准三维表面顺形电子的装备开发与图形映射探究

发布时间：2020-09-27 06:35

【摘要】：三维、准三维的表面顺形电子是最近年来继可拉伸电子之后在柔性电子制造方面出现的一个新的方向。针对准三维表面顺形电子成型过程中出现的电路翘曲、断裂和电路图案映射困难等问题,重点应用图像处理探究了薄膜在准三维表面模型上成型前后的映射关系,同时围绕制造工艺的特点设计并搭建了制造设备,并开发了相应的人机交互界面。本文主要内容包括:1.对本课题制造工艺的流程进行介绍和分析,根据工艺的需求和特征设计、建模并组装一套实现工艺制造的设备。2.对搭建的设备进行自动化控制程序设计与开发人机交互界面。应用Arduino Nano小型控制器输出控制信号,结合MATLAB图像处理作为上位机通讯,实现对设备三轴运动平台的闭环控制,提升了设备在薄膜与三维模型的对准精度。并基于MATLAB开发了对应的人机交互界面,提高了工艺流程操作的便捷性。3.提出并验证了基于热成型准三维表面映射关系的方法。薄膜表面上的电路图案会在薄膜贴附模型表面过程中发生不均匀拉伸变化,难以达到预期三维电路图案。本课题提出利用螺旋线结合单目视觉的方法实现准三维表面测量,完成薄膜热成型前后的映射关系探究。解决了图像与半球模型之间的对应关系和目标螺旋线提取等关键问题。综上所述,本文通过对准三维表面顺形电子工艺分析,引入图像识别的闭环控制,设计并组装一套实现工艺制造的设备。提出和验证了准三维表面薄膜的成型前后映射关系的方法。这表明基于该映射关系可以提高热成型过程中电路结构的成型精度,可进一步避免电路结构的失效。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP391.41;TP11
【图文】：

1.1 课题来源本课题得到以下项目的资助：1. 国家自然科学基金面上项目“基于贴体热成形的准三维表面顺形电子新型制造方法的研究”（项目编号：51575216）；2. 数字制造装备与技术国家重点实验室自主创新基金。1.2 课题背景柔性电子的发展最早可追溯到 20 世纪 60 年代，将柔软的，可大幅可拉伸的弹性体引入到电子电路的概念之中，这样制作出来柔软的可拉伸电子设备便可以非常好地贴合到人类复杂的表面肌肤上。与传统的基于脆硬材料的电系统相比，柔性电子不会因与皮肤的软硬不匹配带来的不适应，未来随着柔性电子发展，可能直接与人体皮肤贴合[1]。因此，可拉伸电子被认为是电子工业最有发展前途的方向之一[2]。

图 1-3 本实验开发的薄膜热成型制造工艺流程图理论上，如果在两个相对不变的薄膜之间引入一个软的缓冲层，它们会显示相对独立的行为[8]。如果这个缓冲层可以和两层有很好的粘附力，这样可大大缓冲应力不匹配的问题，减少力学失效，提高整个装置（制造方法）的可靠性。因此，在本项目中，将选择合适的缓冲材料，改变或者改良其表面性质，既保证与两种材料（柔性基底和金属薄片）之间的良好粘附力，又能承受和吸收中间由于巨大变形而产生的应力。与此同时，引进最新的紫外激光直接图案化技术，实验中将利用用于转移印刷掩膜的方法[9]移植于图案化金属操纵与转印，最后结合贴体热成形技术形成一种新的三维、准三维表面顺形电子的制造方法。由于三维结构的形貌复杂，目前没有成熟的工艺方法实现需求制造，国内外该领域的研究主要集中在准三维结构上。准三维结构，又称 2.5 维，即二维平面结构加上高度方向的变化，而不是真正的三维系统。本课题主要目的是通过设计准三维表面顺

3 国内外研究现状将各类异质材料构成的元器件装配在柔性薄膜基底上，柔性电子具有轻量化可卷可弯可折等优良特点，柔性电子（Flexible Electronics）在许多应用方非常重要[10]。随着便携式设备（如智能手机）带来强烈的便利性，人们与此类备的关系越来越紧密。在这种趋势下，可与人体直接接触和相互作用的可穿戴设备被普遍认为将成为下一阶段的智能设备的代表[11]。具有可拉伸性的可拉（Stretchable Electronics）就在此背景下应运而生[2]。由于人类肌肤有很械拉伸性，与柔性电子只能可卷可折相比，这类设备则更进一步，这类设备更柔有更大的机械可拉伸性（至少>10％）。将柔软的、可大幅拉伸的弹性体（与皮械性能相似）引入到电子电路的概念之中，制作的电子系统便可以非常好地贴类复杂的表面肌肤上，不会由于软硬不匹配引起的皮肤表面不适应，更符合人学[1]。

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本文编号：2827544