CN108389893A - 经设计以经历可编程转变的瞬态器件 - Google Patents

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J·A·罗杰斯
F·G·欧姆内托
黄硕元
陶虎
金大亨
D·卡普兰
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Tufts University
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University of Illinois
Tufts University
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Abstract

本发明提供了瞬态器件，包括在施加至少一个内部和/或外部刺激时电学地和/或物理地转变的有源部件和无源部件。提供了瞬态电子器件的材料、建模工具、制造方法、器件设计以及系统级实施例。

Description

经设计以经历可编程转变的瞬态器件
本申请是于2012年9月21日提交的名称为“经设计以经历可编程转变的瞬态器件”的发明专利申请201280068702.2的分案申请。
相关申请的交叉引用
本申请要求享有2011年12月1日提交的美国临时专利申请No.61/656,907以及2012年4月20日提交的美国临时专利申请No.61/636,510的优先权，所述各美国临时专利申请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
本发明至少部分地利用了DARPA资助No.W911NF-11-1-0254给予的美国政府支持。美国政府对本发明具有一定权利。
背景技术
本发明涉及瞬态器件(transient device)领域，且总体涉及被设计以可编程地转变的无源器件和有源器件。
瞬态器件具有用于一系列重要应用的可能性。例如，生态可降解的环境传感器避免了对器件收集的需要，降解且从身体清除的生物可再吸收的医疗器件避免了中毒和发炎。战略上，在预选的时间之后降解或在施加触发刺激时降解的军用器件避免了向敌人传递知识或材料。所有这些设想的应用是重要的，但是瞬态器件的实施依赖设计策略。针对瞬态器件的设计策略必须(i)支持使用可降解的器件部件材料和可降解的衬底的设备制造，(ii)提供对器件使用寿命的精确控制，以及(iii)利用可与目标环境内给定应用兼容的且针对目标环境中给定应用充分执行的材料。
最近，许多专利和出版物公开了具有瞬态特性的器件。例如，Kim等人的“Siliconelectronics on silk as a path to bioresorbable implantable devices”,Appl.Phys.Lett.95,133701(2009)；美国专利申请公开2011/0230747；以及国际专利申请公开WO2008/085904公开了可包含生物可降解半导体材料和生物可降解衬底的生物可降解电子器件；Bettinger等人的“Organic thin film transistors fabricated onresorbable biomaterial substrates”,Adv.Mater.,22(5),651-655(2010)；Bettinger等人的“Biomaterial-based organic electronic devices”,Poly.Int.59(5),563-576(2010)；以及Irimai-Vladu的“Environmentally sustainable organic field effecttransistors”,Organic Electronics,11,1974-1990(2010)公开了可包含生物可降解有机传导材料和生物可降解衬底的生物可降解电子器件。国际专利申请公开WO2008/108838公开了用于向组织递送流体和/或生物材料的生物可降解的器件。美国专利申请公开2008/0306359公开了用于诊断和治疗应用的可吸收器件。Kozicki等人的“Programmablemetallization cellmemory based on Ag-Ge-S and Cu-Ge-S solid electrolytes”,NonVolatile Memory Technology Symposium,83-89(2005)公开了存储器器件，其中电解液中的金属离子可以被减少或被氧化以形成或移除固体金属互连线。
发明内容
本发明提供了瞬态器件，包含当施加至少一个内部刺激和/或外部刺激应用时物理地、化学地和/或电学地转变的有源器件和无源器件。纳入可降解的器件部件、可降解的衬底和/或可降解的包封材料(各自具有可编程的、可控制的和/或可选择的降解率)提供了一种转变该器件的手段。例如，在一些实施方案中，本发明的瞬态器件将可降解的高性能单晶无机材料与可降解的衬底结合。纳入可降解的单晶无机材料提供了最先进的电子和机械特性(例如，抗弯刚度、杨氏模量、曲率半径等)以及器件属性(例如，柔性、拉伸性等)。
现代硅的显著特征是其功能上和物理上保持不变的能力，几乎无限地用于许多实际的用途。在此，引入提供相反行为的硅基技术：它随时间以良好受控的经编程方式逐渐消失。‘瞬态’器件在该意义上形成了不能够用常规电子器件解决的应用可能性。本器件可用在诸多应用(例如有源植入物)上，其在医学上有用的时间段内存在，但之后通过身体再吸收而完全地溶解和消失。报道了一组用于该类型的互补金属氧化物半导体(CMOS)电子器件的材料、制造方案、器件部件和理论设计工具，以及可寻址的阵列中的不同类别的传感器和致动器，用于电源和无线控制策略的选项。作为可编程的、非抗生素杀菌剂能够以可植入模式递送热治疗的瞬态硅器件以及其在体外和体内的示范例示了这项技术的系统级实例。
在几乎任何新类型的电子设备开发中，首要目标是以随时间经历可忽略变化的物理形式实现高性能运行。有源和无源材料、器件和电路布局和封装策略被分别单独仔细规划，然后集合地配置从而得到这个结果。在此介绍的瞬态电子器件技术涉及与工程设计类似的关注，但是是在规定的时间和以明确限定的速率全部地或部分地物理消失或转变的系统的背景下。使用场景范围从与活的宿主(人类/动物/昆虫/植物；身上或体内)结合到室内/户外环境，如建筑物、道路或材料。可用的器件包括将其植入人体时可完全再吸收(“生物可再吸收的”)以避免不利长期影响的医疗监视器，或将其暴露于水时溶解(“生态可再吸收的”)以除去对收集和回收需要的环境监视器。其他概念涉及将策略区域与定时的瞬态联合的电路，以影响受控的功能转变。
本说明书呈现了一组材料、建模工具、制造方法、器件设计以及瞬态电子器件的系统级实例。因为该技术是基于硅的，因此本技术能利用器件设计和电路设计的许多现代的、已确定的方面，具有的运行特性能匹配以常规方式在晶片衬底上形成的非瞬态相配物的那些运行特性。与最近报道的有机电子器件形式(其中某些组成材料是水溶性的1-3)或在生物可再吸收的衬底上4形成的简单非瞬态晶体管可提供的那些能力相比，本结果与传感器、致动器、电源以及无线控制中的基础技术结合在一起提供了获取定性的更复杂功能的能力。
此处提供的是瞬态器件及制造和使用瞬态器件的方法。例如，本发明的器件用于先体外后体内(ex vivo)、体外或体内感测与环境相关联的参数，如化学成分(例如，pH、离子强度、生物标记的存在或浓度、蛋白质、碳水化合物等)、电化学参数(例如，电流或电压)、温度和/或光学参数(例如，吸收、散射等)。
在一方面，无源瞬态电子器件包括：衬底；由该衬底支撑的一个或多个无机半导体部件、一个或多个金属导体部件或一个或多个无机半导体部件和一个或多个金属导体部件，其中该一个或多个无机半导体部件或一个或多个金属导体部件独立地包含选择性可转变的材料，其中所述一个或多个无机半导体部件或所述一个或多个金属导体部件具有响应外部刺激或内部刺激的预选瞬变分布(transience profile)，其中所述一个或多个无机半导体部件或所述一个或多个金属导体部件的至少部分转变提供了该无源瞬态电子器件响应该外部刺激或该内部刺激并在预选的时间或以预选的速率的可编程的转变，其中该可编程的转变提供了该无源瞬态电子器件的功能从第一状况到第二状况的变化。
在一方面，主动触发的瞬态电子器件包括：衬底；由该衬底支撑的一个或多个无机半导体部件、一个或多个金属导体部件或一个或多个无机半导体部件和一个或多个金属导体部件，其中所述一个或多个无机半导体部件或所述一个或多个金属导体部件独立地包含选择性可转变的材料，其中所述一个或多个无机半导体部件或所述一个或多个金属导体部件具有响应外部刺激或内部刺激的预选瞬变分布；以及致动器，其响应用户启动的外部触发信号且可操作地连接到所述一个或多个无机半导体部件或所述一个或多个金属导体部件，其中当该器件接收该外部触发信号时，该致动器响应该内部刺激或该外部刺激，直接地或间接地启动所述一个或多个无机半导体部件或所述一个或多个金属导体部件的至少部分转变，从而提供该主动触发的瞬态电子器件响应该外部触发信号的可编程的转变，其中该可编程的转变提供了该主动触发的瞬态电子器件的功能从第一状况到第二状况的变化。在一些实施方案中，该致动器被可操作地连接到所述一个或多个无机半导体部件或所述一个或多个金属导体部件，可选地连接到所述一个或多个无机半导体部件和所述一个或多个金属导体部件，使得它直接作用在所述一个或多个无机半导体部件和/或所述一个或多个金属导体部件上，以启动该至少部分转变，例如以直接地引起所述一个或多个无机半导体部件和/或所述一个或多个金属导体部件的选择性移除的方式。在一些实施方案中，该致动器被可操作地连接到所述一个或多个无机半导体部件或所述一个或多个金属导体部件，可选地连接到所述一个或多个无机半导体部件和所述一个或多个金属导体部件，使得它作用在位于该致动器与所述一个或多个无机半导体部件和/或所述一个或多个金属导体部件之间的一个或多个中间结构上，从而启动该至少部分转变，例如，通过选择性移除所述一个或更多个中间结构而使得所述无机半导体部件和/或所述一个或多个金属导体部件暴露于该内部刺激或外部刺激。
