CN105340369A - 具有容纳室的可拉伸的电子系统 - Google Patents

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S·许
J·A·范
黄永刚
张一慧
L·贾
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Abstract

本发明提供电子系统，所述电子系统包括器件阵列，包括通过一个或多个容纳室至少部分地封闭的功能器件和/或器件部件，使得所述器件和/或器件部件至少部分地，且可选地整体地，浸入在容纳流体中。对于在本发明的电子器件的容纳室中使用有用的容纳流体包括润滑剂、电解质和/或电子电阻流体。在一些实施方案中，例如，本发明的电子系统包括一个或多个电子器件和/或器件部件，所述电子器件和/或器件部件以独立式配置和/或栓系配置设置，所述独立式配置和/或栓系配置将支撑衬底的变形、拉伸或压缩时引起的力与独立式的或被栓系的器件或器件部件断开联系。

Description

具有容纳室的可拉伸的电子系统
相关申请的交叉引用
本申请要求享有2013年3月15日提交的美国专利申请No.13/835,284、2013年2月6日提交的美国临时专利申请No.61/761,412、以及2014年1月23日提交的美国临时专利申请61/930,732的优先权。这些申请中的每个以整体引用的方式纳入本文。
关于联邦政府赞助研究或开发的声明
本发明是至少部分地根据国家科学基金会授予的OISE-1043143和ECCS-0824129以及在美国能源部授予的DEFG02-91ER45439、DEFG02-07ER46471和DEFG02-07ER46453在美国政府支持下完成的。美国政府对本发明具有一定权利。
背景技术
自1994年首次展示了印刷的、全聚合物晶体管以来，大量兴趣指向一种在塑料衬底上包括柔性集成电子器件的潜在新类别的电子系统。[Garnier,F.,Hajlaoui,R.,Yassar,A.和Srivastava,P.,Science,第265卷,第1684-1686页]最近，大量研究指向开发用于柔性塑料电子器件的导体、电介质和半导体的新的溶液可处理的材料。然而，柔性电子器件领域的进展不仅受新的溶液可处理的材料的开发的驱动，而且受适用于柔性电子系统的新的器件部件几何结构、有效率的器件和器件部件处理方法以及高分辨率图案化技术的驱动。预期这样的材料、器件配置和制造方法将在快速新兴的新类别的柔性集成电子器件、系统和电路中起重要作用。
对柔性电子器件领域的兴趣起因于由此技术提供的若干重要优点。例如，衬底材料的固有柔性允许它们被集成到提供大量有用器件配置的许多形状内，这在用易碎的常规硅基电子器件的情况下是不可能的。此外，溶液可处理的部件材料和柔性衬底的组合实现了通过进行连续、高速的印刷技术的制造，所述连续、高速的印刷技术能够以低成本在大衬底区域之上生成电子器件。
然而，展现良好电子性能的柔性电子器件的设计和制造呈现许多重大挑战。首先，制作常规硅基电子器件的良好发展的方法与大多数柔性材料不兼容。例如，通常通过在显著超过大多数塑料衬底的熔化温度或分解温度的温度(＞1000摄氏度)下生长薄膜来处理传统高质量无机半导体部件，诸如，单晶硅或锗半导体。此外，大多数无机半导体在会允许基于溶液的处理和递送的常规溶剂中本质上不可溶。另外，尽管许多非晶硅、有机或混合有机-无机半导体适合于纳入到柔性衬底内且可以在相对低的温度下被处理，但是这些材料不具有能够提供良好电子性能的集成电子器件的电子属性。例如，具有由这些材料制成的半导体元件的薄膜晶体管展现的场效应迁移率比互补型基于单晶硅的器件小近似三个数量级。因为这些限制，所以柔性电子器件目前被限制于不需要高性能的特定应用，诸如，在用于具有非发射型像素的有源矩阵平板显示器的开关元件中和在发光二极管中使用。
在包括柔性显示器、任意形状的电活性表面(诸如，电子纺织品和电子皮肤)的许多领域中，柔性电子电路系统是一个活跃的研究领域。这些电路常常不能充分共形(conformation)到它们周围的事物，这是因为导电部件不能够响应于共形改变而拉伸。因此，在严格的和/或重复的共形改变下，这些柔性电路易于损坏、电子退化且可能是不可靠的。柔性电路需要可拉伸的且可弯曲的互连线(interconnect)，该互连线在通过拉伸和松弛循环时保持完整无缺。
能够弯曲且有弹性的导体通常是通过在弹性体(诸如，硅树脂)中嵌入金属粒子制成的。这些导电橡胶是机械弹性的且导电的。导电橡胶的缺点包括电阻率高且在拉伸下有显著的电阻改变，从而导致总体差的互连性能和可靠性。
Gray等人讨论了使用包覆在硅树脂弹性体内、能够线性应变多达54％同时维持导电性的微制造的曲折引线来构造弹性体电子器件。在该研究中，引线被形成为螺旋形弹簧形状。与在低应变(例如，2.4％)下断裂的直线引线相反，曲折引线在显著较高应变(例如，27.2％)下保持导电。这样的一种引线几何结构依赖于引线通过弯曲而不是拉伸伸长的能力。该系统在不同形状中和附加平面中可控地且精确地图案化的能力受到限制，从而限制了为不同的应变和弯曲方案定制系统的能力。
探究表明了弹性可拉伸的金属互连线经历电阻随着机械应变而增加。(Mandlik等人2006)。Mandlik等人试图通过在角锥状纳米图案化表面上沉积金属膜来最小化此电阻改变。然而，该研究依赖于浮雕特征，以生成赋予薄金属线可拉伸性的微裂缝。微裂缝通过平面外扭曲和变形来促进金属弹性变形。然而，这些金属裂缝不适合于厚金属膜，而是适合于沉积在图案化的弹性体的顶部上的相当窄范围的薄金属膜(例如，在小于30nm的量级上)。
赋予金属互连线可拉伸性的一个方式是通过在导体(例如，金属)施加期间使衬底预应变(例如，15％-25％)，随后自发解除预应变，从而将波度引到金属导体互连线。(参见,例如,Lacour等人(2003)；(2005)；(2004),Jones等人(2004)；Huck等人(2000)；Bowden等人(1998))。Lacour等人(2003)报告通过最初压缩金带以生成自发起皱的金带，电连续性在多达22％的应变(与弹性衬底上的金膜的百分之几的断裂应变相比)下被维持。然而，该研究使用比较薄的金属膜层(例如，大约105nm)，且是相对受限的，因为该系统可以潜在地制成能够被拉伸大约10％的电导体。
第7,557,367号、第7,521,292号和第8,217,381号美国专利以及公开号为第2010/0002402号、第2012/0157804号以及第2011/0230747号美国专利描述了通过包括基于印刷的技术的微制造路径访问(access)的柔性的和/或可拉伸的电子系统。这些参考文献的可拉伸的系统包括具有通过可变形的电子互连线互连的分布式电子器件部件的器件，该可变形的电子互连线可选地能够对大的应变变形有弹性响应。这些参考文献的系统包括用于以下应用的电子器件，所述应用包括组织安装的生物医学器件、太阳能和大面积微电子系统。
从前述内容，显然的是，需要具有改善的可拉伸性、电学属性的电子器件(诸如，互连线)和其他电子部件，以及与用于以多种不同配置快速地且可靠地制造可拉伸的互连线的有关的工艺。预期柔性电子器件领域中的进展在许多重要的新兴的技术和已建立的技术中起关键作用。然而，柔性电子器件技术的这些应用的成功主要取决于新材料、器件配置以及商业可行的制造路径的持续开发,所述商业可行的制造路径用于制造在曲折共形、变形共形和弯曲共形中展现良好电子属性、机械属性和光学属性的集成电子电路和器件。特别地，需要在折叠共形、拉伸共形和/或收缩共形中展现有用的电子属性和机械属性的高性能、机械可延伸的材料和器件配置。
发明内容
本发明提供电子系统，所述电子系统包括器件阵列，包括通过一个或多个容纳室至少部分地封闭的功能器件和/或器件部件，使得所述器件和/或器件部件至少部分地且可选地整体地浸入在容纳流体或低模量固体中。对于在本发明的电子器件的容纳室中使用的有用的容纳流体包括润滑剂、电解质和/或电子电阻流体。在一些实施方案中，例如，本发明的电子系统包括一个或多个电子器件和/或器件部件，所述电子器件和/或器件部件以独立式配置和/或栓系(tethered)配置设置，所述独立式配置和/或栓系配置使支撑衬底的变形、拉伸或压缩时所引起的力与独立式或栓系器件或器件部件断开联系或以其他方式机械地隔离，例如，以便相对于具有以直接键合到支撑衬底的配置设置的等同器件或器件部件的类似的器件，使由支撑衬底的变形、拉伸或压缩导致的所述一个或多个电子器件和/或器件部件上的应变减小到1/4至1/1000且可选地减小到1/10以下。
在一个实施方案中，例如，本发明提供组合弹性体材料、流体封装和器件或器件部件的系统，所述器件或器件部件具有例如当以压缩、伸长、拉伸和/或变形配置设置时实现有用的机械属性、电子属性和/或光学属性的独立式或栓系几何结构。本发明的器件对于宽范围的应用是有用的，包括发电、通信、感测、光伏电池、显示器、电磁辐射的生成、医疗器件、可共形电子器件、大面积电子器件、可佩戴电子器件、电子纸等。
在一方面，例如，本发明提供一种电子系统，所述电子系统包括：(i)一个衬底；(ii)一个电子器件或器件部件，其由所述衬底支撑；其中所述电子器件或器件部件是独立式的或被栓系到所述衬底；以及(iii)一个容纳室，其至少部分地封闭所述电子器件或器件部件；其中所述容纳室被至少部分地填充有容纳流体或低模量固体。
在一方面，例如，本发明提供一种电子系统，包括：(i)一个超低模量层；(ii)一个衬底，其由所述超低模量层支撑；(iii)一个电子器件或器件部件，其由所述衬底支撑；其中所述电子器件或器件部件是独立式的或被栓系到所述衬底；以及一个容纳室，其包括多个侧壁和一个顶壁，其至少部分地封闭所述电子器件或器件部件；其中所述容纳室被至少部分地填充有容纳流体或低模量固体；其中所述衬底具有的杨氏模量大于所述超低模量层的杨氏模量，且所述顶壁具有的杨氏模量大于所述容纳流体或所述低模量固体的杨氏模量，使得所述系统的杨氏模量分布图沿着大体上垂直于所述超低模量层的轴线在空间上变化。
在一个实施方案中，例如，所述电子器件或器件部件的独立式配置或栓系配置使所述衬底的运动和/或变形与所述电子器件或器件部件至少部分地断开联系。在一个实施方案中，例如，所述电子器件或器件部件的独立式配置或栓系配置使由所述衬底的伸长、压缩或变形生成的力与所述电子器件或器件部件至少部分地断开联系。
在一个实施方案中，所述超低模量层被设置在衬底的一个表面上。例如，所述超低模量层可以提高所述衬底到表面的粘附。在一个实施方案中，所述超低模量层可以包括 在一个实施方案中，所述超低模量层具有的杨氏模量小于或等于150KPa，或小于或等于100KPa，或小于或等于50KPa。在一个实施方案中，所述超低模量层具有选自50KPa至150Pa，或50KPa至100KPa的范围内的杨氏模量。
还描述了一种电互连的器件的阵列，其中衬底上的器件部件布局可以是有序的、配准的、随机的或任意的。多个器件或器件部件可以被封闭在单个容纳室内和/或一个或多个器件或器件部件可以被分隔成隔间化的或嵌套的容纳室。例如，在隔间化的或嵌套的容纳室内的器件或器件部件可以与本体(bulk)器件或器件部件隔离以执行孤立功能(solitaryfunction)，例如，以与外部器件通信和/或以与外部环境通信或以其他方式与外部环境接口。本发明的某些方面的器件部件布局的几何结构允许不同的部件彼此通信或接口和/或允许器件部件与外部环境(例如，组织接口)接口。
在一个实施方案中，本发明的器件由包括多个集成器件部件的集成电子器件和/或电子电路表征，其中所述集成电子器件和/或电子电路被设置为封闭在单个容纳室内的独立式结构或栓系结构。此方面的器件可以与其他器件(例如，在器件阵列中的器件)通信或通过一些系统与外部环境通信，所述一些系统包括有线通信和/或电力系统、光通信系统、射频系统和/或将容纳室内设置的器件或电路连接到容纳室外部的器件或器件部件的电互连线。在一个实施方案中，例如，单个独立式或栓系集成电路或芯片被设置在单个容纳室内。
在一个实施方案中，电子器件或器件部件被设置在衬底的接收表面上或被设置在在所述衬底和所述电子器件或器件部件之间设置的中间结构上。如将理解，宽范围的中间结构可以用来支撑本发明的包括功能器件部件结构(例如，电极、电绝缘体、电介质结构、半导体结构等)和结构器件部件结构(例如，薄膜结构、低模量固体、浮雕特征、粒子、基座、隔膜等)的器件和器件部件。
在一个实施方案中，容纳室包括一个或多个封闭结构，所述一个或多个封闭结构被安置成至少部分地包围电子器件或器件部件的外部部分，可选地完全地封闭所述器件或器件部件。所述容纳室的一个或多个封闭结构可以在操作上联接到支撑表面或在所述支撑表面和所述一个或多个封闭结构之间设置的中间结构，例如，通过层压、化学键合和/或使用胶粘剂。在一个实施方案中，所述容纳室的一个或多个封闭结构不与所述电子器件或器件部件物理地接触，且可选地，对于一些实施方案，所述容纳室的全部封闭结构不与所述电子器件或器件部件物理地接触。例如，所述封闭结构可以包括一个或多个室壁或屏障结构，所述一个或多个室壁或屏障结构中的每个都被安置成距离所述电子器件或器件部件的侧面至少1000微米，可选地，对于一些实施方案，距离所述电子器件或器件部件的侧面至少100微米，且可选地，对于一些实施方案，距离所述电子器件或器件部件的侧面至少10微米。在一个实施方案中，例如，屏障结构或室壁被设置以至于约束所述器件或器件部件的移动，例如，通过物理地阻碍或以其他方式阻止所述器件或部件的移动。在一个实施方案中，例如，屏障结构或室壁被设置以至于将所述器件或器件部件在平行于衬底的表面(例如，直接或间接支撑所述器件或器件部件的衬底的支撑表面)的方向上的移动约束至小于或等于1000微米，可选地，对于一些实施方案小于或等于100微米且可选地，对于一些实施方案小于或等于10微米。在一个实施方案中，例如，屏障结构或室壁被设置以至于将所述器件或器件部件在正交于衬底的表面(例如，直接或间接支撑所述器件或器件部件的衬底的支撑表面)的方向上的移动约束至小于或等于1000微米，可选地，对于一些实施方案小于或等于100微米且可选地，对于一些实施方案小于或等于10微米。在一个实施方案中，例如，所述容纳室的一个或多个封闭结构与所述器件或器件部件物理地接触。在一个实施方案中，例如，所述容纳室的一个或多个封闭结构不与所述器件或器件部件物理地接触，例如，当被设置处于未变形状态时。
在一个实施方案中，所述容纳室还包括设置在所述衬底内以适配所述器件或器件部件(例如，部分地包围所述电子器件或器件部件)的一个或多个凹进特征，其中所述一个或多个封闭结构被设置成至少部分地封闭所述凹进特征。例如，所述容纳室的凹进特征可以包括一个或多个室壁或屏障结构，所述一个或多个室壁或屏障结构中的每个都被安置成距离所述电子器件或器件部件的侧面至少1000微米，可选地，对于一些实施方案，距离所述电子器件或器件部件的侧面至少100微米，且可选地，对于一些实施方案，距离所述电子器件或器件部件的侧面至少10微米。通常，所述容纳室的封闭结构的至少一部分被物理地或化学地键合(例如，层压、胶合等)到所述衬底或在所述衬底和所述封闭结构之间设置的中间结构。例如，倒装芯片键合器(bonder)可以用来在芯片/金属互连接线接口处将商用现货(COTS)芯片和/或裸片与各向异性导电膜或焊料凸部(solderbumper)键合。在一些实施方案中，COTS芯片或裸片具有从10GPa至100GPa的模量和从0.01GPa·mm2至1000GPa·mm2的抗拉刚度。
在一个实施方案中，屏障结构限制或以其他方式制约独立式或栓系器件或器件部件的移动，例如，限制在平行于/正交于衬底的支撑表面或接收表面的方向上的移动。示例性屏障结构包括但不限于，畜栏、浮雕特征、压印特征、压痕或凹陷、容纳室的内室壁、容纳室自身、凸点等。在一个实施方案中，屏障结构被安置成距离所述电子器件或器件部件的侧面至少1000微米，可选地，对于一些实施方案，距离所述电子器件或器件部件的侧面至少100微米，且可选地，对于一些实施方案，距离所述电子器件或器件部件的侧面至少10微米。在一个实施方案中，屏障结构被安置成距离所述电子器件或器件部件的侧面在10微米和100毫米之间，或可选地，距离所述电子器件或器件部件的侧面在100微米和5毫米之间，或可选地，距离所述电子器件或器件部件的侧面在100微米和1毫米之间。在一些实施方案中，屏障结构具有高度h，该高度小于(例如，90％或更少，可选地60％或更少)容纳室的全高度，使得在屏障结构和容纳室的顶壁之间存在间隙。替代地，本发明包括延伸容纳室的整个高度的屏障结构。然而，屏障结构的高度至少足以防止独立式器件或器件部件移动或以其他方式穿过屏障结构和容纳室的顶区域之间的间隙而在屏障结构之上延伸。
在一个实施方案中，例如，所述容纳流体或低模量固体减轻作用在电子器件或器件部件上的摩擦力，例如，通过起润滑剂的作用，例如，以减小所述器件或器件部件的移动表面之间的摩擦力。在一些实施方案中，例如，所述容纳流体或低模量固体减小摩擦以便防止所述器件部件的器件的退化或故障，例如，通过减小由所述器件或器件部件的表面的触碰或其他物理相互作用所生成的摩擦。在一个实施方案中，例如，所述容纳流体或低模量固体起润滑剂的作用以减小由电互连线和它自身和/或器件的其他电互连线或其他部件的物理相互作用所生成的摩擦。在一个实施方案中，相对于不具有容纳流体存在的配置，所述容纳流体或低模量固体使一个或多个器件或器件部件之间的摩擦程度减小到1/2以下，可选地，对于一些实施方案，减小到1/10以下，且可选地，对于一些实施方案，减小到1/100以下。
在一个实施方案中，所述电子器件或器件部件是独立式的或被完全栓系形成的芯片或集成电路或它们的混合体。通过利用本文中所描述的流体容纳策略的栓系、选择性键合和/或浮动，最小化芯片和/或集成电路对弹性体衬底的机械载荷。在一个实施方案中，所述电子器件或器件部件是单晶半导体结构或电子器件，诸如，包括高纯度无机单晶材料和/或掺杂无机单晶材料的单晶无机半导体结构或电子器件。在一个实施方案中，所述电子器件或器件部件是单晶半导体结构或器件部件，其可以在操作上连接到选自由导电结构、电介质结构、电极、阴极、阳极和附加半导体结构组成的组的至少一个附加器件部件或结构。在一个实施方案中，例如，所述器件或器件部件包括单晶硅、锗、III-V半导体(例如，GaAs)或金刚石。在一个实施方案中，例如，所述器件或器件部件包括压电材料，诸如，压电半导体材料。
单晶半导体电子器件或器件部件可以例如包括选自由晶体管、电化学电池、燃料电池、集成电路、太阳能电池、激光器、发光二极管、纳米机电器件、微机电器件、光电二极管、P-N结、传感器、存储器件、集成电路、互补逻辑电路和这些的阵列或组合组成的组的一个或多个电子器件。
在一个实施方案中，所述电子器件或器件部件具有选自10纳米至约1000微米的范围内的厚度，选自100纳米至约10毫米的范围内的宽度以及选自500纳米至约10毫米的范围内的长度。在一个实施方案中，所述电子器件或器件部件具有选自10纳米至约100微米的范围内的厚度，选自100纳米至约1毫米的范围内的宽度以及选自1微米至约1毫米的范围内的长度。在一个实施方案中，所述电子器件或器件部件具有选自500纳米至约1000微米的范围内的厚度，选自1微米至约1毫米的范围内的宽度以及选自1微米至约1毫米的范围内的长度。
在一个实施方案中，电子系统还可以包括由容纳室至少部分地封闭或由一个或多个附加容纳室至少部分地封闭的一个或多个附加电子器件或器件部件。本发明包括包含电子器件或器件部件的阵列，所述电子器件或器件部件可选地彼此电互连、被设置在相同的或多个容纳室内。在一个实施方案中，例如，本发明的器件包括5个或更多个设置在容纳室内的器件或器件部件，可选地包括20个或更多个设置在容纳室内的器件或器件部件，且可选地包括100个或更多个设置在容纳室内的器件或器件部件
在一个实施方案中，所述电子器件或器件部件是电互连线，诸如，可拉伸的电互连线。例如，一个或多个可拉伸的电互连线可以与电子器件或器件部件电接触，并且所述一个或多个可拉伸的电互连线的至少一部分可以至少部分地嵌入在容纳室的封闭结构中。
在一个实施方案中，容纳室的封闭结构(诸如，室壁或屏障结构)具有的杨氏模量选自1KPa至1GPa的范围内，或选自1KPa至100MPa的范围内，或选自100KPa至1MPa的范围内，或选自250KPa至750KPa的范围内。在一个实施方案中，例如，容纳室的封闭结构(诸如，室壁或屏障结构)具有的杨氏模量小于或等于10MPa，可选地小于或等于1MPa，且可选地小于或等于500KPa，可选地小于或等于200KPa。在一个实施方案中，容纳室的封闭结构(诸如，室壁或屏障结构)具有的挠曲刚度选自10-13N·m至105N·m的范围内，或选自10-10N·m至103N·m的范围内，或选自10-5N·m至10N·m的范围内。在一个实施方案中，容纳室的封闭结构具有的渗透率选自1fg·mm/m2·天至1g·mm/m2·天的范围内，或选自1ng·mm/m2·天至0.5g·mm/m2·天的范围内，或选自1mg·mm/m2·天至0.1g·mm/m2·天的范围内。在一个实施方案中，容纳室的封闭结构具有的热膨胀系数选自10-7℃-1至10-2℃-1的范围内，或选自10-5℃-1至10-1℃-1的范围内，或选自10-3℃-1至10℃-1的范围内。
在一个实施方案中，所述容纳室包括容纳流体不可渗透的材料。例如，宽范围的聚合物对于本发明的容纳室是有用的。例如，所述容纳室可以包括能够物理地拉伸的软材料，诸如，弹性体。宽范围的聚合物对于本发明的容纳室是有用的。在一个实施方案中，例如，所述容纳室包括选自由聚二甲基硅氧烷(PDMS)、硅树脂、橡胶和聚合物组成的组的材料。在一个实施方案中，可以使用PDMS基料而不需要添加任何固化剂。
在一个实施方案中，所述容纳室具有的高度选自10μm至10cm的范围内，或选自100μm至5cm的范围内，或选自1mm至0.5cm的范围内，或选自5mm至50mm的范围内。在一个实施方案中，例如，所述容纳室具有的高度大于或等于10μm，且可选地对于一些实施方案，大于或等于100μm，且可选地对于一些实施方案，大于或等于1000μm。在一个实施方案中，所述容纳室具有的横向维度(例如，长度和宽度)选自100μm至10m的范围内，或选自100μm至1m的范围内，或选自1mm至0.1m的范围内，或选自50mm至50cm的范围内。在一个实施方案中，例如，所述容纳室具有的横向维度大于或等于10μm，且可选地对于一些实施方案，大于或等于100μm，且可选地对于一些实施方案，大于或等于1000μm。在一个实施方案中，所述容纳室具有的体积选自1000μm3至10m3的范围内，或选自1μm3至1m3的范围内，或选自100mm3至100cm3的范围内，或选自10mm3至1cm3的范围内。在一个实施方案中，例如，所述容纳室具有的体积大于或等于1000μm3，且可选地对于一些实施方案大于或等于1μm3，且可选地对于一些实施方案，大于或等于100mm3。在一个实施方案中，所述容纳室在结构上是自支撑的。
在一个实施方案中，所述容纳室由沿着外边界密封以形成袋的两个薄的弹性体片材形成。根据包含在所述室内的电子器件或器件部件的布局，流体容器可以具有的形状因数(formfactor)或几何结构选自3D正方形、3D矩形、球体、棱柱体或任意形状。
在一个实施方案中，容纳室的体积的至少50％由容纳流体或低模量固体占据，且可选地容纳室的体积的至少90％由容纳流体或低模量固体占据，且可选地容纳室的体积的至少98％由容纳流体或低模量固体占据。在一个实施方案中，容纳流体占据容纳室的百分比选自1％至99.9％的范围内，或选自1％至99％的范围内，或选自25％至90％的范围内，或选自50％至90％的范围内，或选自50％至75％的范围内。在一个实施方案中，容纳室的体积的至少0.1％由电子器件或器件部件占据。在一个实施方案中，所述电子器件或器件部件占据容纳室的百分比选自1％至99％的范围内，或选自2％至50％的范围内，或选自5％至30％的范围内，或选自5％至15％的范围内。所述容纳室流体可以例如与所述电子器件或器件部件物理地接触，例如，与所述器件或器件部件的一个或全部外表面物理地接触。
在一个实施方案中，所述电子器件或器件部件完全地浸入在容纳流体或低模量固体中。合适的容纳流体包括但不限于功能流体，诸如，液体、胶体、凝胶、气体、润滑剂、电解质、热功能流体、具有低粘度的流体、化学惰性流体、具有低离子电阻(ionicresistance)的流体和具有高离子电阻的流体(例如，电绝缘流体)。例如，合适的润滑剂包括油(天然油或合成油)和未固化的硅树脂弹性体前体(诸如，聚二甲基硅氧烷前体)。例如，合适的润滑剂包括硅树脂、卤烃或碳氟化合物。合适的电解质包括非水锂离子蓄电池电解质(诸如，锂盐)，例如，有机溶剂(诸如，碳酸亚乙酯、碳酸二甲酯和碳酸二乙酯)中的LiPF6、LiBF4或LiClO4。合适的热功能流体包括热传递流体(诸如，具有有限热传递系数的流体)，以消散从电子器件部件生成的热量。在一个实施方案中，所述容纳流体是选自由预聚物、溶剂、非水电解质、硅树脂、天然油、合成油、聚烯烃和碳氟化合物组成的组的材料。在一个实施方案中，可以将一种或多种胶体添加到容纳流体以调整该流体的粘度、光学属性和/或电子属性。在一个实施方案中，例如，所述容纳流体是热稳定流体。
在一个实施方案中，容纳流体在298K下具有的蒸汽压力小于或等于760托。在一个实施方案中，容纳流体在298K下具有的粘度选自0.1cP至10000cP，或容纳流体在298K下具有的粘度选自10cP至500cP。在一个实施方案中，容纳流体具有的离子电阻选自107ohm·cm至无穷大，或选自1010ohm·cm至1070ohm·cm。在一个实施方案中，容纳流体具有的电子电阻选自107ohm·cm至无穷大，或选自1010ohm·cm至1070ohm·cm。在一个实施方案中，容纳流体具有的蒸汽压力选自100Pa至1MPa，或选自500Pa至1KPa。在一个实施方案中，容纳流体具有的蒸汽压力选自10-7℃-1至10-1℃-1,或选自10-5℃-1至10-3℃-1。在一个实施方案中，根据用于构造液体室所使用的材料，容纳流体具有表面张力或润湿属性，使得流体应该具有的接触角在90o以下，例如，选自1达因/cm至70达因/cm。在一个实施方案中，容纳流体具有高离子导电性，例如，以便起电化学系统中的电解质的作用，诸如，离子导电性大于或等于0.001Scm-1,可选地大于或等于0.01Scm-1,可选地大于或等于0.005Scm-1。
