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面向柔性电子器件的变温力学、光学、电学测试

发布时间:2021-08-16      点击次数:300

      柔性电子器件是柔性电子的主要体现形式之一。以柔性材料为基础,结合微纳米加工与集成技术,采用柔性材料设计制造可实现逻辑放大、滤波、数据存储、信号反相、数字运算、传感等功能的新一代柔性电子元器件,是信息技术发展的迫切需求。柔性功能材料所具有的光、电、磁、热、力等独特的物理和化学性能,使得柔性电子器件可被广泛用于柔性显示、数据加密、可穿戴感知等智能化电子系统。因此,开发在多种变化环境因素下可测试柔性电子器件的力学、光学、电学等性能的测试系统在柔性电子器件研发和生产过程中用具有重要意义。

  西安交通大学仿生工程与生物力学研究所BEBC研究人员发表室的“The New Generation of Soft and Wearable Electronics for Health Monitoring in Varying Environment: From Normal to Extreme Conditions"综述文章简述了针对柔性电子设备在长期监测过程中面临机械力、温度和湿度三种环境挑战(图1),并总结了国内外近年来基于材料创新和结构设计以保障柔性电子设备在多种变化环境因素下功能实现的研究成果。

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图1. 人体活动所面临的多种环境:从正常到异常的机械力、温度与湿度环境。

1. 承受大幅度力学变形的柔性电子器件

  人体活动常伴随拉伸、压缩、剪切、扭曲等力学变形(如肢体运动、心脏搏动、血管舒张等),这些力学变形的参数范围为柔性可穿戴电子材料和结构的设计提出了具体要求。如可用于提升柔性可穿戴电子延展性的二维平面结构与超材料设计、提升可穿戴电子灵敏度的三维微结构。

2. 承受大幅度温度变化的柔性可穿戴电子

  人类活动中面临不断变化的环境温度,由热到冷、由正常室温到异常酷暑严寒,温度变化范围可达到-50℃- -60℃范围区间,这种不断变化的温度条件给材料的耐久使用(如抗高温、抗低温性能)带来挑战。以水凝胶柔性电子为例,在材料方面,有机溶剂、盐与离子液体的引入均能提高材料的抗冻性能;在结构方面,弹性体涂层对水凝胶的抗冻和抗高温性能的提升可产生积极的影响;此外,综合两种设计思路可显著提高水凝胶在不同温度下的耐受

性。基于这些设计方案,多种抗冻、抗高温柔性可穿戴电子已被广泛应用于人体运动监测与能源供应领域。

3. 承受大幅度湿度变化的柔性可穿戴电子

  变化的湿度环境为柔性可穿戴电子的使用带来挑战,如干燥环境使得水凝胶柔性电子失水皱缩进而失去延展性与功能性,湿润环境可能使得水凝胶电子发生溶胀导致不可控的形貌变化及表面结构破坏。而作为采集信号可靠性的重要保障,器件与人体皮肤之间的有效黏附也会因潮湿环境中(如出汗)水分子在黏附界面的聚集而受到影响。人体活动所面临的多种湿度环境,包含人体呼吸、伤口渗出液、汗液等内部环境以及沙漠、游泳、淋浴、雨天等外部环境;并分别针对湿度环境对柔性电子设备完整性与功能性的影响,介绍了其设计策略;最后展示了柔性可穿戴电子在多种湿度环境下应用于电子织物、智能敷料、可穿戴传感器与人工肌肉等领域的前景。

       目前可以提供柔性材料研发过程中针对真空、力学、热学、电学等复合工况测试需求的进口仪器厂家主要有Linkam和Instec等,国产仪器厂商主要有文天精策等。几家公司所提供的各种冷热台均可实现多种环境(气氛、真空、湿度等),与源表、显微镜、XRD、DIC、拉曼等联用,进行材料、器件的电学、光学、力学性能等的测试,最大控温范围-190~600℃,控温精度可达±0.1℃。

其中文天精策还将冷热原位拉伸台与视觉测试DIC集成,推出冷热原位拉伸微观测试系统。可实现多种环境下(气氛、真空、湿度等),同步测试柔性材料的应力应变、电学及 DIC数据。该系统可以实现恒速或恒力两种加载方式, 实现-190~600℃温度下材料的动态应力应变特性,而且可以定量分析材料在测试过程中相变行为、裂纹萌生及扩展、断裂、弯曲等过程。 

随着中国科技实力的不断发展,国产仪器正在逐步改善其原有的形象,在某些领域正迎头赶上,依靠其供货周期短、性价比高、售后服务优、接受定制化等优势,逐步替代进口仪器。今后,我国科技将获得更大的发展空间,最终彻底消除“卡脖子"现象。

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电子元器件变温应力应变测试

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