面向柔性電子器件的變溫力學(xué)、光學(xué)、電學(xué)測(cè)試

      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(chǔ)，結(jié)合微納米加工與集成技術(shù)，采用柔性材料設(shè)計(jì)制造可實(shí)現(xiàn)邏輯放大、濾波、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、信號(hào)反相、數(shù)字運(yùn)算、傳感等功能的新一代柔性電子元器件，是信息技術(shù)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(xué)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(kāi)發(fā)在多種變化環(huán)境因素下可測(cè)試柔性電子器件的力學(xué)、光學(xué)、電學(xué)等性能的測(cè)試系統(tǒng)在柔性電子器件研發(fā)和生產(chǎn)過(guò)程中用具有重要意義。

??西安交通大學(xué)仿生工程與生物力學(xué)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(jiǎn)述了針對(duì)柔性電子設(shè)備在長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)過(guò)程中面臨機(jī)械力、溫度和濕度三種環(huán)境挑戰(zhàn)（圖1），并總結(jié)了國(guó)內(nèi)外近年來(lái)基于材料創(chuàng)新和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以保障柔性電子設(shè)備在多種變化環(huán)境因素下功能實(shí)現(xiàn)的研究成果。

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

1. 承受大幅度力學(xué)變形的柔性電子器件

??人體活動(dòng)常伴隨拉伸、壓縮、剪切、扭曲等力學(xué)變形（如肢體運(yùn)動(dòng)、心臟搏動(dòng)、血管舒張等），這些力學(xué)變形的參數(shù)范圍為柔性可穿戴電子材料和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)與超材料設(shè)計(jì)、提升可穿戴電子靈敏度的三維微結(jié)構(gòu)。

2. 承受大幅度溫度變化的柔性可穿戴電子

??人類(lèi)活動(dòng)中面臨不斷變化的環(huán)境溫度，由熱到冷、由正常室溫到異常酷暑嚴(yán)寒，溫度變化范圍可達(dá)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(lái)挑戰(zhàn)。以水凝膠柔性電子為例，在材料方面，有機(jī)溶劑、鹽與離子液體的引入均能提高材料的抗凍性能；在結(jié)構(gòu)方面，彈性體涂層對(duì)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(shè)計(jì)思路可顯著提高水凝膠在不同溫度下的耐受

性。基于這些設(shè)計(jì)方案，多種抗凍、抗高溫柔性可穿戴電子已被廣泛應(yīng)用于人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)與能源供應(yīng)領(lǐng)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(lái)挑戰(zhàn)，如干燥環(huán)境使得水凝膠柔性電子失水皺縮進(jìn)而失去延展性與功能性，濕潤(rùn)環(huán)境可能使得水凝膠電子發(fā)生溶脹導(dǎo)致不可控的形貌變化及表面結(jié)構(gòu)破壞。而作為采集信號(hào)可靠性的重要保障，器件與人體皮膚之間的有效黏附也會(huì)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(dòng)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(nèi)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(duì)濕度環(huán)境對(duì)柔性電子設(shè)備完整性與功能性的影響，介紹了其設(shè)計(jì)策略；最后展示了柔性可穿戴電子在多種濕度環(huán)境下應(yīng)用于電子織物、智能敷料、可穿戴傳感器與人工肌肉等領(lǐng)域的前景。

       目前可以提供柔性材料研發(fā)過(guò)程中針對(duì)真空、力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)等復(fù)合工況測(cè)試需求的進(jìn)口儀器廠家主要有Linkam和Instec等，國(guó)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(tái)均可實(shí)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(jìn)行材料、器件的電學(xué)、光學(xué)、力學(xué)性能等的測(cè)試，最大控溫范圍-190~600℃，控溫精度可達(dá)±0.1℃。

其中文天精策還將冷熱原位拉伸臺(tái)與視覺(jué)測(cè)試DIC集成，推出冷熱原位拉伸微觀測(cè)試系統(tǒng)。可實(shí)現(xiàn)多種環(huán)境下（氣氛、真空、濕度等），同步測(cè)試柔性材料的應(yīng)力應(yīng)變、電學(xué)及 DIC數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)恒速或恒力兩種加載方式， 實(shí)現(xiàn)-190～600℃溫度下材料的動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變特性，而且可以定量分析材料在測(cè)試過(guò)程中相變行為、裂紋萌生及擴(kuò)展、斷裂、彎曲等過(guò)程。 

隨著中國(guó)科技實(shí)力的不斷發(fā)展，國(guó)產(chǎn)儀器正在逐步改善其原有的形象，在某些領(lǐng)域正迎頭趕上，依靠其供貨周期短、性?xún)r(jià)比高、售后服務(wù)優(yōu)、接受定制化等優(yōu)勢(shì)，逐步替代進(jìn)口儀器。今后，我國(guó)科技將獲得更大的發(fā)展空間，最終*消除“卡脖子"現(xiàn)象。

電子元器件變溫應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試