使用低模量固体作为容纳材料解决重要的设计考虑，例如，通过减小或消除容纳材料的泄漏和/或由容纳材料的蒸发引起的容纳室的干燥。对于使用容纳室的系统的设计重要的其他容纳材料属性包括但不限于，粘度、蒸气压力、多孔性、弹性模量和弹性模量的温度依赖性。例如，材料的弹性模量通常随着温度增加而减小，且一些具有容纳室的电子系统可以在可变温度环境(例如，在未经调节的环境中、在体内、在生成作为废品的热量的电子系统中等)中操作。在一个实施方案中，所述低模量固体是选自由凝胶、预聚物、硅树脂、天然油、合成油、聚烯烃或碳氟化合物组成的组的材料。在一个实施方案中，所述低模量固体具有的杨氏模量小于或等于1MPa,或小于或等于0.5MPa,或小于或等于200KPa。在一个实施方案中，所述低模量固体具有的杨氏模量选自2KPa至1MPa的范围内，或选自2KPa至500KPa的范围内，或选自2KPa至200KPa的范围内，或选自2KPa至100KPa的范围内，或选自2KPa至50KPa的范围内。在一个实施方案中，所述低模量固体具有的杨氏模量是衬底或容纳室的顶壁的杨氏模量的1/100，或1/10，或1/5，或1/2。在一个实施方案中，所述低模量固体具有的杨氏模量是衬底或容纳室的顶壁的杨氏模量1/2或更小。在一个实施方案中，所述低模量固体选自由silbione、solaris、PDMS和这些的组合组成的组。RTGel4717A&B(BluestarSiliconesUSA,EastBrunswick,NJ)是生物兼容的、双组分硅树脂弹性体，其在室温下交联以产生弹性和耐久凝胶。是由Smooth-On,Inc.,Easton,PA配销的低粘度、清澈且无色的液体铂固化硅树脂橡胶。在一个实施方案中，可以在缺少任何固化剂的情况下使用通常通过与固化剂混合而固化或交联的低模量材料。
在一个实施方案中，通过一个或多个微流体通道监控、调整或控制容纳室内的容纳流体或低模量固体的水平，所述一个或所个微流体通道将一个或多个容纳室在操作上连接到容纳流体或低模量固体的储器。
在一个实施方案中，所述电子器件或器件部件是由衬底支撑或与衬底物理地接触的独立式结构。如本文中使用的，独立式指一种配置，其中所述器件或器件部件由所述衬底的表面或由所述衬底与所述器件或器件部件之间的中间结构支撑，但不键合到所述衬底的表面或所述中间结构。在一个实施方案中，例如，独立式器件或器件部件能够相对于衬底表面移动，诸如，在平行于和/或正交于衬底表面(诸如，衬底的支撑表面或接收表面)的方向上移动。然而，独立式结构可以经受和/或参与与所述衬底或与所述衬底和所述独立式结构之间设置的中间结构的一个或多个关联相互作用，例如，其中所述关联相互作用是偶极-偶极相互作用或范德华相互作用。在一些实施方案中，在电子器件或器件部件与支撑层或衬底之间的关联相互作用可以引起静摩擦。为了减小或消除静摩擦，在一些实施方案中，支撑层或衬底可以是有纹理的、微结构化的或纳米结构化的，以减少所述电子器件或器件部件和所述支撑层或衬底之间的接触面积。
在一个实施方案中，电子器件或器件部件(诸如，半导体器件部件、电极和/或电互连线)是通过一个或多个栓系结构(诸如，衬底的浮雕特征或由衬底支撑的一个或多个浮雕特征)支撑的栓系结构。在一个实施方案中，例如，栓系器件或器件部件能够相对于衬底表面移动，诸如，在平行于和/或正交于衬底表面(诸如，衬底的支撑表面或接收表面)的方向上移动。在一个实施方案中，例如，栓系结构(诸如，一个或多个浮雕特征)被键合到衬底或被键合到设置在栓系结构与衬底之间的中间结构。在一个实施方案中，例如，栓系结构(诸如，一个或多个浮雕特征)被键合到器件或器件部件的表面的一部分而不是全部，诸如，器件或器件部件的底表面的面积的30％或更少，可选地器件或器件部件的底表面的面积的10％或更少，可选地器件或器件部件的底表面的面积的5％或更少，且可选地器件或器件部件的底表面的面积的1％或更少。在一个实施方案中，例如，栓系结构(诸如，一个或多个浮雕特征)被键合到器件或器件部件的表面的一部分而不是全部，诸如，器件或器件部件的底表面的面积的1％和30％之间，可选地器件或器件部件的底表面的面积的1％和10％之间，且可选地器件或器件部件的底表面的面积的1％和5％之间。在栓系结构(诸如，一个或多个浮雕特征)之间具有选择性键合的这样的实施方案，且器件或器件部件的表面的一些而不是全部对于实现使器件或器件部件与衬底的运动和/或变形至少部分地机械断开联系是特别有用的。一些实施方案的栓系几何结构对于使器件部件与衬底机械隔离(例如，提供与衬底的移动和/或变形的机械隔离)是有用的。在一些实施方案中，一些实施方案的栓系几何结构对于保持器件部件(诸如，半导体器件部件、电极和/或电互连线)的位置是有用的。在一些实施方案中，栓系几何结构对于防止器件部件的缠结(诸如，半导体器件部件、电极和/或电互连线的缠结)是有用的，例如，在拉伸和释放循环期间或之后。
在一个实施方案中，例如，电子器件或器件部件是通过5至1000个浮雕特征的阵列支撑的，可选地对于一些实施例5至100个浮雕特征的阵列支撑的，且可选地对于一些实施例5至20个浮雕特征的阵列支撑的栓系结构。在一个实施方案中，例如，电子器件或器件部件是通过至少5个浮雕特征支撑的，可选地对于一些实施方案通过至少10个浮雕特征支撑的，且可选地对于一些实施方案通过至少100个浮雕特征支撑的栓系结构。宽范围的栓系结构在本发明中是有用的，包括一个或多个圆柱、基座、柱形物、平台、指状物等。本发明的栓系结构可以具有宽范围的横截面形状，诸如，圆形、三角形、椭圆形、矩形、梯形以及这些的任何组合。在一个实施方案中，例如，本发明的栓系结构沿着相对于衬底表面正交或大体上正交(例如，在绝对正交定向的20度内)的方向上延伸一个长度。
例如，所述一个或多个浮雕特征可以包括基座，或所述一个或多个浮雕特征可以包括至少10个基座的阵列，可选地对于一些实施方案至少20个基座的阵列，可选地对于一些实施方案至少100个基座的阵列，且可选地对于一些实施方案至少1000个基座的阵列。在一个实施方案中，所述栓系结构被键合到一个或多个包括栓系结构的浮雕特征。在一个实施方案中，所述栓系结构的浮雕特征包括弹性体、PDMS、 或硅树脂。在一个实施方案中，例如，栓系件包括与所述器件或器件部件的材料不同的材料。
在一个实施方案中，例如，所述栓系结构的一个或多个浮雕结构中的每个独立延伸一个选自100nm至1mm的范围内的长度，且独立具有一个或多个选自100nm至10mm的范围内的横截面物理维度，且可选地对于一些实施方案，独立延伸一个选自100nm至1000微米的范围内的长度且独立地具有一个或多个选自100nm至1000微米的范围内的横截面物理维度，且可选地对于一些实施方案，独立延伸一个选自1微米至1000微米的范围内的长度且独立地具有一个或多个选自1微米至1000微米的范围内的横截面物理维度，且可选地对于一些实施方案，独立延伸一个选自10微米至1000微米的范围内的长度且独立地具有一个或多个选自10微米至1000微米的范围内的横截面物理维度。
在一个实施方案中，衬底是柔性衬底或可拉伸的衬底，诸如，聚合物衬底。例如，宽范围的聚合物对于本发明的衬底是有用的。例如，所述衬底可以包括选自由弹性体、PDMS、弹力纤维、胶粘剂绷带和硅树脂组成的组中的一种或多种材料。通常，所述衬底具有的杨氏模量选自1KPa至100MPa的范围内，或选自10KPa至10MPa的范围，或选自20KPa至1MPa的范围内。在一些实施方案中，所述衬底具有的厚度选自100微米至100mm的范围内,或选自100微米至50mm的范围内,或选自1mm至10mm的范围内。在一些实施方案中，所述衬底具有的厚度小于或等于1000mm,可选地小于或等于10mm且可选地小于或等于1mm。在一些实施方案中，衬底可以具有在该衬底的平面(例如，通过图70S的坐标轴线示出的)内的在空间上变化的弹性属性,其可以例如提供渐进的弹性和/或应变限制行为，以防止可以损害或破坏器件部件或连接线的过度拉伸。在一个实施方案中，衬底可以具有在1KPa至100MPa的范围内，或在10KPa至10MPa的范围内，或在20KPa至1MPa的范围内变化的面内在空间上变化的杨氏模量。
在一个实施方案中，电子系统可以在衬底的平面(例如，沿着一个轴线，诸如图70N的轴线N，其是大体上垂直于衬底的平面的轴线)外具有在空间上变化的弹性属性。在一个实施方案中，电子系统可以具有在1KPa至10GPa的范围内变化的面外在空间上变化的杨氏模量。
在一个实施方案中，电子系统包括与电子器件或器件部件电接触的一个或多个电互连线。例如，所述一个或多个电互连线可以建立所述电子器件或器件部件与一个或多个附加电子器件或器件部件之间的电接触。所述电子器件或器件部件、所述一个或多个附加电子器件或器件部件以及所述一个或多个电互连线可以以岛和桥的几何结构设置，其中所述电子器件或器件部件包括岛(island)且其中所述电互连线包括桥(bridge)。所述电子器件或器件部件、所述一个或多个附加电子器件或器件部件以及所述一个或多个电互连线可以以刚性岛和桥的几何结构设置，其中所述电子器件或器件部件包括刚性岛，且其中所述电互连线包括柔性和/或可拉伸的桥。
在一个实施方案中，电子系统包括包含刚性器件岛的器件部件的阵列，其中所述一个或多个电互连线电连接邻近的刚性器件岛。例如，所述电互连线中的至少一个可以将包括第一刚性器件岛的器件部件与包括第二刚性器件岛的第二器件部件电连接。在一个实施方案中，电子系统包括多个器件部件，其中所述刚性器件岛中的每个对应于一个器件部件。一般地，所述岛的物理维度和几何结构对应于所述电子器件或器件部件的物理维度和几何结构。
在一个实施方案中，一个或多个电互连线可以是被配置以向所述电子系统提供弹性、弯曲性或二者的可拉伸的电互连线。例如，一个或多个可拉伸的电互连线的至少一部分可以具有弯曲、压曲、折叠、弧形或蛇形几何结构。此外，一个或多个可拉伸的电互连线的至少一部分可以具有相对于由所述衬底的支撑表面限定的平面(其可以是弯曲的或大体平的)是面内、面外或面内和面外的几何结构。在一个实施方案中，一个或多个可拉伸的电互连线的至少一部分具有面内蛇形几何结构。
在一个实施方案中，所制成的多层(聚酰亚胺(1.2μm)/Cu(500nm)/Au(100nm)/聚酰亚胺(1.2μm)/(Cu(600nm)/聚酰亚胺(1.2μm)/Al(600nm)/聚酰亚胺(1.2μm))互连线具有面内(或非共面的)蛇形几何结构，或弧形弹出式布局，具有50μm-100μm的横向宽度。这些材料的杨氏模量是：聚酰亚胺2.5GPa,Cu120GPa,Au78GPa,以及Al70GPa。
在一些实施方案中，本发明的独立式和/或栓系件器件几何结构提供实现使电子器件或其部件与衬底机械隔离的有效方式。发明的此方面例如对于减小由衬底的移动或变形所引起的电子器件部件上的应变的程度是有益的。在一个实施方案中，独立式或栓系电子器件或器件部件(诸如，半导体器件、芯片等)与衬底机械地隔离。为了比较，不具有机械隔离的器件的应变水平是根据本发明的独立式或栓系器件的应变水平大4至1000倍。
在栓系配置的一个实施方案中，多个栓系件(例如，柱形物阵列)用来支撑电子器件、器件部件或互连线。栓系件的数目将根据器件或器件部件的数目以及电路布局的复杂度而变化。栓系件的功能是大体上维持电子器件或器件部件或互连线的位置，以防止在拉伸和释放期间物理相互作用或电相互作用(例如，缠结)。在一个实施方案中，栓系件可以是圆柱形的、圆锥形的、矩形的、正方形的或不规则形状的。通常，当用来支撑具有的横向维度在1mm至10mm的范围内的电子器件或器件部件时，栓系件的横小维度在直径上的范围为0.5mm至1mm。因此，刚性岛以选择性键合配置在它们的总体面积的一小部分上键合到栓系件。在一个实施方案中，栓系件具有约100μm的高度，约1KPa至1GPa的杨氏模量以及约10-13N·m至105N·m的抗弯刚度。
在一个实施方案中，栓系件和衬底被安装在经蚀刻Si晶片中作为单个一元件，且标准过程被用来通过UV臭氧活性化和SiO2键合将多层金属蛇形互连线层压到栓系件表面上。
在一个实施方案中，栓系件被用来防止刚性器件岛的漂移，且可拉伸的互连线被用来防止在重复的拉伸过程和释放过程期间互连线的缠结。
在一个实施方案中，器件或器件部件(诸如，如接收的COTS芯片以及机械去包封(encapsulate)之后的裸片和室内制造的薄膜传感器/器件)被嵌入在容纳室的封闭结构内。在另一个实施方案中，互连线被嵌入在容纳室的封闭结构(例如，壁)内。
在一个实施方案中，互连线是具有通孔的单个的或多层的，且导电金属迹线可以被绝缘，例如，通过电介质聚合物(诸如，聚酰亚胺或聚氯代对二甲苯或SU8)。
在一个实施方案中，一个或多个可拉伸的电互连线的至少一部分包括多个导电结构，每个导电结构独立地具有包括多个在空间上偏移的且相对的区段的初级单位单元形状，其中所述导电结构以由次级形状表征的顺序连接，所述次级形状包括由导电结构的顺序形成的至少一对在空间上偏移的且相对的区域，其中导电结构的顺序能够经受变形，从而提供可拉伸的电子器件的可拉伸性。在一个实施方案中，包括导电结构的顺序的一个或多个电互连线的至少一部分提供用于可拉伸的电互连线的总体自相似几何结构。例如，导电结构的顺序可以包括单片结构和/或导电结构的顺序可以包括引线。
在一个实施方案中，次级形状类似于初级单位单元形状但是具有不同的尺度。例如，次级形状可以类似于初级单位单元形状，但是初级单位单元形状的至少10倍大，或是初级单位单元形状的至少25倍大，或是初级单位单元形状的至少50倍大。
在一个实施方案中，导电结构的顺序进一步由第三级形状表征，所述第三级形状包括由重复系列的包括次级形状的导电结构形成的至少一对在空间上偏移的且相对的区域。
在一个实施方案中，初级单位单元形状的在空间上偏移的且相对的区段包括凸区域和凹区域。例如，单位单元形状可以是蛇形形状。
在一个实施方案中，电子系统包括晶体管、电化学电池、燃料电池、集成电路、太阳能电池、激光器、发光二极管、纳米机电器件、微机电器件、光电二极管、P-N结、传感器、存储器件、互补逻辑电路或这些中的任一个的阵列。
在一方面，电化学电池包括：一个衬底；一个正电极，其形成由所述衬底支撑的第一电子器件部件的一部分；其中所述第一电子器件部件是独立式的或被栓系到所述衬底；一个负电极，其形成由所述衬底支撑的第二电子器件部件的一部分；其中所述第二电子器件部件是独立式的或被栓系到所述衬底；以及一个容纳室，其至少部分地封闭所述正电极、所述负电极或既封闭所述正电极又封闭所述负电极；其中所述容纳室被至少部分地填充有允许所述正电极和所述负电极之间的离子输送的电解质流体。在实施方案中，电化学电池还包括与所述正电极、所述负电极或既与所述正电极又与所述负电极电接触的一个或多个可拉伸的电互连线。例如，所述一个或多个可拉伸的电互连线中的每个可以独立地具有自相似蛇形几何结构。还描述了一种包括多个电互连的电化学电池的阵列。
在一方面，一种制作电子系统的方法，包括：提供一个衬底；在所述衬底上的容纳室内提供一个电子器件或器件部件，使得所述容纳室至少部分地封闭所述电子器件或器件部件，所述电子器件或器件部件是独立式的或被栓系到所述衬底；以及用容纳流体或低模量固体至少部分地填充所述容纳室。
在一方面，使用电子系统的方法包括提供一种电子系统以及向所述电子系统施加电流，所述电子系统包括：一个衬底；一个电子器件或器件部件，其由所述衬底支撑；其中所述电子器件或器件部件是独立式的或被栓系到所述衬底；以及一个容纳室，其至少部分地封闭所述电子器件或器件部件；其中所述容纳室被至少部分地填充有容纳流体或低模量固体。
具有本文中描述的配置的可拉伸的且柔性的电子器件可以用于多种器件应用。在流体中使用自由浮动的互连线允许所述互连线自由地压曲和变形，这大大增加了电子器件在多种使用领域中的可拉伸性和柔性。例如，自由浮动的互连线可以被用在具有通过波浪形互连线连接的活性材料岛阵列的锂离子蓄电池中。岛可以稳固地键合在衬底上，同时波浪形互连线可以自由压曲和变形。可拉伸的互连线还可以被用在光学系统(诸如，形成为刚性岛阵列的发光二极管阵列和光电二极管)中。刚性岛传感器阵列还可以用来监控温度、水和作用、压力、应变和/或生物参数。例如，通过设计特定功能电路，可以测量人类和/或动物的电生理学参数，诸如，皮肤温度、心电图、肌电图、脑电图、眼电图。
本发明还提供制作和使用包括可拉伸的和/或可变形的电子器件和器件阵列的电子系统的方法。这些方法明确意在在范围上与整个说明书相称且可以用本文中所描述的器件和实施方案来实施。
不希望受任何特定理论的束缚，本文中可以有对涉及本文中公开的器件和方法的基本原理的观点或理解的讨论。可以确认的是，不管任何机械学上的解释或假设的最终正确性，毫无疑问地本发明的实施方案是能够操作且有用的。
通过下文实施例和权利要求进一步阐明、示例和描述本发明。
附图说明
图1.蓄电池布局和设计中的多个方面。(a)处于拉伸和弯曲状态中的已完成的器件的示意性例示。(b)蓄电池结构中的多个层的分解视图布局。(c)用于互连线的‘自相似’蛇形几何结构的例示(黑：一级蛇形；灰：二级蛇形)。(d)Si晶片上的Al电极焊盘和自相似互连线的光学图像(左面板，自顶向下视图；～4个单位单元)，在转移印刷在硅树脂片材上之后(中间面板；自顶向下的视图，在弯曲的几何结构中)，以及具有Li4Co5O2的模塑浆料(右面板；自顶向下视图，在弯曲的几何结构中)。(e)Si晶片上的Cu电极焊盘和自相似互连线的光学图像(左面板，自顶向下视图；～4个单位单元)，在转移印刷在硅树脂片材上之后(中间面板；自定向下的视图，在弯曲的几何结构中)，以及具有Li4Co5O2的模塑浆料(右面板；自顶向下视图，在弯曲的几何结构中)。d和e中的比例尺(scalebar)是2mm。
图2.具有自相似蛇形布局的互连线中的压曲物理现象的实验研究和计算研究。对于多种水平的施加抗拉应变(ε)，对称变形模式(左列)和反对称变形模式(中间列)的光学图像和对应的有限元分析(FEA)。FEA结果中的颜色代表金属层的最大主应变。比例尺是2mm。右列示出在释放施加的应变之后的互连线结构。
图3.蓄电池的电化学属性和机械属性。(a)在不具有300％单轴应变的情况下(黑)和具有300％单轴应变的情况下(红)对蓄电池电极进行恒电流充电和放电的结果。(b)在2.5V-1.6V的截止电压的情况下在20个周期上的容量保持(正方形)和库伦效率(圆圈)。(c)输出功率作为施加的双轴应变的函数。(d)连接到红LED的蓄电池的运行，同时(e)双轴地拉伸到300％的蓄电池的运行，(f)折叠的蓄电池的运行，(g)扭曲的蓄电池的运行以及(h)当被安装在人类肘部上时顺从的蓄电池的运行。
图4.用于无线充电的可拉伸的系统。(a)一个电路图解。(b)具有标注的不同部件的集成系统的图像。(c)无线线圈的表征，其中在44.5MHz的频率下的交流电压输入(黑)和所产生的直流电压输出(红)，如a中表明的。(d)当用来自无线电路的3V输出对可拉伸的蓄电池充电时充电电压曲线(橙)和电流曲线(蓝)。b中的比例尺是1cm。
图5.对于自相似互连线(铜层)的维度的例示。
图6.(a)-(d)制造过程的示意性例示，以及在水溶性胶带上的模塑的(e)阴极浆料和(f)阳极浆料的图像。
图7.在释放～30％的预应变之后在共聚酯片材的表面上的压曲的Al箔(600nm)/PI(1200nm)双层的SEM图像。此双层结构类似在袋电池中为了阻止水、空气和溶剂的渗透所使用的层压Al/聚合物封装材料的类型。
图8.来自不同观看角(即，俯视图、前视图、侧视图以及三维(3D)视图)的在50％的施加的应变下针对对称压曲模式(a)和反对称压曲模式(b)的自相似电极的变形配置(FEA结果)。
图9.在自相似互连线的金属层中的作为施加的应变(ε施加)的函数的最大主应变的最大值(εmax)，连同变形的演变。
图10.当最大主应变的最大值达到1％时金属层中的最大主应变的分布：(a)二阶自相似互连线；以及(b)一阶互连线。两个结构具有相同的总体维度和横截面。
图11.针对自相似蛇形设计和简单蛇形设计的互连线的金属层中的最大主应变的最大值(εmax)作为施加的应变(ε施加)的函数。两个互连线具有相同的总长度(l总)、跨距(L)、幅度(h)、宽度(w)以及厚度(t)。
图12.在压缩下竖直对齐的自相似互连线的压曲分布图的有限元分析结果，以及其与来自实验的光学图像的比较。FEA结果中的颜色等值线图代表最大主应变在金属材料中的分布。
图13.Al焊盘和Cu焊盘的布局(a)，以及填充因数对代表性单位单元的尺寸和Al焊盘的半径的依赖性(b)。在该模型中偏移距离(d)被设定为0.5mm以避免当蓄电池被拉伸时可能的短路。
图14.针对袋型可拉伸的蓄电池的奈奎斯特阻抗绘图，从1MHz到10mHz，具有10mV的a.c.扰动幅度。
图15.在室温下测量到的，对于多种配置中的蓄电池的开路电压衰减曲线(a)和漏电流曲线(b)。
图16.对于精确匹配阴极几何结构和阳极几何结构的相同的浆料和电容的钮扣电池几何结构，在2.5V-1.6V的截止电压下，在20个周期上的容量保持(正方形)和库伦效率(圆圈)。
图17.在100％的放电深度下(圆圈曲线，1.60V-2.50V的截止电压)的容量保持曲线以及在～75％的放电深度下(正方形曲线，2.25V-2.50V的截止电压)的容量保持曲线。
图18.商业红色发光二极管的I-V曲线，示出其在大约1.7V处的开启电压。
图19(a)无线再充电系统的布局的示意性例示；(b)对于无线线圈的一个具有分立的二极管和蛇形互连线的代表性部件，在32.3％的施加的应变下，计算出的变形和最大主应变的分布；(c)对于无线线圈的一个仅具有蛇形互连线的代表性部件，在32.6％的施加的应变下，计算出的变形和最大主应变的分布。
图20.计算出的整个结构中的最大主应变的分布(a)，以及计算出的二极管/衬底界面处的衬底法向应变(ε33)的分布(b)，此时将该系统沿竖直方向拉伸30％。
图21.无线充电系统的输入电特性和输出电特性。肖特基二极管整流来自功能发生器的交流电压输入(粉曲线)，以产生经整流的输出(蓝曲线)，其标称地从0V振荡到4.6V。并联的1.7nF的电容器对此振荡积分以给出具有更接近直流的行为的电流源(红曲线)。增加电容(例如，17nF)使该电流进一步平滑(黑曲线)。
图22.具有整流芯片的无线线圈的I-V曲线，示出了其约2.3Ω的串联电阻。
图23.(a)无线线圈18μm厚的铜箔的输入电压和输出电压(黑)以及输入电流和输出电流(红)。(b)在不同水平的施加的单轴应变下7μm厚的Cu线圈的光学显微图。比例尺全部是1cm。(c)具有7μm的厚度的蛇形线圈的一个区段的拉伸的有限元分析。
图24.无线线圈充电电路中的测量到的电流改变(a)与模拟结果(b)之间的比较。
图25.根据本发明的实施方案，用于制作一些电子系统的示例性总体制造流程图。
图26.银胶刮擦的例示。
图27.根据本发明的实施方案的液体室制造的例示。
图28.根据本发明的实施方案的单个蓄电池的例示。
图29.经受～100％拉伸的本发明的示例性蓄电池的例示。
图30.具有无线供电和通信的ECG电路。
图31.示例性ECG数据。
图32.具有选择性键合的电路的例示。
图33.共聚酯基座的阵列。
图34.薄芯片(<1mm)的例示
图35.根据本发明的实施方案的具有液体室的电路。
图36.演示电子系统的拉伸的图像。
图37.演示电子系统的挠曲的图像。
图38.例示界面处的互连线的示意图。
图39.例示系统级水平机械结构的示意图。
图40.例示系统级竖直机械结构的示意图。
图41.具有液体室的先进的多功能电路。
图42.机械磨光的商用现货(COTS)芯片。
图43.示例电路功能的列表。
图44.多层中的第一层的例示。
图45.多层中的第二层的例示。
图46.多层中的第三层的例示。
图47.精确选择性键合(1)的位置的例示。
图48.精确选择性键合(2)的制造过程的例示。
图49.减小的尖锐拐角的例示。
图50.自相似互连线的例示。
图51.自相似接触焊盘的例示。
图52.示例性基本制造方案。
图53.示例性基本制造方案。
图54.无线供电电路的实施例。
图55.无线电路拉伸的演示。
图56.示例性ECG电路。
图57.示例性布局设计考虑的例示。
图58.示例性布局设计考虑的例示。
图59.示例性布局设计考虑的例示。
图60.示例性制造的互连线的例示。
图61.使用制造过程的选择性键合的例示。
图62.包括键合到基座的可拉伸的电互连线的器件栓系部件的例示。
图63.芯片解封装的例示。
图64.制造的器件的例示。
图65.电子器件的拉伸和挠曲的例示。
图66.示例性机械分析。
图67.应变分布的例示。
图68.拉伸模拟的示意性例示。
图69.拉伸模拟的示意性例示。
图70.根据本发明的多个实施方案，容纳室内的电子器件和/或器件部件的多个实施方案的示意性例示。
图71.根据本发明的实施方案，具有选择性键合(直接地或间接地)到衬底的器件部件的电子器件的实施方案的示意性例示。
