柔性微波纳米薄膜器件电路的弯曲态特性、可靠性与传感研究

Research and applications on flexible electronic devices have drawn increasing attention recently, because of their advantages of superb mechanical properties, light weight, etc. Flexible microwave nanomembrane devices and circuits are the new development of flexible electronics research. Higher device speed enhances performance such as data transfer rate, power gain, etc. However, all the relevant studies are based on flat condition, the performance of flexible electronics under bending conditions are missing. Fundamental theory, effective device/circuit and reliability models and sensing study are required. Applications such as high-speed communication system, bio-electronic devices, aerospace applications cannot be realized. In this project, we will focus on the above basic scientific problems, investigate the performance of flexible microwave nanomembrane devices under bending condtions, major factors induced by bending strains, create effective device and reliability models, develop new concept sensors. The research project will provide substantial basis for accurately using flexible microwave nanomembrane device/circuits under bending conditions and its associated applications.

轻薄的结构、可弯曲变形等诸多独特优势使柔性电子器件的研究和应用迅速兴起。柔性微波纳米薄膜器件电路成为柔性电子研究新的热点，速度达到微波水平大大提升器件各方面的性能。柔性电子器件需要大部分时间工作在弯曲状态下，但目前柔性微波（射频）器件研究都基于平面状态，缺乏柔性微波纳米薄膜器件电路在弯曲形变状态下的基础理论、关键机制、特性及可靠性研究，使得柔性电子器件无法更有效被使用，许多急需的应用难以实现，如新型物联网传感器件、生物医疗电子、航空航天应用等。本项目将针对以上亟待解决的关键问题进行前沿科学研究：分析柔性微波纳米薄膜器件电路在弯曲态下的全面特性；提炼受弯曲形变影响的关键物理机制与器件电路参数；建立准确的弯曲态器件电学模型；研究柔性微波器件较全面的可靠性理论与模型；探索新型应力传感机制并设计制造新型传感器。本项目将为准确、全面把握柔性微波纳米薄膜器件电路的弯曲态特性与可靠性并有效应用奠定基础。

近年来，柔性电子器件以其一系列独特的优势而受到研究领域的广泛关注并迅速发展：具有可弯曲形变的特性，可以适应多种工作环境要求；结构轻薄，便于携带；机械稳定性高，在受外界撞击时所受的影响小，并可以方便的卷起或折叠；可大面积使用，价格低廉。高性能的柔性微波纳米薄膜电子器件电路具有非常广阔和重要的应用前景：例如WiFi可携带电子器件、高速电子通讯系统，高速物联网识别及传输系统，可植入人体的生物电子器件，柔性传感器，以及军用民用高速雷达、通讯天线，航空航天应用等等。但是由于柔性电子器件需要大部分时间工作在弯曲状态下，其在弯曲状态下的性能指标与可靠性也就成为制约柔性电子器件使用的重要因素。本项目开展的基础性科学研究重点针对柔性微波纳米薄膜器件电路在弯曲形变状态下的基础理论、关键机制、特性及可靠性。本项目研究所取得的工作进展和研究成果主要包括：1. 优化改进了柔性微波纳米薄膜电子器件的制作工艺，制作了多种高性能的柔性薄膜材料与电子器件；2.分析了柔性微波器件电路的弯曲态性能变化，提炼了受弯曲形变影响的关键机制和物理参数；3. 针对柔性微波纳米薄膜器件电路建立了较为准确、全面的弯曲态器件电学（包含直流、交流、射频等）等效电路模型、应力模型和物理模型等，几种类型模型的计算结果一致且与实验数据吻合良好；4. 建立了弯曲态下柔性微波器件电路的理论计算模型、有限元计算模型与神经网络模型，可以有效地验证并预测柔性微波器件电路在不同弯曲态下的性能。5. 利用柔性微波纳米薄膜电子器件电路随弯曲形变应力变化产生的性能变化进行传感机制与器件研究，并完成了相关的专利申请。综上所述，本项目从基础理论、器件结构工艺、性能表征、模型建立、模型预测等方面对柔性微波电子器件电路的弯曲态性能进行了分析与研究，为准确、全面把握柔性微波纳米薄膜器件电路的弯曲态特性、可靠性提供了基础，更为柔性单片微波集成电路系统的设计与实现奠定了前期必要基础。