Esnek elektronik işlem, elektronik sistemlerin fiziksel dünya ile nasıl entegre edildiğine dair bir paradigma değişikliğini temsil eder.Zengin, planlı devre tahtaları aksine, bu cihazlar doku ile hareket eden esnek, bükme, genişletilebilir ve bunları devrimci hale getirmeden eğrili yüzeylere uygundur. Bu eşsiz özellik daha önce imkansız bir şekilde uygulama sağlar - malzemeleri ve cihazların elektrik özelliklerini kavrayabilir, doğrulayan esnek görüntüler.

Temel Fizik: Nasıl Deformasyon Alternatifleri Elektriksel Davranış

Mekanik deformasyonun elektrik özelliklerini neden takdir etmek için, biri esnek elektroniklerde yaygın olarak kullanılan malzemelerdeki iletim mekanizmaları dikkate almalıdır.Polonya veya alüminyum gibi geleneksel iletkenler, lattice spacing artışları, ki bu küçük partiküller arasında kuantum etkisi artırır.

Percolation Network Disruption

Birçok esnek iletkenler - gümüş nanotel (AgNW) ağları gibi, karbon nanotüp (CNT) filmleri veya grafikten flakes - percolasyon üzerinden çalışır: şarj taşıyıcıları birbirine bağlı bir iletken partiküller aracılığıyla hareket eder.Sürücükler veya bu değişimin altındaki ağı genişletirken, bazı bağlantıların göreceli pozisyonları, bu davranışın aşırı derecede hassas olması, bu yöndeki davranışın aşırı derecede hassas olması ve genel direnç artışı sağlar.

Toz Malzemelerinde Piezoresist Etkisi

Sürekli ince filmlerde bile (örneğin, metal tabakaları ya da silikon nanomembranes) mekanik suratılış, grup yapısını ve taşıyıcı hareketliliğini değiştirmek, metaller için, bu etki nispeten küçük (gauge faktörü -2), ancak yarı iletkenler gibi önemli olabilir.Bazı polimerler, poli(3,4-pirasyonel-hidrojen) polistyrene sulfonat (PEDOT:PSS), güçlü bir jöpücüksel değişiklikler için, güçlü bir tepki gösteriyor.

Tünel ve İletişim

Kompozitler ve kaba arabirimler, elektrik iletim genellikle, eğimde 1 nm artış, tabakalar (örneğin, elektrot ve aktif tabaka) arasındaki direnci azaltabilir.Deformasyon, boşlukları etkileyen, üstel olarak değiştirir. Örneğin, 1 nm boşlukta artış, boyutlandırmada tünellemenin bir düzenle azaltılabilir. Benzer şekilde, tabakalar arasındaki direnç (örneğin, elektrot ve aktif tabakalar arasındaki bağlantı noktası)

Anahtar Elektrik Mülkiyet Değişiklikleri Deformasyon tarafından

Mekanik deformasyon sadece DC direnişi değil aynı zamanda AC parametreleri, kapasitance, indükance ve dielektrik davranışı da etkiler. İşte birincil etkileri analiz ediyoruz.

Direniş ve Davranış

En çok incelenen etki, elektrik direncinde (veya ters, iletkenlik) uygulanabilir. Basit bir davranış izi için, direnç geometrik elongasyon (uzunluk ve kesit azaltımı) ve intrinsic dirençteki azalma nedeniyle gerginlik artar. ölçüm faktörü (GF) bunu ölçür: GF = (345R/R0) / ⁇ , ⁇ 'nin hemen hemen hemen geri dönüştüğünü gösterir.

Capacitance ve Dielektrik Özellikleri

Esnek kapasitörler, dokunmatik sensörlerde kullanılır, enerji depolama (süperatör, bataryalar), ve RF devreleri, malzeme özellikleri altında değişkenlik değişiklikleri. Paralel olarak plaka kapasitörler için, eğim C = ⁇ 0 ⁇ rA/d. çekme alanı A ancak aynı zamanda plaka ayrılıklarını arttırır (eğer dielektrik baskılayıcı veya yaratım sensörleri nedeniyle değişebilir).

İndük ve Impedance

Esnek indüktörler ( kablosuz güçte kullanılır, RFID), deformasyon değişiklikleri döngü geometrisi, indüktör L. A sönüllü daha büyük bir alana sahiptir, ancak daha uzun iletken uzunlukta; kendi kendine giriş genellikle dış sistemlerle karşılıklı olarak değişir, bu da yeniden yüklenebilir.

İletişim ve Interfacial Effects

Birçok esnek cihaz birden çok katmandan oluşur (örneğin, organik ışık-ilotları, OLEDs; ince film transistörleri, hologramları). Mekanik deformasyon, yüzeylerdeki bağlantıları veya bağlantı direncini artırabilir. Örneğin, esnek bir OLED, delik ulaşım katmanından uzak tutabilir, noktaları veya karanlık noktalar yaratır.

Elektrik Mülkiyet Değişiklikleri Etkileyen Faktörler

deformasyon ve elektrik cevabı arasındaki ilişki evrensel değildir; materyale, geometriye, yükleme koşullarına ve çevreye bağlıdır. Aşağıda, etkileyen faktörlerdir.