图72.在薄的弹性体微流体封闭体中集成应变-隔离器件部件和自由浮动的互连线网络的软的、可拉伸的电子系统的示意性例示、扫描电子显微照片(SEM)以及图片。(A)系统的关键部件的分解视图示意性例示。(B)在使用注射器进行微流体注射的初始阶段期间，系统在组装之后的例示。(C)示出与此系统的一个小区域(如由B中的红虚线框表明的)的等双轴拉伸的物理现象相关联的以分解视图形式的3DFEA结果。颜色表明最大主应变。自由浮动的蛇形互连线的压曲物理现象和悬浮的芯片的应变隔离机械结构代表关键特征。(D)示出由表面浮雕的尖锐角锥体特征形成的有纹理的表面的衬底的区域的成角度的视图SEM，连同用于器件部件的局部键合的结构(立柱)和用于避免互连线网络中的缠结的结构(屏障)。(E)在转移印刷互连线网络之后(着色为黄)，(D)中相同的区域的成角度的视图SEM。(F)(E)的由红色虚线框表明的区域的成角度的视图SEM。(G)设计用于获得、滤波、放大和无线电传输从皮肤测量到的EP信号的系统的图像。用于感应电源的集成模块提供无线电源。带颜色的虚线框和标注识别多种子系统。在周边周围的灰虚线框近似地表明覆盖物的键合的位置。此系统处于拉伸配置的图像(F)以及此系统处于扭曲配置的图像(G)。
图73.无芯针的光学图像，高亮显示该针的侧壁上的注射孔。此构造避免在注射过程期间移除对象材料。
图74.在延长的时间内，PDMS基料流体在提高的温度下的热重量分析。
图75.例示与完全键合的或嵌入的互连线比较，自由浮动的互连线的机械结构优势的3D-FEA结果。(A)图72C中示出的互连线中的一个的初始配置；(B)当施加的应变达到互连线的对应的弹性可拉伸性(167％)时，仅两端键合到共聚酯的顶部上的互连线的应变分布；(C)当施加的应变达到其弹性可拉伸性(17％)时，完全键合到共聚酯的顶部上的互连线的应变分布；(D)当施加的应变达到其弹性可拉伸性(8％)时，完全嵌入到共聚酯的顶部上的互连线的应变分布。
图76.分级衬底的表征。(A)具有多级压印浮雕的衬底的光学图像。(B)衬底的例示其分级结构的一个小区域的SEM图像。
图77.具有标准封装设计的典型商业芯片的X射线侧视图图像。可以通过将过多的封装环氧树脂研磨掉来将此芯片的厚度减小到0.86mm。
图78.互连线的界面润湿行为的光学图像。键合到互连线上的芯片，(A)在化学镀锡之前和(B)在化学镀锡之后。这些图像清楚地示出在镀锡之后，焊料可以良好地润湿互连线表面且因此允许鲁棒键合界面。
图79.单个ECG系统的布局设计，器件的不同部分具有标注。还以紫虚线框高亮显示互连线和芯片键合焊盘之间的过渡区域的设计。
图80.在微流体封闭体的周边的点处三种不同的互连线设计的机械结构性能的比较。(A)横跨界面的自相似蛇形互连线的示意性例示(左面板)，以及对于100％单轴拉伸金属层中的最大主应变的分布(中间面板，对于沿着x方向的水平拉伸；右面板，对于沿y方向的竖直拉伸)。(B)横跨界面的直互连线(长度1mm)的示意性例示(左面板)，以及对于100％单轴拉伸金属层中的最大主应变的分布(中间面板，对于水平拉伸；右面板，对于竖直拉伸)。(C)横跨界面的直互连线(长度0.5mm)的示意性例示(左面板)，以及对于100％单轴拉伸金属层中的最大主应变的分布(中间面板，对于水平拉伸；右面板，对于竖直拉伸)。模拟示出的是，甚至在100％双轴拉伸下在界面处的优化的直互连线避免诱发应变的断裂，符合FEA结果，其中互连线的应变很好地保持在断裂极限(～5％)以下。
图81.完全集成的器件的例示。(A)处于稍微变形配置的器件的示意性例示，以及(B)处于类似的变形状态的真实器件的光学图像，电路中的不同的部分和模块具有标注。
图82.标注了芯片位置和芯片类型(表1)的ECG系统的示意性布局。黑点表明每个个体芯片的编号为1的管脚。
图83.对于具有感应电源的、能够获得、滤波、放大以及无线电传输从皮肤测量到的EP信号的器件，自由浮动的互连线网络中的压曲物理现象以及悬浮的芯片中的应变隔离的计算和实验研究。(A)对于多种幅度的等双轴抗拉应变的系统级3DEFA结果。颜色示出横跨系统的每个部分的最大主应变。底面板例示互连线网络的小区域。(B)在对应于通过3DEFA评估的那些应变的等双轴应变下器件的光学图像。一个附加图像示出释放应变之后的系统，以例示响应中的可逆性。底面板提供通过对具有(黑：在水平上；蓝：在竖直上)和不具有(红：在水平上；粉：在竖直上)芯片和互连线网络的情况进行单轴测试所测量到的应力/应变响应的曲线。结果表明几乎完全将芯片/互连线的机械结构与衬底断开联系。(C)对于局部区域的图像和3DFEA。
图84.在双轴拉伸下，ECG系统内的多种自相似蛇形互连线中的局部变形的实验研究和计算研究。(A)至(J)示出当整个电路从0％双轴地拉伸至50％和100％时，十个自相似蛇形互连线的光学图像和对应的FEA结果。FEA结果中的颜色代表金属层的最大主应变。
图85.互连线金属中的应变(材料级)对施加的应变(系统级)的依赖性。互连线网络的金属层中的主应变的最大值(εmax)作为双轴施加的应变(ε施加)的函数，连同变形的演变的例示。
图86.在沿着水平方向的单轴拉伸下，横跨整个电路的压曲变形的实验研究和计算研究。当从0％单轴拉伸至10％、20％、30％和40％时整个电路的3D-FEA结果(A)和对应的光学图像(B)。FEA结果中的颜色代表金属层的最大主应变。
图87.自相似蛇形互连线的局部变形的实验研究和计算研究，其中电路在沿着水平方向的单轴拉伸下。(A)至(E)示出当整个电路从0％单轴拉伸至20％和40％时，五个自相似蛇形互连线的光学图像和对应的3D-FEA结果。FEA结果中的颜色表示金属层的最大主应变。
图88.例示在ε施加＝20％的双轴拉伸下，刚性器件对横跨软衬底的应变分布的作用的有限元模拟。(A)当刚性器件选择性地键合到衬底(通过小圆形基座和矩形基座)时，衬底中的对数应变的分布。(B)当每个器件的全部区域键合到衬底时，衬底中的对数应变的分布。
图89.当所有芯片完全键合到衬底时，不同应变水平下的应变映射。应变局部化可以被清楚地形象化在这些芯片下面。
图90.来自能够使用感应电源来测量EP信号、滤波和放大这些EP信号以及无线传输这些结果的器件的图像和操作数据。当自相似蛇形网状物布局(插图光学显微照片)中的一对表皮电极处于未变形状态下(A)和处于压缩和扭曲状态下(B)时，前臂上的器件的光学图像。(C)使用安装在胸骨上的器件获得的ECG。右边的曲线提供示出预期QRS波群的详细视图。(D)从左眼侧(绿)获得的EOG，以及使用具有紧挨着无线系统的电极放置的商业电极(蓝)的有线商业器件的同时测量。右边绘图示出两个眼睛眨眼的时间期间的数据。(E)使用安装在左桡侧腕之上的器件获得的EMG(绿)，以及使用具有紧挨着无线系统的电极放置的商业电极(蓝)的有线商业器件的同时测量。来自无线器件的数据沿着竖直轴被反向，以促进比较。右边绘图示出对应于单个肌肉收缩的数据。(F)在心算和休息(绿)期间从左前臂获得的EEG，以及使用具有紧挨着无线系统安装的镀金的银电极和导电凝胶(蓝)的有线商业器件的同时测量。大偏转表示对象从心算转到休息时眼睛闭合，如在右边绘图中详细示出的。数据以任意单位被绘制，被归一化以及在竖直方向上偏移以促进比较。
图91.具有自相似蛇形网状物设计的表皮电极的3D-FEA。(A)具有～31％填充率的常规蛇形网状物设计，以及当施加的应变达到弹性可拉伸性(12.5％)时的应变分布。(B)具有～31％填充率的自相似蛇形网状物设计，以及当施加的应变达到弹性可拉伸性(25.0％)时的应变分布。图中示出了变形配置的俯视图和成角度的视图，在右边表明用于自相似蛇形网状物设计的较小的起皱的波长。
图92.实验设置和人体上的测量位置的例示。(A)在为了消除背景电噪声而设计的房间内测量ECG的实验设置。(B)在人体上的用于测量电生理学信号的不同的层压位置。
图93.来自此工作的ECG信号和来自商业系统的ECG信号的比较。(A)使用安装在胸骨上的器件获得的ECG(绿)以及使用具有紧挨着无线系统的电极放置的商业电极(蓝)的有线商业器件的同时测量。(B)放大的曲线提供示出预期QRS波群的详细视图。数据以任意单位被绘制，被归一化以及在竖直方向上偏移以促进比较。
图94.用子波分解计算的EEG的时频光谱图。使用20个周期的子波变换分解来自图90F的归一化任意单位的EEG数据。在心算期间，观察到的是，12-40Hz(Beta频段)之间的高频活动中的增加在休息时消散。在休息期间，数据在较低频率delta频段中示出清楚的峰值，所述峰值比心算期间的峰值大。
图95.来自能够测量EP信号、加速度和温度、滤波、放大它们以及以时分复用无线模式传输结果的器件的图像和操作数据。在周边处的暴露的接触焊盘提供用于集成一个分开的电源和一对用于到皮肤的电接口的表皮电极的点。(A)代表性器件的光学图像。带颜色的虚线框和标注识别多种子系统。在周边周围的灰色虚线框近似地表明覆盖物的键合的位置。(B)皮肤上的器件的图像，其中透视图示出其相对于一个硬币(US25美分)的总体厚度(～1mm)。器件处于通过使皮肤收聚诱发的扭曲和拉伸状态(C)以及压缩状态(D)的图像。(E)在拳头的周期性紧握和放松期间，从上文的左桡侧腕获得的EMG。右面板提供对于单个紧握运动的EMG的放大视图。(F)对应于走路的加速度分布图，其中器件安装在前臂上。接近此时间表的末端的数据对应于故意的下降。(G)对于向器件上呼吸温暖空气的温度响应。此图中示出的数据使用小钮扣电池蓄电池作为电源。
图96.标注了不同的部分和芯片信息(表3)的多功能传感器系统。黑点表明每个个体芯片的编号为1的管脚。
图97.多路器的工作原理。
图98.用于通过添加脉冲调制器来减小压控振荡器(VCO)的功率消耗的设计策略。当VCO占空比被减小到7％时，整个系统的功率消耗是约6mW。
图99.用于多功能系统的可释放的电源。(A)NFC模块从前侧和后侧的光学图像，以及相关联的芯片信息(表1)。(B)小钮扣电池蓄电池模块的前侧和后侧的光学图像。这些模块中的二者可以层压到多功能器件的电源接触焊盘上，以提供用于操作的电力。
图100.用于多功能系统中的温度-频率关系的校准曲线。
图101.当多功能器件安装在前臂时，在拳头的周期性紧握和放松期间，来自多功能器件的信号读出。(A)加速度信号以及在9分钟的紧握和放松之前和之后的温度信号(B)。(C)在此锻炼之前(左面板)和之后(右面板)测量到的温度，如通过商业IR摄像机确认的。
图102.可拉伸的设计布局的示意图(a)以及在有限元分析中采用的蛇形互连线(b)。
图103.(A)包括第一低模量材料和流体或第二低模量材料的设计布局的示意图。(B)包括填充容纳室的流体或低模量固体的设计布局的示意图，该容纳室收容焊接到接触衬底的电介质材料上的两个电子器件或部件的太阳能电池。
图104.图103B的器件的照片以及分解视图。
具体实施方式
总体上，本文中所使用的术语和措词具有它们在本领域中认可的意思，这些意思可以通过参考标准文本、杂志参考文献和本领域技术人员知晓的上下文找到。提供了下述定义，以澄清它们在本发明的上下文中的特定用途。
“功能层”指的是为器件赋予某种功能的层。例如，功能层可以含有半导体部件。替代地，功能层可以包括多个层，诸如由支撑层隔开的多个半导体层。功能层可以包括多个图案化的元件，诸如在电极或岛之间或下方延伸的互连线。功能层可以是均匀的或可以具有一种或多种非均匀属性或材料。“非均匀属性”指的是能够在空间上变化的物理参数，从而影响中性机械平面在多层器件中的位置。
“结构层”指的是例如通过支撑和/或包封和/或分割器件部件而赋予结构功能的层。
“半导体”指的是在非常低的温度下是绝缘体而在大约300开尔文温度下具有可估量的电导率的任何材料。在本说明书中，术语半导体的使用意在与该术语在微电子和电子器件领域的使用一致。有用的半导体包括包含元素半导体(诸如，硅、锗和金刚石)和化合物半导体(诸如，IV族化合物半导体诸如SiC和SiGe，III-V族半导体诸如AlSb、AlAs、AlN、AlP、BN、BP、BAs、GaSb、GaAs、GaN、GaP、InSb、InAs、InN和InP，III-V族三元半导体诸如AlxGa1-xAs，II-VI族半导体诸如CsSe、CdS、CdTe、ZnO、ZnSe、ZnS和ZnTe，I-VII族半导体诸如CuCl，IV-VI族半导体诸如PbS、PbTe和SnS，层半导体诸如PbI2、MoS2和GaSe,氧化物半导体诸如CuO和Cu2O)的那些半导体。术语半导体包含本征半导体和掺杂有一种或多种选定材料的非本征半导体(非本征半导体包括具有p型掺杂材料和n型掺杂材料的半导体)，以提供对于给定的应用或器件有益的电子属性。术语半导体包括包含半导体和/或掺杂物的混合物的复合材料。对于一些实施方案有用的特定的半导体材料包括但不限于：Si、Ge、Se、金刚石、富勒烯、SiC、SiGe、SiO、SiO2、SiN、AlSb、AlAs、AlIn、AlN、AlP、AlS、BN、BP、BAs、As2S3、GaSb、GaAs、GaN、GaP、GaSe、InSb、InAs、InN、InP、CsSe、CdS、CdSe、CdTe、Cd3P2、Cd3As2、Cd3Sb2、ZnO、ZnSe、ZnS、ZnTe、Zn3P2、Zn3As2、Zn3Sb2、ZnSiP2、CuCl、PbS、PbSe、PbTe、FeO、FeS2、NiO、EuO、EuS、PtSi、TlBr、CrBr3、SnS、SnTe、PbI2、MoS2、GaSe、CuO、Cu2O、HgS、HgSe、HgTe、HgI2、MgS、MgSe、MgTe、CaS、CaSe、SrS、SrTe、BaS、BaSe、BaTe、SnO2、TiO、TiO2、Bi2S3、Bi2O3、Bi2Te3、BiI3、UO2、UO3、AgGaS2、PbMnTe、BaTiO3、SrTiO3、LiNbO3、La2CuO4、La0.7Ca0.3MnO3、CdZnTe、CdMnTe、CuInSe2、铜铟镓硒(CIGS)、HgCdTe、HgZnTe、HgZnSe、PbSnTe、Tl2SnTe5、Tl2GeTe5、AlGaAs、AlGaN、AlGaP、AlInAs、AlInSb、AlInP、AlInAsP、AlGaAsN、GaAsP、GaAsN、GaMnAs、GaAsSbN、GaInAs、GaInP、AlGaAsSb、AlGaAsP、AlGaInP、GaInAsP、InGaAs、InGaP、InGaN、InAsSb、InGaSb、InMnAs、InGaAsP、InGaAsN、InAlAsN、GaInNAsSb、GaInAsSbP以及它们的任何组合。多孔硅半导体材料对于本文所描述的多个方面是有用的。半导体材料的杂质是除半导体材料自身或提供给半导体材料的任何掺杂物以外的原子、元素、离子和/或分子。杂质是半导体材料中存在的不期望的材料，其可对半导体材料的电子特性产生不利影响，杂质包括但不限于氧、碳以及包括重金属的金属。重金属杂质包括但不限于：元素周期表上在铜与铅之间的一组元素、钙、钠和它们的所有离子、化合物和/或复合物。
“半导体部件”广泛地指任何半导体材料、成分或结构，且明确包括高质量单晶半导体和多晶半导体、通过高温处理制造的半导体材料、掺杂半导体材料、无机半导体以及复合半导体材料。
“部件”用于广泛地指代器件的一个个体部分。“互连线”是部件的一个实施例，且指的是能够与另一个部件建立电连接或在部件之间建立电连接的导电结构。具体地，互连线可以在分立的部件之间建立电接触。根据期望的器件规格、运行和应用，互连线由合适的材料制成。合适的导电材料包含半导体。
其他部件包括但不限于：薄膜晶体管(TFT)、晶体管、电极、集成电路、电路元件、控制元件、微处理器、换能器、岛、桥及其组合。如本领域已知的，部件可以诸如通过金属蒸发、引线键合以及应用固体或导电胶而被连接到一个或多个接触焊盘(contactpad)。
“中性机械平面”(NMP)指在器件的横向b与纵向I中存在的虚平面。与器件的位于沿该器件的竖直轴线h的更极端位置处和/或在该器件的更可弯曲的层中的其他平面相比，NMP不易受弯曲应力影响。因此，通过器件的厚度和形成器件层的材料两者一起来确定NMP的位置。
“重合的”指两个或更多个物体、平面或表面的相对位置，例如，一个诸如中性机械平面的表面被定位在一个层中或邻近一个层，该层诸如是功能层、衬底层或其他层。在一个实施方案中，中性机械平面被定位以对应于该层中的最应变敏感层或材料。
“紧邻的”指两个或更多个物体、平面或表面的相对位置，例如，一个中性机械平面，其紧跟一个层(诸如功能层、衬底层或其他层)的位置，同时在不对应变敏感材料的物理属性产生不利影响的情况下仍提供期望的共形性。“应变敏感”指响应于相对低的应变水平而断裂或以其他方式受损的材料。通常，具有高应变敏感性、且因此倾向于成为第一个断裂层的层位于功能层中，诸如含有相对易碎的半导体或其他应变敏感器件元件的功能层。与一个层紧邻的中性机械平面不需要被约束在该层中，而是可以紧邻定位或被定位为充分接近，以提供减小该应变敏感器件元件上的应变的功能益处。
“一元的(unitary)”指的是一个被形成为单件或一个未被分开的整体的物体。
术语“直接的和间接的”描述一个部件相对于另一个部件的动作或物理位置，或者一个器件相对于另一个器件的动作或物理位置。例如，“直接地”作用在另一个部件上或接触另一个部件的部件在没有来自媒介物的介入下实现此动作。相反地，“间接地”作用在另一个部件上或接触另一个部件的部件通过媒介物(例如，第三部件)实现此动作。
“电子器件”通常指的是纳入了多个部件的器件，且包括大面积电子器件、印刷引线板、集成电路、部件阵列、电生理学和/或生物和/或化学传感器、以及物理传感器(例如，温度、加速度等)。
“感测”指的是检测物理属性和/或化学属性的存在、缺乏、数量、量级或强度。对于感测有用的电子器件部件包括但不限于：电极元件、化学或生物传感器元件、pH传感器、加速度计、温度传感器和电容传感器。
“岛(island)”指的是包含多个半导体部件的电子器件的相对刚性部件。“桥(bridge)”指的是使两个或更多个岛互连、或使一个岛与另一个部件互连的结构。本发明包括具有桥结构的电子器件，所述桥结构包含电互连线，诸如设置在半导体器件部件之间且与半导体器件部件电接触的可拉伸的电互连线。
“包封(encapsulate)”指一个结构的定向，使得它至少部分地、在某些情况下完全地被一个或多个其他结构包围。“部分地包封”指一个结构的定向，使得它被一个或多个其他结构部分地包围，例如，其中该结构的30％、或可选地50％、或可选地90％的外表面被一个或多个结构包围。“完全地包封”指一个结构的定向，使得它由一个或多个其他结构完全地包围。
“连续的”指以不中断的顺序贯穿始终的接触或连接的材料或层。在一个实施方案中，一个器件的连续的层未被操纵以移除最初提供的材料或层的大部分(例如，10％或更多)。
“有源电路”和“有源电路系统”指被配置以执行特定功能的一个或多个部件。有用的有源电路包含而非限制于放大器电路、复用电路、限流电路、集成电路、阻抗匹配电路、无线供电采集电路、无线数据传输电路、晶体管和晶体管阵列。
“衬底”指具有能够支撑一个或多个部件或电子器件的表面(诸如，接收表面或支撑表面)的材料、层或其他结构。“键合”到衬底的部件指与衬底物理接触且不能够相对于它所键合到的衬底表面大幅移动的部件。相反，未键合的部件或部件的多个部分能够相对于衬底大幅移动。在一个实施方案中，本发明包括具有一个或多个独立式半导体器件部件的电子器件，所述独立式半导体器件部件由衬底支撑，可选地与衬底物理接触或与由衬底支撑的一个或多个中间结构物理接触。在一个实施方案中，本发明包括具有一个或多个栓系半导体器件部件，所述栓系半导体器件部件由一个或多个结构支撑，或者可选地被键合至所述一个或多个结构，以将半导体器件部件独立地连接至衬底，所述一个或多个结构诸如基座或基座阵列。
“容纳室”是封闭或包封电子器件或器件部件的结构。在一个实施方案中，容纳室被成形为一个矩形或正方形结构，该矩形或正方形结构包括一个衬底或底壁、一个盖或顶壁以及支撑该顶壁的多个壁。在另一个实施方案中，容纳室被成形为一个球体、半球体、角锥体或不规则三维结构。在一个实施方案中，容纳室是自支撑的，使得当中空或部分中空时，容纳室保持其形状。在一个实施方案中，容纳室是一个流体容纳室。在一个实施方案中，容纳室是一个低模量固体容纳室。
“独立式”指一个配置，其中器件或器件部件由衬底或设置在器件或器件部件与衬底之间的中间结构支撑，但不键合到所述衬底或所述中间结构。在一个实施方案中，例如，衬底能够相对于由该衬底支撑的独立式器件或部件移动。在一个实施方案中，例如，一个独立式器件或部件能够相对于支撑该独立式器件或部件的衬底移动。在一些实施方案中，例如，器件或器件部件的独立式配置将衬底的移动和/变形与该器件或器件部件断开联系。在一些实施方案中，例如，器件或器件部件的独立式配置将由衬底的伸长、压缩或变形生成的力与该器件或器件部件断开联系。在一些实施方案中，独立式器件或部件由经受与衬底表面或设置在衬底表面上的中间结构的关联相互作用(诸如，范德华相互作用、偶极-偶极相互作用或其他非共价关联相互作用)表征。在一个实施方案中，独立式器件或部件未被共价地键合到衬底的支撑表面。
“栓系的”指的是一种配置，其中器件或部件通过一个或多个栓系结构连接到衬底，该栓系结构诸如是基座或基座阵列。在一个实施方案中，例如，衬底能够相对于由该衬底支撑的栓系的器件或部件移动。在一个实施方案中，例如，栓系的器件或部件能够相对于支撑该栓系的器件或部件的衬底移动。在一些实施方案中，例如，器件或器件部件的栓系的配置将衬底的移动和/或变形与该器件或器件部件断开联系。在一些实施方案中，例如，器件或器件部件的栓系的配置将通过衬底的伸长、压缩或变形生成的力与该器件或器件部件断开联系。在一些实施方案中，小于20％，可选地小于5％，且可选地小于1％的器件或部件的底表面面积被共价地键合到与该衬底连接的栓系结构。
“纳米结构化表面”和“微结构化表面”指的是分别具有纳米尺寸浮雕特征和微米尺寸浮雕特征的器件表面。浮雕特征从器件表面的一个大体上连续的平面延伸长度x。结构化表面的定量描述符包括表面粗糙度参数，诸如Rmax、Ra和归一化粗糙度(Ra/Rmax)，所有这些参数可以通过原子力显微镜(AFM)测量。Rmax是最高峰值和最低谷值之间的最大高度。Ra是中心线平均(center-line-mean)粗糙度，其是从粗糙度曲线的一个中心线到该粗糙度曲线的偏差的绝度值的平均。出于本公开内容的目的，如果一个衬底或层的表面具有100nm或更小的Ra值，则该表面是“大体上平滑的”。出于本公开内容的目的，如果该表面具有大于100nm的Ra值，则该表面被认为是“结构化表面”。
“电介质”指非导电材料或绝缘材料。在一个实施方案中，无机电介质包括大体上无碳的电介质材料。无机电介质材料的具体实施例包含而非限制于氮化硅、二氧化硅和非共轭聚合物。
“聚合物”指由通过共价化学键连接的重复结构单元组成的大分子或一个或多个单体的聚合产物组成的大分子，常常由高分子量表征。术语聚合物包括均聚物，或基本上由单一重复单体亚单位组成的聚合物。术语聚合物还包含共聚物，或基本上由两种或更多种单体亚单位组成的聚合物，如无规共聚物、嵌段共聚物、交替共聚物、多嵌段共聚物、接枝共聚物、标记共聚物以及其他共聚物。有用的聚合物包含无定形、半无定形、结晶或部分地结晶状态的有机聚合物或无机聚合物。对于某些应用，具有联接的单体链的交联聚合物是特别有用的。在方法、器件和部件中可使用的聚合物包含而非限制于：塑料、弹性体、热塑性弹性体、弹性塑料、热塑性塑料和丙烯酸酯。示例性聚合物包含而非限制于：缩醛聚合物、生物可降解聚合物、纤维素聚合物、含氟聚合物、尼龙、聚丙烯腈聚合物、聚酰胺-酰亚胺聚合物、聚酰亚胺、聚芳酯、聚苯并咪唑、聚丁烯、聚碳酸酯、聚酯、聚醚酰亚胺、聚乙烯、聚乙烯共聚物以及改性聚乙烯、聚酮、聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚甲基戊烯、聚苯醚和聚苯硫醚、聚邻苯二甲酰胺、聚丙烯、聚氨酯、苯乙烯树脂、砜基树脂、乙烯基树脂、橡胶(包括天然橡胶、苯乙烯-丁二烯橡胶、聚丁二烯橡胶、氯丁橡胶、乙烯-丙烯橡胶、丁基橡胶、丁腈橡胶、硅树脂)、丙烯酸、尼龙、聚碳酸酯、聚酯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚烯烃或它们的任意组合物。
“弹性体印章”和“弹性体转移器件”可互换地使用且指的是具有能够接收以及转移材料的表面的弹性体材料。例示性弹性体转移器件包括印章、模具和掩模。该转移器件影响和/或促进材料从施主材料转移到受主材料。
“弹性体”指可以被拉伸或变形且返回到其原始形状而没有显著永久性变形的聚合物材料。弹性体通常经受显著的弹性变形。有用的弹性体包括包含聚合物、共聚物、复合材料或聚合物与共聚物的混合物的那些。弹性体层指包括至少一个弹性体的层。弹性体层也可以包括掺杂物和其他非弹性体材料。有用的弹性体包含而非限制于，热塑性弹性体、苯乙烯材料、烯属材料、聚烯烃、聚氨酯热塑性弹性体、聚酰胺、合成橡胶、PDMS、聚丁二烯、聚异丁烯、聚(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯)、聚氨酯、聚氯丁二烯和硅树脂。在一些实施方案中，弹性体印章包括弹性体。例示性弹性体包含而非限制于，含硅聚合物，诸如包括聚(二甲基硅氧烷)(即，PDMS和h-PDMS)、聚(甲基硅氧烷)、部分烷基化的聚(甲基硅氧烷)、聚(烷基甲基硅氧烷)和聚(苯基甲基硅氧烷)的聚硅氧烷、硅改性弹性体、热塑性弹性体、苯乙烯材料、烯属材料、聚烯烃、聚氨酯热塑性弹性体、聚酰胺、合成橡胶、聚异丁烯、聚(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯)、聚氨酯、聚氯丁二烯和硅树脂。在一个实施例中，聚合物是弹性体。
“可共形的”指如下的器件、材料或衬底，其具有足够低的抗弯刚度以允许该器件、材料或衬底采用任何期望的外形轮廓，例如，允许与具有浮雕特征图案的表面共形接触的外形轮廓。
“共形接触”指在器件与接收表面之间建立的接触。在一方面，共形接触涉及器件的一个或多个表面(例如，接触表面)对一个表面的整个形状的宏观适应。在另一方面，共形接触涉及器件的一个或多个表面(例如，接触表面)对一个表面的微观适应，导致大体上无空隙的紧密接触。在一个实施方案中，共形接触涉及器件的接触表面对接收表面的适应，使得实现该紧密接触，例如，其中小于20％的该器件接触表面的表面面积未物理地接触该接收表面，或可选地小于10％的该器件接触表面未物理地接触该接收表面，或可选地小于5％的该器件接触表面未物理地接触该接收表面。
