柔性電子器件中超彈性材料復(fù)雜力學(xué)行為的預(yù)測及控制

柔性電子器件是上世紀(jì)九十年代中期發(fā)展起來的一種全新的集成電路技術(shù)，其核心設(shè)計(jì)思想是將電子元件和連接電子元件的交聯(lián)導(dǎo)體全部集成在柔性可延展的高分子聚合物基體上。相比傳統(tǒng)剛性平板電路技術(shù)，柔性電子器件最突出的特點(diǎn)是以超彈性柔性基底取代剛性基板，可承受拉伸、壓縮、折疊、卷曲以及扭曲等變形，同時(shí)具備傳統(tǒng)半導(dǎo)體器件靈敏高通量的優(yōu)異電子學(xué)特性。由于軟硬兩種材料在力學(xué)性能參數(shù)方面（如彈性模量、泊松比、硬度、熱傳導(dǎo)系數(shù)和熱膨脹系數(shù)等）都相差幾個(gè)數(shù)量級，給結(jié)構(gòu)的整體制備和長期可靠性帶來極大挑戰(zhàn)，發(fā)展相應(yīng)的力學(xué)模型與設(shè)計(jì)方法，對于掌握該類結(jié)構(gòu)的變形機(jī)制及提高設(shè)計(jì)和制備水平具有重要的科學(xué)和現(xiàn)實(shí)意義。 本項(xiàng)目主要針對軟硬材料膜-基結(jié)構(gòu)體系的協(xié)同大變形、膜-基層狀結(jié)構(gòu)體系的傳熱規(guī)律和熱管理、膜-基界面行為、熱力耦合變形等開展系統(tǒng)的理論研究，旨在提出有效的結(jié)構(gòu)材料參數(shù)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則律，為柔性電子器件的設(shè)計(jì)、制備和應(yīng)用提供方便可用的理論公式。項(xiàng)目通過四年探索和研究，在脆硬材料材料薄膜陣列-基底系統(tǒng)的膜結(jié)構(gòu)變形、膜-基界面的熱致斷裂行為、納米膜-基結(jié)構(gòu)封裝材料熱毛細(xì)流動(dòng)行為、膜-基層狀結(jié)構(gòu)傳熱規(guī)律和散熱設(shè)計(jì)、膜-基型壓電器件俘能和傳感等方面獲得一些列重要理論發(fā)現(xiàn)，建立了一系列實(shí)用性強(qiáng)的軟硬材料膜-基結(jié)構(gòu)協(xié)同變形和散熱優(yōu)化設(shè)計(jì)的簡化準(zhǔn)則律公式，為仿生電子照相機(jī)、病變心肌燒蝕切割治療的精確定位、光基因遺傳神經(jīng)調(diào)控的腦組織無損化、納米尺度溫度場的精確量測、半導(dǎo)體碳納米管提純、柔性電子的高效激光轉(zhuǎn)印制備、以及生物信號監(jiān)測與傳感等無機(jī)柔性電子器件的設(shè)計(jì)、制備和應(yīng)用提供了重要的科學(xué)依據(jù)。 項(xiàng)目共發(fā)表SCI期刊論文20篇，參加國際國內(nèi)會(huì)議20余人次。項(xiàng)目執(zhí)行期內(nèi)項(xiàng)目組成員獲得國家級人才計(jì)劃3人次，獲得國家自然科學(xué)基金資助5項(xiàng)，項(xiàng)目負(fù)責(zé)人獲得國家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)和教育部自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)，申請國家發(fā)明專利4項(xiàng)，授權(quán)實(shí)用新型專利3項(xiàng)。

柔性電子器件是一個(gè)全新的集成電路設(shè)計(jì)概念,由于具有柔軟可任意變形的優(yōu)點(diǎn)，將在諸多領(lǐng)域取代傳統(tǒng)剛性平板電路成為下一代電子器件技術(shù)的核心。本項(xiàng)目擬針對柔性電子器件中超彈性材料的復(fù)雜力學(xué)行為，包括拉彎/折疊/扭曲/褶皺等變形、超彈性材料與周圍其他結(jié)構(gòu)體的粘附或剝離、超彈性材料的擠壓大變形等，基于非線彈性本構(gòu)模型和有限變形理論進(jìn)行力學(xué)建模與變形機(jī)理分析；同時(shí),研究柔性電子器件超彈性材料基底的熱傳導(dǎo)規(guī)律,對超彈性基底中的局部熱應(yīng)力和熱變形進(jìn)行理論評估,并考察結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)變化對溫度場分布和熱變形的影響。通過本項(xiàng)目的實(shí)施，擬針對柔性電子器件超彈性材料建立統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)分析理論，確定有關(guān)結(jié)構(gòu)變形的控制條件，并針對熱應(yīng)力和熱變形提出有效的控制方法，可望為提高柔性電子器件的整體性能提供理論依據(jù)。本項(xiàng)目的研究不僅具有很強(qiáng)的工程應(yīng)用背景，也可充分體現(xiàn)力學(xué)在高科技領(lǐng)域的作用，具有潛在的科學(xué)意義。