Malzeme Seçimi ve Mikroyapım

Intrinsic material properties has. Brittle material like indium tinoxy (ITO) Graphene ve CNTs'in aşırı derecede şiddetli bir direnç artışına neden oluyor. Aksine, sıvı metaller (örneğin, eutectic galium-indium, EGaIn) iletken polimerler% 100 > su geçirmezler bile kullanılabilirlik sağlar. Graphene ve CNTs çok fazla intrinsic power and can get large connectionss if buzz.

Deformasyon Modu ve Magnitude

Dük (geçer), germe (uniyel /biyel), bükülme ve baskı alanları her biri farklı stres ve sustutma alanlarının sabitlenmesi için baskı yapar.Sıklama, çok deformasyon yaratır.Ing.If the concave, with a neutral plane in the correct use and can causes visible failure.

Puan ve Bisiklet

Dinamik deformasyon - hızlı bir şekilde suşi uygulanıyor ve kaç döngüsü – elektriksel istikrar. Hızlı bükme, substratlarda viskopik etkiler yaratabilir, dirençin gecikmesine yol açabilir. Tekrarlanan bisiklet, yorgunluka neden olabilir: mikrokuzaktan dolayı direnç artışın artması, statik başarısızlıkların azaltılmasının altında bile.

Çevre Faktörleri

Sıcaklık ve nem mekanik ve elektrik özelliklerini modülletir. Birçok polimer yüksek sıcaklıklarda yumuşar, sertlik azaltır, ancak artan iyonlar, betonarebilirlik sağlar, ancak aynı zamanda metal izlerinin korozyonunu hızlandırabilir. Tıbbi aşınmaz uygulamalarda, ter ve vücut ısısı zaman içinde karmaşık bir ortam yaratır.

Deformasyon Etkilerinin Karakterizasyonu ve Modellenmesi

Doğru ölçüm ve tahmin güvenilir esnek elektronik tasarımı için kritik öneme sahiptir. Birkaç deneysel ve hesaplama yaklaşımları kullanılır.

In-Situ Elektrik-Mechanical Test

Özelleştirilmiş test kurulumları mekanik testleri (örneğin, bükme, yorgunluk) aynı anda elektrik ölçümleri (örneğin, esnek görüntüler için dört noktalı prob, LCR metresi de bükme aşamaları içerir. Örnekler kontrollü yarıçaplı lineer aşamalar için otomatik bükme aşamaları içerir ve baskı eylemleri baskı eylemleri için baskı işlemleri kaydedilir. Elektrik verileri baskı veya döngüler için bir işlev olarak kaydedilir.

Finite Element Analizi

Multifizikler sonlu elemanlar (FE) modelleri çift mekanik deformasyon (stres/strain alanları) elektrik iletim veya elektrostatik ile. Bu modeller karmaşık geometrilerde (örneğin, yılan izlerini bulmak zorlanır ve baskı yapmadan şarj edilir.

Mikroscale Görüntüleme ve Spectroskop

Hasar mekanizmaları anlamak için, araştırmacılar elektron mikroskobu (SEM), atomik kuvvet mikroscopy (AFM), ve Raman spektroskopi'nin in-situ deformasyonu altında ortaya çıkar. Bu, çatlakları, delaminasyonu ve moleküler hizalamayı ortaya çıkarır. Örneğin, Raman tepeleri, elektriksel geçiş altında geçiş yapar (strain-indüklenmiş bir ses çıkarır)

Robust Esnek Elektronik için Stratejiler

deformasyonun olumsuz etkilerini aşmak için, araştırmacılar ve mühendisler, malzeme mühendisliğinden yapısal tasarıma kadar yenilikçi stratejilerin bir versiyonunu geliştirdiler.

Malzeme Yeniliği

  • [FONT:0)Intrinsically olarak genişletilebilir iletkenler: PEDOT gibi polimerler:PSS plastikleştiriciler veya iyonik sıvılar ile karıştırılmış, 1000 S/cm üzerindeki iletkenliği devam ederken %100 derinlemesine uygulanabilirliğe ulaşabilir.
  • [FONT=0)Nanomal kompozitler: [DDMS:0)[Döneticileri) ile karıştıran gümüş nanoteller (örneğin, Ecoflex, PDMS) oldukça iletken, genişletilebilir elektrotlar yaratır.
  • [FONT:0]Liquid metaller:[Dönetici:[Dönetici:0)[Dönetici:0))Encapsated EGaIn veya galium bazlı alaşımlar oda sıcaklığında sıvı kalır, uygun olmayan direniş yüzde yüz kadar değişir.
  • [FONT:0]Graphene ve karbon nanotüp filmleri: Dikey olarak CNT ormanları veya grafiken köpükler yüksek iletkenlik ve esneklik sunar. Kimyasal doping taşıyıcı konsantrasyonunu artırabilir.

