基于力/电/磁多场耦合的可延展柔性射频天线结构设计与制备

The development of stretchable and flexible electronics has become the focus of the global electronics industry and academia. Nano- and micro-scale stretchable and flexible inorganic electronic devices have both high-speed transmission of signal and capacity to adapt to the various surfaces, which make them more suitable for flexible structures and bring them a promising application in implantable medical devices and portable electronic devices. However, the structures of the devices always involve large deformation during utilization, which result in a lot of challenges for efficient and stable transmission of wireless signal by the flexible electronics. Therefore, it becomes more significant to solve the problem. The research project is focused on structural design and fabrication of stretchable and flexible RF antenna based on mechanical-electric-magnetic multi-fields coupling. The specific measures include designing compatible wireless transmission antenna of the flexible electronic devices by structure optimization methods, studying on the influence of large deformation on the transmission of electromagnetic signal, analyzing the interface failure mechanism of RF antenna with different structures and shapes, and fabricating effective and reliable stretchable and flexible RF antenna.

可延展柔性电子已经成为全球电子产业界与学术界关注的焦点。微纳尺度可延展柔性无机电子器件同时具备高速与适应曲面环境的能力，使其更贴近、更适合柔性组织结构。在植入式医疗器件和便携电子器件方面有广泛的应用前景。该类柔性电子器件在工作过程中常常涉及到器件材料结构的大变形，这给实现可延展柔性电子器件的无线信号高效、稳定地传输带来了挑战，如何解决该问题也显得尤为重要。本项目即设计和制备力/电/磁耦合作用下的可延展柔性射频天线，具体包括：采用结构优化的方法对柔性电子器件中无线传输天线的构型进行设计，研究大变形对其电磁学特性的影响；分析不同形状不同结构射频天线/柔性基底界面破坏机理，有效改善界面应力情况；制备高效可靠的可延展柔性射频天线。

先进材料、力学和电子制备工艺的快速发展为实时监测人体健康状况提供了基础。新兴的柔性可延展类似皮肤的电子器件具有刚硬的硅基底电子器件相近的电学性能，同时具备大变形的拉伸、扭曲和弯曲的能力。这使得柔性可延展电子器件与人体长期，亲密的佩戴成为了可能。但是当前大部分该类电子器件需要通过有线的方式供能和传输数据，这极大了限制了他的应用以及佩戴的舒适程度。为了解决上述柔性电子的应用限制，本项目开展了可应用于人体实时监测的可延展柔性NFC天线设计的研究。本项目基于数值模拟和理论分析，提出了具有蛇形导线的超薄（~12μm）矩形NFC天线与不包含蛇形导线的圆形设计方案，实验与模拟结果表明所提出的两种设计具有良好的延展性（矩形设计最大延展能力为~22%；圆形最大延展能力为~55%）。另外设计了毫米尺度双层微型化的超薄、轻质柔性电子标签，由于其微小的尺寸可以在皮肤拉伸/压缩状态下有效地减小电子标签与人体皮肤间的界面应力，进而有效的降低了人体的感知程度。并基于以上NFC天线的设计方案，设计了可用于监测心跳，血流波动，血氧，紫外线照射量以及皮肤的四色光谱解析的微型无线设备，可广泛的应用于临床监测以及家庭诊断。同时将柔软的电子材料与近场通讯的工程设计相结合设计了适合人体活动监测的液态金属NFC系统。该系统可应用于人体各个部位的无线活动监测，其中包括手腕，喉部和手指的活动，可潜在的应用于人机控制。围绕上述研究内容，在国内外重要期刊发表文章8篇，其中包含Neuron，ACS Nano，Advanced Functional Materials和Science Advances等国际顶级期刊。研究成果为柔性可延展NFC天线设计提供了可行方案，实现了简单柔性可延展电子设备的近场通信，为无线/无源柔性可延展电子器件的设计和发展提供了有参考价值的依据和指导。