“杨氏模量”是材料、器件或层的机械属性，杨氏模量指对于给定的物质的应力与应变的比。可以由下述式子提供杨氏模量：
其中E是杨氏模量，L0是平衡长度，ΔL是在施加的应力下的长度改变，F是施加的力，且A是施加了力的面积。也可以根据Lame常数通过下述等式表达杨氏模量，等式：
E = &mu; ( 3 &lambda; + 2 &mu; ) &lambda; + &mu; - - - ( I I )
其中λ和μ是Lame常数。高杨氏模量(或“高模量”)和低杨氏模量(或“低模量”)是给定的材料、层或器件中杨氏模量的量级的相关描述符。在一些实施方案中，高杨氏模量大于低杨氏模量，对于一些应用优选地是约10倍大，对于其他应用更优选地是约100倍大，且对于其他应用甚至更优选地是约1000倍大。在一个实施方案中，低模量层具有小于100MPa的杨氏模量,可选地小于10MPa,且可选地选自0.1MPa至50MPa的范围内的杨氏模量。在一个实施方案中，高模量层具有大于100MPa的杨氏模量，可选地大于10GPa,且可选地选自1GPa至100GPa的范围内的杨氏模量。
“非均匀杨氏模量”指具有空间上变化(例如，随表面位置改变)的杨氏模量的材料。可选地，可以按照针对整个材料的“本体”杨氏模量或“平均”杨氏模量描述具有非均匀杨氏模量的材料。
“低模量”指杨氏模量小于或等于1MPa、小于或等于0.5MPa或小于或等于200KPa的材料。低模量材料可以具有的杨氏模量选自范围1MPa到1KPa，或0.5MPa到1KPa，或200KPa到1KPa，100KPa到1KPa或50KPa到1KPa。
“超低模量”指杨氏模量小于或等于150KPa、小于或等于100KPa或小于或等于50KPa的材料。
“抗弯刚度”是材料、器件或层的机械属性，描述该材料、器件或层抵抗所施加的弯曲力矩。通常，抗弯刚度被定义为材料、器件或层的模量与面积惯性矩的乘积。可选地，可以按照针对整个材料层的“本体”抗弯刚度或“平均”抗弯刚度描述具有非均匀抗弯刚度的材料。
实施例1：具有自相似蛇形互连线和集成无线再充电系统的可拉 伸的蓄电池
电子器件中的一个重要趋势涉及实现非常规衬底的使用的材料、机械设计和制造策略的开发，所述非常规衬底诸如是聚合物膜、金属箔、纸质片材或橡胶平板。最后一种可能性是特别有挑战性的，因为所述系统不仅必须适应弯曲而且必须适应拉伸，有时到高应变水平(＞100％)。尽管若干方法可用于电子器件，但是为了允许能量存储器件和电源与电子器件共集成，持续的困难存在于具有类似的机械属性的能量存储器件和电源中。在此实施例中，我们提供了用于可再充电锂离子蓄电池技术的一组材料和设计概念，该可再充电锂离子蓄电池技术利用薄的、低模量、硅树脂弹性体作为衬底，具有活性材料的区段设计，以及不寻常的“自相似”互连线结构。结果实现最多达300％的可逆可拉伸性水平，同时维持～1.1mAh/cm2的容量密度。可拉伸的无线供电传输系统提供对这些类型的蓄电池充电的手段，而无需直接物理接触。
最近几年加速了对大应变(>>1％)变形提供弹性响应的电子技术和光电技术类型的开发1-6。材料、器件布局、机械设计和制造方法的组合现在开始出现以用于在以下领域中的实际应用，所述领域的范围从可佩戴光伏电池7到‘表皮’健康/保健监控器8，到敏感机器人皮肤9-11，到软外科工具12以及电子‘眼球’成像器件13。在许多情况下，可拉伸性代表一个关键使能特性。对于这些用途和其他用途中的许多用途，为了允许与电子器件的直接且自然集成，一个关键需求在于具有类似物理属性的能量存储器件14。已经开发了许多具有柔性特性的重要存储器件，包括超级电容器15-17和蓄电池17，18。在此，对于给定弯曲半径，凭借随着厚度线性减小的弯曲感应应变(通常到～1％或更小的值)，足够薄的几何形态导致柔性。在另一方面，可拉伸性代表一种更有挑战性的机械结构类型，其中所述系统必须适应大应变变形(>>1％)，通常是任意形式，不仅包括弯曲而且包括扭曲、拉伸、压缩以及其他，且厚度通常不是关键因素。使用CNT的压曲薄膜19或CNT浸透的纤维纺织品20的可拉伸的超级电容器以及基于导电织物的可拉伸的非可再充电锌碳蓄电池21，22代表两个实施例。尽管这些技术每个均具有吸引人的特征，但是没有一个技术提供具有高存储容量的再充电、针对大变形水平(＞100％)的拉伸或建立到外部电源的无线电接口中的多种能力。在此实施例中提供的材料和集成方案在一种类型的锂离子蓄电池中实现了这些特性，所述类型的锂离子蓄电池在专门的、‘自相似’几何结构中利用区段布局和可变形电互连线。所产生的器件提供最多达300％的应变的双轴可拉伸性，具有～1.1mAh/cm2的容量密度，且在最多达20个再充电周期内具有很少容量损耗。所述设计还允许可拉伸的感应线圈的集成以实现通过外部源充电而不需要物理连接。此组属性满足对于可拉伸的电子器件所设想的许多应用的要求。
结果
蓄电池设计。此实施例的器件利用袋电池(pouchcell)，在该袋电池中，小尺度存储部件阵列通过具有异常可拉伸特性的导电框架连接。该系统的示意性例示、单位单元的多层构造的分解视图以及‘自相似’互连线几何结构的表示以补充信息(SI)的形式出现中图1a、图1b、图1c以及图5中。电流收集器由通过光刻方法图案化的圆形铝盘(600nm)和铜盘(600nm)组成。聚酰亚胺(PI，1.2μm)层以以下方式包封这些盘之间的互连迹线：将所述金属放置成靠近中性机械平面(图1d和图1e，左面板)。硅树脂弹性体的薄的(0.25mm)、低模量(60KPa)片材形成支撑这些结构(图1d和图1e，中间面板)和蓄电池的其他部件的顶衬底和底衬底。总体构造由并联电连接的100个电极盘的正方形阵列组成。基于LiCoO2和Li4Ti5O12的浆模塑焊盘分别用作阴极处和阳极处的活性材料23,24(图1d和图1e，右面板，以及图6)。两个片材以以下方式层压在一起，该方式涉及活性材料之间的在空间上的偏移，以避免它们之间的电短路且消除对分离器的需要。由相同的硅树脂弹性体制成的且被施加在该系统的周边周围的垫片防止顶片材和底片材的直接接触。注射到间隙内的凝胶电解质提供用于离子输送的媒质。键合到外表面的丙烯酰氧基全氟聚醚弹性体的薄包封层有助于防止湿气扩散到蓄电池内且防止凝胶中的溶剂泄漏25。长期运行需要例如由键合到蓄电池的外表面的铝/聚酰亚胺压曲双层片材组成的更复杂的封装(图7)。材料和制造细节出现在“方法”部分中。
所述器件必须适应两个竞争性设计目标：(1)实现高面积容量，这需要有源区域的大覆盖范围，以及(2)提供高机械可拉伸性，这需要这些区域之间的大距离。弹性体衬底上的策略性浮雕特征提供了应对此挑战的部分解决方案，如最近在光伏电池模块中展示的26,27。一个缺点是，在不牺牲覆盖范围的情况下，难于实现超过～30％的可拉伸性水平。在此，我们采取一种不同的但是补充的方法，在该方法中焦点在具有先进设计的可变形的互连线上。尤其，我们在蛇形配置中引入了使用‘自相似’引线结构的布局，以同时提供高系统级可拉伸性和低互连电阻。常规蛇形由通过直线连接的圆弧组成。‘自相似’设计由迭代地应用此基本几何结构产生，以如图1c中的红框中示意性例示的单位单元开始。在此，减小该单元的尺度，且然后以重现原始单元几何结构的布局的样式连接该单元的多个副本对应于一个迭代。图1c中的黄线代表一个以此样式创建的二阶蛇形几何结构。尽管可以容易地设计和实施较高阶，但是该二阶构造满足在此所考虑的应用的要求，如下文的详细实验和理论研究中所描述的。
‘自相似’互连线的机械特性。三维(3D)有限元分析(FEA)(SI文本)和实验测量例示了基本的机械结构。出于此目的制造的测试样品由独立式、多层迹线组成，其中在圆形焊盘之间具有匹配蓄电池中使用的那些材料和多层堆叠设计的材料和多层堆叠设计(PI(1.2μm)/Cu(0.6μm)/PI(1.2μm))，所述圆形焊盘键合到模塑到下面的弹性体衬底上的立柱。甚至在极度拉伸下，自相似几何结构导致确保材料中的超低应变的分级压曲物理现象3,28。对于所检查的整个拉力应变范围，从0％到300％，通过FEA预测的配置非常好地符合在实验期间收集的光学图像，如图2中示出的。对称压曲模式和反对称压曲模式二者都存在(所述两种模式的详细例示参见图8)。迹线由通过两个水平直线连接的三列蛇形引线组成。我们将每个列中对应于‘短’波长蛇形的构造称为第一级；第二级对应于具有‘长’波长的大尺度蛇形形状。对于对称压曲模式(图8(a))，左列和右列主要经受沿竖直方向的总体弯曲变形，导致整个中间列的蛇形引线的集体向上运动。在此意义上，面外移位在图8(a)的“前视图”中相对于中心线(x＝0)对称。对于反对称压曲模式(图8(b))，左列和右列中的蛇形主要经受沿竖直方向的总体扭曲变形。在此，中间蛇形的两端在相反的方向上移动(即，一个向上移动，且另一个向下移动)。在此情况下，面外移位在图8(b)的“前视图”中相对于中心线(x＝0)反对称。对于对称(0.078％)模式和反对称(0.087％)模式通过FEA获得的临界压曲应变远低于对于所有其他压曲模式的临界压曲应变(>0.172％)。此结果与仅这两个模式的实验观察结果一致。在两种情况下，与拉伸相关联的物理现象涉及“有序散开”机制，对于在此研究的实施例，该机制在第二级处、在明确限定的临界压曲应变～0.08％处开始。接下来，当施加的应变从～0.08％增加到～150％时，通过弯曲和扭曲第二级逐渐“散开”，在此期间在第一级中基本上没有进一步变形。当第二级被几乎充分延伸时(在此情况下对应于～150％的施加的应变)，第一级中的运动开始。当第一级蛇形的“散开”接近结束时，材料中的应变开始快速增加，从而限定可拉伸性的实际极限。
对于所施加的在此极限以下的应变，有序散开过程的变形机制确保材料中的低应变水平(图9)。对于铜的1％的代表性的破坏应变，FEA预测321％的可拉伸性，其良好地符合实验观察结果(300％＜ε可拉 伸性＜350％)。(模拟表明了铜在PI之前达到它的破坏点。)对于可逆行为(即，互连线在释放之后返回到它们的初始配置)，最大材料应变必须小于屈服应变。对于铜的0.3％的代表性屈服应变，FEA表明了对最多达～168％的施加的应变的可逆性。此值低于实验观察结果，在实验观察结果中甚至对200％和250％之间的应变发生可逆性(图2)。对此不符的可能解释是，屈服首先仅在互连线的一小部分中发生(例如，FEA中的一个元件)。在此情况下，在实验中可能不容易观察到可逆性的影响。
这些可拉伸性水平(＞300％)和可逆性水平(200％)显著超过可拉伸的蓄电池和/或蓄电池电极中先前报告的那些水平；它们还大于使用光刻限定的常规金属图案的可拉伸的互连线的任何其他报告的那些水平。可以通过与其他类似的但常规的蛇形结构的可拉伸性进行比较来评定自相似设计的重要性：自相似设计展现321％的拉伸范围，而其他类似的但常规的蛇形结构是134％，这是通过FEA确定的(图10)。此外，甚至对于相同的总长度(l总)、跨距(L)、幅度(h)以及横截面(宽度w和厚度t),自相似设计在可拉伸性(809％对682％)和可逆性(528％对284％)上再次胜过常规蛇形(图11)。我们注意到，在单轴拉伸的所有情况下，泊松效应导致正交方向上的压缩。这些区域中的压曲分布图具有与FEA一致的行为(图2)。
蓄电池的电化学和机械行为。在选择提供极好系统级可拉伸性、具有良好面积容量密度以及适度的互连线电阻的一组维度之后，针对如下布局，我们观察到最好电性能：在该布局中，用于阴极的盘的直径和用于阳极的盘的直径分别是2.20mm和1.58mm且偏移距离是0.51mm。此配置对应于阴极的33％的面积覆盖范围，阳极的17％的面积覆盖范围，以及整个蓄电池的50％的面积覆盖范围(在未变形的配置中)(图13)。互连线具有600nm的厚度和50μm的宽度。对于这些参数，邻近盘之间的电阻是24Ω，且连接导线和最远的盘之间的电阻是45Ω。用于外部连接的导线是薄且窄的以避免在接口处的应变，从而促进与连接到外部表征设备的柔性的(但不是可拉伸的)电缆的连接。凝胶电解质将粘性液体的流动属性与固体的内聚属性结合，从而允许它适应大应变同时维持离子导电路径。
不具有300％的单轴应变和具有300％的单轴应变的蓄电池电极的电化学属性出现在图3a中。结果示出对应于Co3+/4+和Ti4+/3+氧化还原耦的电势的、在约2.35V处的两个明确限定的停滞时期29。LiCoO2的厚度(特定容量145mAh/g)在每个单位处是～120μm，对应于～95mg的质量，因此在C/2的充电/放电速率下对应于1.1mAh/cm2的面积容量密度。Li4Ti5O12的质量(特定容量160mAh/g)是～90mg，其对应于阴极容量比阳极容量多5％-10％30。具有的厚度大于在此所描述的那些厚度的浆料盘产生改善的面积容量密度，但是由于所述盘中的浓度极化因此具有减小的速率能力31,32。蓄电池的输出电阻是～70Ω(图14)，且漏电流是1-10μA。漏电流由三个主要来源引起：(i)反偏置的肖特基二极管，(II)阳极处的浆料盘和阴极处的浆料盘之间的内部欧姆自放电(iii)法拉第效应，包括与浆料材料中的杂质、残留的氧气和/或湿气相关联的穿梭反应。在SI和图15中呈现的实验结果示出分离器和增强封装方案的使用可以在44小时内将容量损耗从161μA·h减小到23μA·h。图3b示出包封的蓄电池的库伦效率(红)和循环性能(黑)。库伦效率从第一个周期的～60％上升在三个周期之后超过90％。初始损耗可以被归因于形成周期，在形成周期期间，固体-电解质中间相形成，且锂在与电解质中的杂质的副反应中被消耗。逐渐退化的容量保持率不是由周期衰减造成的(图16)，而更有可能由日历衰减造成，衰减褪色是由于与封装材料中的残留的水的反应、湿气渗透以及从盘(其不是热压的)分离且有时在电解质凝胶中可以观察到的浆料粒子的电不连续的某一组合引起的。将放电深度从100％变化到75％对退化特性不具有显著影响(图17)。进一步增加烘烤温度和优化浆料的成分(诸如，增加粘结剂比率)可以减少后者行为。改善的用于器件组装的条件可以减小前者的影响。图3c示出在双轴拉伸和释放期间，当蓄电池被连接到一个电阻器(2020Ω)时该蓄电池的输出功率。输出功率随着应变的稍微减小可能是由于增加的内部电阻造成的，该增加的内部电阻是由在这些大水平下浆料盘之间随着应变的显著增加的间隔引起的。蓄电池提供足够的功率以运行商业发光二极管(LED)，具有1.7V的开启电压(图18)，如图3d中示出的。该蓄电池可以被拉伸最多达300％(图3e)，被折叠(图3f)、被扭曲(图3g)，以及当被安装在人类皮肤上时是顺从的(图3h)而没有显著的LED调光。此外，FEA展示该蓄电池的完整复合结构的有效模量(66.8KPa)仅稍微高于衬底材料(共聚酯)的模量(60.0KPa)。因此，该蓄电池不仅是可拉伸的而且是异常软的且顺从的。该模量实际上低于人类表皮的模量(140-600KPa)8，从而为集成到皮肤和生物组织上提供了可能性，而没有显著机械加载。
用于蓄电池的可拉伸的无线充电系统。在许多实际情况(诸如，嵌入式器件)中，在不建立到外部供应的物理连接的情况下对蓄电池充电的能力会是有价值的。甚至在充电终端是可访问的系统(诸如，皮肤安装的器件)中，在无线充电中存在价值，仅仅是因为建立物理接触的过程可能对皮肤、可拉伸的器件(或对在下面的软组织)有机械破坏性。涉及物理接触的方法还具有对周围材料(例如，皮肤本身)具有电击的危险。材料和设计的多功能性实现无线供电传输系统与蓄电池本身单片集成。该设计和一个实际器件分别出现在图4a和图4b中。次级线圈耦合来自初级线圈的电磁通量，且一个肖特基二极管提供整流，该肖特基二极管(封装在环氧树脂中，具有～4.0GPa的模量)具有比衬底(由共聚酯制成，模量～60KPa)的模量大4个数量级的模量，但是其尺寸(长0.62mm，宽0.32mm，且高0.31mm)仅是无线系统的总体尺寸(～30mm×～20mm)的百分之几(～2％)。因此，对总体可拉伸性的影响仍可忽略，如通过图19和图20中示出的有限元模拟展示的。电容器平滑掉输出电压中的振荡；其尺寸和厚度实现到总体系统中的自然集成。较大的电容器可以甚至在更大程度上平滑掉所述振荡(图21)。线圈和整流器添加2.3KΩ的串联电阻(图22)，该串联电阻起与次级线圈并联的电阻的作用，该串联电阻分流掉来自蓄电池的电流。蛇形次级线圈的电阻是1.92kΩ/m；具有类似的总体几何结构但是不具有蛇形形状的线圈被计算出是1.22kΩ/m。可以通过增加引线的宽度和厚度来实现提高充电系统的效率，但是这是以减小的可拉伸性和增加的模量为代价。特定应用要求将限定正确的折中。在此情况下，来自初级线圈的输出功率是187mW。在初级线圈和次级线圈之间的工作距离为1mm的情况下，在次级线圈上接收的功率是9.2mW，对应于4.9％的效率。无线充电系统的功率耦合效率主要取决于蛇形接收器线圈的电阻。将厚度增加到7μm且使用铜将该效率从4.9％提高到17.2％。在此厚度下，该线圈保持对25％的应变的可拉伸性。数据和图像出现在SI中。电容器具有1.7nF的电容，在使用1.2μm厚的聚酰亚胺层作为电介质的结构中，在底Au电极上具有一个硫醇分子层以增强粘附。图4c示出此无线供电传输器件的输入和输出。在44.5MHz的频率下输入电压匹配次级线圈的自共振频率，该自共振频率依赖于线圈面积、匝数、每匝之间的距离以及引线电阻。对于9.1V的峰值到峰值输入电压(图4c黑曲线)，DC输出电压是3.0V(图4c红曲线)。使用无线线圈的小尺度蓄电池的充电曲线出现在图4d中。蓄电池电压(图4d橙曲线)在大约6分钟内上升到2.5V。电路中的充电电流(图4d蓝曲线)从0.5mA减小到0.2mA以下。我们使用一个部分微分方程以建模充电电路，且使用一个数值程序以计算充电电流曲线。此过程的模拟非常好地符合实验数据(SI文本和图20)。
讨论
在此实施例中描述的材料和方案为具有以下形式和属性的能量存储器件和无线充电系统提供方法，所述形式和属性对为可拉伸的电子器件和光电器件供电有吸引力。浆料材料它们自身是以允许与不寻常材料(低模量硅树脂橡胶片材，压印有表面浮雕)自然集成的方式(软平板印刷类型浇铸工艺)开发的。可拉伸的互连线利用提供独特、‘弹簧在弹簧内(springwhinaspring)’机械结构的‘自相似’设计。结果是，可拉伸性水平比先前报告大4×以上，甚至同时，实现活性材料的覆盖范围高达50％。这两个方面的组合，连同基本机械结构的综合和实验验证模型，导致一种技术，即，一种可拉伸的、可再充电的蓄电池，其提供了远不同于先前可能的任何蓄电池的特性。作为一个附加进展，我们引入提供与所述蓄电池的物理属性类似的物理属性的集成可拉伸的无线充电系统。
浆料化学材料、分离器材料以及可拉伸的、空气不可渗透的封装材料可以被选择以提供高器件性能。自相似蛇形互连线结构拥有空间填充曲线的几何结构和有序散开的压曲物理现象。此类型的互连线结构具有即刻且通用的实用性，适合用于组合硬材料和软材料的任何类型的可拉伸技术。拓扑级互连线几何结构同时提供大机械可拉伸性和低电阻。可以通过减小线圈输入电阻、最大化初级线圈和次级线圈之间的相互感应以及增加所述线圈的自共振频率来提高无线供电传递效率。可以纳入调节电路以避免对蓄电池过充电。
方法
电极的制造和自相似互连线的机械测试：顺序旋转浇铸限定一个聚(甲基丙烯酸甲酯)双层(PMMA495A2,3000rpm达30s,在180℃下在热板上烘烤达2分钟)且然后在硅晶片上限定一个聚酰亚胺(PI,来自聚(均苯四二酐-共-4,4’-二氨基二苯醚)酰胺酸溶液；4000rpm达30s,在150℃下在热板上烘烤达4分钟且然后在10mT和250℃下在真空烤炉中烘烤达1小时)层。阴极和阳极分别由通过电子束蒸发沉积到PI上的600nm的Al薄层或600nm的Cu薄层组成。光刻(AZ5214E)和蚀刻(类型A铝蚀刻剂在热板上在50℃下达2分钟；类型CE-100铜蚀刻剂在室温下达10s；Transene公司)将图案限定在这些金属中。在移除残留的光刻胶之后，在整个结构之上旋涂形成一个附加的PI层。接下来，光刻(AZ4620,2000rpm达30s,在110℃下烘烤达4分钟)和氧气等离子体蚀刻(300mT、20sccmO2、200W达10分钟)将PI层图案化在与金属迹线匹配的几何结构中。
浸入在热丙酮中部分地移除下面的PMMA层，从而允许将整个结构从硅晶片取回至一块水溶性胶带(3M，Inc.)的表面上。通过一个阴影掩膜Ti(5nm)/SiO2(50nm)的电子束蒸发形成与金属盘对齐的背面涂层33。通过以1:1的重量比率混合两种成分，将所形成的材料旋转浇铸(300rpm达30s)到陪替氏培养皿中且然后使其部分固化(在室温下30分钟)来制备薄(250μm)硅树脂衬底(共聚酯，Smooth-On，Inc.,Easton,PA)。接下来，旋转浇铸(3000rpm达30s)烯丙胺官能化全氟化醚(allylamidefunctionalperfluorinatedether)(DuPont)，且然后在紫外(UV)光下使其固化达30分钟形成顶包封层。共聚酯衬底的另一侧在UV光下表面活性化达5分钟。将电极结构层压到此表面上以在接触时导致强键合34。通过将该衬底浸入在自来水中达一夜来移除水溶性胶带。作为一个最后步骤，电极被浸泡在1mMHCl中以将氧化物从金属的表面移除。
用定制的单轴拉伸器执行自相似互连线的机械测试。为了确保将互连线与衬底断开联系，每个盘被安装在一个被模塑到硅树脂衬底内的立柱(250mm高)的顶上。用数字单透镜反射摄像机收集变形的互连线的图像和视频。
浆料的图案化模制和浆料与电流收集电极的集成：光刻(AZ4620,7-8μm厚)且感应耦合等离子反应离子蚀刻(ICPRIE)在一个硅晶片的表面上限定圆柱形阱(well)阵列。选择产生倾斜侧壁的条件，所述条件对于如随后描述的浆料的有效转移是重要的。用丙酮洗涤移除光刻胶。使用ICPRIE工具共形地沉积的聚四氟乙烯层(～200nm)用作防止粘附的涂层。所述浆料材料由在N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)的溶剂中以8:1:1的重量比率混合的锂钴氧化物或锂钛氧化物、乙炔黑和聚偏二氟乙烯组成分别用于阴极和阳极。该混合物被搅拌达一夜，且然后横跨硅晶片的蚀刻的表面机械地刮擦。以此方式填充有浆料的圆柱形阱在热板上在90℃下烘烤达一夜，且然后被取回到一块水溶性胶带的表面上。认真地选择烘烤条件以实现具有高屈服的浆料取回。将该胶带配准到金属电极确保模塑的浆料对齐金属盘。浸入自来水中达一夜溶解该胶带。在真空烤炉中在170℃下烘烤该衬底达一夜移除湿气且改善浆料和金属之间的键合强度。
蓄电池的组装和电化学测试。热压到金属电极上的各向异性导电膜用作用于外部电连接的点。硅酮树脂打底涂层(DowCorning,Inc.)向衬底的周边的施加将它们准备好以用于键合。当两个片材被层压在一起时，在该周边处的薄硅树脂垫片层(500μm厚)防止直接接触。在空间上横向偏移防止有源区域之间的电短路。在热板上烘烤(90℃达2小时)之后，通过附加地施加共聚酯密封边缘。凝胶电解质由100g高氯酸锂、500ml碳酸亚乙酯、500ml碳酸亚甲酯和10g聚氧化乙烯(4×106g/mol)的混合物组成，在氩气填充的手套箱(glovebox)中制备作为均匀凝胶。使用注射器通过边缘将此材料注射到蓄电池内。
在室温下具有的截止电压为2.5-1.6V的BioLogicVMP3电化学工作站被用来对制成的且拉伸的蓄电池电极充电和放电，且用来评估完整的集成蓄电池的循环行为。基于有源区域计算出面积容量密度。在蓄电池被连接到一个2020Ω的电阻器的情况下，使用安培计监控输出功率。记录电流的值作为施加到该蓄电池的应变的函数。
无线线圈的制造和测试：使用先前所描述的步骤涂布有PMMA层和PI层的硅晶片用作用于通过电子束蒸发沉积Cr(5nm)/Au(500nm)的衬底。光刻(AZ5214E)和蚀刻(TranseneCompany)限定电容器的底电极的几何结构中的图案和相关联的接触线。用丙酮移除光刻胶，且然后将该衬底浸入异丙醇中的1mM聚(乙二醇)甲基乙醚硫醇溶液达15分钟，用于增强旋转浇铸(4000rpm30s)的第二个PI层的粘附和覆盖且固化(在热板上在150℃下达4分钟且然后在真空烤炉中在250℃下达1小时)在电极上。此PI层用作用于电容器的电介质。光刻(AZ4620,2000rpm达30s,在110℃下烘烤达4分钟)限定用于蚀刻穿过PI层的通孔的掩模,该通孔作为线圈和电容器的底电极之间的连接点。在浸入丙酮中移除光刻胶之后，在整个表面(包括侧壁)之上溅射沉积形成Cu共形层(600nm)。光刻(AZ5214E)和蚀刻限定线圈和电容器的另一个顶电极。在移除抗蚀剂之后，第三个旋转浇铸的PI层在Cu电极上形成一个涂层。氧气等离子体蚀刻穿过图案化的几何结构中的三个PI层以限定最终器件布局。通过浸入在热丙酮中的释放部分地移除下面的PMMA，以实现整个结构到水溶性胶带上的释放。Ti(5nm)/SiO2(50nm)的沉积和到共聚酯衬底的UV活性化的表面上的层压导致强键合。在水溶性胶带被移除之后，使用银胶将肖特基二极管芯片(DigikeyBAT62-02LSE6327)键合在线圈和电容器之间。正向输入电阻是～500Ω，且在±1V的偏置电压下整流比率是～1×10435。
由KEITHLEY339050MHz任意波形发生器生成高频交流信号。使用AgilentinfiniiumDSO8104A示波器(1GHz,4通道)执行无线线圈的输入表征和输出表征。使用BioLogicVMP3电化学工作站监控对蓄电池的无线充电电压和电流。
参考文献
1Pelrine,R.,Kornbluh,R.,Pei,Q.B.&Joseph,J.High-speedelectricallyactuatedelastomerswithstraingreaterthan100％.Science287,836-839(2000).
