三维微电子器件的快速组装与重构的新思路

近日，清华大学航天航空学院张一慧课题组在《国家科学评论》（National Science Review）上发表了题为“Electro-mechanically controlled assembly of reconfigurable 3D mesostructures and electronic devices based on dielectric elastomer platforms”的研究论文。

该工作原创性地采用介电弹性体平面驱动器作为力学引导的三维屈曲组装平台，通过对介电弹性体表面电极图案和应变限制纤维排布的设计，结合电驱动和力电耦合驱动两种模式，实现了传统的力学引导屈曲组装方法中弹性组装平台无法实现的复杂应变场分布，以及快速加载、分步加载、局部加载和应变隔离等特点。这种组装策略为实现三维微结构的精确、快速（~1 s）组装与重构提供了全新的实现途径，并适用于多种功能材料和特征尺度。同时，该策略对无线通讯领域中三维微电子器件的快速组装与重构提供了新的思路，具有重要的科学意义和应用前景。

在力学引导的屈曲组装方法中，此前的工作中提出了多种设计策略来提高三维构型的复杂度（如引入折纸、剪纸、多层设计等概念）。更进一步，为实现非均匀分布的复杂三维结构组装，引入了具有厚度/弹性模量空间变化和具有图案化剪纸设计的弹性组装平台。但在现有屈曲组装方法的研究中，其组装过程均是基于对预拉伸弹性基底变形的整体调控。这就使得在三维结构的组装过程中，同一弹性基底上不同三维结构的面外屈曲变形是整体且同步发生的。总体来说，其局限性体现在两方面：其一，传统的弹性组装平台无法实现在同一组装平台下的局部和分步组装；其二，很难实现从某一三维构型到另一三维构型的直接快速重构。 为打破上述局限性，张一慧课题组将介电弹性体平面驱动器作为力学引导屈曲组装方法的组装平台，来代替传统的硅胶基底。其组装过程如图1A所示。首先，在预拉伸的介电弹性体薄膜上下表面布置图案化电极；然后，将相应的二维前驱体结构转印并选择性粘接在介电弹性体薄膜上表面；最后，对图案化电极通电。由于电致变形作用，介电弹性体薄膜的电极区域会发生面内扩张，这种变形会引起二维前驱体结构在粘接点处发生面内位移，从而诱导二维结构发生面外屈曲，进而形成三维结构。为了增加变形场的复杂性，这里可以嵌入应变限制纤维来实现介电弹性体薄膜在电极区域的非等双轴变形，如图1B所示。该组装策略同样适用于多种功能材料（金属、聚合物、复合材料等）和特征尺度（条带宽度：180 μm– 6 mm；薄膜厚度：8 μm– 50mm）。

图1：A图为基于介电弹性体（DE）驱动平台的电控三维组装过程示意图。B图为嵌有应变限制纤维（红色）的介电弹性体电致变形示意图。 复杂的电极图案与应变限制纤维排布有利于实现丰富的基底应变场和多样的三维构型。本文给出了力电耦合分析及设计方法，通过理论、有限元仿真和实验对该设计方法的有效性进行了验证。同时，给出了相应的有限元仿真方法，与实验、理论的对照结果表明，该仿真方法具有较好的可预测性。 基于上述介电弹性体组装平台，我们可以对多种二维前驱体结构直接进行电驱动组装。图2A展示了在不同电极图案和纤维排布下的多种电驱动组装实例，其中，有限元仿真与实验结果对比良好。图2B展示了利用电控三维组装实现的类青蛙仿生结构。

图2：A图为基于介电弹性体驱动平台的电控三维组装构型展示，其中灰色区域为电极。比例尺为6 mm。B图为利用电控三维组装得到的类青蛙结构。比例尺为10 mm。

另外，通过对组装平台内不同子电极进行分步通电，可以使该组装策略与加载路径控制策略相结合，获得过去很难实现的可重构三维结构。图3展示了在介电弹性体组装平台下，利用加载路径策略实现三维可重构组装的一个例子。其中有两组电极（A和B），基于路径I（[VA=VB=0]→[VA=5000V，VB=3100 V] →[VA=5000V，VB=5000 V]）可以获得形状I（向下屈曲）；基于路径II（[VA=VB=0]→[VA=3100 V，VB=5000 V] →[VA=5000 V，VB=5000 V]）可以获得形状II（向上屈曲），且两种构型（I和II）可以互相转换。值得注意的是，上述加载路径是传统组装平台无法实现的。

图3：基于介电弹性体组装平台的双加载路径可重构组装实例。比例尺为9 mm。 进一步，这里可以采用力-电耦合的驱动模式，即首先对预拉伸介电弹性体薄膜进行一定程度的应变释放（机械组装），这时薄膜表面的二维前驱体结构会受到基底压缩屈曲的作用形成第一种三维构型；随后，在此基础上对电极通电，进行电驱动组装，进而形成第二种三维构型。这样，我们可以很容易地通过电极电压的通断，实现至少两种不同三维构型之间的快速切换，即快速重构。动图4展示了两种设计下，不同三维构型的快速重构。图5A展示了一种可重构三维结构设计。在两种不同的机械压缩应变下，该设计的两种重构构型均不同。图5B展示了一种周期可重构三维结构设计。对A、B、C三种电极的单独通电可以实现该结构的局部加载，即对某一电极的单独通电不会影响结构其他部分的变形。

图4：动图上为穹顶结构动态可重构组装动图。动图下为类昆虫结构动态可重构组装动图。

图5：A图为基于力-电耦合驱动模式的一个可重构三维结构实例。B图为基于力-电耦合驱动模式的一个周期网格状三维可重构结构。比例尺为10 mm。

上述研究表明，该组装策略为复杂三维结构的快速组装与重构提供了很高的自由度。基于此，研究者设计并制备了一种可重构三维电容器件。基于介电弹性体组装平台，可以实现该三维电容器结构的快速重构，从而实现其电感-电容（LC）电路多种状态间的快速切换。图6A展示了该三维电容器结构力-电耦合组装的有限元仿真示意图。图6B展示了其中四种状态下电路的回波损耗曲线，结果表明，该LC电路实现了谐振频率在一定范围内的快速可调控性，同时，动图6C中LED灯在不同频率信号下的亮度直观地展现出了LC电路谐振频率的偏移。

图6：用于电感-电容（LC）射频（RF）电路中的可重构三维电容器。A图为该器件在力-电耦合加载下的一种可重构展示（有限元仿真）。B图为该可重构LC-RF电路在四种状态下入射信号的回波损耗曲线（S11）。

图7：LED演示实验。动图上为不施加电压时，不同频率信号下LED亮灯情况。动图下为对三个电极施加电压时，不同频率信号下LED亮灯情况。 清华大学航院长聘副教授张一慧为本文的通讯作者。清华航院2017级博士生庞文博为本文的第一作者。合作单位包括浙江大学李铁风教授课题组和合肥工业大学黄文教授课题组。该研究成果得到了国家自然科学基金项目、清华大学自主科研计划和清华信息科学与技术国家实验室的支持。