在一个实施方案中，一个或多个无机半导体部件或一个或多个金属导体部件经历完全转变或大体上完全转变，从而提供该无源或有源瞬态电子器件的可编程的转变。可以由该一个或多个无机半导体部件或该一个或多个金属导体部件的完全移除、完全相变或完全化学变化来表征完全转变。“完全转变”发生在100％的材料经历转变时。“大体上完全转变”发生在95％或大于95％(例如97％、98％、99％、99.5％或99.9％)的材料经历转变时，如移除、化学转换、相变等等。例如，在一个实施方案中，经历大体上完全转变的材料还经历物理特性的变化，如大于或等于95％的电导率或电阻，例如，通过经历大于或等于95％的电导率减小或电阻增大。
在一个实施方案中，一个或多个无机半导体部件或一个或多个金属导体部件经历不完全转变。可由该无机半导体部件的质量的至少20％、30％、50％或70％的部分移除、相变或化学变化或该金属导体部件的质量的至少20％、30％、50％或70％的部分移除、相变或化学变化来表征该不完全转变，从而提供该无源瞬态电子器件或有源瞬态电子器件的可编程的转变。可由该一个或多个无机半导体部件中的各个的重量、体积或面积的至少20％、30％、50％或70％的局部移除、相变或化学变化或该一个或多个金属导体部件中的各个的重量、体积或面积的至少20％、30％、50％或70％的局部移除、相变或化学变化来表征该不完全的转变，从而提供该无源瞬态电子器件的可编程的转变。例如，在一个实施方案中，经历不完全转变的材料还经历物理特性的变化，如大于或等于20％(或对于某些应用30％或对于某些应用50％或对于某些应用70％)的电导率或电阻，例如，通过经历大于或等于20％(或对于某些应用30％或对于某些应用50％或对于某些应用70％)的电导率减小或电阻增加。
在一个实施方案中，该一个或多个无机半导体部件或该一个或多个金属导体部件的转变通过一个除生物再吸收之外的过程。例如，该一个或多个无机半导体部件或该一个或多个金属导体部件的转变可以通过相变发生，其中该一个或多个无机半导体部件或该一个或多个金属导体部件的至少一部分经历至少部分升华或融化，从而提供了该无源瞬态电子器件的可编程转变。
在另一个实施方案中，该一个或多个无机半导体部件或该一个或多个金属导体部件的转变通过该一个或多个无机半导体部件或该一个或多个金属导体部件在溶剂中的至少部分溶解发生。该溶剂可以是水溶剂或非水溶剂。“水溶剂”是在298K下主要包括水的液体，即大于50％v/v水，然而“非水溶剂”是在298K下主要包括除水之外的一种液体或多种液体的液体，即少于50％v/v水。示例性水溶剂包含水、水基溶液、体液等。示例性非水溶剂包含有机溶剂(例如，醇类、酯类、醚类、烷类、酮类)和离子液体。
在另一个实施方案中，该一个或多个无机半导体部件或该一个或多个金属导体部件的转变通过该一个或多个无机半导体部件或该一个或多个金属导体部件的至少部分水解发生。
在另一个实施方案中，该一个或多个无机半导体部件或该一个或多个金属导体部件的转变通过该一个或多个无机半导体部件或该一个或多个金属导体部件的至少部分蚀刻或腐蚀发生。
在另一个实施方案中，该一个或多个无机半导体部件或该一个或多个金属导体部件的转变通过光化学反应发生，在该光化学反应中该一个或多个无机半导体部件或该一个或多个金属导体部件的至少一部分吸收电磁辐射并经历至少部分化学变化或物理变化。在一个实施方案中，该光化学反应是光解过程。
在另一个实施方案中，该一个或多个无机半导体部件或该一个或多个金属导体部件的转变通过电化学反应发生。例如，该电化学反应可以是该一个或多个无机半导体部件或该一个或多个金属导体部件的至少部分阳极溶解。
在另一个实施方案中，该一个或多个无机半导体部件或该一个或多个金属导体部件的转变通过如下的化学变化或物理变化发生，其中该一个或多个无机半导体部件或该一个或多个金属导体部件的至少一部分经历大于或等于50％的电导率减小，可选地对于一些实施方案大于或等于75％，且可选地对于一些实施方案大于或等于95％。在另一个实施方案中，该一个或多个无机半导体部件或该一个或多个金属导体部件的转变通过如下的化学变化或物理变化发生，其中该一个或多个无机半导体部件或该一个或多个金属导体部件的至少一部分是至少部分地被转化成绝缘体，且可选地全部地被转化成绝缘体，从而提供该无源瞬态电子器件的可编程转变。
在一方面，该一个或多个无机半导体部件或该一个或多个金属导体部件是选择性可移除的且经历特征为移除、损耗的过程或其他材料转移过程(例如，剥落(flaking)、分层(delamination)、重新安置、重新定位等)。例如，在一些实施方案中，该一个或多个无机半导体部件或该一个或多个金属导体部件经历特征为对于该无机半导体部件或金属导体部件的一个或多个区域(例如暴露于内部刺激或外部刺激的区域)大体上一致的移除的过程，例如其中该无机半导体部件或金属导体部件的厚度随时间大体上一致地(例如，在10％以内)减小的一个过程。例如，在一些实施方案中，该一个或多个无机半导体部件或该一个或多个金属导体部件经历特征为对于该无机半导体部件或金属导体部件的一个或多个区域(例如暴露于内部刺激或外部刺激的区域)大体上不一致的移除的过程，例如其中该无机半导体部件或金属导体部件随时间在纳米尺寸或微米尺寸的特征(如晶界、缺陷位置、阶边、相界等)优先地(如更快速地)被移除的一个过程。例如，在一个实施方案中，该一个或多个无机半导体部件或该一个多个金属导体部件经历一个过程，该过程的特征在于移除是大体上不一致的，以便生成多孔材料，从而影响该无机半导体部件或金属导体部件的电子特性(例如，电导率、电阻等)。例如，在一个实施方案中，该一个或多个无机半导体部件或该一个或多个金属导体部件经历一个过程，该过程的特征在于移除是大体上不一致的，以导致剥落，例如，其中在材料中形成的裂纹、缺陷和/或细孔引起材料的部分(例如碎片)损失，从而影响该无机半导体部件或金属导体部件的电子特性(例如电导率、电阻等)。在一个实施方案中，该一个或多个无机半导体部件或该一个或多个金属导体部件经历一个过程，该过程的特征在于至少部分地且可选地完全地从下面的衬底或器件部件分层和/或分离，从而影响该无机半导体部件或金属导体部件的电子特性(例如电导率、电阻等)。
在一个实施方案中，瞬态电子器件具有预选的瞬变分布，该预选的瞬变分布的特征在于该一个或多个无机半导体部件或该一个或多个金属导体部件的转变发生在选自如下范围的时间间隔内：1ms至2年、或1ms至1年、或1ms至6个月、或1ms至1个月、或1ms至1天、或1ms至1小时、或1秒至10分钟，从而提供该无源瞬态电子器件的可编程的转变。在一个实施方案中，预选的瞬变分布的特征在于在选自1ms至2年、或1ms至1年、或1ms至6个月、或1ms至1个月、或1ms至1天、或1ms至1小时、或1秒至10分钟范围的时间间隔内该一个或多个无机半导体部件或该一个或多个金属导体部件的0.01％至100％,或0.1％至70％,或0.5％至50％,或1％至20％或1％至10％的转变，从而提供该无源瞬态电子器件的可编程的转变。在一个实施方案中，预选的瞬变分布的特征在于该一个或多个无机半导体部件或该一个或多个金属导体部件的平均厚度以在0.01纳米/天至10微米/秒、或0.1纳米/天至1微米/秒、或1纳米/天至0.5微米/秒的范围内选择的速率减小。在一个实施方案中，预选的瞬变分布的特征在于该一个或多个无机半导体部件或该一个或多个金属导体部件的质量以在0.01纳米/天至10微米/秒、或0.1纳米/天至1微米/秒、或1纳米/天至0.5微米/秒的范围内选择的速率减小。在一个实施方案中，预选的瞬变分布的特征在于该一个或多个无机半导体部件或该一个或多个金属导体部件的电导率以在1010S·m-1s-1至1S·m-1s-1、或108S·m-1s-1至10S·m-1s-1、或105S·m-1s-1至100S·m-1s-1的范围内选择的速率减小。
在一个实施方案中，器件监测该一个或多个无机半导体部件或该一个或多个金属导体部件的至少部分转变。例如，该器件可以监测提供该无源瞬态电子器件的可编程的转变的该一个或多个物价半导体部件或该一个或多个金属导体部件的至少部分转变的速率。本发明的器件中的自监测可以提供增强的功能，例如，提供信令的基础，以控制整体器件功能或向用户提供信令，提供转变程度的测量值、针对可编程转变的时间表或器件性能或功能随时间的特性描述。
用户启动的外部触发信号可以直接地或间接地触发电子器件的可编程的转变。例如，该用户启动的外部触发信号可以是电子信号、光学信号、热信号、磁信号、声信号、机械信号、化学信号或电化学信号。在一些实施方案中，该用户启动的外部触发信号是用户启动的施加提供给器件的电场、用户启动的施加提供给器件的电磁辐射、用户启动的提供给器件的机械影响、用户启动的提供给器件的热量流、用户启动的来自器件的热流或用户启动的施加提供给器件的RF电场。本发明包括配置以接收用户启动的触发信号的器件，例如，具有接收器的器件和/或具有与向器件提供用户启动的触发信号的发射器通信的微处理器部件的器件。