2Wagner,S.etal.Electronicskin:architectureandcomponents.PhysicaELowDimensSystNanostruct25,326-334(2004).
3Khang,D.Y.,Jiang,H.Q.,Huang,Y.&Rogers,J.A.Astretchableformofsingle-crystalsiliconforhigh-performanceelectronicsonrubbersubstrates.Science311,208-212(2006).
4Sekitani,T.etal.Arubberlikestretchableactivematrixusingelasticconductors.Science321,1468-1472(2008).
5Sekitani,T.&Someya,T.Stretchableorganicintegratedcircuitsforlarge-areaelectronicskinsurfaces.MrsBulletin37,236-245(2012).
6Suo,Z.G.Mechanicsofstretchableelectronicsandsoftmachines.MrsBulletin37,218-225(2012).
7Yoon,J.etal.Ultrathinsiliconsolarmicrocellsforsemitransparent,mechanicallyflexibleandmicroconcentratormoduledesigns.NatureMater.7,907-915(2008).
8Kim,D.H.etal.EpidermalElectronics.Science333,838-843(2011).
9Mannsfeld,S.C.B.etal.Highlysensitiveflexiblepressuresensorswithmicrostructuredrubberdielectriclayers.NatureMater.9,859-864(2010).
10Takei,K.etal.Nanowireactive-matrixcircuitryforlow-voltagemacroscaleartificialskin.NatureMater.9,821-826(2010).
11Someya,T.etal.Alarge-area,flexiblepressuresensormatrixwithorganicfield-effecttransistorsforartificialskinapplications.Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A.101,9966-9970(2004).
12Kim,D.H.etal.Materialsformultifunctionalballooncatheterswithcapabilitiesincardiacelectrophysiologicalmappingandablationtherapy.NatureMater.10,316-323(2011).
13Ko,H.C.etal.Ahemisphericalelectroniceyecamerabasedoncompressiblesiliconoptoelectronics.Nature454,748-753(2008).
14Nishide,H.&Oyaizu,K.Towardflexiblebatteries.Science319,737-738(2008).
15Pushparaj,V.L.etal.Flexibleenergystoragedevicesbasedonnanocompositepaper.Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A.104,13574-13577(2007).
16Scrosati,B.Nanomaterials-Paperpowersbatterybreakthrough.NatureNanotechnol.2,598-599(2007).
17Hu,L.B.etal.Highlyconductivepaperforenergy-storagedevices.Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A.106,21490-21494(2009).
18Hu,L.,Wu,H.,LaMantia,F.,Yang,Y.&Cui,Y.Thin,FlexibleSecondaryLi-IonPaperBatteries.ACSNano4,5843-5848(2010).
19Yu,C.J.,Masarapu,C.,Rong,J.P.,Wei,B.Q.&Jiang,H.Q.StretchableSupercapacitorsBasedonBuckledSingle-WalledCarbonNanotubeMacrofilms.Adv.Mater.21,4793-4797(2009).
20Hu,L.B.etal.Stretchable,Porous,andConductiveEnergyTextiles.NanoLett.10,708-714(2010).
21Kaltenbrunner,M.,Kettlgruber,G.,Siket,C.,Schwodiauer,R.&Bauer,S.ArraysofUltracompliantElectrochemicalDryGelCellsforStretchableElectronics.Adv.Mater.22,2065-2067(2010).
22Gaikwad,A.M.etal.HighlyStretchableAlkalineBatteriesBasedonanEmbeddedConductiveFabric.Adv.Mater.24,5071-5076(2012).
23Tarascon,J.M.&Armand,M.Issuesandchallengesfacingrechargeablelithiumbatteries.Nature414,359-367(2001).
24Scrosati,B.&Garche,J.Lithiumbatteries:Status,prospectsandfuture.J.PowerSources195,2419-2430(2010).
25Thanawala,S.K.&Chaudhury,M.K.Surfacemodificationofsiliconeelastomerusingperfluorinatedether.Langmuir16,1256-1260(2000).
26Lee,J.etal.StretchableGaAsPhotovoltaicswithDesignsThatEnableHighArealCoverage.Adv.Mater.23,986-991(2011).
27Lee,J.etal.StretchableSemiconductorTechnologieswithHighArealCoveragesandStrain-LimitingBehavior:DemonstrationinHigh-EfficiencyDual-JunctionGaInP/GaAsPhotovoltaics.Small8,1851-1856(2012).
28Krieger,K.Extrememechanics:Bucklingdown.Nature488,146-147(2012).
29Yoshima,K.,Munakata,H.&Kanamura,K.Fabricationofmicrolithium-ionbatterywith3Danodeand3Dcathodebyusingpolymerwall.J.PowerSources208,404-408(2012).
30Ferg,E.,Gummow,R.J.,Dekock,A.&Thackeray,M.M.SpinelAnodesforLithium-IonBatteries.J.Electrochem.Soc.141,L147-L150(1994).
31Owen,J.R.Rechargeablelithiumbatteries.Chem.Soc.Rev.26,259-267(1997).
32Gowda,S.R.etal.ConformalCoatingofThinPolymerElectrolyteLayeronNanostructuredElectrodeMaterialsforThree-DimensionalBatteryApplications.NanoLett.11,101-106(2011).
33Sun,Y.G.,Choi,W.M.,Jiang,H.Q.,Huang,Y.G.Y.&Rogers,J.A.Controlledbucklingofsemiconductornanoribbonsforstretchableelectronics.NatureNanotechnol.1,201-207(2006).
34Ouyang,M.,Yuan,C.,Muisener,R.J.,Boulares,A.&Koberstein,J.T.ConversionofsomesiloxanepolymerstosiliconoxidebyUV/ozonephotochemicalprocesses.Chem.Mater.12,1591-1596(2000).
35DatasheetforBAT62-02LSE6327onwww.digikey.com
补充信息。
在硅树脂衬底上制造由压曲的Al/PI片材组成的可拉伸的包封层
第一步涉及使用与Al蓄电池电极所采用的那些过程类似的过程，在硅衬底上制造PMMA/PI/Al的三层。用AZ5214E光刻和湿蚀刻Al限定PI/Al片材的横向维度。接下来，氧气等离子体蚀刻(300mT，20sccmO2，200W达5分钟)移除暴露区域中的PI层。浸入在热丙酮中部分地移除下面的PMMA层，从而允许将整个结构从硅晶片取回到一块水溶性胶带(3M，Inc.)的表面上。Ti(5nm)/SiO2(50nm)的电子束蒸发形成背面涂层。在一个单独衬底上，制备500μm厚的硅树脂片材(共聚酯，Smooth-On,Inc.,Easton,PA)，然后将其移除且将其双轴地预应变到～30％的水平且然后通过层压到一个玻璃滑块上将其固定。硅树脂表面通过暴露至UV感应的臭氧达5分钟而被活性化。将PI/Al双层层压到此表面以在接触时导致强键合。通过将该衬底浸入在自来水中达一夜来移除水溶性胶带。将整个组件从玻璃滑块剥离释放预应变，且导致预期的压曲图案。在此配置中，总体系统可以被拉伸到的应变与等于预应变的那些应变一样大。
“岛-桥”自相似电极结构的机械分析：FEA
采用全三维(3D)FEA来分析在拉伸和压缩下“岛-桥”自相似电极结构的后压曲(postbuckling)行为。由于电极的结构周期性，研究了一个代表性单位单元，且在图5中示出了该单位单元的详细几何结构。该电极的圆形岛被安装在立柱(高度250μm)上，所述立柱被模塑在硅树脂衬底(共聚酯；厚度500μm)的表面上。由聚酰亚胺(PI，对于每个层厚度为1.2μm)薄层包覆金属互连线(厚度0.6μm)的顶部和底部。对于共聚酯，弹性模量(E)和泊松比(v)是E共聚酯＝0.06MPa且ν共聚酯＝0.49；对于铜，ECu＝119GPa且νCu＝0.34；对于铝EAl＝70GPa且νAl＝0.35；以及对于PI，EPI＝2.5GPa且νPI＝0.34。八节点3D固体元件和四节点壳体元件分别用于共聚酯和自相似电极，且采用精制的网状物以确保准确度。分别针对拉伸和压缩从FEA获得通过施加的应变而变形的配置的演变，如图2和图12中所示出的。可以发现FEA和实验结果之间的良好符合。在此，我们把铜的情况当作压曲分布图的展示。铝层的结果是类似的。为了比较自相似互连线和蛇形互连线之间的可拉伸性和可逆性(图11)，关键几何参数保持相同，包括总长度(l总＝16.77mm)、跨距(L＝1.6mm)、幅度(h＝0.4mm)、宽度(w＝30m)以及厚度(t＝3.0μm)。铝互连线(厚度0.6μm)由两个聚酰亚胺薄层(对于每个层厚度为1.2μm)包覆。图11展示了在从0％到800％的整个拉伸范围上，自相似互连线的应变水平总是低于蛇形互连线的。自相似设计的可拉伸性(809％)和可逆性(528％)高于简单蛇形设计的那些(ε可拉伸性＝682％,ε可逆性＝284％)。
蓄电池漏电流分析。
漏电流由三个来源引起。第一个来源是经过反向偏置的肖特基二极管的电流。此电流是～0.2μA，且在蓄电池的整个寿命期间相对恒定。具有较小的反向电流的肖特基二极管是可用的；诸如，这样的器件可以减小对于泄漏的此贡献。
第二个来源是阳极和阴极处的浆料盘之间的内部欧姆自放电电流。此贡献由电解质的有限导电性以及阴极和阳极处的浆料盘之间的任何寄生物理接触引起。可以通过具有增强的纯度的电解质材料和实施分离器来显著减小这些损耗。新的实验定量地揭示了后者影响。图15a和图15b示出具有和不具有商业分离器(Celgard)的其他类似蓄电池的电压衰减曲线和漏电流曲线。在44小时内，此部件将容量损耗从161μA·h减小到88μA·h。
第三个来源是来自于由法拉第效应产生的电流，包括与浆料材料中的杂质、残留的氧气和/或湿气相关联的穿梭反应。提高封装材料的空气不可渗透性可以减小由这样的反应引起的电流。新的实验示出蓄电池密封在Al袋(其可以被配置成一个允许拉伸的起皱的配置)中将容量损耗从161μA·h减小到62μA·h。组合分离器和Al袋封装件，将容量损耗抑制到23μA·h。图15概述了所有这些调查结果。
分立肖特基二极管拉伸行为分析
从实际观点来看，由于该二极管的相当小的尺寸，我们观察到对集成系统的总体机械属性没有显著约束。尤其，尽管肖特基二极管(其被包封在环氧树脂中，该环氧树脂具有～4.0GPa的模量)实际上比衬底(由共聚酯制成,具有～60KPa的模量)的模量大4个数量级，但是其维度(长0.62mm、宽0.32mm且高0.31mm)仅代表无线系统的总体尺寸(～30mm×～20mm)的百分之几(～2％)。实验上，我们观察到该系统对最多达～30％以及超过～30％的拉伸是鲁棒的。
为了定量地研究这些影响，我们实施全三维有限元模拟，该全三维有限元模拟检查二极管对集成系统中的线圈的可拉伸性的影响，如图19a中。图19b和图19c中的结果表明：(1)当包括二极管时，可拉伸性的减小是适度的，从32.6％到32.3％，以及(2)甚至当总体系统被拉伸32.3％时，二极管中的应变(即，环氧树脂)非常小(＜0.15％，远小于感应断裂所需要的应变)。
法向界面应变也是重要的。图20a示出对于拉伸到30％，中心中安装有一个二极管的大共聚酯衬底中的最大主应变的分布。图20b例示在二极管/衬底界面处的衬底法向应变的分布。法向界面应变在此情况下是负的，对应于在该界面处的压缩应变。此结果(其与基于界面裂缝处的能量释放速率的理论预测一致)使分层的倾向最小化。
线圈电阻对无线供电转移效率的影响
线圈电阻/品质因素是表明效率的关键参数。在例示影响的附加的实验中，我们用以增加的厚度由铜制造的其他类似的蛇形线圈代替600nm厚的金蛇形线圈。结果示出使用7μm厚的铜膜(Dupont)形成的线圈具有185Ω的总电阻，且在179mW的输入功率的情况下生成30.8mW的接收功率(距离为1mm，类似于先前报告的结果)。对应的效率是17.2％，该效率代表比原始的金线圈(4.9％)提高三倍以上。通过使用18μm的厚铜箔(MTICorp.)将线圈电阻进一步减小到38Ω来将接收功率提高到36.2mW，且将效率提高到20.2％。参见图23a。
厚度的这些增加且因此功率转移效率的增加导致与拉伸相关联的必要机械结构的改变。尤其，随着厚度增加，可拉伸性减小。具有7μm的厚度的线圈提供效率和机械可变形性之间的良好的平衡，具有适应～25％的应变的能力。在多个应变水平下的图像出现在图23b中，在最大单轴应变和线圈蛇形的几何结构方面很好地符合有限元分析结果(图23c)。
无线供电传输电路中的充电电路的建模
可以使用以下模型描述充电电路：
U 0 = U ( t ) + L d I ( t ) d t + I ( t ) R - - - ( 1 )
在此，U0是3伏特电压的充电源。L和R是该电路的相关联的感抗和阻抗。U(t)是伏特计的时间依赖读数且I(t)是安培计的时间依赖读数。
开发了一种程序以基于部分差分方程(1)模拟I-V曲线。基于U(t)的模拟的时间依赖电流Is(t)与测量到的I(t)比较，且在图20中示出了结果。
用来模拟电流的程序：
实施例2：用于可拉伸的电子系统的器件几何结构和材料策略。
图25和图27提供用于制作本发明的一些电子系统的示例制造过程流程图。图25提供总体制造流程图。图26例示用于制作蛇形互连线与COTS芯片之间的电接触的银胶刮擦。图27例示液体室制造。通过在衬底的顶部上层压弹性体片材的薄片形成腔或袋，并且在热和压力下用作为胶合剂的未固化的弹性体实现周围周边处的密封。通过用注射器穿过腔侧边缘注射来将流体注射到所形成的腔内。
图28例示本发明的单个蓄电池。图29例示经受～100％单轴拉伸的蓄电池。
图30提供具有无线供电和通信的ECG电路。图31提供有线的示波器上的ECG数据的实施例，以及通过无线通信在频率计数器上的ECG数据的实施例，其中数据保真度非常高，并且可以清楚地区别QRS波群。
图32例示图30中的电路的可拉伸的形式，其中红圆圈表明选择性键合到衬底的位置。图33示出安装到经蚀刻的Si晶片或图案化的厚的SU8内的共聚酯基座阵列。图34例示与图32的电路相同但是具有较薄型式的COTS芯片(<1mm)的电路。图35示出图34中的但是具有液体室的电路，其中故意留下一个气泡以表明流体的存在。图36提供展示拉伸的图像。图37提供展示在约2cm的半径处的挠曲的图像。
图38提供例示在被充分包封下、在液体室界面处不同几何结构的互连线中的应变分布的机械模拟。
图39提供例示水平的硬性岛之间的互连线中的系统级应变分布的示意图。图40提供例示竖直的硬性岛之间的互连线中的系统级应变分布的示意图。
图41示出具有液体室的多功能电路的总体布局。此电路的基本功能包括：无线射频功率采集、双端子电生理学传感器(心电图、肌电图、脑电图以及眼电图)、温度传感器、加速度传感器和无线数据传输。图42示出电功能完整的且厚度在0.5mm以下的机械磨光的商用现货(COTS)芯片。图43提供示例电路功能的列表。
图44例示多层——第一数据传输线，图45例示多层——第二功率递送线且图46例示多层——第三接地线。在这些线的交叉点处，它们通过聚合物(诸如，聚酰亚胺、聚氯代对二甲苯或SU8)彼此绝缘。
图47例示岛和互连线的精确选择性键合的位置(1)。图48例示实现精确选择性键合的制造过程(2)。图49例示增加互连线的鲁棒性的减小的尖锐拐角。图50例示自相似互连线和常规蛇形互连线的混合使用(1)。图51例示接触焊盘到皮肤的自相似互连线(2)。
图52和图53例示类似于图25和图26的基本制造方案的实施例。
图54例示使用共振感应线圈的无线供电电路的实施例。图55展示单轴地拉伸到100％的无线电路。
图56例示类似于图30中的电路的示例ECG电路。
图57、图58和图59例示布局、在每个刚性岛下的选择性键合位置以及互连线几何结构设计考虑的实施例。图60例示制造的具有分别用于数据线、电力线以及接地线的三个金属层的互连线的实施例。在此情况下，通过聚酰亚胺隔开这些金属层。暴露了金属层中的到COTS芯片的接触焊盘。
图61例示使用非常规制造过程的选择性键合，连同示出具有选择性键合的部分的光学显微镜图像。图62例示扫描电子显微镜图像，其中栓系器件部件包括键合到基座的可拉伸的电互连线。如所示出的，互连线在分立位置处选择性地键合到衬底，使得器件部件的表面面积的5％或更少物理地接触栓系件，或者器件部件的表面面积的2％或更少物理地接触栓系件，或者器件部件的表面面积的1％或更少物理地接触栓系件。通过在一个或多个位置处选择性地键合互连线和/或其他器件部件来栓系可以被用来减小或防止互连线、器件部件和/或器件的缠结。
图63例示仅通过机械磨光以及通过热发烟硝酸的酸蚀刻解封装的芯片。
图64示出所制造的在一个弯曲圆柱形表面上具有如所接收的且机械磨光的COTS芯片的液体室的多功能器件。图65例示图64中的器件的拉伸和挠曲。图66示出多层互连线的示例机械分析。图67示出在30％的竖直单轴应变下多层互连线中的应变分布。图68和图69示意性地例示拉伸模拟视频。
实施例3：具有流体容纳的电子系统
现在将参考附图描述具有流体容纳的电子系统，其中用来描述图70的参考数字示出多个实施方案中的相同特征，图内的多个项可能未被标注并且图可能未按比例绘制。
图70A和图70L示出包括衬底100的系统102的侧平面视图，其中一个或多个电子器件或器件部件110A、110B、110C由该衬底的表面105支撑。在所示出的实施方案中，器件或器件部件110A、110B、110C是独立式的且容纳室135由多个封闭结构(诸如，顶壁135B和侧壁135A、135C)组成。容纳室135至少部分地包围该室的至少部分填充有容纳流体140的空隙空间130内的器件/部件110A、110B、110C。在图70A的实施方案中，器件/部件110A、110B通过电互连线120彼此连接。
图70B和图70M示出与图70A和图70L的实施方案类似的实施方案，只是除了顶壁135B和侧壁135A、135C之外容纳室135还部分地由底壁135D形成。在此实施方案中，器件/部件110A、110B、110C和容纳流体140不接触衬底100。相反，器件/部件110A、110B、110C在底壁135D上是独立式的。
图70C示出一个实施方案，其中容纳室135包含形成多个空隙空间150、160的内壁135E。在所示出的实施方案中，器件/部件110A和110B位于分开的空隙空间150、160中，但是它们通过电互连线120处于电接触，该电互连线嵌入在内壁135E内。容纳流体140至少部分地填充每个空隙空间150、160。
图70D示出包括多个空隙空间150、160的系统102的实施方案，所述空隙空间150、160由具有顶壁135B、底壁135D、侧壁135A、135C和内壁135E的容纳室135形成。容纳流体140至少部分地填充每个空隙空间150、160。器件或器件部件位于分开的空隙空间150、160中，但是它们通过电互连线120彼此连接，该电互连线嵌入在内壁135E内。整个系统由衬底100支撑。
图70E和70N示出包括通过浮雕特征170A、170B、170D栓系到衬底100的一个或多个器件或器件部件110A、110B、110D的系统102的实施方案。例如，在一些实施方案中，浮雕特征170A、170B、170D可以是基座。在图70E的实施方案中，器件/部件110A、110B通过电互连线120彼此连接，该电互连线可以是可拉伸的电互连线或蛇形电互连线。器件/部件110A、110B、110D,浮雕特征170A、170B、170D以及可选地电互连线120被封闭在容纳室135的空隙空间130内，所述容纳室由顶壁135B和层压到衬底100的侧壁135A、135C形成。空隙空间130至少部分地填充有容纳流体140。
图70F示出一个实施方案，其中器件或器件部件110A、110B中的每个都通过浮雕特征170A、170B栓系到衬底100，且位于由顶壁135B、侧壁135A、135C以及内壁135E形成的容纳室135的分开的空隙空间150、160内。栓系的器件/部件通过穿过内壁135E的电互连线120彼此连接。
图70G示出包括支撑每个器件或器件部件110A、110B的浮雕特征阵列的实施方案。例如，器件/部件110A由浮雕特征170A1、170A2和170A3支撑，且器件/部件110B由浮雕特征170B1、170B2和170B3支撑。在此实施方案中，容纳流体140能够渗入浮雕特征170A1-A3和170B1-B3之间。
图70H示出包括器件或器件部件110A、110B的系统102的实施方案，器件或器件部件110A、110B中的每个都由浮雕特征170A1-A3和170B1-B3的阵列支撑，其中每个器件/部件110A、110B被安排在由顶壁135B、侧壁135A、135C以及内壁135E形成的容纳室135的独立的空隙空间150、160内。在所示出的实施方案中，容纳室135被层压到衬底100的表面105，但是替代实施方案可以包括容纳室的底壁135D(未示出)。
图70I1和图70I2示出拉伸衬底100的结果。图70I1示出在系统上没有任何外力的情况下的系统102。图70I2示出衬底100上的箭头A的方向上的力。所施加的力在箭头A的方向上拉动浮雕特征170B的束缚到衬底的点。器件/部件110B的、包含浮雕特征170B的栓系几何结构起作用以将衬底的运动和/或变形与器件/部件110B断开联系。容纳室135的空隙空间130内的容纳流体140缓冲器件/部件110B。
图70J1和图70J2示出收缩系统102的衬底100的结果。图70J1示出在系统上没有任何外力的情况下的系统102。图70J2示出在箭头B1和B2的方向上使得衬底100正被收缩或被挤压的力。施加的力使浮雕特征170B和170A与衬底键合的点分别在箭头B1或B2的方向上移动。器件/部件110B和110A的、包含浮雕特征170B和170A的栓系几何结构起作用，以将衬底的运动和/或变形与器件/部件110B和110A断开联系。
图70K示出包括连接器件或器件部件110A、110B的可拉伸的蛇形电互连线120的系统102的实施方案的平面俯视图。该系统还包括具有至少部分地填充有容纳流体140的空隙130的容纳室135。容纳室135可以包括顶壁(未示出)和/或底壁(未示出)。整个系统由衬底100支撑。
图70O示出包括连接器件或器件部件110A、110B的可拉伸的蛇形电互连线120的示例性系统102的实施方案的平面俯视图。该系统还包括具有至少部分地填充有容纳流体140的空隙130的容纳室135。容纳室135可以包括顶壁(未示出)和/或底壁(未示出)。整个系统由衬底100支撑。图70O中示出的实施方案还包括畜栏形式的屏障结构700，该屏障结构限制独立式器件或器件部件的移动。畜栏700是具有高度h和一个开口的一元结构，高度h小于容纳室135的全高度，该开口用于互连线120访问器件或器件部件110A、110B。图70P示出一个类似的实施方案，其中屏障结构被形成为多个凸部710，该碰撞杠包括侧壁710(1)、后壁710(2)和前壁710(3)。每个碰撞杠710都被安置成大体上平行于器件或器件部件的边缘，并且虽然碰撞杠710比器件或器件部件的边缘短，但是它足够长以约束器件或器件部件的移动而不阻止容纳流体140的移动。两个前壁710(3)形成一个用于互连线120访问器件或器件部件110A、110B的开口。图70Q示出图70P的实施方案的侧平面视图，其中独立式器件或器件部件110A、110B由具有宽度w和高度h的碰撞杠710横向地约束，该宽度w小于器件或器件部件110A、110B的对应的边缘，且该高度h至少足以防止器件或器件部件110A、110B竖直移动且防止穿过碰撞杠710和容纳室135的顶壁135B之间的间隙g逃脱。
图70R示出包括连接器件或器件部件110A-110D的多个可拉伸的蛇形电互连线120的系统102的实施方案的平面俯视图。该系统还包括具有至少部分地填充有容纳流体(未示出)的空隙130的容纳室135。容纳室135可以包括顶壁(未示出)和/或底壁(未示出)。整个系统由衬底100支撑，该衬底100包括较高弹性模量材料的分立区域800，该分立区域的材料的弹性模量高于衬底的其他部分。在一个实施方案中，较高模量区域可以被局部化在器件或器件部件110A-110D之下或附近，以最小化互连线120和器件或器件部件110A-110D的接合点处的应变。在一个实施方案中，衬底可以由交替的较高模量区域和较低模量区域形成(例如，由分立的材料条形成)。可以通过用较高模量材料代替衬底材料、在分立位置处将较高模量材料(例如，网状物或玻璃棉)纳入到衬底材料中、在分立位置处将较高模量材料与衬底材料成层、在分立位置处增厚衬底材料以及本领域技术人员已知的其他技术，来提供较高模量材料的区域。
