三維微電子器件的快速組裝與重構(gòu)的新思路

近日，清華大學(xué)航天航空學(xué)院張一慧課題組在《國(guó)家科學(xué)評(píng)論》（National Science Review）上發(fā)表了題為“Electro-mechanically controlled assembly of reconfigurable 3D mesostructures and electronic devices based on dielectric elastomer platforms”的研究論文。

該工作原創(chuàng)性地采用介電彈性體平面驅(qū)動(dòng)器作為力學(xué)引導(dǎo)的三維屈曲組裝平臺(tái)，通過(guò)對(duì)介電彈性體表面電極圖案和應(yīng)變限制纖維排布的設(shè)計(jì)，結(jié)合電驅(qū)動(dòng)和力電耦合驅(qū)動(dòng)兩種模式，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)的力學(xué)引導(dǎo)屈曲組裝方法中彈性組裝平臺(tái)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜應(yīng)變場(chǎng)分布，以及快速加載、分步加載、局部加載和應(yīng)變隔離等特點(diǎn)。這種組裝策略為實(shí)現(xiàn)三維微結(jié)構(gòu)的精確、快速（~1 s）組裝與重構(gòu)提供了全新的實(shí)現(xiàn)途徑，并適用于多種功能材料和特征尺度。同時(shí)，該策略對(duì)無(wú)線(xiàn)通訊領(lǐng)域中三維微電子器件的快速組裝與重構(gòu)提供了新的思路，具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用前景。

在力學(xué)引導(dǎo)的屈曲組裝方法中，此前的工作中提出了多種設(shè)計(jì)策略來(lái)提高三維構(gòu)型的復(fù)雜度（如引入折紙、剪紙、多層設(shè)計(jì)等概念）。更進(jìn)一步，為實(shí)現(xiàn)非均勻分布的復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)組裝，引入了具有厚度/彈性模量空間變化和具有圖案化剪紙?jiān)O(shè)計(jì)的彈性組裝平臺(tái)。但在現(xiàn)有屈曲組裝方法的研究中，其組裝過(guò)程均是基于對(duì)預(yù)拉伸彈性基底變形的整體調(diào)控。這就使得在三維結(jié)構(gòu)的組裝過(guò)程中，同一彈性基底上不同三維結(jié)構(gòu)的面外屈曲變形是整體且同步發(fā)生的?？傮w來(lái)說(shuō)，其局限性體現(xiàn)在兩方面：其一，傳統(tǒng)的彈性組裝平臺(tái)無(wú)法實(shí)現(xiàn)在同一組裝平臺(tái)下的局部和分步組裝；其二，很難實(shí)現(xiàn)從某一三維構(gòu)型到另一三維構(gòu)型的直接快速重構(gòu)。 為打破上述局限性，張一慧課題組將介電彈性體平面驅(qū)動(dòng)器作為力學(xué)引導(dǎo)屈曲組裝方法的組裝平臺(tái)，來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的硅膠基底。其組裝過(guò)程如圖1A所示。首先，在預(yù)拉伸的介電彈性體薄膜上下表面布置圖案化電極；然后，將相應(yīng)的二維前驅(qū)體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)印并選擇性粘接在介電彈性體薄膜上表面；最后，對(duì)圖案化電極通電。由于電致變形作用，介電彈性體薄膜的電極區(qū)域會(huì)發(fā)生面內(nèi)擴(kuò)張，這種變形會(huì)引起二維前驅(qū)體結(jié)構(gòu)在粘接點(diǎn)處發(fā)生面內(nèi)位移，從而誘導(dǎo)二維結(jié)構(gòu)發(fā)生面外屈曲，進(jìn)而形成三維結(jié)構(gòu)。為了增加變形場(chǎng)的復(fù)雜性，這里可以嵌入應(yīng)變限制纖維來(lái)實(shí)現(xiàn)介電彈性體薄膜在電極區(qū)域的非等雙軸變形，如圖1B所示。該組裝策略同樣適用于多種功能材料（金屬、聚合物、復(fù)合材料等）和特征尺度（條帶寬度：180 μm– 6 mm；薄膜厚度：8 μm– 50mm）。

圖1：A圖為基于介電彈性體（DE）驅(qū)動(dòng)平臺(tái)的電控三維組裝過(guò)程示意圖。B圖為嵌有應(yīng)變限制纖維（紅色）的介電彈性體電致變形示意圖。 復(fù)雜的電極圖案與應(yīng)變限制纖維排布有利于實(shí)現(xiàn)豐富的基底應(yīng)變場(chǎng)和多樣的三維構(gòu)型。本文給出了力電耦合分析及設(shè)計(jì)方法，通過(guò)理論、有限元仿真和實(shí)驗(yàn)對(duì)該設(shè)計(jì)方法的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。同時(shí)，給出了相應(yīng)的有限元仿真方法，與實(shí)驗(yàn)、理論的對(duì)照結(jié)果表明，該仿真方法具有較好的可預(yù)測(cè)性。 基于上述介電彈性體組裝平臺(tái)，我們可以對(duì)多種二維前驅(qū)體結(jié)構(gòu)直接進(jìn)行電驅(qū)動(dòng)組裝。圖2A展示了在不同電極圖案和纖維排布下的多種電驅(qū)動(dòng)組裝實(shí)例，其中，有限元仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比良好。圖2B展示了利用電控三維組裝實(shí)現(xiàn)的類(lèi)青蛙仿生結(jié)構(gòu)。