可以直接由用户或间接通过存储在计算机可读取媒介上的且由微处理器执行的软件向器件提供用户启动的外部触发信号。例如，该软件可以响应用户输入数据、从该器件的部件取得的数据、和/或与该器件持续通信的反馈环路。例如，该瞬态器件可以与发射器单向通信或双向通信，其中该发射器向可操作地连接到致动器的器件的接收器提供该用户启动的外部触发信号。图131示出了与向可操作地连接到致动器1410的器件的接收器1408提供用户启动的外部触发信号1414的发射器1412通信的瞬态器件1400的示意图。瞬态器件1400还包含衬底1402、一个或多个无机半导体部件1404和一个或多个金属导体部件1406。
在一些实施方案中，瞬态器件包括用于接收用户启动的外部触发信号的接收器，该接收器可操作地连接到该致动器，以便当接收到该用户启动的外部触发信号时，启动该一个或多个无机半导体部件或该一个或多个金属导体部件的至少部分转变。例如，该接收器可以包含用于接收该用户启动的外部触发信号的天线、电极、压电元件、光活性材料或热活性材料。
在一些实施方案中，致动器包括处理器，用于接收来自接收器的用于启动该一个或多个无机半导体部件或该一个或多个金属导体部件的至少部分转变的信号。
在一些实施方案中，致动器直接作用在该一个或多个无机半导体部件、该一个或多个金属导体部件或该衬底上，以引起至少部分转变。或者，在一些实施方案中，该致动器间接地作用在该一个或多个无机半导体部件或该一个或多个金属导体部件上，以引起至少部分转变。
在一个实施方案中，致动器包括微处理器。例如，微处理器可以接收用户启动的外部触发信号，并且存储在该微处理器中的计算机可读取媒介上的软件可以分析该用户启动的外部触发信号，以确定应该提供给该器件的部件的能量源，诸如，电磁辐射、声能、热能等。在一些实施方案中，该软件随后向该微处理器提供指令，以执行向器件部件提供能量必须的功能，从而启动该一个或多个无机半导体部件和/或该一个或多个金属导体部件的至少部分转变。
在一些实施方案中，该致动器至少部分地移除设置在该一个或多个无机半导体部件或该一个或多个金属导体部件上的一个或多个中间结构，以将该一个或多个无机半导体部件的至少一部分或该一个或多个金属导体部件的至少一部分暴露于外部刺激或内部刺激，从而引起该至少部分转变。该一个或多个中间结构例如可以包括设置在该一个或多个无机半导体部件上或在该一个或多个金属导体部件上的包封材料，其中该致动器引起该包封材料的至少一部分被移除，以将该一个或多个无机半导体部件或该一个或多个金属导体部件暴露于外部刺激或内部刺激。包封材料例如可以是局限于该一个或多个无机半导体部件的表面或该一个或多个金属导体部件的表面的包封层、在该器件的顶部表面上的包封覆盖层或包围该整个器件的包封封装物。
在一些实施方案中，瞬态器件包括至少局部地包封该一个或多个无机半导体部件或该一个或多个金属导体部件的覆盖层，其中该覆盖层可以包括一个或多个含有化学试剂或生物试剂的贮存器。在一个实施方案中，致动器包括具有该一个或多个贮存器的覆盖层。在一个实施方案中，该覆盖层是聚合物层或SiN层。在一个实施方案中，该一个或多个贮存器嵌入在该覆盖层中。例如，该覆盖层的一个或多个贮存器可以响应外部刺激或内部刺激而破裂，从而导致释放该化学试剂或生物试剂。在一些实施方案中，该覆盖层的一个或多个贮存器独立地具有在100nm至10,000μm、或500nm至5,000μm、或1μm至1,000μm的范围内选择的物理尺度。具有这些尺度的贮存器可以例如通过光刻法或软光刻法(例如，微转印印刷)来制造。
在一些实施方案中，该覆盖层的一个或多个贮存器响应机械冲击、压力改变、暴露于电磁辐射、暴露于热或暴露于声能而破裂，从而引起释放该化学试剂或生物试剂。例如，释放可以引起该化学试剂或生物试剂的分散，造成与一个或多个器件部件(如无机半导体部件、金属导体部件、电介质部件、包封层、衬底等)的物理接触，从而引起与该化学试剂或生物试剂接触的器件部件的选择性转变和/或选择性移除。示例性化学试剂或生物试剂包括水、非水溶剂、水溶液、含生物聚合物的溶液、酸、碱、酶解液(enzymatic solution)、PBS溶液或含催化剂的溶液。
在一些实施方案中，该覆盖层包含丝材料，且该化学试剂或生物试剂包含含蛋白酶的材料，如含蛋白酶的溶液。在一些实施方案中，蛋白酶可以与小分子抑制剂(如EDTA)或抗体复合，以完全抑制活性直到该试剂分散。
在一些实施方案中，该致动器响应用户启动的外部触发信号产生电磁辐射、声能、电场、磁场、热、RF信号、电压、化学变化或生物变化，从而启动该至少部分转变。该致动器可以例如包括加热器、含有能够引起化学变化或生物变化的化学试剂的贮存器、电磁辐射源、电场源、RF能量源或声能量源。示例性加热器包含无源加热器、电阻加热器和有源加热器。
在一些实施方案中，致动器包括至少部分地包封该无机半导体部件或该金属导体部件中的一个或多个的包封材料，其中该包封材料包括选择性可移除的材料，该选择性可移除的材料在器件接收到外部触发信号时至少部分地被移除，以将下面的无机半导体部件或金属导体部件暴露于内部或外部刺激，从而启动该至少部分转变。例如，该包封材料可以响应用户启动的外部触发信号而被该致动器提供的化学试剂至少部分地溶解、水解或解聚，以暴露下面的无机半导体部件或金属导体部件。例如，在一些实施方案中，选择性可移除的包封材料被提供作为位于包括选择性可转变材料的一个或多个无机半导体部件和/或一个或多个金属导体部件上的覆盖层，使得该包封材料覆盖层的至少部分移除将下面的一个或多个无机半导体部件和/或一个或多个金属导体部件暴露于内部或外部刺激，如环境刺激(例如溶剂、化学环境、生物环境、环境压力、环境温度、环境电磁辐射等)，引起该一个或多个无机半导体部件和/或一个或多个金属导体部件的至少部分转变。在一些实施方案中，包封材料覆盖层的移除作为暴露于环境刺激(例如，溶剂、化学环境、生物环境、环境压力、环境温度、环境电磁辐射等)的结果而发生。在一些实施方案中，包封材料覆盖层的移除作为器件的致动器作用在该包封材料覆盖层(overlayer)上的结果而发生，例如，通过释放能够引起该包封材料的至少部分移除的化学试剂或生物试剂。在一些实施方案中，包封材料覆盖层的移除作为器件的致动器作用在该包封材料的覆盖层上的结果而发生，例如，通过提供导致该包封材料的至少部分移除的能量(例如电磁辐射、声能、热能、机械能等)。
在另一个实施例中，该包封材料可以是光敏材料，该光敏材料响应由致动器生成的电磁辐射而经历光化学反应，从而暴露下面的无机半导体部件或金属导体部件。例如，该致动器可以是电磁辐射源，其中该致动器被设置为与该包封材料光通信。
在又另一个实施例中，该包封材料是热敏材料，该热敏材料响应由致动器生成的热量而经历相变或化学变化，以暴露下面的无机半导体部件或金属导体部件。例如，该致动器可以被设置为在与封装材料的热接触中提供热量的加热器，例如响应电磁辐射吸收的电阻加热器或无源加热器。本发明包括包含加热器的器件，该加热器嵌入在包含包封材料的覆盖层中，其中该加热器被配置例如响应用户启动的触发信号来提供热能，这导致该包封材料至少部分的移除，从而暴露下面的包含选择性可转变材料的无机半导体部件和/或金属导体部件。
在一些实施方案中，该致动器包含反电极和电解质，其中电解质被设置成与该电极和该一个或多个无机半导体部件或该一个或多个金属导体部件接触，其中用户启动的外部触发信号是向该反电极提供的电压或RF能量，从而引起该一个或多个无机半导体部件或该一个或多个金属导体部件的溶解。在一个实施方案中，例如，该一个或多个无机半导体部件或该一个或多个金属导体部件包括电化学电池的电极，且该电极与电解质接触。
在一些实施方案中，当该器件接收到用户启动的外部触发信号时，该致动器执行选自如下一组的操作：打开或关闭电子电路、生成热量、抵制电流动、产生电磁辐射、产生声能以及分散化学试剂或生物试剂。
当该致动器抵制电流动时，该器件的至少一部分的温度可以上升至少10℃，从而启动设置在该一个或多个无机半导体部件或一个或多个金属导体部件上的包封材料的热降解，从而将该一个或多个无机半导体部件或一个或多个金属部件的至少一部分暴露于内部刺激或外部刺激。
当该致动器产生电磁辐射时，它启动设置在该一个或多个无机半导体部件或一个或多个金属导体部件上的包封材料的光化学降解，从而将该一个或多个无机半导体部件或一个或多个金属部件的至少一部分暴露于内部刺激或外部刺激。
当该致动器分散化学试剂时，该化学试剂例如可以选自水、盐水、酸、碱以及酶组成的组；其中该致动器将该化学试剂递送到设置在该一个或多个无机半导体部件或一个或多个金属导体部件上的包封材料，从而启动设置在该一个或多个无机半导体部件或一个或多个金属导体部件上的包封材料的化学降解或酶促降解，从而将该一个或多个无机半导体部件或一个或多个金属部件的至少一部分暴露于内部刺激或外部刺激。如在此使用的，化学试剂通常广泛地指能够启动材料的化学变化或物理变化(例如，能够引起器件的半导体部件、金属导体部件、电介质部件、衬底和/或包封材料的至少部分转变)的化学化合物或化合物的混合物(例如溶液)。
当该致动器分散生物试剂时，该生物试剂例如可以选自如下一组：蛋白质、改性蛋白质(modified protein)、肽、改性肽(modified peptide)、寡核苷酸和核苷酸；其中该致动器将该生物试剂递送到设置在该一个或多个无机半导体部件或一个或多个金属导体部件上的包封材料，从而启动设置在该一个或多个无机半导体部件或一个或多个金属导体部件上的包封材料的化学降解或酶促降解，从而将该一个或多个无机半导体部件或一个或多个金属部件的至少一部分暴露于内部刺激或外部刺激。如在此使用的，生物试剂通常广泛地指能够启动材料的化学变化或物理变化(例如，能够引起器件的半导体部件、金属导体部件、电介质部件、衬底和/或包封材料的至少部分转变)的生物分子或生物分子的混合物。