图70S示出包括连接器件或器件部件110A-110D的多个可拉伸的蛇形电互连线120的系统102的实施方案的平面俯视图。该系统还包括具有至少部分地填充有容纳流体(未示出)的空隙130的容纳室135。容纳室135可以包括顶壁(未示出)和/或底壁(未示出)。整个系统由衬底100支撑，该衬底100具有连续变化的弹性模量(由剖面线示意性表示)，其中弹性模量在衬底的平面内在空间上变化。在一个实施方案中，衬底的弹性模量可以根据连续的或平滑的线性函数、抛物线函数或正弦函数在空间上变化。在一个实施方案中，衬底的弹性模量可以从衬底的一个边缘或拐角到衬底的相对的边缘或拐角、或从衬底的中心到衬底的外周界、或根据一个设定频率或图案在空间上变化。可以通过将较高模量材料(例如，网状物或玻璃棉)的在空间上变化浓度纳入到衬底中、使衬底厚度在空间上变化(例如，通过模塑或还原处理)以及本领域技术人员已知的其他技术来提供平滑的或连续的空间变化。
图71示出包括连接器件或器件部件110的可拉伸的蛇形电互连线120的示例性系统770的实施方案的平面俯视图，器件或器件部件110可以是自由浮动式的或被栓系的且可选地可以被约束在一个屏障结构(未示出)内。该系统还包括具有至少部分地填充有容纳流体140的空隙130的容纳室135。容纳室135可以包括顶壁(未示出)和/或底壁(未示出)。整个系统由衬底100支撑。为了减小或防止缠结，互连线120通过键合焊盘750选择性地键合到底壁或衬底100，该键合焊盘可以是基座、胶粘剂珠粒或用于将器件或器件部件锚固到底壁或衬底100的其他材料。
实施例4：用于皮肤的传感器、电路和无线电设备的软系统
当被安装在皮肤上时，现代传感器、电路、无线电设备和电源系统具有提供用于连续使用的临床质量健康监控能力的潜力，超出传统医院或实验室设施的界限。然而，大多数很好地开发的部件技术仅以硬的平面形式广泛可用。结果，系统设计中的现有选择不能够有效地适应与皮肤的软的、有纹理的、曲线的且时间动态的表面集成。在此，本发明提出了在材料、微流体系统、结构设计和机械结构理论中用于纳入高模量、刚性、现有技术功能元件的组件的低模量、可拉伸的系统的组合策略。结果是可以柔软地层压到皮肤的表面上以实现用于以无线模式进行生理学监控的先进的多功能操作的一种薄的可共形的器件技术。这些理念的多功能性和它们与用于柔性的/可拉伸的电子器件的其他方法的兼容性表明了利用与人体亲密集成的可佩戴器件中的迅速发展的基础。
具有精确度能力的电子系统在连续生理学监控、干预和治疗中的成功开发和部署可以具有许多重要结果，范围从运动中增强的安全性到先进的卫生保健中改善的成本结构和效果。对身体的多模式、非侵入性访问可以通过经皮(transcutaneously)建立的电学/光学/流体界面完成。通过使用皮带、销或胶带将常规的硬电子部件和传感器粘附到皮肤，从而以引起不舒适、阻挠鲁棒粘附以及防止稳定的生物/非生物界面的方式约束自然运动。“像皮肤一样的”器件(有时被称为“表皮”电子系统(1，2))通过采用弹性可拉伸性的厚度(3-5)、模量和水平以及匹配皮肤自身的这些属性的其他基本物理属性来避免这些限制，以允许软的、顺从类型的集成。这些理想特性甚至可以在纳入本身硬且易碎(1，6，7)的、已确定的高性能半导体材料(诸如，硅)的部件中实现。然而，所需要的专门的、超薄器件几何结构可以产生对迅速设计迭代和快速发展的工程障碍。使用软的活性材料(3，4，8-13)和/或流体金属(14-16)的替代方法对于某些传感器和个体部件是有价值的，但是它们目前不能够支持实际应用所需要的整个功能范围，它们也不能够与已建立的用于微制造和器件集成的方法即刻兼容。在此，本发明展示用于顺从的、皮肤安装系统的理念，所述系统不仅可以纳入这些和其他最近探索的材料和器件而且可以纳入商业芯片级部件，商业芯片级部件包括集成电路、射频硬件、微机电结构、物理传感器/化学传感器和电源。浮动在由弹性体隔膜限定的薄的微流体封闭体内的这样的芯片的互连集合在系统级提供软的、低模量机械结构。在此，高模量部件对总体机械结构的影响可忽略，甚至当以高面积覆盖范围呈现它们时。这样的机械属性在质量上不同于通过先前探索的固体构造可实现的这些(17-20)。所产生的系统可以柔软地且非侵入性地层压到皮肤上，以限定具有将不寻常器件与标准部分组合的能力的高功能界面。这些概念实现宽泛种类的精致的生物集成电子器件的快速原型设计，如在此通过提供无线供电操作、精确地测量生物电势、加速度和/或温度、具有射频(RF)数据传输的系统所例示的。
布局包含被设计成将构成器件和相关联的互连线网络的机械结构从同时提供支撑表面(即，衬底)和包封层(即，覆盖物)的薄的弹性体封闭体断开的微流体空间矩阵。每个部件都选择性地在模塑到薄的弹性体衬底上的小的、局部化的圆柱形浮雕特征(即，支撑立柱)处键合到此封闭体的底表面。除了这些立柱，器件悬浮在周围流体中并且因此，被机械地隔离。多层、中性机械平面布局和呈薄的蛇形形状的互连线的自由浮动网络将器件接合成提供系统级功能的电路架构。图72A呈现示意性地例示能够无线地获得、过滤、放大以及RF传输电生理学(EP)数据以用于精确地测量心电图(ECGs)、肌电图(EMGs)、眼电图(EOGs)和脑电图(EEGs)的集成器件的分解视图。
在它们的边缘处键合覆盖物和衬底限定一个微流体结构，在第二步骤中，使用注射针用电介质流体填充该微流体结构(图72B)。弹性体在移除该针之后自密封(图73)；附加的弹性体可以被添加以增强此密封的鲁棒性。用于流体的选择标准包括(1)朝向电子部件和衬底/覆盖物的可湿性，以促进填充过程，(2)大体积电阻率(>1×1014Ohm*cm)以消除电串扰，(3)高电介质强度(>10kV/mm)以避免电击穿，(4)中等粘度(～5Pa·s)以增强冲击阻力，(5)良好的热稳定性(在100℃下达4小时重量损耗<0.1％(图74))以允许可靠的长期操作，(7)低损耗RF属性和小电介质常数(<3)，以最小化对RF操作的影响，(8)低反应性和化学稳定性，以避免腐蚀或其他形式的化学退化，(9)疏水特性，以从封装件驱逐湿气以及(10)光学透明度，以实现快速检查部件。虽然可以考虑许多材料，但是在此所报告的器件使用软的、硅树脂弹性体(共聚酯、Smooth-On，Inc.,Easton,PA)用于所述衬底/覆盖物，并且使用高分子量硅树脂低聚物(硅酮树脂184，不具有固化剂)用于所述流体。
自由浮动的互连线可以响应于整个系统的外部强加变形在面内和面外压曲、扭曲和变形而没有约束。同样，基于流体的应变隔离策略允许在最小限度联接到器件部件的情况下衬底/覆盖物的大范围运动。从图72C的三维(3D)有限元分析(FEA)结果明显看出此物理现象。相对于涉及键合到或嵌入在固体或多孔弹性体中的设计(17-23)，互连线自由移动的能力增加了它们的可拉伸性范围。对于图72C中示出的互连线的情况，当分别与键合或嵌入的情况比较时，可拉伸性中的此增加对应于～10和～20的因数(图75)。对于整个系统的50％的双轴拉伸，互连线金属中的最大主应变(图72C中)小于～0.2％。对于相同水平(50％)的双轴拉伸，支撑立柱导致硬的部件和弹性体之间的应变中的差异即刻在最大可以是～64％之下。
模塑到覆盖物/衬底上的尖锐的角锥体特征的密集阵列防止到互连线和器件的非特定性粘附，以允许低摩擦、润滑的相对运动。此浮雕以及与支撑立柱相关联以允许部件芯片的应变隔离和与物理屏障相关联以防止邻近互连线的缠结的浮雕出现在图72D和图76的横截面扫描电子显微镜(SEM)图像中。图72E和图72F示出在通过转移印刷集成互连线网络之后的相同区域，包括一个放大视图。互连线网络中的交叉可以适应夹层电介质或芯片级交叉。全部芯片(厚度上全部<1mm,通过机械研磨实现(图77))经由低温焊料(Sn42Bi58)电地且机械地键合到此网络，所述低温焊料通过丝网印刷施加到集成焊盘的具有匹配触点的金属化(化学镀锡(图78))区域。到衬底(厚度～0.4mm)的粘附仅在支撑立柱(～1mm直径)的位置处选择性地发生。这些焊盘在与互连线的接合点处纳入锥形形状，以最小化应力集中(图79)。宽的、直的迹线(图80)穿过微流体封装体(微流体厚度～1mm；覆盖物厚度～0.1mm)的相对边缘，且在提供用于层压表皮电极(图81)的位置的外部接触焊盘(如，到皮肤的界面)处终止。完整的系统(图72G)包括：(1)用于通过共振感应能量转移来无线供电的模块，(2)用于对EP信号进行低噪声放大和滤波的模块以及(3)对测量到的数据进行调频(FM)RF传输的模块。表1和图82概述部件和设计原理。图72H和图72I中的图像分别示出器件拉伸(在此示出的达～30％单轴应变)和扭曲(在此示出的达～75度)的能力。在补充信息部分中提供了材料和制造过程的详细信息。
表1.ECG系统的芯片信息。
器件编号 类型 值 制造商零件编号
0 跳线 0Ω CRCW06030000Z0EAHP
1 运算放大器 N/A AD627BRZ-R7
3 压控振荡器 N/A MAX2750EUA+
4 电阻器 249Ω PAT0603E2490BST1
10 电阻器 10KΩ ERJ-3EXF1002V
13 电阻器 200KΩ RG 1608N-204-W-T1
18 多层天线 N/A 7488910245
101 电感器 10μH 27T103C
105 电容器 10μF C1608X5R1A106X
107 电容器 0.1μF C0603C104J4RACTU
系统级的机械行为对总体设计至关重要。图83概述图72中的器件的系统计算和实验研究，为了便于成像而没有覆盖物隔膜。3D有限元分析(FEA)结果(图83A)和实验图片(图83B)揭示在多种等双轴拉伸水平下芯片和互连线的配置。在此观察到的良好符合验证了模型并且将它们的实用性建立为用于优化芯片的布局和互连线的形状的设计工具。具体地，对于系统几何结构的任何选择，计算的结果允许快速识别(1)高主应变的位置，(2)互连线中的缠结的位置以及(3)芯片之间的冲突的位置。包含电路和机械设计中的联接考虑(其中3D-FEA建模作为指导)的迭代过程允许针对期望的器件尺寸、可拉伸性程度和有效模量来优化所有相关参数(包括模塑的屏障的位置)。在此示出的系统由芯片布局中的若干迭代和形成非周期性互连线网络的自相似蛇形形状的几何结构产生。注意到蛇形中的面内和面外弯曲和扭曲的分级机械结构以及它们对几何结构的依赖是最重要的，服从由对它们的电气属性的要求设定的约束。图83C和图84示出可以发生的微细效应。在来自理论的指导下引入的许多变型中的一个的实施例是在底边缘处、在长互连线的中点处添加的小的键合部位，以确保其机械结构中的可逆性并且以避免缠结(图79)。最终的设计在系统级提供有效模量，该模量仅比与裸露弹性体衬底相关联的固有值略微大(3-5％)(表2)。实际上，具有有芯片、互连线网络和周围流体的衬底的单轴测试和不具有芯片、互连线网络和周围流体的衬底的单轴测试揭示几乎相同的应力/应变对应，如图83B的底框中示出的。考虑到电子材料的模量(～100GPa)和弹性体的模量(～180kPa)之间的大的差异，此结果是值得注意的。
表2.用于有效杨氏模量的计算模型。用于实验数据的模量是通过使用在[0％,50％]范围内的应力-应变曲线的线性拟合确定的。
除了低模量，系统还提供大范围的可拉伸性。例如，100％等双轴应变诱发活性材料(互连线的Cu)中的仅～2％的最大主应变，如通过图83A的底框中示出的互连线网络的区段来高亮显示的。通过3D-FEA预测的最大双轴可拉伸性是～125％，由互连线网络中的Cu的局部断裂(破坏应变～5％)限制，与实验观察结果一致(～100％)。对于～49％的双轴应变(图85)可以获得可逆的弹性行为(Cu的屈服应变是～0.3％)，在此器件布局中甚至具有高(～46％)的芯片累积面积覆盖范围。双轴拉伸中的实际限制是～40％，通过由泊松效应引起的正交收缩所导致的邻近芯片的碰撞限定(图86和图87)。在所有的情况下，衬底中的变形示出没有对与芯片或互连线网络相关联的运动的约束的迹象，如通过以正方形阵列沉积在衬底的背表面上的基准点(Cr,100nm厚)之间的均匀间隔例示的，在图83的图像中可见。对于定量分析，参见图88。此低模量(～180kPa,与皮肤一样软(1))、各向同性的可拉伸响应唯一遵循在此引入的微流体应变隔离方法，这样的属性对于现有技术的、商业可得的电子部件到皮肤上的软的、可靠的、非侵入性集成至关重要。没有利用芯片的应变隔离的类似系统示出衬底中的高度非均匀变形(图89)；用固体弹性体代替微流体的这些类似系统示出仅6％的弹性可拉伸性，以及从可与芯片它们自身(>100GPa)的值相提并论的值变化为由键合的互连线约束的弹性体(～250kPa)的局部有效模量。
图90A和B示出一个完整的设备(～1.7×1.8cm2)，包括一对表皮电极(每个～0.8×1cm2，在单纤维的、自相似蛇形网状物设计中；图91)，层压到前臂的皮肤上，分别处于未变形状态和变形状态。在此，与器件的低有效模量相关联的低界面应力实现单独通过范德华力到皮肤的鲁棒粘附，通过衬底的底表面上的超低模量薄弹性体涂层促进该粘附。施加到接近(在mm范围内)器件的初级线圈的交流电压(10Vp-p，150kHz)通过从感应电源模块产生直流输出而激活它，该感应电源模块由LC振荡器、肖特基二极管整流器和集成电容器(10μF)组成。总功率消耗是～35mW，其取决于存在于许多现代蜂窝电话中的可得到的近场通信(NFC)能力的范围。仪器放大器提供最多达800的增益。具有浮动接地的电容器移除由表皮工作电极和参考电极收集的EP信号的高频和DC分量。压控RF振荡器将放大的数据变换成～2.4GHz的FMRF信号，该FMRF信号通过紧凑的三维天线传出器件。当在为了消除背景电噪声而设计的房间内操作时，分开的贴片天线、RF放大器和频率计数器可以在最多达1m的距离处可靠地接收传输的RF(图92)。将器件层压横跨胸骨且电极在双侧第四肋间空间内实现ECG的收集。具有清楚可识别的QRS波群的代表性测量值出现在图90C中。此系统的保真度类似于具有有线连接的常规商业硬件(BrainVisionV-Amp)的保真度。在图93中示出从靠近表皮电极(在左前臂的远端位置上具有附近的接地电极)放置的标准胶粘电极测量到的ECG结果。
图90D呈现当对象每秒眨眼一次时在左眼上方和下方(且从左外眼角稍微横向)的位置处记录的对应的EOG。类似的一致程度在EMG和EEG中发生，其中商业系统使用一对镀金的银电极和一个附近的接地电极，用胶粘剂标签(sticker)和导电电极凝胶将所述镀金的银电极保持靠着头部。在手紧握期间从桡侧腕屈肌之上的前端左前臂测量到的EMG出现在图90E中，并且图90F示出在前额上测量到的EEG，其中在发际线下方在位置Fpz处放置的商业电极参考位置AF7处的横向电极。表皮电极直接在下方、平行、且隔开相同距离。在此，该对象闭着他的眼睛从事于心算(从200以7为差值向后计数)达一分钟并且保持休息达另一分钟。来自闭着的眼睛的EOG活动使两个任务分开。数据揭示在心算期间的强高频活动，以及在休息期间的强低频活动(图94)，如预期的。
材料、机械结构和器件集成中的核心概念具有普遍适用性。不仅能够EP感测而且能够用三轴加速度计记录运动以及用惠斯登电桥配置的热敏电阻器记录温度(图95A和图96)的多模式测量系统提供一个实施例。此组测量能力对于许多应用是重要的，应用的范围从运动训练、到睡眠呼吸暂停研究的追踪、到新生儿护理的监控、到评定认知状态和意识。多路器在三个传感器通道的输出之间顺序地切换，以允许用单个压控振荡器的数据传输。具体地，来自EP通道的数据传输达18秒、来自加速度通道的数据传输达9秒以及来自温度通道的数据传输达9秒，如由通过将振荡器的振荡频率调整到1：2来生成两位控制逻辑的两个振荡器确定的(图97)。器件包括31个部件芯片以及一个具有4个交叉的互连线网络，该器件具有1.9×2.9cm2的总体尺寸。表3和图96概述所述部件和设计原理。一个脉冲宽度调制振荡器以～7％的占空比、以1000Hz的频率周期性地接通和断开压控振荡器(图98)，以将平均功率消耗从～40mW(连续操作模式)减小到～6.3mW。此功率水平位于不仅可以用NFC解决而且可以通过小的钮扣电池蓄电池或可能地远场RF功率转移解决的范围内。一对接触焊盘实现这些选项或电源中的其他选项的集成(图95A)。感应电源和蓄电池电源的实施例出现在图99中。组合电路和机械结构迭代设计过程(其类似于对于单个通道器件描述的组合电路和机械结构迭代设计过程)实现高水平的可拉伸性和低有效模量。作为一个结果，系统(图95B)可以与皮肤自然地集成，并且在扭曲、拉伸和收聚期间通过范德华力保持粘附(图95C和D)。图95E示出在拳头的重复紧握和释放期间从前臂记录的EMG。加速度计在步行和下降期间的输出出现在图95F中。通过向器件上呼吸(图95G)和通过体育锻炼诱发的温度响应与使用商业IR摄像机观察到的这些一致(图100和图101)。
表3.用于多功能系统的芯片信息。
器件编号 类型 值 制造商零件编号
0 跳线 0Ω CRCW06030000Z0EAHP
1 运算放大器 N/A AD627BRZ-R7
2 IC多路器 N/A MAX4734EUB+
3 压控振荡器 N/A MAX2750EUA+
4 电阻器 249Ω PAT0603E2490BST1
5 温度传感器 N/A PTS080501B500RP100
6 IC加速度计 N/A KXTH9-2083
9 IC振荡器 N/A LTC6992IS6-2#TRMPBF
10 电阻器 10KΩ ERJ-3EKF1002V
11 电阻器 392KΩ ERJ-3EKF3923V
12 电阻器 215KΩ ERA-3AEB2153V
13 电阻器 200KΩ RG 1608N-204-W-T1
14 电阻器 1MΩ ERJ-3EKF1004V
15 电容器 0.1μF C0402C104K8RALTU
16 电阻器 549Ω ERA-3AEB5490V
17 电阻器 18KΩ RG1608N-183-W-T1
18 多层天线 N/A 7488910245
19 电阻器 430KΩ 1-1879417-0
20 电容器 82pF VJ0402D820JXXAJ
21 IC振荡器 N/A LTC6991IS6#TRMPBF
22 电容器 4.7μF C1608X5R1A475K/0.50
在此例示的理念提供了传感器、电路、无线电设备和用于电源的器件到展现均匀软的、弹性机械响应的系统内的集成组装的通用方法。这些物理特性允许直接层压到皮肤上以产生可佩戴的电子器件中的先进的操作模式，具有补充和扩展其他方法的那些能力的能力。其他实施方案可以例如将用于对来自软的传感器的分布阵列的信号进行放大、多重寻址的表皮晶体管与用于数据存储、处理以及RF传输的紧凑的、可拉伸的芯片级部件集合组合。这样的机会连同功率高效无线电设备(24-26)、无线能量转移(27-29)和功能微流体(14-16)中的进步表明了有希望的身体集成电子器件。
补充信息
材料和方法
用于电路的设计原理。对于感应ECG系统，芯片105(10μF电容器)用来阻止进入的ECG信号的DC偏移。芯片107(0.1μF电容器)和芯片13(200kΩ)形成高通RC滤波器以将低频噪声从进入的ECG信号移除。仪器放大器(AD627b,芯片1)将ECG信号放大800倍。芯片107(0.1μF电容器)和芯片10(10kΩ)形成低通RC滤波器以将高频噪声从放大的ECG信号移除。压控振荡器(MAX2750,芯片3)生成表示ECG信号电压的高频信号。此芯片的输出通过紧凑的天线(芯片18)传递。感应电源模块基于共振感应耦合：10μH感应线圈(27T103C,芯片101)和0.1uF电容器(芯片107)形成LC环路。
对于多功能器件，EP放大子单元类似于ECG系统的EP放大子单元。加速度感测模块由芯片6(KXTH9)组成，芯片6将加速度转变成模拟电压输出。温度感测模块使用桥接电路来将温度转变成模拟电压输出。芯片5(PTS080501B500RP100)是RTD传感器。芯片16和芯片17是成对电阻器以形成桥接环路。在复用模块中，芯片21(LTC6991)生成控制多路器(MAX4734,芯片2)的振荡信号，以在EP感测、温度感测和加速度感测之间切换。无线数据传输子单元类似于ECG系统的无线数据传输子单元。
在弹性体器件衬底上模塑表面浮雕结构。该过程开始于一片干净的(100)Si晶片，该晶片涂敷有通过等离子体增强化学汽相沉积(STSPECVD)形成的100nm厚Si3N4膜。光刻(AZP4620,3000rpm,30s,在110℃下软烘烤达3分钟,300mJ/cm2,AZ400K和DI水的1:2体积比达1min)和反应离子蚀刻(RIE,22.5sccmCF4,40mT,150W,8min)限定Si3N4中的圆圈阵列用KOH(100ml33％重量百分比的水溶液,20ml异丙醇乙醇,130℃,45分钟,在强磁力搅拌下)对该硅进行湿化学各向异性蚀刻以在晶片表面上生成角锥体形状的凹进区域阵列。在将剩余Si3N4移除之后，第二光刻步骤(AZP4620)和感应耦合等离子体反应离子蚀刻过程(ICPRIE,Bosch过程)限定用于芯片的支撑立柱的沟道(深度30μm)。第三光刻步骤(AZP4620)和RIE过程(STSICPRIE,Bosch过程)限定用于隔离屏障的沟道(深度100μm)。聚四氟乙烯层(～200nm)共形地沉积(STSICPRIE)全部暴露表面以最小化粘附。通过将商业试剂盒(kit)的两种成分以1:1的重量比混合,将所产生的材料旋转浇注(300rpm达30s)到经处理的Si晶片上且然后固化成固体形式(在室温下2小时)来制备薄的(300μm)硅树脂衬底(共聚酯,Smooth-On,Inc.,Easton,PA)。
互连线网络的制造。该过程开始于将以10:1的基料与固化剂比混合的聚二甲基硅氧烷(PDMS,Sylgard184)旋转浇注到干净的玻璃滑块上(3000rpm达30s)。在烤炉中在70℃下固化达2小时之后，将PDMS暴露到氧等离子体(20sccmO2,300mT,200W,30s)。然后通过旋转浇注(2000rpm达60s)施加2.4μm厚的聚酰亚胺(PI,来自聚(均苯四二酐-共-4,4’-二氨基二苯醚)酰胺酸溶液)层，在150℃下在热板上烘烤达4分钟且在10mT和250℃下在真空烤炉中烘烤达1小时。互连线和金属电极由通过电子束蒸发沉积到PI上的400nm厚的Cu层组成。光刻(AZP4620)和蚀刻(CE-100铜蚀刻剂,TranseneCompany)限定Cu中的图案。接下来，旋转浇注形成整个结构之上的第二2.4μm厚的PI层。然后使用电子束蒸发沉积50nm厚的SiO2层，以用作用于PI的蚀刻掩膜。接下来，光刻(AZP4620)、RIE蚀刻(50mT,40sccmCF4,100W,20min)和氧等离子体蚀刻(20sccmO2,300mT,200W达21min)以匹配金属迹线的几何结构的方式图案化PI层。使用缓冲氧化物蚀刻剂移除残留的SiO2掩膜，并且将总体电路电极被浸入在80℃的化学镀Sn溶液(TranseneCompany)中达～10s。出于确保焊料在键合焊盘上的良好可湿性的目的，Sn仅沉积到暴露的Cu表面上。最后，使用水溶性胶带(3M,Inc.)取回电路电极，以用于对齐转移到器件衬底。
芯片部件的组装。在互连线网络的焊盘(用于芯片的安装部位)上电子束蒸发Ti(5nm)/SiO2(50nm)形成背面涂层(30)。将具有与支撑立柱匹配的图案的、由PI组成的阴影掩膜(Stencilunlimitedcorp.)对齐模塑的硅树脂衬底且将其层压到模塑的硅树脂衬底上。然后通过将该衬底暴露到紫外线诱发的臭氧达5分钟来使该衬底活性化。将互连线网络对齐此表面且将其层压到此表面上导致当接触时仅在支撑立柱的位置处的不可逆的强键合。在老化10分钟之后，通过浸入在自来水中达1小时来移除水溶性胶带。然后将与用于化学镀锡的阴影掩膜相同的另一个阴影掩膜对齐电极且将其层压到电极上以选择性地暴露用于与部件芯片中的每个相关联的管脚触点的接触焊盘。Sn42Bi58合金焊料膏(ChipQuikInc.SMDLTFP250T3)被丝网印刷到接触焊盘上。用三脚磨光器的组合的抛光和磨光过程被用于打薄最厚的芯片，使得所有芯片具有<1mm的厚度。该抛光过程包含快速返回研磨步骤，接着是移除剩余的粗糙表面的磨光过程。在光学显微镜下将每个芯片部件手动地放置在电极之上。在全部芯片就位之后，在烤炉中在～180℃使焊料膏流回达5分钟。良好的焊料接合点显得平滑且有光泽的，其中完全润湿接触焊盘。薄的硅树脂覆盖物(～100μm厚)包封器件的整个芯片区域。通过附加地施加部分固化的硅树脂接着在120℃下在热板上烘烤达10min来密封边缘。通过边缘将液体PDMS基料(Sylgard184,不具有固化剂)注射到加盖的腔内，通过毛细作用力覆盖全部芯片和互连线。
器件的机械测试和机械模拟。穿过安装到浮雕衬底的背面上的聚酰亚胺阴影掩膜沉积金属点阵列(100nmCr,对于每个点1mm节距)。在集成互连线网络和芯片以及添加薄的PDMS基料层之后，使用定制的工作台将等双轴拉伸施加到器件。逐渐地且同时在两个方向上添加/移除应变。用数字单透镜反射摄像机从该器件的背面收集各个变形阶段下器件的图像使得金属点清楚可见。使用INSTRONMINI44在正交方向上测量具有芯片和互连线网络的器件和不具有芯片和互连线网络的器件的杨氏模量。在至少三个个体测量值之上平均应变-应力曲线。使用FEA技术执行机械模拟。
采用全三维(3D)FEA来分析整个器件在单轴拉伸下和双轴拉伸下的后压曲行为。芯片通过小的圆形(直径1mm)基座和矩形(0.5mm×1.0mm)基座选择性地键合到硅树脂衬底(共聚酯；厚度0.5mm)。在顶部和底部，通过薄的聚酰亚胺(PI,对于每个层厚度为2.4μm)层包覆金属互连线(Cu,厚度400nm)中的每个。对于共聚酯，弹性模量(E)和泊松比率(ν)是E共聚酯＝0.0623MPa且ν共聚酯＝0.49；对于铜，ECu＝119GPa且νCu＝0.34；且对于PI，EPI＝2.5GPa和νPI＝0.34。八节点3D固体元件和四节点壳体元件分别用于共聚酯和自相似电极，并且采用精制的网状物以确保准确度。线性压曲分析被执行以确定每个互连线的临界压曲应变和最低压曲模式，然后在后压曲模拟中其被实施为初始几何缺陷。从针对单轴拉伸下和双轴拉伸下的整个器件的FEA获得具有施加的应变的变形配置的演变，如图83、图84、图86和87中示出的。可以发现FEA和实验结果之间的良好符合。
器件在人类对象上的功能测试。在器件集成之前，移除毛发且使用柔和磨料和透明胶带清洁皮肤以使一些角质层剥落且以移除皮脂油脂(31)。然后，将器件放置在皮肤上的期望的区域上以用于记录EP信号。对于NFC供电，使用KEITHLEY339050MHz任意波形发生器生成到初级线圈的高频交变电流源。使用AgilentinfiniiumDSO8104A示波器(1GHz,4通道)测量无线线圈的输入特性和输出特性。ECG数据由后端天线接收，然后由2.2-2.7GHz带通滤波器(RF-lambda,RBPF2450,SN:12041902227)滤波，由2.2-2.7GHz低噪声放大器(ZQL-2700MLNW+)放大，且由频率计数器读出，其中经调频的信号被处理和分析。对于用商业设备记录，我们使用一对金/银环形电极，用胶粘剂标签连同导电电极凝胶将所述金/银环形电极固定到皮肤。接地电极被附接在右臂的更近端区段上。直接邻近用于用商业系统测量的电极放置的无线系统利用浮动接地。记录的数据传递经过带通滤波器以移除线路噪声和信号中的其他高频伪影以及慢漂移。减去每个信号的平均电压以移除DC偏移。该数据然后被归一化成它们的峰值，以便于比较。
参考文献
1.D.H.Kimetal.,Science333,838-843(2011).
