关键词：
柔性电子
应力缓冲结构
3D打印
可延展柔性电路集成
健康监测
摘要：
随着柔性电子技术的快速发展,可延展柔性电路在健康监测、人机交互和生物医学等领域展现出巨大的应用潜力。然而,传统刚性硅基芯片与柔性基底显著的力学性能差异,导致在形变过程中软硬界面处应力过于集中,引发界面分层和断裂,这制约了柔性电路的应用场景。本文针对这一问题,提出了一种仿生多级环形微孔(Bio-inspired Hierarchical Annular Microporous,BHAM)应力缓冲结构,并结合3D打印技术开发一套低成本、高效率的集成方法,成功制备出具有优异拉伸性能、高集成密度和稳定电学响应的可延展柔性电路。主要研究结果如下:
(1)设计并制备出BHAM应力缓冲结构,极大提高界面稳定性。受自然界中广泛存在的蜂巢、海绵和骨骼等多级层次化孔隙结构启发,结合基础界面力学理论,设计了BHAM应力缓冲结构。该结构通过引入多级环形微孔阵列,实现对局部刚度的调控,并利用微孔屈曲优先吸收应变能的机理,有效缓解软硬界面处的应力集中;基于低成本、高精度的光固化3D打印技术制造模具,并结合倒模工艺,成功在柔性基底上制备出BHAM结构。实验结果表明,BHAM结构相对于传统的圆形刚度梯度缓冲层,将界面分层的临界应变从35%提升至48%,拉伸性能提升37%。
(2)设计并制备出具有高延展性和高集成密度的柔性电路。采用二维蛇形岛桥结构作为刚性芯片间的电学互连,通过激光选择性刻蚀技术和转印工艺,实现刚性芯片与柔性基底集成。结合3D打印技术,将BHAM应力缓冲结构集成到高芯片密度的柔性电路中,进一步提升电路的拉伸性能。实验结果表明,具有BHAM结构的柔性电路在拉伸测试中表现出更高的延展性,拉伸性能提升66%。
(3)设计并开发一套无线健康监测与人体姿态重构系统。基于可延展柔性电路,开发一套系统,该系统包括下位机、上位机和姿态重构软件平台,能够实时采集人体体温、心电、呼吸和运动信号等体征数据,并通过低功耗蓝牙无线传输至上位机进行数据解析和显示;基于惯性传感器的九轴传感数据,采用Madgwick姿态融合算法解算出欧拉角,并通过Unity 3D平台实现人体姿态的实时重构。实验结果表明,该系统能够在复杂运动环境下稳定工作,在实际应用中有良好的机械可靠性和电学稳定性。
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