隨著5G、大數據及萬物互聯技術的普及，柔性電子技術被賦予了更加廣闊的應用空間。該領域一直以來的一個研究焦點是如何解決器件延展率和功能密度相互制約的難題。尤其是當柔性電子器件經過封裝后，如何使其保持較高的延展率，是一個亟需克服的挑戰。

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為提升無機柔性電子器件的延展率，前人提出了"島-橋"導線、蛇形導線、分型導線及三維螺旋導線等設計策略，但是這些策略在增加器件延展性的同時，是以降低器件的功能密度為代價（覆蓋率一般<80%）。前人也提出了將單層電路進行折疊和層疊，提高柔性電子器件功能密度。但是，在經過封裝后，由于封裝材料對導線變形的約束作用，為保持一定的延展率，其系統覆蓋率在此前研究中最高達到~76%，很難進一步提高。

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清華大學張一慧課題組提出了一種小型化、高集成度柔性電子器件的層疊網格封裝技術，實現了兼具高延展率、高覆蓋率和類皮膚力學性能的無機柔性電子器件，解決了經封裝的柔性電子器件的高延展率與高覆蓋率之間的矛盾。該課題組將前期研制的仿生網狀軟材料作為封裝材料，在降低對導線約束的同時，利用網格的孔隙容納蛇形導線受拉伸之后的面外變形，以此提高延展性（圖1）；同時，將多個網格基底層疊，在不影響延展性的同時又提高了柔性電子器件的功能密度，實現了柔性電子器件的小型化集成與封裝。

圖1 網格封裝策略及其與傳統固體封裝在延展率方面的對比

A.雙層網格封裝蛇形導線；B，C：網格封裝與固體封裝后最大彈性延展率對比及循環拉伸實驗結果；D，E：一個基于疊層網格集成策略的五層柔性電子器件示例

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基于理論研究與實驗測量，該課題組分析了蛇形導線-網格封裝體系中關鍵幾何參數對延展率的影響規律。揭示了網格封裝下蛇形導線的變形模式，提出了"約束因子"概念以定量刻畫器件的封裝材料與蛇形導線的相互競爭關系對其延展率的影響（圖2）。在此理論指導下，研制了在一個指甲大小（11×10mm2）面積上，集成包括微控制器等在內的42個電子元件、80多條的蛇形導線的小型化多功能無線柔性電子器件，覆蓋率達到110%，且具有20%的雙向延展率。在此基礎上，展示了該器件作為無線鼠標等在人機交互方面的應用前景。

圖2. 基于網格封裝的柔性電子器件參數分析及應用實驗

A，B：網格封裝蛇形導線參數分析及變形機理；C：實現的小型化多功能無線柔性電子器件實物圖；D：本研究與之前報道工作覆蓋率和延展率對比；E：無線鼠標推箱子應用演示

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文章于3月16日在《科學·進展》（Science Advances）期刊以"基于層疊網格的高集成度小型化可拉伸電子器件"（Highly-integrated, miniaturized, stretchable electronic systems based on stacked multilayer network materials）為題發表，并被選為當期封面（圖3）。

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圖3. 該研究被選為《科學進展》當期封面及實現的高集成度小型化柔性電子器件三維圖

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論文鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abm3785

文章來源：清華新聞網