2.J.-W.Jeongetal.,Adv.Mater.25,6839-6846(2013).
3.M.Kaltenbrunneretal.,Nature499,458-463(2013).
4.M.S.Whiteetal.,NaturePhoton.7,811-816(2013).
5.M.S.Mannooretal.,Nat.Commun.3,763(2012).
6.J.A.Rogers,M.G.Lagally,R.G.Nuzzo,Nature477,45-53(2011).
7.W.Z.Wu,X.N.Wen,Z.L.Wang,Science340,952-957(2013).
8.C.Wangetal.,NatureMater.12,899-904(2013).
9.S.C.B.Mannsfeldetal.,NatureMater.9,859-864(2010).
10.D.J.Lipomietal.,NatureNanotech.6,788-792(2011).
11.T.Sekitani,T.Someya,MRSBull.37,236-245(2012).
12.G.Schwartzetal.,Nat.Commun.4,1859(2013).
13.C.Keplingeretal.,Science341,984-987(2013).
14.M.Kuboetal.,Adv.Mater.22,2749-2752(2010).
15.E.Palleau,S.Reece,S.C.Desai,M.E.Smith,M.D.Dickey,Adv.Mater.25,1589-1592(2013).
16.D.M.Vogt,Y.L.Park,R.J.Wood,IEEESensorsJ.13,4056-4064(2013).
17.S.Wagner,S.Bauer,MRSBull.37,207-217(2012).
18.T.Sterkenetal.,Conf.Proc.IEEEEng.Med.Biol.Soc.(2011),pp.6886-6889.
19.F.Axisaetal.,Conf.Proc.IEEEEng.Med.Biol.Soc.(2007),pp.5687-5690.
20.M.Gonzalezetal.,Microelectron.Reliab.51,1069-1076(2011).
21.H.Vandeparre,Q.H.Liu,I.R.Minev,Z.G.Suo,S.P.Lacour,Adv.Mater.25,3117-3121(2013).
22.A.Romeo,Q.H.Liu,Z.G.Suo,S.P.Lacour,Appl.Phys.Lett.102,131904(2013).
23.S.P.Lacour,S.Wagner,R.J.Narayan,T.Li,Z.G.Suo,J.Appl.Phys.100,014913(2006).
24.Y.Lee,B.Giridhar,Z.Foo,D.Sylvester,D.B.Blaauw,IEEEJ.Solid-StateCircuits48,2511-2521(2013).
25.Y.Leeetal.,IEEEJ.Solid-StateCircuits48,229-243(2013).
26.Y.Sun,H.Luo,S.K.Das,IEEETrans.DependableSecur.Comput.9,785-797(2012).
27.E.Y.Chow,M.M.Morris,P.P.Irazoqui,IEEEMicrow.Mag.14,64-73(2013).
28.S.Kim,J.S.Ho,A.S.Y.Poon,Phys.Rev.Lett.110,203905(2013).
29.S.J.Thomas,R.R.Harrison,A.Leonardo,M.S.Reynolds,IEEETrans.Biomed.CircuitSyst.6,424-436(2012).
30.Y.G.Sun,W.M.Choi,H.Q.Jiang,Y.G.Y.Huang,J.A.Rogers,NatureNanotech.1,201-207(2006).
31.V.Medina,J.M.Clochesy,A.Omery,HeartLung18,456-460(1989).
实施例5：使用具有低模量固体材料的容纳部的系统的机械结构 建模
图102a示出用于实现包封在容纳室内的电子系统的高可拉伸性的设计布局的示意图。在所示出的实施方案中，电子系统包括包封在由衬底1002和覆盖物1004形成的容纳室内的电子器件或部件1000。电子器件或部件1000由衬底1002以及第一填充物或低模量固体1006支撑。第二填充物或低模量固体1008接触电子器件或部件1000的顶表面和侧表面。在一个实施方案中，第一填充物的厚度小于或等于1000μm，或者小于或等于500μm，或者小于或等于250μm，或者小于或等于100μm。在一个实施方案中，第一填充物和第二填充物可以是相同的或不同的低模量固体材料。在一个实施方案中，第一填充物和第二填充物的杨氏模量可以是相同的或不同的。在一个实施方案中，不止两种填充物材料(例如,3、4、5、6种填充物材料)可以存在（例如，混合或分层）在容纳室内。在一个实施方案中，电子器件或部件1000可以完全键合到、部分地键合到或者栓系到第一填充物。在一个实施方案中，电子器件或部件1000在第一填充物上是独立式的。在一个实施方案中，电子器件或部件1000栓系到衬底1002但是由第一填充物1006至少部分地支撑。例如，在一个实施方案中，第一填充物1006自然地填充电子器件或部件下方的、由基座至少部分地支撑的空间。一个重要的机械结构概念是使电子器件的变形与衬底的变形隔离，在一些实施方案中，可以通过在电子器件和衬底之间填充软的材料完成使电子器件的变形与衬底的变形隔离。我们采用全三维（3D）FEA来分析使用不同低模量固体填充材料的机械性能。我们研究以蛇形布局的电互连线（如图102b中示出的），其中超薄的铜层（0.3μm）由两个聚酰亚胺(PI,1.2μm)层夹在中间。此互连线包封在被层压到衬底(共聚酯,200μm)上的软的弹性体(即,图102a中的填充物,其中厚度tFiller-1=100μm,tFiller-2=400μm)中。覆盖物对电子器件的变形具有可忽略的影响，且因此在FEA中不将其纳入考虑。在表4中示出FEA中采用的材料参数。八节点3D固体元件被用于衬底和填充物，并且四节点壳体元件被用于蛇形互连线，用精致的网状物以确保准确度。在表5中概述了对于具有的模量值的范围从0至1.0MPa的多种示例性填充物材料所计算出的弹性可拉伸性。弹性可拉伸性随着填充物材料的杨氏模量减小而增加。当采用超低模量弹性体（诸如，silbione(RTGel4717A/B,Bluestar硅树脂)和PDMS(1:50)时，预测的弹性可拉伸性(115.6%和108.4%)非常靠近从两端拉伸的独立式互连线的极限(120.0%)(其类似于通过流体系统提供的环境)。此组模拟清楚地示出使用低模量固体填充物的可拉伸的设计的机械优势。
表4.FEA中采用的材料参数
材料 Cu PI 衬底 填充物
杨氏模量(MPa) 119,000 2,500 0.06 0.0–1.0
泊松比率 0.34 0.34 0.49 0.49
表5.使用不同填充物材料的互连线的弹性可拉伸性
*PDMS比率代表1份固化剂与10/20/50份单体或纯PDMS基料。
实施例6：使用具有低模量固体材料的容纳部的系统的制造
在一个实施方案中，可以通过键合覆盖物和衬底形成腔来制造包括低模量固体的容纳系统。例如，覆盖物可以包括多个侧壁和一个顶壁。然后使用针将低模量固体(诸如，silbione)注射到腔内，例如，穿过覆盖物和衬底之间的边缘。通常，在移除针之后注射孔自密封，但是可以在注射部位添加附加的弹性体以增强密封的鲁棒性。
在一个替代实施方案中，可以通过将多个侧壁键合到衬底形成敞开腔来制造包括低模量固体的容纳系统。然后通过该开口将低模量固体添加到腔。最后，一个顶壁被安置且被密封到侧壁来封闭低模量固体。
实施例7：填充有流体和/或低模量固体材料的容纳室内的系统的 制造
通过常规光刻使用涂敷Cu箔(5微米)的PI(1.2微米)来制造具有自相似结构的互连线。然后用水溶性胶带拾取它并且通过电子束蒸发在它上沉积Cr(5nm)/SiOx(60nm)层。最后，互连线被转移到期望的衬底上，且用In基焊料将个体太阳能电池、蓄电池或其他电子器件或部件附接到互连线。
在一个实施方案中，衬底(例如,共聚酯)具有在该衬底的接收互连线的表面上的低模量固体(例如,Silbione)层。在一种用于形成此结构的方法中，以2：1的基料与固化剂的比混合Silbione，然后将其旋转涂敷到0.5mm厚的共聚酯层上且在互连线和其他部件与该低模量固体接触之前将其在室温下固化2天。将共聚酯覆盖物或盖键合到衬底，且将流体或低模量固体注射到容纳室的腔内。
在一个实施方案中，互连线被直接键合到衬底。在一种用于形成此结构的方法中，互连线被转移到0.5mm厚的共聚酯层上。在组装电子器件之后，通过硅树脂盖覆盖衬底且通过共聚酯密封该衬底。在完成密封之后，将PDMS基料注射到盖内。
图103A示出包括第一低模量材料和流体或第二低模量材料的设计布局的示意图。图103B示出包括填充容纳室的流体或低模量固体的设计布局的示意图，该容纳室收容焊接到接触衬底的电介质材料上的两个电子器件或部件的太阳能电池。图104是图103B的器件的照片且是分解视图。
关于引入参考文献和变体的声明
在该整个申请中引用的所有参考文献(例如，专利文件，其包含公开的或授权的专利或等同物；专利申请公布；以及非专利文献文件或其他来源材料)在此以引用的方式整体纳入，就如同以引用的方式单独地纳入，在一定程度上，每个参考文献至少部分地与本申请中的公开内容不一致(例如，通过引用纳入部分不一致的参考文献中除了该参考文献的部分不一致的部分以外的部分)。
本文已经采用的术语和表达被用作描述术语而非限制，且并非意在使用这些词语和表述排除所示出的和所描述的特征或其部分的任何等同物，而且应认识到，在本发明提出要求的范围内可以有多种改型。因此，应理解，尽管通过优选实施方案、例示性实施方案和可选的特征具体公开了本发明，但本领域技术人员可以采用本文所公开的概念的改型以及变体，且这样的改型和变体被认为在由所附权利要求限定的本发明的范围内。本文提供的具体实施方案是本发明的有用的实施方案的实施例，且本领域技术人员应明了，可以使用本说明书中阐明的器件、器件部件以及方法步骤的大量变体来执行本发明。如对于本领域技术人员显而易见的，对本方法有用的方法和器件能够包括大量可选的组成和处理元件和步骤。
当本文公开了一组取代基时，应该理解，该组和所有子组的所有个体成员，包含该组成员的任何同分异构体、对映异构体和非对映异构体被分别公开。当本文使用马库什组或其他组时，该组的所有个体成员和该组可能的所有组合和子组合意在被单独地包含在本公开内容中。当本文以这样的方式描述化合物，即，未指定特定的同分异构体、对映异构体或非对映异构体时，例如用分子式或化学名称描述化合物时，该描述意在包括单独地或以任何组合方式描述的化合物的每个同分异构体和对映异构体。此外，除非另有说明，否则本文所公开化合物的所有同位素变体都意在被本公开内容包含。例如，应理解，公开的分子中的任何一个或多个氢可被氘或氚替代。分子的同位素变体通常可在用于所述分子的试验以及在涉及所述分子或其用途的化学研究和生物研究中用作标准物。用于制作这样的同位素变体的方法是本领域已知的。化合物的特定名称意在是例示性的，因为已知本领域的普通技术人员能够以不同的方式命名相同的化合物。
每当在本说明书中给出范围(例如，整数范围、温度范围、时间范围、成分范围或浓度范围)时，所有中间范围和子范围，以及包含在给定的范围中的所有个体值都意在被包含于本公开内容中。如本文中所使用的，范围具体地包括作为该范围的端点值提供的值。如本文所使用，范围具体地包含该范围内的所有整数值。例如，范围1至100具体地包含端点值1和100。应理解，包含在本文的描述中的任何子范围或一个范围或子范围中的任何个体值能够被从本文的权利要求排除。
本文中公开的分子中的许多含有一个或多个可电离的基团[可以将一个质子从其移除的基团(例如，-COOH)或添加的基团(胺类)或其可以被分成四部分(例如，胺类)]。这样的分子和其盐类的所有可能离子形式意在被单独地包括在本文的公开内容中。关于本文中的化合物的盐类，本领域普通技术人员可以从很多种适用于针对给定的应用制备此发明的盐的可用的抗衡离子之中选择。在特定应用中，选择给定的阴离子或阳离子用于制备盐会导致该盐的增大或减小的可溶性。
本文中所描述或例示的成分的每一个配方或组合可以被用于实践本发明，除非另有说明。
每当在本说明书中给出范围(例如，温度范围、时间范围、成分范围或浓度范围)时，所有中间范围和子范围，以及包含在给定的范围中的所有个体值都意在被包含于本公开内容中。应理解，包含在本文的描述中的任何子范围或一个范围或子范围中的任何个体值能够被从本文的权利要求排除。
说明书中提及的所有专利和公布都指示本发明所属领域的普通技术人员的程度。本文中引用的参考文献以整体引用的方式纳入本文以指示自它们公布或提交日期起的现有技术且如果需要则旨在可以被本文采用以排除现有技术中的特定实施方案。例如，当要求保护物质的组合物时，应理解，申请人的发明之前的现有技术中已知的且可用的化合物(包括在本文中引用的参考文献中为其提供了启示公开内容的化合物)并非旨在被包含于本文中的物质的组合物权利要求。
必须注意，如本文和所附的权利要求中所使用的，单数形式“一个(a)”、“一个(an)”和“该”包含复数引用，除非上下文清楚地指定其他情况。因此，例如，提及“一个单元”包含多个这样的单元和本领域技术人员已知的等同物等。另外，术语“一个(a)”(或“一个(an)”)、“一个或多个”和“至少一个”在本文中可以互换使用。还应注意，术语“包括”、“包含”和“具有”也可以互换使用。“权利要求XX-YY中任一的”的表达(其中XX和YY是指权利要求编号)意在以替代方式提供多项从属权利要求，并且在某些实施方案中是可与“根据权利要求中XX-YY中的任一项权利要求”的表达互换的。
如本文中所使用的，“包含”是与“包括”、“含有”或“其特征在于”同义的，且是包含性的或开放式的，并且不排除附加的、未列举的元件或方法步骤。如本文中所使用的，“由...组成”排除了权利要求元素中未指定的任何元素、步骤或组成。如本文中所使用的，术语“基本上由...组成”不排除不会实质上影响权利要求的基础和新颖特性的材料或步骤。在本文的每种情况下，术语“包括”、“基本上由...组成”和“由...组成”中任一可以用其它两个术语中的任何一个代替。能够在缺少本文未具体地公开的任何元件或多个元件、限制或多个限制的情况下，恰当地实施本文例示地描述的发明。
本领域普通技术人员将理解，可以在不做过度试验的情况下，在本发明的实践中采用除具体例示那些之外的起始材料、生物材料、试剂、合成方法、纯化方法、分析方法、化验方法以及生物方法。任何这样的材料与方法的所有本领域已知的功能等同物旨在被包含在本发明中。已经被采用的术语和表达被用作描述术语而非限制，且并非意在使用这些词语和表述排除示出和描述的特征或其各部分的任何等同物，而且应认识到，在本发明的范围内可以有多种改型。因此，应理解，尽管通过优选实施方式和可选的特征具体公开了本发明，但本领域技术人员可以采用本文所公开的概念的改型以及变体，且这样的改型和变体被认为在由所附权利要求限定的本发明的范围内。

Claims (81)

1.一种电子系统，包括：
i.一个衬底；
ii.一个电子器件或器件部件，所述电子器件或器件部件由所述衬底支撑；其中所述电子器件或器件部件是独立式的或被栓系到所述衬底；以及
iii.一个容纳室，所述容纳室至少部分地封闭所述电子器件或器件部件；其中所述容纳室被至少部分地填充有容纳流体或低模量固体。
2.一种电子系统，包括：
i.一个超低模量层；
ii.一个衬底，所述衬底由所述超低模量层支撑；
iii.一个电子器件或器件部件，所述电子器件或器件部件由所述衬底支撑；其中所述电子器件或器件部件是独立式的或被栓系到所述衬底；以及
iv.一个容纳室，所述容纳室包括多个侧壁和一个顶壁，至少部分地封闭所述电子器件或器件部件；其中所述容纳室被至少部分地填充有容纳流体或低模量固体；
v.其中所述衬底具有的杨氏模量大于所述超低模量层的杨氏模量且所述顶壁具有的杨氏模量大于所述容纳流体或所述低模量固体的杨氏模量，使得所述系统的杨氏模量分布图沿着大体上垂直于所述超低模量层的轴线在空间上变化。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述超低模量层包括共聚酯
4.根据权利要求2所述的系统，其中所述超低模量层具有的杨氏模量小于或等于150KPa。
5.根据权利要求2所述的系统，其中所述超低模量层具有选自50KPa至150Pa的范围内的杨氏模量。
6.根据权利要求1或2所述的系统，其中所述电子器件或器件部件的独立式配置或栓系配置使所述衬底的运动或变形与所述电子器件或器件部件至少部分地断开联系。
7.根据权利要求1或2所述的系统，其中所述电子器件或器件部件的独立式配置或栓系配置使由所述衬底的伸长、压缩或变形生成的力与所述电子器件或器件部件至少部分地断开联系。
8.根据权利要求1或2所述的系统，其中所述电子器件或器件部件被设置在所述衬底的接收表面上或被设置在一个中间结构上，所述中间结构被设置在所述衬底和所述电子器件或器件部件之间。
9.根据权利要求8所述的系统，其中所述容纳室包括一个或多个封闭结构，所述一个或多个封闭结构被安置成包围所述电子器件或器件部件的外部部分。
10.根据权利要求9所述的系统，其中所述容纳室的所述一个或多个封闭结构在操作上联接到所述接收表面或一个中间结构，所述中间结构被设置在所述接收表面和所述一个或多个封闭结构之间。
11.根据权利要求9所述的系统，其中所述容纳室的所述一个或多个封闭结构不与所述电子器件或器件部件物理地接触。
12.根据权利要求9所述的系统，其中所述封闭结构包括一个或多个室壁或屏障结构，所述一个或多个室壁或屏障结构中的每个都被安置成距离所述电子器件或器件部件的侧面至少10微米。
13.根据权利要求9所述的系统，其中所述容纳室还包括设置在所述衬底内、部分地包围所述电子器件或器件部件的一个或多个凹进特征，其中所述一个或多个封闭结构被设置成封闭所述凹进特征。
14.根据权利要求13所述的系统，其中所述容纳室的所述凹进特征包括一个或多个室壁或屏障结构，所述一个或多个室壁或屏障结构中的每个都被安置成距离所述电子器件或器件部件的侧面至少10微米。
15.根据权利要求9所述的系统，其中所述容纳室的所述封闭结构的至少一部分被层压到所述衬底或一个中间结构，所述中间结构被设置在所述衬底和所述封闭结构之间。
16.根据权利要求9所述的系统，还包括与所述电子器件或器件部件电接触的一个或多个可拉伸的电互连线。
17.根据权利要求9所述的系统，其中所述容纳室的所述封闭结构具有选自1KPa至1GPa的范围内的杨氏模量。
18.根据权利要求1或2所述的系统，其中所述容纳室包括所述容纳流体不可渗透的材料。
19.根据权利要求1或2所述的系统，其中所述容纳室包括弹性体。
20.根据权利要求1或2所述的系统，其中所述容纳室包括选自由PDMS、共聚酯和硅树脂组成的组中的材料。
21.根据权利要求1或2所述的系统，其中所述容纳室具有选自10μm至10cm的范围内的高度。
22.根据权利要求1或2所述的系统，其中所述容纳室的体积的至少50％被所述容纳流体占据。
23.根据权利要求1或2所述的系统，其中所述容纳室的体积的至少0.1％被所述电子器件或器件部件占据。
24.根据权利要求1或2所述的系统，其中所述容纳室在结构上是自支撑的。
25.根据权利要求1或2所述的系统，其中所述容纳室填充有容纳流体。
26.根据权利要求25所述的系统，其中所述容纳流体与所述电子器件或器件部件物理地接触。
27.根据权利要求25所述的系统，其中所述电子器件或器件部件整体浸入在所述容纳流体中。
28.根据权利要求25所述的系统，其中所述容纳流体是润滑剂。
29.根据权利要求25所述的系统，其中所述容纳流体具有选自0.1cP-10000cP的范围内的粘度。
30.根据权利要求25所述的系统，其中所述容纳流体是电解质。
31.根据权利要求25所述的系统，其中所述容纳流体具有大于或等于0.001Scm-1的离子导电性。
32.根据权利要求25所述的系统，其中所述容纳流体具有高离子电阻。
33.根据权利要求25所述的系统，其中所述容纳流体在298K下具有小于或等于760托的蒸汽压力。
34.根据权利要求25所述的系统，其中所述容纳流体是液体、胶体、凝胶或气体。
35.根据权利要求25所述的系统，其中所述容纳流体是选自由预聚物、溶剂、非水电解质、硅树脂、天然油、合成油、聚烯烃和碳氟化合物组成的组中的材料。
36.根据权利要求1或2所述的系统，其中所述容纳室填充有低模量固体。
37.根据权利要求36所述的系统，其中所述低模量固体是凝胶、预聚物、硅树脂、硅树脂橡胶、天然油、合成油、聚烯烃或碳氟化合物。
38.根据权利要求36所述的系统，其中所述低模量固体具有小于或等于200KPa的杨氏模量。
39.根据权利要求36所述的系统，其中所述低模量固体具有选自2KPa至200KPa的范围内的杨氏模量。
40.根据权利要求36所述的系统，其中所述低模量固体具有的杨氏模量是所述衬底或所述顶壁的杨氏模量的1/10或以下。
41.根据权利要求1或2所述的系统，其中所述电子器件或器件部件是被所述衬底或所述低模量固体支撑或与所述衬底或所述低模量固体物理地接触的独立式结构。
42.根据权利要求41所述的系统，其中所述独立式结构经受与所述衬底或一中间结构的关联相互作用，所述中间结构被设置在所述衬底和所述独立式结构之间；其中所述关联相互作用是偶极-偶极相互作用或范德华相互作用。
43.根据权利要求1或2所述的系统，其中所述电子器件或器件部件是被所述衬底的一个或多个浮雕特征支撑的栓系结构，或是被所述衬底支撑的一个或多个浮雕特征支撑的栓系结构。
44.根据权利要求43所述的系统，其中所述一个或多个浮雕特征包括一个或多个基座。
45.根据权利要求43所述的系统，其中所述一个或多个浮雕特征包括至少10个基座的阵列。
46.根据权利要求43所述的系统，其中所述栓系结构被键合到所述一个或多个浮雕特征。
47.根据权利要求43所述的系统，其中所述一个或多个浮雕特征包括弹性体、PDMS、共聚物或硅树脂。
48.根据权利要求43所述的系统，其中所述一个或多个浮雕特征中的每个独立地延伸一个选自100nm至1mm的范围内的长度，并且独立地具有一个或多个选自100nm至1mm的范围内的横截面物理维度。
49.根据权利要求1或2所述的系统，其中所述电子器件或器件部件包括单晶无机半导体结构。
50.根据权利要求1或2所述的系统，其中所述电子器件或器件部件包括单晶无机半导体结构，所述单晶无机半导体结构在操作上连接到选自由导电结构、电介质结构、电极、阴极、阳极和附加的半导体结构组成的组中的至少一个附加的器件部件或结构。
51.根据权利要求1或2所述的系统，其中所述电子器件或器件部件具有选自10纳米至约100微米的范围内的厚度，具有选自100纳米至约1毫米的范围内的宽度，以及具有选自1微米至约1毫米的范围内的长度。
52.根据权利要求1或2所述的系统，其中所述电子器件或器件部件包括单晶半导体电子器件。
53.根据权利要求52所述的系统，其中所述单晶半导体电子器件或器件部件包括选自由晶体管、电化学电池、燃料电池、集成电路、太阳能电池、激光器、发光二极管、纳米机电器件、微机电器件、光电二极管、P-N结、传感器、存储器件、集成电路和互补逻辑电路组成的组中的一个或多个电子器件。
54.根据权利要求1或2所述的系统，其中所述系统还包括一个或多个附加的电子器件或器件部件，所述一个或多个附加的电子器件或器件部件被所述容纳室至少部分地封闭或被一个或多个附加的容纳室至少部分地封闭。
55.根据权利要求1或2所述的系统，其中所述衬底是柔性衬底或可拉伸的衬底。
56.根据权利要求1或2所述的系统，其中所述衬底是聚合物衬衬底。
57.根据权利要求1或2所述的系统，其中所述衬底包括选自由弹性体、PDMS、共聚酯和硅树脂组成的组中的一种或多种材料。
58.根据权利要求1或2所述的系统，其中所述衬底具有选自20KPa至1MPa的范围内的杨氏模量。
59.根据权利要求1或2所述的系统，其中所述衬底具有选自100微米至100mm的范围内的厚度。
60.根据权利要求1或2所述的系统，还包括与所述电子器件或器件部件电接触的一个或多个电互连线。
61.根据权利要求60所述的系统，其中所述一个或多个电互连线建立所述电子器件或器件部件和一个或多个附加的电子器件或器件部件之间的电接触。
62.根据权利要求61所述的系统，其中所述电子器件或器件部件、所述一个或多个附加的电子器件或器件部件和所述一个或多个电互连线以岛和桥的几何结构设置，其中所述电子器件或器件部件包括所述岛且其中所述电子互连线包括所述桥。
63.根据权利要求60所述的系统，其中所述一个或多个电互连线在至少一个点处单独地连接到所述衬底。
64.根据权利要求60所述的系统，其中所述一个或多个电互连线是可拉伸的电互连线。
65.根据权利要求64所述的系统，所述一个或多个可拉伸的电互连线被配置以提供所述电子系统的弹性、弯曲性或二者。
66.根据权利要求64所述的系统，其中所述一个或多个可拉伸的电互连线的至少一部分具有弯曲、压曲、折叠、弧形或蛇形几何结构。
67.根据权利要求64所述的系统，其中所述一个或多个可拉伸的电互连线的至少一部分具有相对于由所述衬底的支撑表面限定的平面是面内、面外或面内和面外的几何结构。
68.根据权利要求67所述的系统，其中所述支撑表面是弧形的。
69.根据权利要求67所述的系统，其中所述支撑表面是大体上平的。
70.根据权利要求67所述的系统，其中所述一个或多个电互连线的至少一部分具有面内蛇形几何结构。
71.根据权利要求60所述的系统，其中所述电互连线将包括第一刚性器件岛的所述器件部件与包括第二刚性器件岛的第二器件部件电连接。
72.根据权利要求71所述的系统，还包括一个包括刚性器件岛的器件部件阵列，其中所述一个或多个电互连线将邻近的刚性器件岛电连接。
73.根据权利要求72所述的系统，还包括多个器件部件，其中所述刚性器件岛中的每个对应于一个器件部件。
74.根据权利要求1或2所述的系统，其中所述电子器件或器件部件是独立式的或是被完全栓系形成的集成电路。
75.根据权利要求1或2所述的系统，包括晶体管、电化学电池、燃料电池、集成电路、太阳能电池、激光器、发光二极管、纳米机电器件、微机电器件、光电二极管、P-N结、传感器、存储器件、互补逻辑电路或这些中的任何的阵列。
76.一种根据权利要求1或2所述的电互连的器件的阵列。
77.一种电化学电池，包括：
i.一个衬底；
ii.一个正电极，所述正电极形成由所述衬底支撑的第一电子器件部件的至少一部分；其中所述第一电子器件部件是独立式的或被栓系到所述衬底；
iii.一个负电极，所述负电极形成由所述衬底支撑的第二电子器件部件的至少一部分；其中所述第二电子器件部件是独立式的或被栓系到所述衬底；以及
iv.一个容纳室，所述容纳室至少部分地封闭所述正电极、所述负电极或既封闭所述正电极又封闭所述负电极；其中所述容纳室被至少部分地填充有允许所述正电极和所述负电极之间的离子输送的电解质流体。
78.根据权利要求77所述的电化学电池，还包括与所述正电极、所述负电极或既与所述正电极又与所述负电极电接触的一个或多个可拉伸的电互连线。
79.根据权利要求78所述的电化学电池，其中所述一个或多个可拉伸的电互连线中的每个独立地具有自相似蛇形几何结构。
80.一种包括多个电互连的根据权利要求77所述的电化学电池的阵列。
81.一种制作电子系统的方法，包括：
提供一个衬底；
在所述衬底上的容纳室内提供一个电子器件或器件部件，使得所述容纳室至少部分地封闭所述电子器件或器件部件，所述电子器件或器件部件是独立式的或被栓系到所述衬底；以及
用容纳流体或低模量固体至少部分地填充所述容纳室。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106725887A (zh) * 2016-11-30 2017-05-31 华中科技大学 一种制备柔性呼吸传感器的方法
TWI675387B (zh) * 2017-05-17 2019-10-21 日商野田士克林股份有限公司 薄膜電容器構造及具備該薄膜電容器構造之半導體裝置
CN111968776A (zh) * 2020-07-27 2020-11-20 广东工业大学 一种高耐用性的二级蛇形互联导线结构
CN113057639A (zh) * 2021-03-17 2021-07-02 清华大学 柔性脑电极及其制备方法

Families Citing this family (85)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8097926B2 (en) 2008-10-07 2012-01-17 Mc10, Inc. Systems, methods, and devices having stretchable integrated circuitry for sensing and delivering therapy
US8389862B2 (en) 2008-10-07 2013-03-05 Mc10, Inc. Extremely stretchable electronics
US9123614B2 (en) 2008-10-07 2015-09-01 Mc10, Inc. Methods and applications of non-planar imaging arrays
KR20150004819A (ko) 2012-03-30 2015-01-13 더 보오드 오브 트러스티스 오브 더 유니버시티 오브 일리노이즈 표면에 상응하는 부속체 장착가능한 전자 장치
US9171794B2 (en) 2012-10-09 2015-10-27 Mc10, Inc. Embedding thin chips in polymer
JP2016500869A (ja) 2012-10-09 2016-01-14 エムシー１０ インコーポレイテッドＭｃ１０，Ｉｎｃ． 衣類と一体化されたコンフォーマル電子回路
JP6561368B2 (ja) 2013-04-12 2019-08-21 ザ ボード オブ トラスティーズ オブ ザ ユニヴァーシティー オブ イリノイ 能動的及び受動的過渡性のための材料、電子システム、及びモード
US9706647B2 (en) * 2013-05-14 2017-07-11 Mc10, Inc. Conformal electronics including nested serpentine interconnects