在一个实施方案中，该可编程的转变提供了瞬态电子器件的功能从可操作性的第一状况到不可操作性的第二状况的变化。在一个替代的实施方案中，该可编程的转变提供了瞬态电子器件的功能从对应于第一功能性的第一状况到对应于不同于第一功能性的第二功能性的第二状况的变化。该功能性例如可以是电子功能性。在任一个实施方案中，该可编程的转变可以提供从其特征为两个或更多个无机半导体器件部件或金属导体部件彼此电接触的第一状况到其特征为该两个或更多个无机半导体器件部件或金属导体部件彼此不电接触的第二状况的变化。在一些实施方案中，可编程的转变物理地和/或电子地分离或隔离该瞬态器件的部件，从而导致该瞬态器件的功能从第一状况到第二状况的变化。
也可以以便于瞬态器件以及其部件的移除、降解和/或清除的方式实施本发明中的可降解的或可转变的材料的纳入。在一个实施方案中，本发明的器件的组成、几何结构和/或物理尺度使得当该衬底至少部分降解或转变时，该器件就破碎成由对象或环境有效处理和清除的碎片。例如，在一个实施方案中，器件被配置成使得当衬底至少部分降解或转变时，该器件破碎成横向尺度和厚度尺度小于100微米、可选地小于10微米且可选地小于1微米的碎片，以便于对象或环境处理和清除该器件。
可编程转变可以是预置的可编程转变或实时触发可编程转变。例如，预置转变可以发生在被编程到器件定时器中的经历时间或当前的时间。在该特定的时间，可以生成开始转变过程的用户启动的外部触发信号。例如通过由外部源施加的能量或由外部源发射且由该器件接收的信号，可以触发实时转变。当接收到来自该外部源的信号时，致动器可以启动转变过程。
在一个实施方案中，可编程的转变可以包含至少一个无机器件部件、至少一个金属导体部件或二者的完全溶解、降解、移除或转变。例如，通过选自如下一组的过程，发生一个或多个无机半导体部件或一个或多个金属导体部件的可编程的转变，所述一组包括再吸收、生物再吸收、(化学或酶促)水解、崩解(deintegration)、解聚、溶解、升华、融化、蚀刻、光解、腐蚀和阳极溶解。在一个实施方案中，可编程的转变电子地隔离瞬态电子器件的一个或多个无机半导体器件部件或金属导体部件，从而导致该瞬态电子器件的功能从第一状况到第二状况的变化。例如，该瞬态电子器件的功能可以从：(i)NOR门转变到NAND门；(ii)反相器转变到隔离晶体管；(iii)电阻器转变到二极管；(iv)NAND门转变到反相器；(v)NOR门转变到隔离晶体管；或(vi)NAND门转变到隔离晶体管。
瞬态电子器件可以是无源电子器件或有源电子器件。例如，无源瞬态电子器件可以是通信系统、光子器件、传感器、光电器件、生物医疗器件、温度传感器、光检测器、光伏器件、应变仪、成像系统、无线发射器、天线、纳机电系统或微机电系统。在一个具体实施方案中，无源瞬态电子器件是用于检测温度、应力、压力、电势、水合状态、入射电磁辐射或化学成分的传感器。在一个具体实施方案中，无源瞬态电子器件是与水接触时可完全溶解的通信系统。在一个具体实施方案中，无源瞬态电子器件是无线电装置(radio)或天线。在一个具体实施方案中，无源瞬态电子器件是安装在组织上的生物医疗器件。示例性瞬态电子器件包括但不限于晶体管、二极管、CMOS器件、MOSFET器件、光电二极管、发光二极管、互补逻辑电路、光传感器、温度传感器、化学传感器、机械传感器、电传感器、磁传感器、电池、燃料电池、无线电装置，以及热电的或压电的能量采集器。
在一个实施方案中，无源或有源瞬态电子器件具有小于或等于1000微米，或可选地100微米，或可选地10微米的平均厚度。
有用的无机半导体部件包括但不限于柔性半导体结构、可拉伸的半导体结构和/或能够经受形状变化的半导体结构，以便符合环境的表面。在一些实施方案中，瞬态电子器件可以包括多个无机半导体部件。在一个实施方案中，该无机半导体部件包括半导体器件，例如晶体管、晶体管沟道、二极管、p-n结、光电二极管、发光二极管、激光器、电极、集成电子器件、集成电路、天线、电感器、电阻器、基于半导体的传感器、MESFETs、MOSFETs或这些的组合和/或阵列。
在一些实施方案中，所述一个或多个无机半导体部件或所述一个或多个金属导体部件独立地包含纳米结构材料或微米结构材料。例如，在一个实施方案中，所述无机半导体部件包含微米结构材料或纳米结构材料，例如微米带状物或纳米带、微米膜或纳米膜、微米线或纳米线、或微米多孔材料或纳米多孔材料。如在此使用的，术语“微米结构”指至少一个物理尺度选自1微米至1000微米的范围内的结构，且术语“纳米结构”指至少一个物理尺度选自10纳米至1000纳米的范围内的结构。在一个实施方案中，本发明包含具有多个细孔的微米孔材料的纳米结构无机半导体部件、金属部件或电介质部件(具有选自1μm至1000μm的范围的横截面尺度)，可选地设置在有序网络(ordered network)中。在一个实施方案中，本发明包含具有多个细孔的纳米孔材料的纳米结构无机半导体部件、金属部件或电介质部件(具有选自1nm至1000nm的范围的横截面尺度)，可选地设置在有序网络中。
器件的以及其部件的物理尺度和形状是重要的参数，特别是对于期望的瞬变分布的预选。薄的无机半导体部件、金属导体部件和/或电介质部件(例如，厚度小于或等于100微米，可选地厚度小于或等于10微米，可选地厚度小于或等于1微米，可选地厚度小于或等于500纳米，以及可选地厚度小于或等于100纳米)的使用有益于为给定的器件应用提供预选瞬变和/或提供有用的机械特性(诸如，柔性的或其他可变形的器件)。在一些实施方案中，无机半导体部件、金属导体部件和/或电介质部件独立地包含一个或多个薄膜结构，该薄膜结构可以例如通过分子外延、原子层沉积、物理或化学气相沉积或本领域中已知的其他方法沉积或生长。在一些实施方案中，一个或多个无机半导体部件、金属导体部件和/或电介质部件独立地包含生物可兼容的、生物可再吸收的、生物惰性的或生态可兼容的材料。在一些实施方案中，电子器件中的至少一些且可选地全部无机半导体部件、金属导体部件和/或电介质部件具有小于或等于100微米的厚度，且对于某些应用具有小于或等于10微米的厚度，且对于某些应用具有小于或等于1微米的厚度，且对于某些应用具有小于或等于500纳米的厚度，且对于某些应用具有小于或等于100纳米的厚度，且对于某些应用具有小于或等于20纳米的厚度。在一些实施方案中，该器件的至少一些且可选地全部无机半导体部件、金属导体部件和/或电介质部件独立地具有选自10nm至100μm范围的厚度，可选地对于某些应用具有选自50nm至10μm范围的厚度，且可选地对于某些应用具有选自从100nm至1000nm范围的厚度。例如，在一个实施方案中，本发明的器件包含一个或多个无机半导体部件，每个独立地具有在10nm至1000nm的范围内选择的厚度，可选地对于某些应用具有在10nm至100nm的范围内选择的厚度且可选地对于某些应用具有在10nm至30nm的范围内选择的厚度。在一些实施方案中，该器件的至少一些且可选地全部无机半导体部件、金属导体部件和/或电介质部件独立地具有小于或等于10000μm的横向物理尺度(如长度、宽度、直径等)，且对于某些应用具有小于或等于1000μm的横向物理尺度，且对于某些应用具有小于或等于100μm的横向物理尺度，且对于某些应用具有小于或等于1μm的横向物理尺度。在一些实施方案中，该器件的至少一些且可选地全部无机半导体部件、金属导体部件和/或电介质部件独立地具有选自10nm至10cm范围的横向物理尺度，可选地对于一些应用独立地具有选自100nm至10000μm范围的横向物理尺度，可选地对于一些应用独立地具有选自500nm至1000μm范围的横向物理尺度，可选地对于一些应用独立地具有选自500nm至100μm范围的横向物理尺度，且可选地对于一些应用独立地具有选自500nm至10μm范围的横向物理尺度。
与瞬态器件的其他部件一样，无机半导体部件、金属导体部件和/或电介质部件的物理特性(例如，杨氏模量、净抗弯刚度、韧度、电导率、电阻等)影响器件的性能和瞬变。例如，在一些实施方案中，该器件的至少一部分且可选地全部的无机半导体部件、金属导体部件和/或电介质部件独立地具有小于或等于10GPa的杨氏模量，可选地对于某些应用小于或等于100MPa，可选地对于某些应用小于或等于10MPa。例如，在一些实施方案中，该器件的至少一部分且可选地全部的无机半导体部件、金属导体部件和/或电介质部件具有在0.5MPa至10GPa范围内选择的杨氏模量，且可选地对于一些应用具有在0.5MPa至100MPa范围内选择的杨氏模量，且可选地对于一些应用具有在0.5MPa和10MPa范围内选择的杨氏模量。在一些实施方案中，该器件的至少一部分且可选地全部的无机半导体部件、金属导体部件和/或电介质部件具有小于或等于1×108GPaμm4的净抗弯刚度，可选地对于一些应用小于或等于5×105GPaμm4且可选地对于某些应用小于或等于1×105GPaμm4。在一些实施方案中，该器件的至少一部分且可选地全部的无机半导体部件、金属导体部件和/或电介质部件具有在0.1×104GPaμm4至1×108GPaμm4范围内选择的净抗弯刚度，且可选地对于一些应用具有在0.1×10GPaμm4与5×105GPaμm4之间选择的净抗弯刚度。