將復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論應(yīng)用于電器控制系統(tǒng)故障診斷和預(yù)測研究中，從系統(tǒng)整體上對電器控制系統(tǒng)中故障的傳播過程和演變機(jī)制的動(dòng)力學(xué)行為做出解釋，實(shí)現(xiàn)診斷和預(yù)測目的。首先針對不同的故障特點(diǎn)和診斷預(yù)測目標(biāo)，研究電器控制系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)和連接關(guān)系的描述和表示方法及系統(tǒng)級拓?fù)淠Ｐ偷纳蛇^程，并研究常用的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型在故障建模中的適用性及改進(jìn)方法，完成故障拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)化過程。其次，在故障傳播動(dòng)力學(xué)研究中，采用節(jié)點(diǎn)與連接邊的混合動(dòng)態(tài)模型和有效的搜素算法，得到一個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)形成的子系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)的動(dòng)態(tài)模型表示和演變過程，并研究網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)上相繼故障發(fā)生時(shí)的診斷、預(yù)防與控制策略。最后，在故障統(tǒng)一建模的理論研究基礎(chǔ)上，借助于數(shù)值模擬和系統(tǒng)測試來完成結(jié)果的驗(yàn)證和改進(jìn)，并完善該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用方法，為大型復(fù)雜行業(yè)的電器控制系統(tǒng)故障診斷和預(yù)測維護(hù)提供理論方法和技術(shù)手段。

預(yù)測控制算法種類較多，表現(xiàn)形式多種多樣，但都可以用預(yù)測模型、滾動(dòng)優(yōu)化和反饋校正這三條基本原理加以概括。

預(yù)測控制系統(tǒng)預(yù)測模型

預(yù)測控制的本質(zhì)是在對過程的未來行為進(jìn)行預(yù)測的基礎(chǔ)上，對控制量加以優(yōu)化，而預(yù)測是通過模型來完成的。因此模型是預(yù)測控制的基本元素。預(yù)測模型的功能是根據(jù)對象的歷史信息和未來輸入預(yù)測其未來輸出。在MAC算法中，根據(jù)被控對象的單位脈沖響應(yīng)序列，截取前N項(xiàng)構(gòu)建系統(tǒng)的近似脈沖傳遞函數(shù)并將其作為預(yù)測和控制的模型。

預(yù)測控制系統(tǒng)滾動(dòng)優(yōu)化

預(yù)測控制的優(yōu)化，是在未來一段時(shí)間內(nèi)，通過某一性能指標(biāo)的最優(yōu)化來確定未來的控制作用，這一性能指標(biāo)涉及系統(tǒng)未來的行為，并且在下一時(shí)刻只施加當(dāng)前時(shí)刻控制作用，從而依次滾動(dòng)進(jìn)行?？梢?，它是在線反復(fù)進(jìn)行的，而且優(yōu)化是局部優(yōu)化，有別于傳統(tǒng)意義下的全局優(yōu)化。為了不使控制量的變化過于激烈，MAC采用如下優(yōu)化性能指標(biāo)：

其中，q_i，r_i分別為誤差加權(quán)系數(shù)和控制加權(quán)系數(shù)，表示對誤差和控制變化的抑制。

預(yù)測控制系統(tǒng)反饋校正

預(yù)測控制是一種閉環(huán)控制算法，用預(yù)測模型預(yù)測未來的輸出時(shí)，由于對象先前信息的不充分，預(yù)測值與真實(shí)值之間存在一定的偏差，只有充分利用實(shí)際輸出誤差進(jìn)行反饋校正，才能得到良好的控制效果。利用模型的預(yù)測誤差：

來校正模型的預(yù)測，得到新的更為準(zhǔn)確的模型預(yù)測，這個(gè)過程將反復(fù)在線進(jìn)行。

柔性電子1) 碳納米管

碳納米管（CNT）由于其高的本征載流子遷移率，導(dǎo)電性和機(jī)械靈活性而成為用于柔性電子學(xué)的有前途的材料，既作為場效應(yīng)晶體管（FET）中的溝道材料又作為透明電極。管狀碳基納米結(jié)構(gòu)可以被設(shè)想成石墨烯卷成一個(gè)無縫的圓柱體，它們獨(dú)特的性質(zhì)使其成為理想的候選材料。因?yàn)樗鼈兙哂懈叩墓逃休d流子遷移率和電導(dǎo)率，機(jī)械靈活性以及低成本生產(chǎn)的潛力。另一方面，薄膜基碳納米管設(shè)備為實(shí)現(xiàn)商業(yè)化提供了一條實(shí)用途徑。John A. Rogers與鮑哲楠教授分別發(fā)表了專題文章描述了基于CNT的柔性器件的處理和應(yīng)用，回顧了柔性電子器件中碳納米管的最新進(jìn)展。

柔性電子2)氧化鋅

氧化鋅是一種眾所周知的寬帶隙半導(dǎo)體材料（室溫下3.4 eV，晶體），它有很多應(yīng)用，如透明導(dǎo)體，壓敏電阻，表面聲波，氣體傳感器，壓電傳感器和UV檢測器。并因?yàn)榭赡軕?yīng)用于薄膜晶體管方面正受到相當(dāng)?shù)年P(guān)注。同時(shí)氧化鋅還具有相當(dāng)良好的生物相容性，可降解性。E.Fortunato教授介紹了基于氧化鋅的新型薄膜晶體管所帶來的主要優(yōu)勢，這些薄膜晶體管在下一代柔性電子器件中非常有前途。

除此之外，還有眾多的二維材料被應(yīng)用于柔性電子領(lǐng)域，包括石墨烯、半導(dǎo)體氧化物，納米金等。2014年發(fā)表在chemical review和nature nanotechnology上的兩篇經(jīng)典綜述詳盡闡述了二維材料在柔性電子的應(yīng)用。