圖2：A圖為基于介電彈性體驅(qū)動(dòng)平臺(tái)的電控三維組裝構(gòu)型展示，其中灰色區(qū)域?yàn)殡姌O。比例尺為6 mm。B圖為利用電控三維組裝得到的類(lèi)青蛙結(jié)構(gòu)。比例尺為10 mm。

另外，通過(guò)對(duì)組裝平臺(tái)內(nèi)不同子電極進(jìn)行分步通電，可以使該組裝策略與加載路徑控制策略相結(jié)合，獲得過(guò)去很難實(shí)現(xiàn)的可重構(gòu)三維結(jié)構(gòu)。圖3展示了在介電彈性體組裝平臺(tái)下，利用加載路徑策略實(shí)現(xiàn)三維可重構(gòu)組裝的一個(gè)例子。其中有兩組電極（A和B），基于路徑I（[VA=VB=0]→[VA=5000V，VB=3100 V] →[VA=5000V，VB=5000 V]）可以獲得形狀I(lǐng)（向下屈曲）；基于路徑II（[VA=VB=0]→[VA=3100 V，VB=5000 V] →[VA=5000 V，VB=5000 V]）可以獲得形狀I(lǐng)I（向上屈曲），且兩種構(gòu)型（I和II）可以互相轉(zhuǎn)換。值得注意的是，上述加載路徑是傳統(tǒng)組裝平臺(tái)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

圖3：基于介電彈性體組裝平臺(tái)的雙加載路徑可重構(gòu)組裝實(shí)例。比例尺為9 mm。 進(jìn)一步，這里可以采用力-電耦合的驅(qū)動(dòng)模式，即首先對(duì)預(yù)拉伸介電彈性體薄膜進(jìn)行一定程度的應(yīng)變釋放（機(jī)械組裝），這時(shí)薄膜表面的二維前驅(qū)體結(jié)構(gòu)會(huì)受到基底壓縮屈曲的作用形成第一種三維構(gòu)型；隨后，在此基礎(chǔ)上對(duì)電極通電，進(jìn)行電驅(qū)動(dòng)組裝，進(jìn)而形成第二種三維構(gòu)型。這樣，我們可以很容易地通過(guò)電極電壓的通斷，實(shí)現(xiàn)至少兩種不同三維構(gòu)型之間的快速切換，即快速重構(gòu)。動(dòng)圖4展示了兩種設(shè)計(jì)下，不同三維構(gòu)型的快速重構(gòu)。圖5A展示了一種可重構(gòu)三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在兩種不同的機(jī)械壓縮應(yīng)變下，該設(shè)計(jì)的兩種重構(gòu)構(gòu)型均不同。圖5B展示了一種周期可重構(gòu)三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。對(duì)A、B、C三種電極的單獨(dú)通電可以實(shí)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)的局部加載，即對(duì)某一電極的單獨(dú)通電不會(huì)影響結(jié)構(gòu)其他部分的變形。

圖4：動(dòng)圖上為穹頂結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)可重構(gòu)組裝動(dòng)圖。動(dòng)圖下為類(lèi)昆蟲(chóng)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)可重構(gòu)組裝動(dòng)圖。

圖5：A圖為基于力-電耦合驅(qū)動(dòng)模式的一個(gè)可重構(gòu)三維結(jié)構(gòu)實(shí)例。B圖為基于力-電耦合驅(qū)動(dòng)模式的一個(gè)周期網(wǎng)格狀三維可重構(gòu)結(jié)構(gòu)。比例尺為10 mm。

上述研究表明，該組裝策略為復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的快速組裝與重構(gòu)提供了很高的自由度。基于此，研究者設(shè)計(jì)并制備了一種可重構(gòu)三維電容器件?；诮殡姀椥泽w組裝平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)該三維電容器結(jié)構(gòu)的快速重構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)其電感-電容（LC）電路多種狀態(tài)間的快速切換。圖6A展示了該三維電容器結(jié)構(gòu)力-電耦合組裝的有限元仿真示意圖。圖6B展示了其中四種狀態(tài)下電路的回波損耗曲線(xiàn)，結(jié)果表明，該LC電路實(shí)現(xiàn)了諧振頻率在一定范圍內(nèi)的快速可調(diào)控性，同時(shí)，動(dòng)圖6C中LED燈在不同頻率信號(hào)下的亮度直觀地展現(xiàn)出了LC電路諧振頻率的偏移。

圖6：用于電感-電容（LC）射頻（RF）電路中的可重構(gòu)三維電容器。A圖為該器件在力-電耦合加載下的一種可重構(gòu)展示（有限元仿真）。B圖為該可重構(gòu)LC-RF電路在四種狀態(tài)下入射信號(hào)的回波損耗曲線(xiàn)（S11）。

圖7：LED演示實(shí)驗(yàn)。動(dòng)圖上為不施加電壓時(shí)，不同頻率信號(hào)下LED亮燈情況。動(dòng)圖下為對(duì)三個(gè)電極施加電壓時(shí)，不同頻率信號(hào)下LED亮燈情況。 清華大學(xué)航院長(zhǎng)聘副教授張一慧為本文的通訊作者。清華航院2017級(jí)博士生龐文博為本文的第一作者。合作單位包括浙江大學(xué)李鐵風(fēng)教授課題組和合肥工業(yè)大學(xué)黃文教授課題組。該研究成果得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、清華大學(xué)自主科研計(jì)劃和清華信息科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的支持。