对于无机半导体部件有用的材料包括高质量的半导体材料，例如包括纯单晶半导体材料和掺杂的单晶半导体材料的单晶半导体材料。在一个实施方案中，全部无机半导体部件包含单晶半导体材料和/或单晶掺杂半导体材料，例如，经高温铸造加工得到的单晶硅和/或掺杂单晶硅。单晶半导体材料集成成瞬态器件特别地有益于提供展现非常良好电子特性的器件。在一个实施方案中，该半导体部件包括选自以下材料组成的一组的材料：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、铜铟镓硒化合物(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。在一些实施方案中，无机半导体部件包括选自由Si、SiC、SiGe、SiO、SiO2、SiN以及它们的任何组合组成的一组的材料。在一些实施方案中，无机半导体部件独立地包含单晶硅、多孔硅和/或多晶硅。在一些实施方案中，无机半导体部件独立地包含多晶半导体材料、单晶半导体材料或掺杂多晶或单晶半导体材料。在一些实施方案中，无机半导体部件是可转变材料。对于可转变的无机半导体部件有用的材料包括但不限于多孔硅、多晶硅以及它们的任何组合。
在一些实施方案中，该瞬态器件可以包括一个或多个附加的器件部件，该附加的器件部件可选自如下一组：电极、电介质层、化学或生物传感器元件、pH传感器、光学传感器、光源、温度传感器以及电容传感器。该附加的器件部件可以包含生物惰性材料、可降解材料或可转变材料。有用的生物惰性材料包括但不限于钛、金、银、铂以及它们的任何组合。有用的可降解材料或可转变材料包括但不限于铁、镁、钨以及它们的任何组合。
在一些实施方案中，电子器件包含一个或多个互相连接的岛结构和桥结构。例如，岛结构可以包括该瞬态器件的一个或多个半导体电路部件。桥结构可以包含提供元件之间(例如不同的岛结构之间)电连通的一个或多个柔性和/或可拉伸的电互连。以这种方式，本发明的电子器件可以包含具有多个电学上互连的无机半导体部件的可拉伸的电子器件(例如，可拉伸的电子互连线)，该电子器件包括一个或多个岛结构和提供电学互连的一个或多个柔性和/或可拉伸的桥结构。
在一些实施方案中，该多个无机半导体部件的至少一部分包含放大器电路、复用电路、限流电路、集成电路、晶体管或晶体管阵列中的一个或多个。有用的复用电路包括那些被配置以独立处理空间安排在可降解衬底上方的多个电极中的每一个。此外，瞬态器件还可包含选自由电极、电介质层、化学或生物传感器元件、pH传感器、光学传感器、光源、温度传感器以及电容传感器组成的一组的一个或多个附加器件部件。所述附加器件部件中的至少一个可以包含生物惰性材料或生物可再吸收材料。
在一些实施方案中，瞬态器件或其部件通过基于印刷的工艺或基于模制的工艺(例如，通过转印法、干接触转印法、溶液式印刷、软平版印刷、复制模制、压印平版印刷等)组装在衬底上。因此，在这些实施方案中的一些中，器件或其部件包括可印刷的半导体材料和/或器件。在一些实施方案中，通过基于印刷的技术集成器件和衬底部件是有益的，因为它允许半导体器件/材料的处理和衬底的处理独立。例如，基于印刷的组装方法允许通过不与一些衬底兼容的技术来处理半导体器件/材料。例如，在一些实施方案中，半导体器件/材料首先通过高温处理、物理的和化学的沉积处理、刻蚀和/或水处理(例如，显影等)进行处理，然后通过基于印刷的技术随后组装在衬底上。这种方法的优点是避免了以可能对衬底的化学和/或物理特性产生不利影响的方式在该衬底上处理半导体器件/材料，例如对可转变衬底的生物可兼容性、毒性和/或降解特性(例如，降解速率等)产生不利影响。例如，在一些实施方案中，本方法允许有效制造器件，而不将衬底暴露于水处理，例如，涉及将可转变衬底暴露于蚀刻剂、脱模剂、显影剂的处理。
在一些实施方案中，器件的多个无机半导体部件的至少一部分且可选地全部被键合到衬底上。器件与衬底之间的键合可以直接实现，涉及层与材料之间的共价键合和非共价键合(例如范德华力、氢键、伦敦分散力等)。替代地，可以通过在器件和衬底之间纳入一个粘合层来实现键合。对键合有用的粘合层包括聚合物、弹性体(如PDMS)、预聚物、薄金属层、丝层等。
例如，在一些实施方案中，包封材料包封器件的部分或全部，从而防止电流泄漏到局部环境和/或器件电学短路。在一个实施方案中，包封材料包封器件的无机半导体部件和/或金属导体部件的至少50％，可选地包封器件的无机半导体部件和/或金属导体部件的至少90％，且可选地包封器件的无机半导体部件和/或金属导体部件的全部。在一个实施方案中，包封材料完全包封瞬态器件。
多种材料对于本发明的器件的可降解衬底是有用的。在一个实施方案中，该衬底包括选择性可移除的材料。在一个实施方案中，通过选自再吸收、生物再吸收、(化学或酶促)水解、崩解、解聚、溶解、升华、融化、蚀刻和腐蚀组成的一组的方法，衬底的选择性可移除的材料经历移除。在一个实施方案中，衬底包含生物可兼容的、生物可再吸收的或生态可兼容的材料。对于衬底有用的材料例如包括生物聚合物(例如，蛋白质、肽、碳水化合物、多核苷酸等)、合成聚合物、蛋白质、多糖、丝、聚(甘油-葵二酸酯)(PGS)、聚二氧六环酮、聚(乳酸-共-乙醇酸)(PLGA)、聚乳酸(PLA)、聚乙烯醇(PVA)、明胶、胶原、脱乙酰壳多糖、丝蛋白、透明质酸、蛋白酶粒子、二氢荧光素、孟加拉红、若丹明、反射蛋白(reflectin)、噬菌调理素、血红蛋白、卟啉以及它们的组合。例如，对于生物可再吸收衬底有用的丝材料例如包括蚕丝心蛋白、改性蚕丝心蛋白、蜘蛛丝、昆虫丝、重组丝以及这些的任何组合。作为在此使用，改性蚕丝心蛋白指由蚕丝心蛋白的化学改性得到的聚合物成分。
在一些实施方案中，衬底和/或包封材料包含可以至少部分处于晶态的丝。例如，该丝可以具有少于55％的结晶度，或选自0至55％的范围内的结晶度。在一个实施方案中，衬底包括丝复合材料。例如，该丝复合材料可以包含具有分散于丝材料各处的多个纳米粒子的丝，其中该纳米粒子包括导体(如金属)、半导体材料、纳米管、纳米线、纳米壳(具有电介质核的金属壳)、色素、染料以及其组合。在一些实施方案中，纳米粒子包括选自Au、Ag、CsSe以及CdTe组成的一组的材料。典型地，纳米粒子具有等于或小于1000nm的物理尺度，且丝材料中存在的纳米粒子的浓度在选自0.1nM至100nM的范围,或选自0.5nM至50nM的范围,或选自1nM至25nM的范围。在一些实施方案中，纳米粒子吸收电磁辐射，从而生成能够触发选择性移除衬底的热。用于触发热降解过程的电磁能的吸收取决于纳米颗粒浓度和施加的电磁能的功率。在一个实施方案中，电磁辐射的吸收是经等离子体谐振增强的吸收。
在一些实施方案中，瞬态衬底或包封材料可以通过暴露于高温而转变。例如丝的玻璃转化温度是～178℃且在～220℃下降解开始。
在一些实施方案中，可以通过渗透衬底或包封材料的高浓度的某些盐(锂盐、钙盐)来促进或加快衬底或包封材料的转变。
在一些实施方案中，衬底是一种在水环境中在298K下以等于或大于无机半导体部件或金属导体部件的水解速率的速率经历水解的材料。在一些实施方案中，衬底是一种在水环境中在298K下以等于或小于无机半导体部件或金属导体部件的水解速率的速率经历水解的材料。在其他实施方案中，衬底是一种在等于或大于273K的温度下经历升华的材料。
可转变的衬底的物理尺度和物理特性对于支持一系列器件功能性和与不同环境的兼容性是重要的参数。在一些实施方案中，可转变的衬底的厚度小于或等于10000μm，且可选地在一些实施方案中小于或等于1000μm，且可选地在一些实施方案中小于或等于100μm，且可选地在一些实施方案中小于或等于10μm；且可选地在一些实施方案中小于或等于1μm。使用薄的可转变的衬底(例如，厚度小于或等于100微米，可选地小于或等于10微米且可选地小于或等于1微米)有助于提供能够建立与许多各种不同的环境(包括具有复杂的、高度起伏表面的环境)的共形接触、柔性或以其他方式可形变的器件。在一些实施方案中，可转变的衬底具有在5纳米和200μm的范围内选择的厚度，可选地对于一些实施方案具有在10纳米和100μm的范围内选择的厚度，可选地对于一些实施方案具有在100纳米和10000μm的范围内选择的厚度，可选地对于一些应用具有在1μm和1000μm的范围内选择的厚度，且可选地对于一些实施方案具有在1μm和10μm的范围内选择的厚度。在可转变的衬底仅几纳米厚的实施方案中，支撑衬底是必须的或可以通过逐层沉积技术改善可支撑性。在一些实施方案中，选择可转变的衬底的成分和物理特性(例如，杨氏模量、净抗弯刚度、韧度等)以为器件部件提供足够的结构支撑，同时还在部署时还提供实现高度共形接触的能力。在一些实施方案中，可转变的衬底是低模量层。或者，本发明包含具有作为高模量层的可转变的衬底的器件。例如，在一些实施方案中，可转变的衬底具有小于或等于10GPa的杨氏模量，优选地对于一些应用小于或等于100MPa的杨氏模量，可选地对于一些应用小于或等于10MPa。例如，在一些实施方案中，可转变的衬底具有在0.5MPa至10GPa的范围内选择的杨氏模量，且可选地对于一些应用具有在0.5MPa至100MPa的范围内选择的杨氏模量，且可选地对于一些应用具有在0.5MPa至10MPa的范围内选择的杨氏模量。例如，在一些实施方案中，可转变的衬底的净抗弯刚度小于或等于1×109GPaμm4，可选地对于一些应用小于或等于1×107GPaμm4且可选地对于一些应用小于或等于1×106GPaμm6。例如，在一些实施方案中，可转变衬底具有在0.1×104GPaμm4至1×109GPaμm4的范围内选择的净抗弯刚度，且可选地对于某些应用具有在0.1×104GPaμm4至5×105GPaμm4之间选择的净抗弯刚度。