Yapısal ve Geometrik Tasarım

  • [FONT:0]Serpentine ve athoe kalıpları: eğri boyunca yay gibi görünen bir iz, yüksek stresin azaltılması, en yüksek stresin azaltılması ve esnek PCB tasarımları ile yaygın olarak kullanılır.
  • [FONT:0]Neutral uçak pozisyonu: [Dönetici: [Düzg: 1] Sertleştirici tabakaların betonarme ve katılaşması ile elde edilebilir.
  • [FONT=0)Kirigami ve origami:[Dönemli bir sayfadaki kesimler, uçağın dışına çıkıp malzemenin kendisini çekmeden büyük sular barındırmaktadır.
  • [FONT:0]Strain izolasyonu ve suskunma yapılarını güçlendirin:) Katı olmayan köprüler tarafından bağlantılı katı adalarda hassas elektronik kullanımı.

Encapsulation and Drug Kaplamas

Esnek encapsulants (örneğin, parylene, poliimide) nem, oksijen ve mekanik aşınmaya karşı koruma sağlar. Ayrıca tabaka arayüzlerinde stresleri yeniden dağıtırlar.

Aktif Ücret ve Cümle

Gelişmiş sistemlerde, deformasyon etkileri elektronik olarak telafi edilir. Örneğin, bir iletkenin yanında entegre edilmiş bir su sensörü, sinyalleri veya doğru direniş sürüklemelerini ayarlamaya geri verebilir. Dijital kalibrasyon, göz boyama masaları veya makine öğrenme algoritmaları elektrik yanıtlarına göre harita deformasyon durumunu haritalayabilir, doğru sensör okumalarına rağmen doğrulayıcıları yorumlayabilir.

Uygulamaları ve Vaka Çalışmaları

deformasyona maruz kalan elektrik değişikliklerinin pratik sonuçları birkaç temel uygulamada belirgindir.

Giysilenebilir Sağlık İzlemeleri

Kalp oranı, sıcaklık ve elektrodermal aktivite için deri ile genişletilmelidir. sensörün direnci hareketle düşünülemez, sinyal eserler görünür. Strain-mühendis tasarımları (örneğin, yılan altın elektrotları ince bir silikon substratı) direnç varyasyonları minimuma indirmelidir.

Esnek Ekranlar ve Aydınlatma

Esnek OLED ekranları, tekrarlanan bükme altında işlevsel kalmalı ince film transistör arka planlarına güveniyor. Samsung ve LG gibi üreticiler tarafsız uçak optimizasyonu ve ince film encapları ile poliimide substratlar kullanıyor.

Yumuşak Robotik ve E-Textiles

Robotik kıvrımlar ve hareketleyiciler, gerilim sensörlerinin konum algılaması için hassas direniş ilişkilerine ihtiyaç duyuyorlar. Benzer şekilde, dokunaklı ipliklerle akıllı kumaşlar günlük hareket sırasında elektriksel bütünlüğü sağlamalıdır - yıkama, germe, bükme, bükme. Araştırma grupları gibi. 0)MIT Media Lab)

Çolak Bataryalar ve Enerji Depolama

Sıcaklıkta olan bataryalar, eğer iç kısa devreler meydana gelirse güvenlik riski oluşturur. Araştırmacılar yılanları mevcut koleksiyoncuları ve elektrolitleri su altında tutma kapasitelerini korumak için tıkar. Önemli bir örnek, [[Şaplakable lityum-ion bataryası) Rogers ve al.

Future Yol ve Challenges

Önemli ilerlemeye rağmen, sorunlar devam ediyor.Şu anda intrinsically olarak dayanılmaz iletkenler hala metallerden daha düşük iletkenliğe sahipler, kalın tabakaları gerektiren uzun vadeli güvenilirlik tam olarak karakterize edilmez. Ayrıca, katı mikroçipleri esnek sistemlere entegre etmek, sert mikropüreler konsantre olan bölgelerin de katır.

  • [FONT:0]3D-printed esnek elektronik: Doğrudan iletken ve karmaşık eğriliklere baskı, maddi yerleştirmenin kesin kontrolü ile stresin yönetilmesi.
  • [FONT:0)Kendi kendine özgü ve uyarlayıcı malzemeler: Özerk olarak çatlakları tamir eden veya iletkenliği deformasyona yanıt olarak ayarlayan malzemeler.
  • [FONT:0]AI-güdümlü tasarım optimizasyonu: [Dönetici: Makine öğrenmesi, yeni desenlerin ve kompozitlerin elektrik-mekanik davranışını tahmin etmek, malzeme gelişimini hızlandırmak.
  • [FONT:0)Standartize test protokolleri: [Dönetici: Endüstri çapında standartlar (örneğin, IEEE, IEC) değiştirilebilir esnek elektroniklerin deformasyon altında karakterize edilmesi, uygulanabilirlik ve sertifikasyona yardımcı olacaktır.

Nesnelerin interneti (IoT), giyilebilir bilgisayar ve esnek tıbbi cihazlar büyümeye devam ettikçe, mekanik deformasyon ve elektrik performansı arasındaki etkileşimin ustalaşması, gerçekten uygun elektroniklerin bir sonraki nesli kilidini açmak için anahtar olacaktır.