样当电子器件受到拉伸作用时

结构的变形

以曲桥的弯曲变形为主

学过材料力学的同学们

应该都知道

梁结构在弯曲作用下的

最大应变与厚度成正比

实际应用中互连导线的厚度

在100纳米的量级

其在弯曲作用下的

最大应变其实非常小

这种直线型岛桥结构

可以实现的延展性

一般在20%左右

通过材料力学精确的求解

我们可以得到

直线型岛桥结构的峰值应变

与两个关键的几何参数有关

其一是互连导线的厚度

峰值应变随着厚度的减小而减小

其二是互连导线的长度

峰值应变随着桥长的增加而减小

然而在实际应用中

降低互连导线的厚度

会增大其电阻

造成过多的能量损耗

增加互连导线的长度

会降低系统的集成度

给大家介绍岛桥结构的

一种经典应用

叫半球形电子眼

如画面所示

半球形电子眼

和传统的半导体加工工艺兼容

通过转印的技术

可以实现成像单元

我们在凹面凸面

都制备光电探测阵列

可以实现广角成像或者聚焦成像

那么岛桥结构在应用里面

起到什么作用呢

它可以保证光电探测单元

在凹凸两个复杂曲面之间切换时

所受到的拉伸或压缩应变

全部被互连导线吸收

而不发生破坏

接下来我们看看

另外两种岛桥结构

一种叫蛇形岛桥结构

或者我们就说蛇形导线结构

还有一种叫自相似蛇形岛桥结构

设计这种结构是为了

进一步提高系统的可延展性

同时不牺牲系统的集成度

我们把之前的直线型

互连导线变成蛇形的形状

就像现在的S型

大家看这种互连结构

在受到拉伸的时候

互连导线会发生面外的

弯曲和扭转

那么如果我们希望进一步

提高系统的集成度

就可以将蛇形互连导线的

每一段直线部分都变成曲线

形成分形的结构

什么意思呢

就像画面显示

我们逐级把S型导线中

直的部分用上一集的

S型曲线去填充

使它的互连导线

在承受拉伸变形时

同样会发生逐级的展开

这样不仅仅可以提高系统集成度

还可以进一步提高系统的

可延展性

这种我们叫自相似蛇形导线结构

这种互连结构的可延展性

和分形的阶数成正比

它的可延展性一般可达100%

甚至更高

我们来回顾一下

刚刚讲的是

如何实现结构的可延展性

一种是类似于

洗衣机波纹管的波形结构

还有几种岛桥结构的设计

直线形 蛇形以及自相似蛇形

这几种设计如何实现

结构的可延展性

主要特点10个字

直线变曲线

整体变局部

需要请大家注意的是

上面我们提到的蛇形导线结构

在实际应用中

一般要粘结在柔性衬底上

它们或多或少的会受到

柔性衬底的约束

那么我们一起来思考一下

柔性衬底对结构本身

可延展性的影响

又该怎么解决呢