本发明包括包含非晶态材料、晶体材料、部分非晶态材料、部分晶体材料或其组合的可转变的衬底。在一个实施方案中，本发明的瞬态器件包括至少部分晶体材料，其中选择该可转变的衬底的结晶程度以为选择的环境和器件应用提供有用的和/或预选的可转变速率。在一些实施方案中，当设置成与环境接触时，可转变的衬底的结晶度越高，则可转变速率越低。例如，本发明包括具有如下可转变的衬底的瞬态器件，该可转变的衬底的结晶度小于或等于55％，且可选地结晶度小于或等于30％，且可选地结晶度小于或等于20％，且可选地结晶度小于或等于5％。例如，本发明包括具有如下可转变的衬底的瞬态器件，该可转变的衬底具有在0至55％的范围内选择的结晶度，且可选地对于一些实施方案具有在1至30％的范围内选择的结晶度，且可选地对于一些实施方案具有在5至20％的范围内选择的结晶度。作为在此使用的，0％的结晶度指的是完全非晶态材料，且给定的结晶度对应于相对材料的总量以结晶状态提供的材料的量。在一些实施方案中，例如具有丝衬底的那些实施方案，结晶度指的是丝衬底的β片层含量。
在一些实施方案中，该器件包括可转变的衬底，可转变的衬底在设置为与环境接触时具有可编程的、可控的和/或可选择的转变速率。本发明包括具有可转变的衬底的器件，该可转变的衬底呈现基于预期的应用、器件功能性、寿命等选择的转变速率范围。例如，在一些实施方案中，可转变的衬底呈现高转变速率，以便例如提供在施用时快速且完全的转变，促进对于在特定的环境中部署器件有用的构造和/或形态变化。例如，在其他实施方案中，可转变的衬底呈现低吸收速率，以便例如提供在施用时慢的和/或不完全的降解，提供器件的电子部件的包封和/或提供对于部署或移除器件有用的结构特性。
在一个实施方案中，瞬态电子器件包括无机半导体部件和/或金属导体部件，该无机半导体部件和/或金属导体部件包含经工程设计以加速再吸收、生物再吸收、水解、崩解、解聚、溶解、蚀刻或腐蚀的材料。例如，该经工程设计的材料可以是有孔的结构。“有孔的结构(perforated structure)”可以包括凹陷特征、孔、沟道、裂纹或其他阻止结构在该结构的至少一个主平面内是整体的且连续的物理缺陷。在一个实施方案中，一个或多个无机半导体部件或一个或多个金属导体部件独立地包含一个或多个有孔的结构。例如，该一个或多个有孔的结构可以具有选自10％-80％、20％-50％或30％-40％的范围的孔隙率(或空隙率)。在一个实施方案中，该有孔的结构可以具有大于20％、大于30％、大于50％或大于70％的孔隙率。“孔隙率”总体描述了材料中的所有细孔的体积与整个体积的比。如本领域中已知的，孔隙率比可以被表达为百分数。
在一个实施方案中，一个或多个有孔的结构可以具有多个凹陷特征或沟道。在一个实施方案中，该凹陷特征或沟道延伸穿过一个或多个无机半导体部件或一个或多个金属导体部件的整个厚度。在一个实施方案中，该凹陷特征或沟道延伸穿过一个或多个无机半导体部件或一个或多个金属导体部件的厚度的0.1％至100％、或1％至95％、或5％至85％、或10％至75％、或25％或50％。在一个实施方案中，该凹陷特征或沟道延伸穿过一个或多个无机半导体部件或一个或多个金属导体部件的厚度的选自10nm至10mm范围的长度。在一个实施方案中，该凹陷特征或沟道具有选自0.1μm2至10cm2、或0.5μm2至5cm2、或1μm2至1cm2、或10μm2至0.1cm2范围的横向横截面尺度和选自0.01μm到10mm、或0.05μm到5mm、或0.1μm到1mm或10μm到0.1mm范围的竖向尺度。
在一些实施方案中，瞬态电子器件包含由在暴露于特定波长辐射时易于降解的材料制成的贮存器。当该辐射敏感性材料降解时，贮存器中的水溶液或其他化学成分可以从该贮存器漏出，从而与器件部件相互作用，以加速它们的溶解或转变。
内部刺激或外部刺激例如可以是生物环境变化、温度变化、压力变化、暴露于电磁辐射、与化学试剂接触、施加电场、施加磁场、暴露于溶剂、外部环境的pH变化、外部环境的盐浓度变化或施加阳极电压。
在一个实施方案中，瞬态电子器件包括包含选择性可转变材料的无线功率部件。在一个实施方案，该无线功率部件是线圈、电池、燃料电池、能量采集器、太阳能电池或电感器。该能量采集器可以选自热电部件和压电部件。
在一个实施方案中，瞬态电子器件是传感器、电源、光电器件、纳机电(NEM)器件或微机电(MEM)器件。当瞬态电子器件是传感器时，该传感器可以检测光强度变化、光波长变化、温度变化、化学变化、机械变化、电变化、磁变化以及其组合。当瞬态器件是电源时，该电源可以是线圈、电池、燃料电池或能量采集器。该能量采集器可以选自热电部件或压电部件。
在一个实施方案中，无线功率部件通过光伏效应、非谐振感应耦合、近场互感耦合或其组合转换电磁能。当无线功率部件通过光伏效应运行时，该无线功率部件可以是太阳能电池或太阳能电池阵列。当无线功率部件通过非谐振感应耦合运行时，该无线功率部件可以是响应变化的磁场传导电流的电感器。被提供动力的器件部件可以是与该电感器电连通的电阻器。当电流传导通过该电感器时，该电阻器生成热。当无线功率部件通过近场互感耦合运行时，该无线功率部件包括提取整流器(scavenging rectifier)。该提取整流器通过收集环境交流(AC)信号的提取天线吸收无线电能量，其中该环境AC信号通过整流器被转换成直流(DC)。该提取整流器的输入频率是大约2.4GHz。该提取整流器的整流输出在选自1V至3V的范围。
在一个实施方案中，器件作为无线电装置运行，还包含振荡器，该振荡器被耦合到用于发射表明瞬态电子器件状态的信号或瞬态电子器件环境参数的信号的发射天线。该振荡器的输出频率可以是大约1GHz。
在一个实施方案中，瞬态电子器件包含一个或多个无机半导体部件。在一些实施方案中，一个或多个无机半导体部件中的每一个独立地包含纳米膜结构，该纳米膜结构可以例如具有小于1000nm的厚度。在一个实施方案中，该无机半导体部件中的每一个独立地包含Si、Ga、GaAs、ZnO或这些的任何组合。在一个实施方案中，该一个或多个无机半导体部件包含ZnO。
在一个实施方案中，一个或多个无机半导体部件独立地包含在水环境中以在298K下等于或大于10-10s-1、或在298K下等于或大于10-8s-1、或在298K下等于或大于10-5s-1、或在298K下等于或大于10-2s-1的速率经历水解的半导体材料。
在一个实施方案中，瞬态电子器件包括一个或多个金属导体部件，且瞬态电子器件的该一个或多个金属导体部件可以包括Mg、W、Fe或其合金。在一个具体实施方案中，该一个或多个金属导体部件独立地包含Mg与选自Al、Ag、Ca、Li、Mn、Si、Sn、Y、Zn以及Zr组成的一组的一种或多种额外材料的合金，其中该合金的一种或多种额外材料具有按重量计等于或小于10％的浓度。在另一个实施方案中，该一个或多个金属导体部件独立地包含Mg与一种或多种稀土元素的合金，其中该合金的一种或多种稀土元素具有按重量计等于或小于10％的浓度。在另一个实施方案中，瞬态电子器件包括包含ZnO的一个或多个无机半导体部件和包括Mg、Fe、W或其合金的一个或多个金属导体部件。
在一个实施方案中，一个或多个金属导体部件独立地包含在水环境中以在298K下等于或大于10-10s-1、或在298K下等于或大于10-8s-1、或在298K下等于或大于10-5s-1、或在298K下等于或大于10-2s-1的速率经历水解的半导体材料。
在一个实施方案中，瞬态电子器件可以包含由衬底支撑的一个或多个电介质部件，其中该一个或多个电介质部件包含选择性可移除的材料。在一个实施方案中，所述一个或多个电介质部件的选择性可移除的材料可以通过选自再吸收、生物再吸收、水解、崩解、解聚、溶解、升华、融化、蚀刻和腐蚀组成的一组的过程经历移除。在一些实施方案中，一个或多个电介质部件包含生物可兼容的、生物可再吸收的或生态可兼容的材料。在一些实施方案中，电介质部件中的每一个包括一个或多个薄膜结构，该薄膜结构可以例如通过分子外延、原子层沉积、物理或化学气相沉积或本领域中公知的其他方法沉积或生长。通常，该一个或多个电介质部件中的每一个具有在10nm至50μm范围内选择的厚度，或小于或等于100nm的厚度，或小于或等于10nm的厚度。
在一个实施方案中，所述一个或多个电介质部件可以包含选自由SiO2、MgO、丝、胶原、明胶、PVA以及PLGA组成的一组的一种或多种材料。在一个具体实施方案中，瞬态电子器件包括选自由ZnO和Si组成的一组的一个或多个无机半导体部件、选自由Mg、Fe、W以及其合金组成的一组的一个或多个金属导体部件以及选自由SiO2和MgO组成的一组的一个或多个电介质部件。在另一个实施方案中，瞬态电子器件包括包含ZnO的一个或多个无机半导体部件、选自由Mg、Fe、W以及其合金组成的一组的一个或多个金属导体部件以及包括MgO的一个或多个电介质部件。在一个实施方案中，一个或多个电介质部件包含在水环境中以在298K下等于或大于10-10s-1、或在298K下等于或大于10-8s-1、或在298K下等于或大于10-5s-1、或在298K下等于或大于10-2s-1的速率经历水解的材料。
所述一个或多个无机半导体部件、所述一个或多个金属导体部件或所述一个或多个电介质部件可以通过微转印印刷组装在衬底上。
在一个实施方案中，该衬底、所述一个或多个无机半导体部件以及所述一个或多个金属导体部件独立地包含选择性可移除的材料。
在一个实施方案中，该瞬态电子器件还可包含布置在衬底与金属导体部件的至少一部分之间的粘合促进层。例如，该粘合促进层可以包括选自由氧化镁、钛以及其组合组成的一组的材料。
