基于IPMC材料的无机柔性电子器件界面接触性能的主动调控机理研究

Stretchable and flexible inorganic electronics, which will enable many medical applications, have flexible structures and superior electrical properties. The inorganic devices of the stretchable and flexible electronics should be attached to the skin to detect physiological parameters. In order to adhere to curved surface of body, electronics are designed flexible structures or undeveloped-surface structures. Flexible electronics is still difficult to conform to the complex undeveloped surface. The contact performance between the inorganic devices and skin is the key to ensure stable detection of physiological signals. In this project, IPMC（ionic polymer-metal composite）are used to drive the out-of-plane deformation of the flexible inorganic electronics, and the IPMC mechanism and the relation between out-of-plane deformation and interfacial contact performance are studied. Active control of the interfacial contact is realized by adjusting the deformation of the IPMC through inputting power.

无机可延展柔性电子既具有柔软的结构又有优越的电子学性能，它在健康医疗领域将有着广泛的应用前景。无机柔性电子中元件对人体生理参数进行检测时常需要接触在柔软的体表。为了确保无机元件能够很好的贴合在人体表面，柔性电子器件被设计成具有更加柔软的结构或具有不可展曲面形状的结构。但对于复杂的不可展曲面，柔性电子依然不易于贴合到其表面。确保柔性电子中无机元件与体表间有良好的接触性能是保证电子器件对生理信号稳定监测的关键。本项目在无机可延展柔性电子的结构设计中引入电致变形材料IPMC，利用IPMC驱动无机柔性电子器件在局部产生面外变形。通过研究IPMC材料的电致变形机理，分析电子器件局部面外变形与界面接触性能间的关系。通过对IPMC材料输入电压的控制来实现无机元件与体表间接触性能的主动调控。

柔性电子器件既具有柔软的结构又有优越的电子学性能，在健康医疗领域有着广泛的应用前景。电子器件中传感元件对人体生理参数进行检测时需要与体表保持稳定的接触。为了实现长期的生理信号监测，电子器件自身需要有主动调控与体表接触性能的能力。项目以IPMC为基本材料研究其实现柔性电子与表皮界面接触性能主动调控的机制。项目基于电场作用下IPMC内部离子的迁移和扩散的规律，研究了阳离子迁移在材料内部引起的变形，建立了IPMC电致变形机制的理论模型。基于IPMC材料的微观结构，研究了IPMC材料的离子浓度非均匀分布引起的变形，其与IPMC材料微结构的几何尺寸以及浓度变化相关，并通过实验确定材料参数。在分析IPMC材料面外变形机理的基础上，研究了不同IPMC点阵结构在传感元件与表皮间的压力，发现单一的IPMC结构除了会引起压力外，还在边缘产生拉力，不利于传感元件与表皮间接触性能的改善。通过引入IPMC点阵结构研究传感器与表皮间的界面力，研究了IPMC点阵形状对界面压力的影响。对于大面积的传感器，需要多个IPMC的点阵组合才能够实现传感元件与表皮的紧密接触。研究了圆形IPMC的面外不可展曲面的变形机制，通过分块的扇形结构设计降低了不可展曲面变形的约束，实现IPMC驱动的离面位移满足盲文点的几何形貌要求。研究了扇形结构对离面位移和法向驱动力的影响，通过结构的优化，设计了柔性盲文阅读器的驱动结构分布，实现了低电压驱动的柔性盲文阅读器。项目的研究成果对柔性电子器件的应有具有重要的理论和技术支撑作用。