一种针对柔性器件动态测试的新型实验装置

近日，电子科技大学王曾晖、夏娟、徐博和上海交通大学杨睿（均为共同通讯作者）等合作报道了一种针对柔性器件动态测试的新型实验装置，首次揭示了引线在动态弯折实验中对柔性器件电学特性测量带来的不可忽略的影响，并提出了一种新的实验装置，能够在动态弯折实验中有效地、稳定地排除此类干扰，从而大幅提高了测量的准确度。论文以“Identifying, quantifying, and mitigating extraneous contact effect in dynamic characterization of flexible devices”为题，发表于Applied Physics Reviews期刊。

在柔性器件的弯曲测试中，常用实验手段是一种“半静态”测试方式：将待测器件弯折至特定曲率，再测量器件的电学响应特性。这种方式可实现待测器件的原位、大曲率条件的测量表征，但是难以满足对柔性器件在连续可调曲率变化下，对器件电学特性的动态、瞬时变化进行精密测量和监测的需求。而动态测试往往是用柔性引线将样品连接到测量仪器，从而连续测量样品在形变过程中的电学性能变化。然而，引线在实验过程中引线自身的形变及其带来的测量误差，一直以来都被有意无意地忽略了。主要原因之一，是该效应很难与样品自身形变带来的信号变化区分开来，从而难以量化。但是当柔性器件不断微型化，甚至达到纳米尺度时，在动态测试过程中其自身的电阻变化与测量引线的电阻变化在数量级上逐步接近，对测量样品真实的动态电学特性带来了严峻的挑战。因此，能否区分、进而排除测量中引线形变带来的干扰信号变得愈发重要。

针对这一关键挑战，电子科技大学和上海交通大学的研究者们以石墨烯柔性应变传感器为例，通过系统的实验设计，对比了柔性器件“在回路”和“不在回路”的动态测试结果，首次揭示了引线中复杂的机械响应特性及其对电学测试结果的影响，证明了该效应会掩盖器件本征电学响应特性，进而降低器件性能表征的准确度。进一步，研究者们提出了一种针对柔性器件弯折实验的新型实验装置（已获得发明专利授权），通过特定的机电设计保证柔性器件动态测试过程中引线能够以同一种姿态“悬浮”于待测器件上方，从而有效地避免了引线随测试平台弯折所带来的额外机械形变（如下图）。

图片来源及版权：Applied Physics Reviews及论文作者

基于大量的对比实验，研究者们证明了这一设计可以将由引线机械应变造成的电阻变化降低两个数量级，并且在样品不同的弯曲幅度、速率下均具能够很好地工作。同时，研究者们利用有限元仿真软件对金属引线在弯折实验中的机械变化规律进行了建模分析，证明了这一设计能够有效地降低引线和样品连接处的机械应力变化，从原理上证明了新设计在降低金属引线形变方面的科学性（如下图）。这一研究成果为柔性器件动态弯折实验的动态测试，特别是弱信号检测，提供了一个大幅提升测试准确度的有效方案。

图片来源及版权：Applied Physics Reviews及论文作者

本研究得到了国家自然科学基金原创探索项目、联合基金重点项目、面上项目、青年基金等项目的支持。

　　审核编辑：汤梓红