该瞬态电子器件具有中性机械平面(neutral mechanical plane)，并且，在一些实施方案中，所述一个或多个无机半导体部件的至少一部分且可选地全部被定位邻近于(例如，在10微米内，且可选地在1微米内)该中性机械平面。可转变的衬底的厚度可以被选择为将该一个或多个无机半导体部件的至少一部分定位邻近于中性机械平面。具有定位邻近于中性机械平面的无机半导体部件的实施方案可用于在部署时器件的构造经历显著变化的应用，例如，通过在器件被设置在非平面(例如，弯的、弯曲的、凸的、凹的等)构造中和/或在拉伸的构造中时增强该器件的结构整体性。
在一些实施方案中，瞬态器件可以部分地或完全地包封在封装材料中。在一个实施方案中，封装材料包含一对交联丝片材，当所述片材的边缘压在一起时，该对交联丝片材完全地包封该器件。例如，所述片材可以是通过铸造和剥落形成的两个独立式丝膜，然后沿着边缘通过层压将它们密封。通常，所述片材具有选自1微米至200微米、或选自2微米至100微米、或选自5微米至50微米范围的厚度。从实际角度看，可能难于使用一些技术制造和处理薄于1微米(同时独立的)的膜，同时厚于200微米的膜可能是刚性的并且在使用一些技术处理时易于破裂。或者，在一些实施方案中，封装材料可以是具有在1微米到1厘米范围内、可选地对于一些应用在5微米至2毫米范围内、且可选地对于一些应用在10微米至50微米范围内选择的厚度的预成型的中空丝管。通常，封装材料具有每片材约20μm的厚度。
在一个实施方案中，包封材料至少部分包封一个或多个无机半导体部件或一个或多个金属导体部件，其中该包封材料包括选择性可移除的材料，该可选择性移除的材料被至少部分地移除以暴露下面的无机半导体部件或金属导体部件。在一个实施方案中，响应外部刺激或内部刺激移除该包封材料。
在一个实施方案中，该包封材料是设置在该一个或多个无机半导体部件上或设置在该一个或多个金属导体部件上的覆盖层；其中该覆盖层具有选自10nm至10mm、或20nm至1mm、或50nm至0.1mm的范围内的厚度。该包封材料可以被直接地设置在该一个或多个无机半导体部件上或该一个或多个金属导体部件上，或间接地设置在该一个或多个无机半导体部件上或该一个或多个金属导体部件上，其中一个或多个中间结构/层在包封材料与该一个或多个无机半导体部件或该一个或多个金属导体部件之间。
在一个实施方案中，该包封材料具有的预选瞬变分布不同于该一个或多个无机半导体部件或该一个或多个金属导体部件的预选瞬变分布。例如，在一个实施方案中，该瞬变分布可以比该一个或多个无机半导体部件或该一个或多个金属导体部件的瞬变分布大至少一个数量级。
在一个实施方案中，该瞬变分布的特征在于，包封材料的移除发生在选自1ms至2年、或1ms至1年、或1ms至6个月、或1ms至1个月、或1ms至1天、或1ms至1小时、或1秒至10分钟范围的时间间隔内，从而暴露下面的无机半导体部件或金属导体部件。例如，该瞬变分布的特征在于，在选自1ms至2年、或1ms至1年、或1ms至6个月、或1ms至1个月、或1ms至1天、或1ms至1小时、或1秒至10分钟范围的时间间隔内移除该包封材料的0.01％至100％、或0.1％至70％、或0.5％至50％、或1％至20％、或1％至10％，从而暴露下面的无机半导体部件或金属导体部件。在一个实施方案中，该瞬变分布的特征在于，包封材料的平均厚度以在0.01nm/天至10微米/s、或0.1nm/天至1微米/s、或1nm/天至0.5微米/s范围内选择的速率减小。
在一个实施方案中，该包封材料包含选自由MgO、丝、胶原、明胶、PLGA、聚乙烯醇(PVA)、PLA、SiO2、聚酸酐(聚酯),聚羟基脂肪酸酯(polyhdroxyalkanates)(PHA)以及聚磷酸酯组成的一组的材料。在一个实施方案中，该包封材料包括丝，其中该丝可以至少部分地处于晶态。例如，该丝可以具有小于55％的结晶度或选自1-55％范围的结晶度。在一个实施方案中，包封材料包含一对交联丝片材，当所述片材的边缘被层压在一起时，所述一对交联丝片材完全地包封该瞬态电子器件。
在一些实施方案中，该包封材料包含丝复合材料。该丝复合材料可以包含具有分散在丝上各处的多个纳米粒子的丝，其中每个纳米粒子独立地包含导体或半导体材料。例如，每个纳米粒子可以独立地包含选自由Au、Ag、CsSe和CdTe组成的一组的材料。通常，所述纳米粒子具有等于或小于1000nm的物理尺度，且纳米粒子以选自0.1nM至100nM范围的浓度存在于丝中。在一些实施方案中，所述纳米粒子吸收电磁辐射，从而生成能够引起选择性移除包封材料的热。例如，电磁辐射的吸收可以是等离子体谐振增强的吸收。
在一些实施方案中，该包封材料是一种在水环境中以在298K下等于或大于10-10s-1、或在298K下等于或大于10-8s-1、或在298K下等于或大于10-5s-1、或在298K下等于或大于10-2s-1的速率经历水解的材料。在其他实施方案中，该包封材料是一种在等于或大于273K的温度下经历升华的材料。例如，可升华的包封材料可以是选自CO2、I3、萘、氯化铵、氯化铁、氯化铝、三聚氰胺、二茂镍、莰酮以及咖啡因组成的一组的材料。
在一些实施方案中，该包封材料是包括设置在不可升华材料中的多个可升华纤维的复合材料，其中可升华纤维的升华导致该包封材料的选择性移除。该复合材料例如可以是溶液浇铸材料、静电纺丝材料或旋铸材料。
由下面的公式给出了选择性可移除的材料的厚度到达零的时间，公式：
其中，tc是临界时间，ρm是材料的质量密度，M(H2O)是水的摩尔质量，M(m)是材料的摩尔质量，h0是材料的初始厚度，D是水的扩散率、k是溶解反应的反应常数，且w0是水的初始浓度，其中k的值选自105至10-10s-1的范围、或选自103至10-7s-1的范围、或选自102至10-4s-1的范围、或选自10至10-2s-1的范围。
在一个实施方案中，该瞬态器件的物理特性(例如杨氏模量、净抗弯刚度、韧度等)为器件提供硬度以自支撑，同时还能够实现与环境的高度共形接触。在一个实施方案中，衬底、具有一个或多个无机半导体部件的器件以及一个或多个金属导体部件提供了瞬态器件的小于1×109GPaμm4的净抗弯刚度，或选自0.1×104GPaμm4至1×108GPaμm4，可选地1×105GPaμm4至1×108GPaμm4的范围的净抗弯刚度。在一些实施方案中，衬底、无机半导体部件和一个或多个金属导体部件各自独立地包含可转变的材料。
在一个实施方案中，对于可见电磁辐射和/或红外电磁辐射，该瞬态器件和/或其部件是至少部分光学透明的。例如，在一个实施方案中，该瞬态器件、衬底、无机半导体部件和/或金属导体部件呈现了对电磁频谱的可见区域中的光的等于或大于70％的透射百分数，且对于一些应用等于或大于90％。在施用和/或使用期间，至少部分光学透明的器件对于可视化和/或成像该器件是有用的。此外，本发明的至少部分光学透明的器件对于将电磁辐射耦合进和/或耦合出该器件是有用的。本发明例如包括具有用于照亮环境或光学感测的LED或激光器阵列部件的器件，其中该器件能够将来自器件部件的光传输穿过该器件的其他部件，诸如衬底。
在某些生物环境中，例如体内生物环境，通过酶促降解发生衬底的降解，例如，通过蛋白酶介导的降解。此外，在一些实施方案中，降解从暴露于具有降解酶存在的生物环境的生物可再吸收的衬底的表面发生，例如在与组织和/或生物流体的交界处。因此，可以选择可降解衬底的某些参数以有效地控制降解速率。在一个实施方案中，选择可降解衬底的化学成分、物理状态和/或厚度，以便控制降解速率。例如，在一个实施方案中，可降解衬底包含针对选定的生物环境呈现有用的降解速率的生物聚合物。
在某些具体的实施方案中，本发明的瞬态器件不包括衬底部件。例如，在一个实施方案中，本发明的瞬态器件最初包括衬底部件，其在部署和/或操作期间被选择性地移除，使得该器件作出成为不具有衬底的瞬态器件的转变。这方面的实施方案包括用于生物医疗应用的瞬态器件，其中与生物环境的接触，例如在体内与组织或细胞接触，经由生物再吸收导致衬底损耗。
器件的一些方面通常对于在体内的生物医疗应用是有用的，所述生物医疗应用包括感测、致动、成像和/或向局部生物环境递送治疗剂。例如，在一个实施方案中，本发明的器件用于在生物环境中对目标组织进行电生理测量或在生物环境中电生理性地致动目标组织，其中该生物环境可以是在体内的生物环境，该目标组织可以选自但不限于心脏组织、脑组织、肌肉组织、神经组织、上皮组织和血管组织。
衬底的几何结构和/或形态是对于形成本发明器件的功能能力重要的其他特征。在一个实施方案中，该衬底是具有近似均匀厚度(例如，厚度在该层平均厚度10％内)的连续层。或者，本发明包括具有如下衬底的器件，该衬底包括不连续层和/或具有不均匀厚度分布的层。例如，本发明包括具有附加衬底和/或层的瞬态器件，用于器件部件(例如，半导体、金属导体部件、电介质等)的部分或完全包封和/或电子隔离。