US9949691B2 (en) 2013-11-22 2018-04-24 Mc10, Inc. Conformal sensor systems for sensing and analysis of cardiac activity
JP6470524B2 (ja) * 2014-08-12 2019-02-13 日本メクトロン株式会社 伸縮性フレキシブルプリント基板および伸縮性フレキシブルプリント基板の製造方法
US9383593B2 (en) * 2014-08-21 2016-07-05 Johnson & Johnson Vision Care, Inc. Methods to form biocompatible energization elements for biomedical devices comprising laminates and placed separators
CN104347591B (zh) * 2014-09-10 2017-05-31 朱慧珑 柔性集成电路器件及其组件和制造方法
USD781270S1 (en) 2014-10-15 2017-03-14 Mc10, Inc. Electronic device having antenna
EP3010315A1 (en) * 2014-10-16 2016-04-20 Nokia Technologies OY A deformable apparatus and method
EP3009822B1 (en) * 2014-10-16 2017-06-21 Nokia Technologies OY A deformable apparatus and method
EP3258837A4 (en) 2015-02-20 2018-10-10 Mc10, Inc. Automated detection and configuration of wearable devices based on on-body status, location, and/or orientation
KR102335807B1 (ko) * 2015-03-10 2021-12-08 삼성디스플레이 주식회사 표시 장치
JP6712764B2 (ja) * 2015-05-25 2020-06-24 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 伸縮性フレキシブル基板およびその製造方法
JP6484133B2 (ja) * 2015-07-09 2019-03-13 日東電工株式会社 配線回路基板の製造方法
JP6491556B2 (ja) * 2015-07-09 2019-03-27 日東電工株式会社 配線回路基板
CN105326495A (zh) * 2015-10-19 2016-02-17 杨军 一种可穿戴柔性皮肤电极的制造和使用方法
CN105361875A (zh) * 2015-10-28 2016-03-02 杨军 一种具有柔性皮肤电极的无线可穿戴心电检测装置
WO2017079445A1 (en) 2015-11-03 2017-05-11 Cornell University Stretchable electroluminescent devices and methods of making and using same
US10925543B2 (en) 2015-11-11 2021-02-23 The Board Of Trustees Of The University Of Illinois Bioresorbable silicon electronics for transient implants
US10206277B2 (en) 2015-12-18 2019-02-12 Intel Corporation Gradient encapsulant protection of devices in stretchable electronics
EP3411917A4 (en) * 2016-02-01 2020-03-18 The Regents of The University of Michigan SEGMENTED CELL ARCHITECTURE FOR SOLID BATTERIES
WO2017147053A1 (en) 2016-02-22 2017-08-31 Mc10, Inc. System, device, and method for coupled hub and sensor node on-body acquisition of sensor information
US10277386B2 (en) 2016-02-22 2019-04-30 Mc10, Inc. System, devices, and method for on-body data and power transmission
WO2017181027A1 (en) * 2016-04-14 2017-10-19 The Regents Of The University Of California Closed-loop actuating and sensing epidermal systems
WO2017184705A1 (en) 2016-04-19 2017-10-26 Mc10, Inc. Method and system for measuring perspiration
US10653342B2 (en) 2016-06-17 2020-05-19 The Board Of Trustees Of The University Of Illinois Soft, wearable microfluidic systems capable of capture, storage, and sensing of biofluids
JP6666806B2 (ja) * 2016-07-14 2020-03-18 トクセン工業株式会社 伸縮性配線シート及びその製造方法、伸縮性タッチセンサシート
CN106098927B (zh) * 2016-08-09 2019-11-15 江苏艾伦摩尔微电子科技有限公司 一种三明治式柔性电容式压力传感器及其制备方法
US10447347B2 (en) 2016-08-12 2019-10-15 Mc10, Inc. Wireless charger and high speed data off-loader
FI127173B (fi) * 2016-09-27 2017-12-29 Tty-Säätiö Sr Venyvä rakenne käsittäen johtavan polun ja menetelmä rakenteen valmistamiseksi
CN106469523A (zh) * 2016-09-30 2017-03-01 昆山工研院新型平板显示技术中心有限公司 柔性显示装置及其制造方法
CN106450686B (zh) * 2016-10-13 2019-04-16 中国科学院力学研究所 一种可大范围连续调频的便携式气球天线及制作方法
CN109341515A (zh) * 2016-11-22 2019-02-15 中国科学院力学研究所 一种柔性曲率传感器及其制备方法
CN106777768B (zh) * 2017-01-09 2022-09-30 大连理工大学 一种用于消除薄膜结构拉伸褶皱的优化设计方法
CN206921493U (zh) * 2017-02-17 2018-01-23 全普光电科技(上海)有限公司 具有空腔的石墨烯基复合薄膜
KR20180101098A (ko) 2017-03-03 2018-09-12 가천대학교 산학협력단 유기 태양 전지 기반 의료용 패치
CN106821378A (zh) * 2017-03-21 2017-06-13 成都柔电云科科技有限公司 一种基于电子表皮的便携式肌肉疲劳度检测设备
JP6880930B2 (ja) * 2017-03-30 2021-06-02 セイコーエプソン株式会社 センサー
JP7227687B2 (ja) * 2017-03-31 2023-02-22 東洋アルミニウム株式会社 配線基板、該配線基板を備える構造物及び配線基板の取り付け方法
CN107126630B (zh) * 2017-04-26 2024-02-20 中国科学院力学研究所 一种可拉伸柔性红外治疗仪
KR102063636B1 (ko) 2017-05-10 2020-01-08 고려대학교 산학협력단 다기능 센서 어레이
US10854355B2 (en) * 2017-06-12 2020-12-01 3M Innovative Properties Company Method of making a stretchable conductor
KR102030235B1 (ko) 2017-06-15 2019-10-10 고려대학교 세종산학협력단 신축성 기판 구조체 및 그 제조방법, 신축성 디스플레이 및 그 제조방법 그리고 신축성 디스플레이 사용방법
CN107660066A (zh) * 2017-10-31 2018-02-02 北京京东方显示技术有限公司 一种柔性电路板、其制作方法及显示装置
CN108088591B (zh) * 2017-12-15 2020-09-01 西安交通大学 一种分形式锰铜薄膜超高压力传感器
CN107961436A (zh) * 2018-01-08 2018-04-27 成都柔电云科科技有限公司 基于电子表皮的皮肤导入/导出系统、方法和用途
KR101952908B1 (ko) * 2018-03-08 2019-03-05 울산과학기술원 무선 통신 장치 및 방법
CN108461801B (zh) * 2018-03-29 2021-11-12 努比亚技术有限公司 链式电池及电子装置
CN108766951A (zh) * 2018-05-30 2018-11-06 京东方科技集团股份有限公司 柔性基板及制备方法、柔性电子装置
CN109077703B (zh) * 2018-07-09 2020-06-05 清华大学 柔性检测装置以及信息处理方法及装置
CN109059748B (zh) * 2018-07-09 2020-04-24 清华大学 柔性传感器及柔性信号检测装置
CN108996463A (zh) * 2018-07-25 2018-12-14 清华大学深圳研究生院 一种多孔石墨烯心音检测传感器及其制作方法
CN109216188A (zh) * 2018-09-07 2019-01-15 清华大学 柔性互连线及其制造方法以及参数测量方法
DE102018124751B4 (de) 2018-10-08 2023-11-02 OSRAM Opto Semiconductors Gesellschaft mit beschränkter Haftung Optoelektronisches Bauteil und Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauteils
WO2020076861A2 (en) * 2018-10-09 2020-04-16 Uncharted Power, Inc. Modular systems and methods for monitoring and distributing power
CN109573939B (zh) * 2018-10-24 2020-11-17 永康国科康复工程技术有限公司 双层应变基体及可拉伸电子器件
CN109273610A (zh) * 2018-11-07 2019-01-25 东华大学 一种可拉伸钙钛矿太阳能电池及其制备方法和应用
KR102559089B1 (ko) * 2018-12-19 2023-07-24 엘지디스플레이 주식회사 신축성 표시 장치
KR102167733B1 (ko) * 2018-12-26 2020-10-20 한국과학기술원 스트레처블 기판
CN109860242B (zh) * 2019-01-08 2021-01-29 云谷（固安）科技有限公司 柔性显示基板、制备方法及显示装置
CN109920334B (zh) * 2019-03-27 2021-04-27 京东方科技集团股份有限公司 一种阵列基板及显示装置
CN110051348A (zh) * 2019-03-29 2019-07-26 永康国科康复工程技术有限公司 一种柔性电子检测贴片及人机交互系统
WO2020212953A1 (en) * 2019-04-18 2020-10-22 Oti Lumionics Inc. Materials for forming a nucleation-inhibiting coating and devices incorporating the same
KR102238023B1 (ko) * 2019-04-25 2021-04-08 한국화학연구원 평면 방향으로 연신이 가능한 연신 전극 및 이의 제조 방법
JP2020181958A (ja) * 2019-04-26 2020-11-05 株式会社ジャパンディスプレイ フレキシブル基板
CN110164950B (zh) * 2019-06-27 2021-09-10 上海天马微电子有限公司 一种可拉伸柔性显示面板及显示装置
CN110489862A (zh) * 2019-08-19 2019-11-22 重庆大学 一种复杂机电系统寿命预测方法
CN111053535A (zh) * 2019-12-18 2020-04-24 上海交通大学 用于生物植入的柔性可拉伸神经探针以及其制备方法
JP2021136385A (ja) * 2020-02-28 2021-09-13 株式会社ジャパンディスプレイ 電子機器
KR20210116007A (ko) * 2020-03-17 2021-09-27 엘지이노텍 주식회사 센싱 장치
CN111419228B (zh) * 2020-04-17 2021-12-21 上海交通大学 一种基于水凝胶的爪状脑电电极装置
CN111588372A (zh) * 2020-04-20 2020-08-28 北京邮电大学 一种制备柔性心电（ecg）电极的方法
KR102304356B1 (ko) * 2020-06-11 2021-09-23 한국생산기술연구원 세탁 내구성이 향상된 패치형 섬유 안테나 및 그의 제조방법
RS20201065A1 (sr) 2020-09-04 2022-03-31 Inst Biosens Istrazivacko Razvojni Inst Za Informacione Tehnologije Biosistema Planarna elektroda za biosenzore realizovana primenom ponavljajuće fraktalne geometrije
TWI745229B (zh) * 2020-11-10 2021-11-01 友達光電股份有限公司 可拉伸顯示器的畫素亮度補償結構
CN113140890B (zh) * 2021-04-25 2022-08-12 维沃移动通信有限公司 伸缩式电子设备的天线结构和伸缩式电子设备
CN113410649B (zh) * 2021-06-18 2022-04-12 电子科技大学 光机结构式反射型波束可控微波超表面
CN113834418B (zh) * 2021-09-06 2023-04-18 电子科技大学 一种泊松比可调控的柔性应变传感器
CN113903257A (zh) * 2021-09-27 2022-01-07 业成科技（成都）有限公司 可拉伸电子模组及其应用的电子装置
CN115332186B (zh) * 2022-10-11 2023-03-10 苏州熹联光芯微电子科技有限公司 芯片组件的封装结构

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5663106A (en) * 1994-05-19 1997-09-02 Tessera, Inc. Method of encapsulating die and chip carrier
JPH10125825A (ja) * 1996-10-23 1998-05-15 Nec Corp チップ型デバイスの封止構造およびその封止方法
US6020219A (en) * 1994-06-16 2000-02-01 Lucent Technologies Inc. Method of packaging fragile devices with a gel medium confined by a rim member
TW476147B (en) * 2001-02-13 2002-02-11 Siliconware Precision Industries Co Ltd BGA semiconductor packaging with through ventilator heat dissipation structure
US6614108B1 (en) * 2000-10-23 2003-09-02 Delphi Technologies, Inc. Electronic package and method therefor
US20040188136A1 (en) * 2003-03-26 2004-09-30 Shinko Electric Industries Co., Ltd. Method of production of multilayer circuit board with built-in semiconductor chip
CN102311092A (zh) * 2010-07-06 2012-01-11 罗伯特·博世有限公司 用于制造减振的构件的方法

Family Cites Families (35)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS607056A (ja) * 1983-06-25 1985-01-14 Tomoyuki Aoki 可撓性薄型電池の製造方法
JP2854889B2 (ja) * 1989-08-31 1999-02-10 東レ・ダウコーニング・シリコーン株式会社 電気接点の導電障害非招来性シリコーン組成物及び導電障害防止方法
NO911774D0 (no) * 1991-05-06 1991-05-06 Sensonor As Anordning ved innkapsling av et funksjonsorgan, samt fremgangsmaate for fremstilling av samme.
TW311267B (zh) * 1994-04-11 1997-07-21 Raychem Ltd
EP0703613A3 (en) * 1994-09-26 1996-06-05 Motorola Inc Protection of electronic components in acidic and basic environments
US5967986A (en) * 1997-11-25 1999-10-19 Vascusense, Inc. Endoluminal implant with fluid flow sensing capability
ES2246226T3 (es) * 2000-01-19 2006-02-16 Fractus, S.A. Antenas miniatura rellenadoras de espacio.
JP2001237351A (ja) * 2000-02-22 2001-08-31 Hitachi Maxell Ltd 半導体装置
JP4497683B2 (ja) * 2000-09-11 2010-07-07 ローム株式会社 集積回路装置
US6743982B2 (en) * 2000-11-29 2004-06-01 Xerox Corporation Stretchable interconnects using stress gradient films
US6617683B2 (en) * 2001-09-28 2003-09-09 Intel Corporation Thermal performance in flip chip/integral heat spreader packages using low modulus thermal interface material
KR100980355B1 (ko) * 2002-02-12 2010-09-06 에버레디 배터리 컴퍼니, 인크. 가요성의 얇은 인쇄 전지 및 장치와 그것의 제조 방법
US6993392B2 (en) * 2002-03-14 2006-01-31 Duke University Miniaturized high-density multichannel electrode array for long-term neuronal recordings
US8217381B2 (en) * 2004-06-04 2012-07-10 The Board Of Trustees Of The University Of Illinois Controlled buckling structures in semiconductor interconnects and nanomembranes for stretchable electronics
US7622367B1 (en) * 2004-06-04 2009-11-24 The Board Of Trustees Of The University Of Illinois Methods and devices for fabricating and assembling printable semiconductor elements
US7521292B2 (en) * 2004-06-04 2009-04-21 The Board Of Trustees Of The University Of Illinois Stretchable form of single crystal silicon for high performance electronics on rubber substrates
KR100578787B1 (ko) * 2004-06-12 2006-05-11 삼성전자주식회사 반도체 장치 및 그 제조 방법
US7614530B2 (en) * 2006-06-12 2009-11-10 Rieke Corporation Closure assembly having a spout with a memory band for spout directing
US8758946B2 (en) * 2006-10-04 2014-06-24 Giner, Inc. Electrolyte suitable for use in a lithium ion cell or battery
US8552299B2 (en) 2008-03-05 2013-10-08 The Board Of Trustees Of The University Of Illinois Stretchable and foldable electronic devices
ES2615826T3 (es) * 2008-11-11 2017-06-08 Shifamed Holdings, Llc Conjunto de electrodos de perfil bajo
US8187795B2 (en) * 2008-12-09 2012-05-29 The Board Of Trustees Of The University Of Illinois Patterning methods for stretchable structures
WO2010086033A1 (en) * 2009-01-30 2010-08-05 Interuniversitair Microelektronica Centrum Vzw Stretchable electronic device
PL2392196T3 (pl) * 2009-01-30 2019-05-31 Imec Vzw Rozciągliwe urządzenie elektroniczne
US8883287B2 (en) * 2009-06-29 2014-11-11 Infinite Corridor Technology, Llc Structured material substrates for flexible, stretchable electronics
US9936574B2 (en) * 2009-12-16 2018-04-03 The Board Of Trustees Of The University Of Illinois Waterproof stretchable optoelectronics
EP2513953B1 (en) 2009-12-16 2017-10-18 The Board of Trustees of the University of Illionis Electrophysiology using conformal electronics
KR101837481B1 (ko) * 2010-03-17 2018-03-13 더 보드 오브 트러스티즈 오브 더 유니버시티 오브 일리노이 생체흡수성 기판 상 이식가능한 바이오의료 장치
EP2568905A4 (en) * 2010-05-12 2017-07-26 Shifamed Holdings, LLC Low profile electrode assembly
US8338266B2 (en) * 2010-08-11 2012-12-25 Soitec Method for molecular adhesion bonding at low pressure
KR101217562B1 (ko) * 2010-11-16 2013-01-02 삼성전자주식회사 가요성 전지 및 이를 포함하는 가요성 전자기기
GB2489508B8 (en) * 2011-03-31 2016-03-16 Plasyl Ltd Improvements for electrical circuits
DE102011007058A1 (de) * 2011-04-08 2012-10-11 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Elektrische Leiterbahn
JP6029262B2 (ja) * 2011-04-26 2016-11-24 日本メクトロン株式会社 フレキシブル回路体
US8895864B2 (en) * 2012-03-30 2014-11-25 Nokia Corporation Deformable apparatus and method

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5663106A (en) * 1994-05-19 1997-09-02 Tessera, Inc. Method of encapsulating die and chip carrier
US6020219A (en) * 1994-06-16 2000-02-01 Lucent Technologies Inc. Method of packaging fragile devices with a gel medium confined by a rim member
JPH10125825A (ja) * 1996-10-23 1998-05-15 Nec Corp チップ型デバイスの封止構造およびその封止方法
US6614108B1 (en) * 2000-10-23 2003-09-02 Delphi Technologies, Inc. Electronic package and method therefor
TW476147B (en) * 2001-02-13 2002-02-11 Siliconware Precision Industries Co Ltd BGA semiconductor packaging with through ventilator heat dissipation structure
US20040188136A1 (en) * 2003-03-26 2004-09-30 Shinko Electric Industries Co., Ltd. Method of production of multilayer circuit board with built-in semiconductor chip
CN102311092A (zh) * 2010-07-06 2012-01-11 罗伯特·博世有限公司 用于制造减振的构件的方法

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106725887A (zh) * 2016-11-30 2017-05-31 华中科技大学 一种制备柔性呼吸传感器的方法
TWI675387B (zh) * 2017-05-17 2019-10-21 日商野田士克林股份有限公司 薄膜電容器構造及具備該薄膜電容器構造之半導體裝置
CN111968776A (zh) * 2020-07-27 2020-11-20 广东工业大学 一种高耐用性的二级蛇形互联导线结构
CN113057639A (zh) * 2021-03-17 2021-07-02 清华大学 柔性脑电极及其制备方法
CN113057639B (zh) * 2021-03-17 2021-11-16 清华大学 柔性脑电极及其制备方法

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