悬挂支撑硬质薄膜屈曲及电磁辅助转印印戳的力学设计

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近年来,柔性电子得到了广泛的关注,其主要原因在于:柔性电子的力学性能相对比传统电子的力学性能要好,可以适应各种拉伸、卷曲、折叠、扭转和应用于各种复杂的曲面表面。但由于柔性电子器件发展时间不长,有关的基础理论、设计方法和控制技术还未完全成熟,尤其是提高柔性电子的延展性和转印技术的理论研究亟需深入。本文从柔性电子的延展性和转印方法两方面出发,对柔性电子器件新型结构的薄膜屈曲和转印技术问题进行研究。为了提高柔性电子的延展性,本文从结构方面着手,提出一种新型的屈曲结构—电子薄膜悬挂在柔性的三角架基底上。运用能量法、最小势能原理和有限元分析等方法,对电子薄膜悬挂在柔性的三角架基底上的屈曲和后屈曲力学行为进行分析。由于转印是柔性电子制备过程中的重要环节,本文中提出一种全新的主动转印方法-电磁辅助转印,并通过分析建立了电磁辅助印戳的理论模型,来确定电磁驱动压力和印戳结构参数的定量关系,为将来实验做理论指导。本文的主要研究内容和结论如下:1、研究了电子薄膜悬挂在柔性的三角架基底上的屈曲和后屈曲行为,并建立薄膜-基底系统的总能量和最小化势能原理,得到电子薄膜屈曲和后屈曲过程中幅值和薄膜应变的最大值与预应变和施加应变的关系。结果表明电子薄膜的屈曲幅值和薄膜最大薄膜应变均随着初始相邻三脚架尖端间距和预应变的增大而增大。后屈曲过程中,后屈曲幅值随着初始相邻三脚架尖端间距和预应变的大而增大,随着施加应变的增大而减小。理论计算和有限元分析表明,三角架柔性基底相较于沟槽柔性基底能够更有效的降底器件/柔性基底界面处的应变和应力。2、提出一种新型的转印方法-电磁辅助转印。该方法通过改变印戳结构中空腔缺陷处的压力大小来控制印戳和电子元件间的黏附大小。提出了内含圆台型和四棱台空腔印戳结构,建立了两种新型印戳实现电磁辅助转印过程的力学模型。通过能量法和最小势能原理得到了下层PDMS最大位移和印戳空腔缺陷处的压强与电磁驱动力的关系。结果表明,电磁辅助印戳在上墨和印刷的过程中,缺陷处的压力变化大小和下层PDMS薄膜的最大变形量与电磁驱动压力成正比。然而与PDMS弹性模量、薄膜厚度、薄膜的半径比、边长比成反比。在上墨的过程中,印戳缺陷处的压力与电磁驱动力成反比,而在印刷的过程中,印戳缺陷处的压力与电磁驱动力成正比。通过对边长比和半径比对印戳缺陷处压力变化的影响分析,边长比、半径比小于1的印戳结构取得较好的转印效果最好。分析结果将为新型印戳的结果设计与优化提供理论指导。
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