柔性電子器件中的幾個(gè)力學(xué)問題研究.pdf

1、從20世紀(jì)90年代起，無機(jī)柔性電子器件開始進(jìn)入人們的視野，科學(xué)家們將電子器件集成在柔性基體上，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)獲得器件的可延展性并保持器件的電學(xué)特性。到了21世紀(jì)，隨著多學(xué)科交叉領(lǐng)域的發(fā)展，柔性電子器件在生物醫(yī)學(xué)、納米科學(xué)、通信工程和消費(fèi)類電子產(chǎn)品等領(lǐng)域大放異彩，產(chǎn)生了諸如柔性電路，轉(zhuǎn)印技術(shù)，電子眼攝像機(jī)，柔性電池和柔性皮膚電子技術(shù)等一系列的新興技術(shù)和新型電子器件。
　　近年來，隨著柔性電子技術(shù)的發(fā)展，柔性電子器件在皮膚測(cè)量領(lǐng)域的研究

2、也取得了突破性的進(jìn)展。在最新的研究中，將微米甚至納米級(jí)的電子器件（傳感器，導(dǎo)線，晶體管，電源，信號(hào)傳輸器等）集成在很?。ù蠹s20～50μm）的柔性基體上，得到了可長(zhǎng)期用于人體皮膚表面的“柔性皮膚模量測(cè)量器件”。器件的整體尺寸，密度和物理特性與人體皮膚非常接近，具有良好的生物相容性。這些研究引起了電子，材料，力學(xué)，醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域?qū)W者的廣泛關(guān)注。
　　另一方面，利用微納制造技術(shù)和柔性電子技術(shù)的結(jié)合，將微米級(jí)的微型二極管（μ-LED）器件集

3、成在柔性基體上，可以獲得具有良好拉伸特性的新型LED器件。脈沖形式的電（熱）加載使得器件具有的熱學(xué)特性和通信性。μ-LED在背光模塊，光纖通信和光遺傳學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。
　　本文針對(duì)上述柔性電子器件中的力學(xué)建模、分析方法及其熱學(xué)問題進(jìn)行了研究，主要工作概括如下：
　　(1)研究了柔性皮膚電子器件和皮膚之間的位移連續(xù)性問題，考慮到人體皮膚的微觀結(jié)構(gòu)，證明了器件對(duì)人體皮膚的普適性。利用彈性力學(xué)半無限體的Cerruti解模型

4、，研究了柔性皮膚電子器件和皮膚（聚二甲基硅氧烷（PDMS））之間的剪切力作用。通過和實(shí)驗(yàn)的對(duì)比，驗(yàn)證了壓電傳感器的變形模式和工作原理。并為模型的簡(jiǎn)化提供了支持。
　　(2)通過對(duì)三維模型的簡(jiǎn)化，建立了皮膚楊氏模量測(cè)量器件的平面應(yīng)變斷裂力學(xué)模型。分別研究了有限長(zhǎng)度裂紋和共線裂紋模型。通過和實(shí)驗(yàn)的對(duì)比，建立了人體皮膚的彈性模量和輸出電信號(hào)之間的函數(shù)關(guān)系。通過和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比，可以成功預(yù)測(cè)人體皮膚的模量。
　　(3)考慮到器件基體

5、和皮膚（PDMS）之間的彈性模量差異以及皮膚的粘彈性作用，分別引入了雙材料裂紋模型，和粘彈性材料的復(fù)數(shù)模量模型，對(duì)單材料裂紋模型進(jìn)行了修正。該修正模型很好地解釋了實(shí)驗(yàn)中輸出信號(hào)和輸入信號(hào)之間的相位差的問題。
　　(4)研究了微尺度發(fā)光二極管在脈沖電載荷作用下的溫度場(chǎng)分布，并通過和實(shí)驗(yàn)以及有限元（FEM）計(jì)算的對(duì)比，得到了器件中最高溫升的解析表達(dá)式，為器件設(shè)計(jì)和安全工作提供了可靠的理論模型。
　　論文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)包括：

6、　　(1)通過引入裂紋模型，將柔性皮膚電子測(cè)試裝置中的復(fù)雜的力電耦合關(guān)系，變成簡(jiǎn)單的可以用斷裂力學(xué)處理的裂紋模型，并通過共線裂紋模型，給出了簡(jiǎn)化的柔性皮膚模量測(cè)量器件的精確的位移邊界條件，以及輸出電壓與被測(cè)材料彈性模量之間關(guān)系的顯式表達(dá)式。
　　(2)根據(jù)雙材料裂紋模型和單材料裂紋模型的能量釋放率的比值，得到了雙材料裂紋模型加載固定位移載荷情況下的變形能，并利用有限元分析驗(yàn)證了結(jié)果的合理性。
　　(3)在μ-LED的溫度場(chǎng)分