无机柔性电子器件的层叠仿生网格基底结构设计、分析及应用

Flexible electronic devices have broad application prospects for human medical in early warning and prevention of diseases, where one of the biggest challenge is how to attach to the skin effectively. Designs of flexible inorganic electronic devices with skin-like stress-strain constitutive relations that can reproduce the mechanical properties of human skins are the key and essential for a comfortable bio-integration. However, very few relevant researches were reported. This project aims to design bioinspired mesh substrates with skin-like mechanical properties. Mechanical compatibility, large stretchability, and high level of device integration can be achieved, through the architected designs of mesh substrates with multilayer, stacked construction. Base on the fully study of deformation mechanism of serpentine interconnects on grid substrate, the pore between layers of stacked grid substrate is utilized to accommodate the out-of-plane buckling deformation of interconnects, where the stress concentration is alleviated, contributing to the increase of stretchability. Based on concurrent optimization considering both the structural and functional aspects, criterions of designing multilayer flexible electronic devices is formed through stacking substrates, coordinating spatial position of electronic components, contributing to a high level of device integration with large stretchability. The research background of the applicant can well guarantee the smooth implementation of this proposal. This project could further promote the broad applications of flexible electronic devices in health care.

柔性电子器件在人体重大疾病预警、防控应用中的最大挑战是如何实现与皮肤高效集成。开发具有皮肤力学性能的无机柔性电子器件是其中的关键和难点，目前相关研究成果较少。本项目通过层叠网格基底结构设计，解决柔性电子器件与皮肤力学兼容问题，在基于网格基底蛇形导线变形机理研究的基础上，实现延展率、器件集成度的优化与统一。通过仿生网格基底的结构设计，实现与皮肤类似的J型应力应变曲线；揭示典型仿生网格基底-导线-基底体系的屈曲变形模式，利用层叠网格基底层间孔隙，提供蛇形导线的面外屈曲变形空间，缓解导线应力集中，增加可拉伸性；采用结构功能一体化设计思想，通过层叠基底、优化与协调元件空间位置及功能，在保证多层系统延展性基础上，提高器件集成度，形成基于层叠仿生网格基底的柔性电子器件优化设计准则。结合申请人前期研究基础，本项目的顺利实施，会进一步推动柔性无机电子器件在健康医疗领域的应用。

随着5G、大数据及万物互联技术的普及，柔性电子技术被赋予了更加广阔的应用空间。该领域一直以来的一个研究焦点是如何解决器件延展率和功能密度相互制约的难题。尤其是当柔性电子器件经过封装后，如何使其保持较高的延展率，是一个亟需克服的挑战。为提升无机柔性电子器件的延展率，前人提出了“岛-桥”导线、蛇形导线、分型导线及三维螺旋导线等设计策略，但是这些策略在增加器件延展性的同时，是以降低器件的功能密度为代价（覆盖率一般<80%）。前人也提出了将单层电路进行折叠和层叠，提高柔性电子器件功能密度。但是，在经过封装后，由于封装材料对导线变形的约束作用，为保持一定的延展率，其系统覆盖率在此前研究中最高达到~76%，很难进一步提高。.本项目提出了一种小型化、高集成度柔性电子器件的层叠网格封装技术，实现了兼具高延展率、高覆盖率和类皮肤力学性能的无机柔性电子器件，解决了经封装的柔性电子器件的高延展率与高覆盖率之间的矛盾。将前期研制的仿生网状软材料作为封装材料，在降低对导线约束的同时，利用网格的孔隙容纳蛇形导线受拉伸之后的面外变形，以此提高延展性；同时，将多个网格基底层叠，在不影响延展性的同时又提高了柔性电子器件的功能密度，实现了柔性电子器件的小型化集成与封装。.基于理论研究与实验测量，研究了蛇形导线-网格封装体系中关键几何参数对延展率的影响规律。揭示了网格封装下蛇形导线的变形模式，提出了“约束因子”概念以定量刻画器件的封装材料与蛇形导线的相互竞争关系对其延展率的影响。在此理论指导下，研制了在一个指甲大小（11×10mm2）面积上，集成包括微控制器等在内的42个电子元件、80多条的蛇形导线的小型化多功能无线柔性电子器件，覆盖率达到110%，且具有20%的双向延展率。在此基础上，展示了该器件作为无线鼠标等在人机交互方面的应用前景。相关研究成果，发表于Science Advances等重要期刊，并被选为封面，被《中国科学报》等媒体报道，受到了国内外科研界和产业界的关注。

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