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面向柔性電子器件的變溫力學、光學、電學測試

更新時間:2021-08-16      點擊次數(shù):1558

      柔性電子器件是柔性電子的主要體現(xiàn)形式之一。以柔性材料為基礎,結合微納米加工與集成技術,采用柔性材料設計制造可實現(xiàn)邏輯放大、濾波、數(shù)據(jù)存儲、信號反相、數(shù)字運算、傳感等功能的新一代柔性電子元器件,是信息技術發(fā)展的迫切需求。柔性功能材料所具有的光、電、磁、熱、力等*的物理和化學性能,使得柔性電子器件可被廣泛用于柔性顯示、數(shù)據(jù)加密、可穿戴感知等智能化電子系統(tǒng)。因此,開發(fā)在多種變化環(huán)境因素下可測試柔性電子器件的力學、光學、電學等性能的測試系統(tǒng)在柔性電子器件研發(fā)和生產(chǎn)過程中用具有重要意義。

??西安交通大學仿生工程與生物力學研究所BEBC研究人員發(fā)表室的“The New Generation of Soft and Wearable Electronics for Health Monitoring in Varying Environment: From Normal to Extreme Conditions"綜述文章簡述了針對柔性電子設備在長期監(jiān)測過程中面臨機械力、溫度和濕度三種環(huán)境挑戰(zhàn)(圖1),并總結了國內外近年來基于材料創(chuàng)新和結構設計以保障柔性電子設備在多種變化環(huán)境因素下功能實現(xiàn)的研究成果。

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圖1. 人體活動所面臨的多種環(huán)境:從正常到異常的機械力、溫度與濕度環(huán)境。

1. 承受大幅度力學變形的柔性電子器件

??人體活動常伴隨拉伸、壓縮、剪切、扭曲等力學變形(如肢體運動、心臟搏動、血管舒張等),這些力學變形的參數(shù)范圍為柔性可穿戴電子材料和結構的設計提出了具體要求。如可用于提升柔性可穿戴電子延展性的二維平面結構與超材料設計、提升可穿戴電子靈敏度的三維微結構。

2. 承受大幅度溫度變化的柔性可穿戴電子

??人類活動中面臨不斷變化的環(huán)境溫度,由熱到冷、由正常室溫到異??崾顕篮瑴囟茸兓秶蛇_到-50℃- -60℃范圍區(qū)間,這種不斷變化的溫度條件給材料的耐久使用(如抗高溫、抗低溫性能)帶來挑戰(zhàn)。以水凝膠柔性電子為例,在材料方面,有機溶劑、鹽與離子液體的引入均能提高材料的抗凍性能;在結構方面,彈性體涂層對水凝膠的抗凍和抗高溫性能的提升可產(chǎn)生積極的影響;此外,綜合兩種設計思路可顯著提高水凝膠在不同溫度下的耐受

性?;谶@些設計方案,多種抗凍、抗高溫柔性可穿戴電子已被廣泛應用于人體運動監(jiān)測與能源供應領域。

3. 承受大幅度濕度變化的柔性可穿戴電子

??變化的濕度環(huán)境為柔性可穿戴電子的使用帶來挑戰(zhàn),如干燥環(huán)境使得水凝膠柔性電子失水皺縮進而失去延展性與功能性,濕潤環(huán)境可能使得水凝膠電子發(fā)生溶脹導致不可控的形貌變化及表面結構破壞。而作為采集信號可靠性的重要保障,器件與人體皮膚之間的有效黏附也會因潮濕環(huán)境中(如出汗)水分子在黏附界面的聚集而受到影響。人體活動所面臨的多種濕度環(huán)境,包含人體呼吸、傷口滲出液、汗液等內部環(huán)境以及沙漠、游泳、淋浴、雨天等外部環(huán)境;并分別針對濕度環(huán)境對柔性電子設備完整性與功能性的影響,介紹了其設計策略;最后展示了柔性可穿戴電子在多種濕度環(huán)境下應用于電子織物、智能敷料、可穿戴傳感器與人工肌肉等領域的前景。

       目前可以提供柔性材料研發(fā)過程中針對真空、力學、熱學、電學等復合工況測試需求的進口儀器廠家主要有Linkam和Instec等,國產(chǎn)儀器廠商主要有文天精策等。幾家公司所提供的各種冷熱臺均可實現(xiàn)多種環(huán)境(氣氛、真空、濕度等),與源表、顯微鏡、XRD、DIC、拉曼等聯(lián)用,進行材料、器件的電學、光學、力學性能等的測試,最大控溫范圍-190~600℃,控溫精度可達±0.1℃。

其中文天精策還將冷熱原位拉伸臺與視覺測試DIC集成,推出冷熱原位拉伸微觀測試系統(tǒng)??蓪崿F(xiàn)多種環(huán)境下(氣氛、真空、濕度等),同步測試柔性材料的應力應變、電學及 DIC數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)恒速或恒力兩種加載方式, 實現(xiàn)-190~600℃溫度下材料的動態(tài)應力應變特性,而且可以定量分析材料在測試過程中相變行為、裂紋萌生及擴展、斷裂、彎曲等過程。 

隨著中國科技實力的不斷發(fā)展,國產(chǎn)儀器正在逐步改善其原有的形象,在某些領域正迎頭趕上,依靠其供貨周期短、性價比高、售后服務優(yōu)、接受定制化等優(yōu)勢,逐步替代進口儀器。今后,我國科技將獲得更大的發(fā)展空間,最終*消除“卡脖子"現(xiàn)象。

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電子元器件變溫應力應變測試

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