OPTIMIZATION OF SPIRAL BASED STRUCTURES FOR STRETCHABLE ELECTRONICS. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF Mutee_Ur_Rehman_Thesis.pdf Download (8MB) | Preview

Arabic Abstract

إن الإلكترونيات القابلة للتمدد هي تقنية متطورة، وواعدة لتحل محل الإلكترونيات التقليدية الهشة والقاسية للتطبيقات التي تتطلب التوافق والمطاوعة الميكانيكية مع الأشكال غير المنتظمة والمعقدة والمتنقلة. وقد اقترحت عدة طرق لإيجاد التوازن الأمثل بين الخصائص الكهربائية والميكانيكية. وتشمل هذه الطرق إيجاد مواد إلكترونية مرنة جديدة، ودمج المواد العضوية وغير العضوية معاً، أو إدخال تعديلات هيكلية على المواد التقليدية، وبالتالي تحقيق المرونة والتمدد. لا تزال الأجهزة الإلكترونية القائمة على السيليكون مهيمنة في السوق بسبب التكنولوجيا المتقدمة جدا للإلكترونيات التقليدية. ولذلك سيكون تصنيع الأجهزة المرنة و المتمددة باستخدام المواد الإلكترونية التقليدية ذا جدوى عملية أكثر. التعديلات الهيكلية لهذه المواد يمكن أن تؤدي إلى الحصول على الأجهزة الإلكترونية المرنة والمطاوعة المطلوبة حسب للتطبيق. في السابق تم اقتراح استخدام الهياكل اللولبية المصنوعة بالكامل من السيليكون كمنصة للتطبيقات الإلكترونية فائقة التمدد بسبب المعرفة العميقة لهذه المادة وأدائها العالي. في هذا العمل البحثي أثبتنا استخدام مركب قائم على هيكل لولبي، المستوحى من الهياكل الجزئية للتحسين والحد بشكل كبير من توزيع التوتر و الإجهاد على امتداد الجهاز. وقد تم النظر في دمج اللوالب مزدوجة الذراع مع هياكل مختلفة مثل: هياكل لولبية (ثعبانية) وهياكل حذوة الحصان ، وتم دراسة استجابتها الميكانيكية عند تطبيق تشوه ميكانيكي عليها من خلال تحليل العناصر المحدودة. توفر الهياكل المركبة المقترحة قدرات تمدد ممتازة وتظهر ما يصل إلى 58٪ تخفيض في التوتر / الإجهاد ، فضلا عن توزيع أكثر اتساقا بالمقارنة مع التراكيب الأولية الغير محسنة ذات الهيكل اللولبي. وتظهر هذه النتائج الإمكانيات المذهلة للجمع بين الهياكل المختلفة لتحسين سلوكها الميكانيكي، وبالتالي تحقيق منصات أكثر قوة من شأنها دعم تطوير الإلكترونيات القابلة للتمدد. وعلاوة على ذلك، تم أيضا تصنيع الهياكل المصممة باستخدام تقنيات التصنيع الدقيقة التقليدية للسليكون (100) والسليكون على رقائق العزل (SOI)، على التوالي. وأخيراً تم تعريض الهيكل حلزوني المصنع إلى ما يقرب من 470٪ إجهاد إضافي، لتأكيد فعالية العملية المقترحة

English Abstract

Stretchable electronics is a rising technology, promising to replace the conventional brittle and rigid electronics for applications that demand mechanical compliance to irregular, complex and mobile shapes. Several approaches have been proposed to find an optimum balance between elec-trical and mechanical characteristics. These include finding new flexible electronic materials, in-tegrating both organic and inorganic materials or incorporating structural modifications to con-ventional materials, thus achieving flexibility and stretchability. Silicon based electronic devices are still dominant in the market due to the very mature technology of conventional electronics. Therefore, it will be more practical to have stretchable/ flexible devices using the conventional electronic materials. Structural modifications to these materials can lead to achieve the desired electronic devices, compliant according to the application. Previously, the use of spiral-based structures made entirely out of silicon, a well-mature and high-performing material, has been pro-posed as a platform for ultra-stretchable electronic applications. In this research work we have demonstrated the use of spiral-based compound, fractal-inspired structures to optimize and great-ly reduce the stress and strain distribution along them. The integration of double-arm spirals with variants of serpentine and horseshoe structures has been considered and their mechanical re-sponse to an applied deformation has been performed through finite element analysis. The pro-posed compound structures provide outstanding stretching capabilities and demonstrate up to 58% reduction in stress/strain, as well as a more uniform distribution as compared to the initial, un-optimized spiral-based structure. These results show the remarkable potential of combining structures to optimize their mechanical behavior, thus accomplishing more robust platforms that will leverage the development of stretchable electronics. Moreover, the designed structures were also fabricated using conventional microfabrication techniques for bulk Si (100) and Silicon on Insulation (SOI) wafers, respectively. Finally, the fabricated spiral-based structure was subjected to approximately 470% strain, to confirm the effectiveness of the fabricated process.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Electrical
Department:	College of Engineering and Physics > Electrical Engineering
Committee Advisor:	Rojas, Jhonathan Prieto
Committee Members:	Qureshi, Khurram and Khan, Mohammed
Depositing User:	MUTEE UR REHMAN (g201404680)
Date Deposited:	10 Sep 2018 12:48
Last Modified:	30 Dec 2020 13:28
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/140801