[发明专利]一种基于能量法的类皮肤电子器件失稳模式的判断方法

说明书

本发明公开了一种基于能量法的类皮肤电子器件失稳模式的判断方法。本发明得到无量纲能量随特征参数kH的变化曲线，通过计算弯曲刚度比判断类皮肤电子器件的失稳模式为局部褶皱或整体弯曲；本发明消除了半无限厚基底和基底表面有刚性支撑的限制，对于超薄类皮肤电子器件硬质薄膜的失稳模式判别更加准确；为柔性可延展皮肤电子器件的设计方法提供了高度可行的理论指导，能够为柔性可延展皮肤电子器件的提供更好的延展性和更小的应变，大大改善电子器件在拉伸过程中被损坏的情况；能够通过调整“桥”的长度，使“岛‑桥结构”器件在拉伸前发生整体弯曲，从而器件延展性；本发明从基本的力学理论出发，对于类皮肤电子器件的失稳具有普适性。

技术领域

本发明涉及工程材料领域，具体涉及一种基于能量法的类皮肤电子器件失稳模式的判断方法。

背景技术

柔性电子技术由于其对传统电子件的形貌、性能和使用方式的颠覆，一经提出就受到各界的关注，将柔性电子技术与人体集成采集人体生理参数，为健康监测、甚至医疗诊断提供了新的途径。在柔性电子器件的发展中，类皮肤电子器件的概念也被提出，这种柔性电子器件具有超薄、可拉伸/可变形、易于皮肤实现共形贴合等特点而被广泛应用于体表信息检测。与传统的医疗电子器件相比，类皮肤电子易于与人体实现共形贴合的特点，而使其具有佩戴舒适、可长时间精准监测的特点。类皮肤电子可以精准长时间监测的主要原因是其具有：1)接触界面两侧物质的物理特性差异小，从而避免由于物理失配引起的接触噪声和测量误差；2)类皮肤电子柔软易变形的特点可以降低监测器件受到人体正常生理活动引起的干扰，减少器件由于干扰造成的误差；3)佩戴舒适不易被测试者所感受，避免心理因素造成的测量影响等。因此类皮肤电子未来将在人类生命健康领域发挥着不可替代的作用。

正是由于类皮肤电子器件具有如上所述的诸多优势，也为类皮肤电子的制备和设计带来了困难。同时无机类皮肤电子器件，继承了无机电子材料的电学性的稳定性，可靠性强等特点。因此，类皮肤电子从材料上总体可以分为两大部分，无机脆性材料和有机柔性材料，由于两类材料巨大的材料力学性能差异，造成了制造和设计的困难。一般而言，在类皮肤电子器件中，传统的功能薄膜如：金、铜等金属薄膜和硅、锗等半导体薄膜通过转印被异质集成在柔性基底上。在转印过程中通常会产生一定的应力，造成金、铜、硅、锗等弹性模量比较大的材料发生局部褶皱和整体弯曲造成薄膜表面形貌发生改变；同时由于整体弯曲在类皮肤电子中的延展性对比于局部褶皱的延展性，在受力方面和延展方面都大大改善。而之前的研究结果多针对于基底无限厚，亦或是基底底面有刚性支撑，因此对于这种超薄的皮肤电子器件的整体褶皱和局部失稳的判别存在一定的误差。

发明内容

针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种基于能量法的类皮肤电子器件失稳模式的判断方法，针对基底自由且具有有限厚度的硬质薄膜条带，通过硬质薄膜条带和基底弯曲刚度的比值以及硬质薄膜条带的长度来实现薄膜失稳模式的判断，并指导皮肤电子器件的设计和制备。

本发明的基于能量法的类皮肤电子器件失稳模式的判断方法，包括以下步骤：

1)确定类皮肤电子器件的参数：

类皮肤电子器件包括超薄柔性基底和硬质薄膜条带，硬质薄膜条带转印在超薄柔性基底上，硬质薄膜条带的弹性模量为E_f，硬质薄膜条带的厚度为h，硬质薄膜条带的长度为L，超薄柔性基底的弹性模量为E_s，超薄柔性基底固化后的厚度为H；

2)得到在一维失稳模式下，影响类皮肤电子器件的失稳模式的三个参数：一维失稳模式的硬质薄膜条带的弯曲刚度和硬质薄膜条带的长度为L，以及一维失稳模式的超薄柔性基底的弯曲刚度

3)得到类皮肤电子器件在施加预应变ε之后，产生失稳模式的硬质薄膜条带的能量U_f和超薄柔性基底的能量U_s：