金属导体部件的物理尺度、成分和几何结构是本发明的电子器件的重要参数。在一个实施方案中，金属导体部件是金属膜，例如薄(例如，厚度<100微米)金属膜。薄金属导体部件(例如厚度小于或等于100微米、可选地小于或等于10微米、且可选地小于或等于1微米)的使用对于提供柔性或以其他方式可变形的器件是有用的。在一些实施方案中，一个或多个金属导体部件包含一个或多个薄膜结构，该薄膜结构可以例如是通过分子外延、原子层沉积、物理或化学气相沉积或本领域中已知的其他方法沉积或生长的。在一些实施方案中，金属导体部件包括生物可兼容的、生物可再吸收的或生态可兼容的材料。在一个实施方案中，所述金属导体部件的至少一部分且可选地全部包含生物可兼容的材料，诸如钛、金、银、铂以及这些的任意组合。在一个实施方案中，所述金属导体部件的至少一部分且可选地全部包含可转变的材料，诸如铁、镁、钨以及这些的任意组合。在一个实施方案中，各个金属导体部件具有小于或等于10微米的厚度，且可选地各个金属导体部件具有小于或等于1微米的厚度，且可选地各个金属导体部件具有小于或等于500纳米的厚度，且可选地各个金属导体部件具有小于或等于100纳米的厚度，且可选地各个金属导体部件具有小于或等于20纳米的厚度。在一个实施方案中，各个金属导体部件具有在10纳米至100微米的范围内选择的厚度，且可选地具有在100纳米至1微米的范围内选择的厚度，且可选地具有在100纳米到500纳米的范围内选择的厚度。在一个实施方案中，各个金属导体部件具有小于或等于10000微米的横向尺度，且可选地横向尺度小于或等于1000微米，且可选地横向尺度小于或等于100微米，且可选地横向尺度小于或等于10微米。在一个实施方案中，金属导体部件在阵列中与相邻的金属导体部件间隔的距离大于或等于10微米，且可选地距离大于100微米。在一个实施方案中，相邻的金属导体部件彼此间隔开一段距离，该距离选自10微米至10毫米的范围，且可选地选自10微米到1000微米的范围，且可选地选自10微米至100微米的范围。
衬底的降解对于在给定的环境中部署或以其他方式定位、操纵和/或连系瞬态器件(例如，其表面、一部分和/或部件)是有用的。例如，在一些实施方案中，通过例如涉及衬底降解或转变的过程，使该瞬态器件与环境共形接触，其中降解过程使得该瞬态器件与环境接触(例如，物理的、电的、热的等)，且可选地其中降解过程引起该瞬态器件的共形和/或形态变化，该变化有助于使该器件与环境连系。在一些实施方案中，例如，通过涉及衬底完全降解或转变的过程，器件被部署在环境中或以其他方式被定位、被操纵和/或与环境连系，以便提供瞬态器件与环境的物理接触、电接触或光学连通。因此，在这方面的一些实施方案中，可降解的或可转变的层在部署期间起牺牲层的作用，以便促进该瞬态器件与环境连系。或者，在其他实施方案中，例如，通过涉及衬底的部分但不完全降解或转变的过程，器件被部署在环境中或以其他方式被定位、被操纵和/或与环境连系，以便提供瞬态器件与环境的物理接触、电接触或光学连通。因此，在这方面的一些实施方案中，可降解的或可转变的层在部署期间起部分牺牲层的作用，但在使用中保持作为器件的结构性和/或功能性部件。例如，在一些实施方案中，衬底的部分或完全降解或转变提供了选择性调整和/或操纵瞬态器件的物理尺度、构造、形态和/或形状的手段，从而便于形成与环境的共形接触。在一些实施方案中，衬底的部分或完全降解或转变提供了选择性调整瞬态器件的化学成分的手段，从而以可兼容的方式(如以抑制不需要的免疫反应和/或炎性的方式)形成与环境的共形接触。
可以实施这里公开的制造和使用瞬态电子器件的方法，以生产或利用这里公开的瞬态电子器件的所有实施方式。
在一方面，使用无源瞬态电子器件的方法包括：提供无源瞬态电子器件，该无源瞬态电子器件包括：衬底；由该衬底支撑的一个或多个无机半导体部件、一个或多个金属导体部件、或一个或多个无机半导体部件和一个或多个金属导体部件，其中所述一个或多个无机半导体部件或一个或多个金属导体部件独立地包括选择性可转变的材料，其中所述一个或多个无机半导体部件或所述一个或多个金属导体部件具有响应外部刺激或内部刺激的预选瞬变分布，其中所述一个或多个无机半导体部件或所述一个或多个金属导体部件的至少部分转变提供了该无源瞬态电子器件响应于所述外部刺激或所述内部刺激并在预选的时间或以预选的速率的可编程的转变，其中该可编程的转变提供了该无源瞬态电子器件的功能从第一状况到第二状况的变化；以及将该无源瞬态器件暴露于所述外部刺激或所述内部刺激，从而可编程转变该无源瞬态电子器件。
在一方面，使用主动触发的瞬态电子器件的方法，包括：提供主动触发的瞬态电子器件，该主动触发的瞬态电子器件包括：衬底；由该衬底支撑的一个或多个无机半导体部件、一个或多个金属导体部件、或一个或多个无机半导体部件和一个或多个金属导体部件；其中所述一个或多个无机半导体部件或所述一个或多个金属导体部件独立地包括选择性可转变的材料，其中所述一个或多个无机半导体部件或所述一个或多个金属导体部件具有响应外部刺激或内部刺激的预选瞬变分布；以及致动器，该致动器响应用户启动的外部触发信号且被可操作地连接至所述一个或多个无机半导体部件或所述一个或多个金属导体部件，其中当该器件接收到该外部触发信号，该致动器响应该内部刺激或外部刺激直接地或间接地启动所述一个或多个无机半导体部件或所述一个或多个金属导体部件的至少部分转变，从而提供该主动触发瞬态电子器件响应该外部触发信号的可编程的转变，其中该可编程的转变提供了该主动触发的瞬态电子器件的功能从第一状况到第二状况的变化；以及将该主动触发的瞬态电子器件暴露于该外部刺激或内部刺激，从而可编程地转变该主动触发的瞬态电子器件。
在一方面，制造瞬态电子器件的方法包括步骤：提供器件衬底；在该器件衬底上设置一个或多个无机半导体部件、一个或多个金属导体部件或一个或多个无机半导体部件和一个或多个金属导体部件；其中所述一个或多个无机半导体部件或一个或多个金属导体部件独立地包括选择性可转变的材料，其中所述一个或多个无机半导体部件或所述一个或多个金属导体部件具有响应外部刺激或内部刺激的预选瞬变分布；从而产生该瞬态电子器件；其中所述一个或多个无机半导体部件或所述一个或多个金属导体部件的至少部分转变提供了该无源瞬态电子器件响应所述外部刺激或内部刺激并在预定的时间或以预定的速率的可编程的转变，其中该可编程的转变提供了该无源瞬态电子器件的功能从第一状况到第二状况的变化。
在一个实施方案中，该选择性可转变的材料选自由Mg、W、Fe、Mg与一种或多种附加材料(选自由Al、Ag、Ca、Li、Mn、Si、Sn、Y、Zn以及Zr组成的一组)的合金——其中该合金的一种或多种附加材料具有按重量计等于或小于10％的浓度——以及Mg与一种或多种稀土元素的合金组成的一组，其中该合金的一种或多种稀土元素具有按重量计等于或小于10％的浓度。
在一个实施方案中，该选择性可转变的材料选自由Si、Ga、GaAs以及ZnO组成的一组。
在一些制造工艺中，在器件衬底上设置一个或多个无机半导体部件、一个或多个金属导体部件、或一个或多个无机半导体部件和一个或多个金属导体部件的步骤包括：在制作衬底(fabrication substrate)上制作器件部件的组件，其中该器件部件的组件包括一个或多个单晶无机半导体结构、一个或多个电介质结构或一个或多个金属导体结构；以及将该器件部件的组件的至少一部分从该制作衬底转移到该器件衬底。在一个实施方案中，该制作衬底上的器件部件包括单晶Si、Ga或GaAs。在另一个实施方案中，该制作衬底上的器件部件包括SiO2。
在一个实施方案中，制造瞬态电子器件的方法还包括在具有器件部件的组件的器件衬底上设置包括选择性可转变的材料的一个或多个无机半导体部件或一个或多个金属导体部件的步骤。例如，在一个实施方案中，使用溶液处理技术执行在具有器件部件的组件的器件衬底上设置包括选择性可转变的材料的一个或多个无机半导体部件或一个或多个金属导体部件的步骤。在另一个实施方案中，使用电流体动力印刷执行在具有器件部件的组件的器件衬底上设置包括选择性可转变的材料的一个或多个无机半导体部件或一个或多个金属导体部件的步骤。
在一些实施方案中，在半导体铸造厂(foundry)执行在制作衬底上制作器件部件的组件的步骤。例如，该制作衬底可以是半导体晶片衬底、玻璃板类型衬底或绝缘体上硅衬底。在一些实施方案中，使用选自化学气相沉积、物理气相沉积、外延生长、原子层沉积、电化学沉积以及分子束外延组成的一组的一种或多种高温沉积技术执行在制作衬底上制作器件部件的组件的步骤。可在根据公认的标准(诸如，US FED STD 209E、ISO 14644-1或BS5295洁净室标准)的洁净室条件下执行在制作衬底上制作器件部件的组件的步骤。本发明的使用铸造厂加工的实施方案有益于以有用的器件格式和布局获得高质量的半导体和电介质材料，如单晶硅和SiO2。例如，在一些实施方案中，本发明的方法包括混合过程，涉及在铸造厂中执行的某些加工步骤(例如，高质量单晶硅和特定器件设计的SiO2器件元件的制作)和其他使用非铸造厂技术执行的加工步骤(如溶液相处理)。该混合方法平衡了对通过基于铸造工厂技术产生的高质量的材料的获得与整合由非铸造厂技术允许的一系列选择性可转变材料的灵活性。
在一些实施方案中，使用一种或多种高温掺杂技术和/或一种或多种高温退火技术执行在制作衬底上制作器件部件的组件的步骤。在一些实施方案中，在制作衬底上制作器件部件组件的步骤包含生成由该制作衬底支撑的经充分加工的原始(primitive)或电路元件。
在一些实施方案中，使用光刻或蚀刻技术执行在制作衬底上制作器件部件的组件的步骤。
在一些实施方案中，在制作衬底上制作器件部件组件的步骤包含生成一个或多个结构，其选自如下一组：制作衬底上的一个或多个单晶硅半导体结构，所述一个或多个单晶硅半导体结构各自独立地具有小于或等于1微米的厚度；制作衬底上的一个或多个SiO2结构，所述一个或多个SiO2结构各自独立地具有小于或等于1微米的厚度；以及制作衬底上的一个或多个金属结构，所述一个或多个金属结构各自独立地具有小于或等于5微米的厚度。在一个实施方案中，在制作衬底上制作器件部件组件的步骤包括(1)横向地限定由该制作衬底支撑的一个或多个单晶硅半导体结构，例如，通过光刻和蚀刻工艺；(2)在该制作衬底上沉积一个或多个金属结构，例如，通过化学沉积或物理沉积；以及(3)生长一个或多个SiO2结构。
在一个实施方案中，制造瞬态电子器件的方法还包括用选择性可转变材料替代一个或多个单晶无机半导体结构、一个或多个金属导体结构或一个或多个电介质结构的至少一部分的步骤。例如，在一个实施方案中，用选择性可转变的材料替代一个或多个单晶无机半导体结构、一个或多个金属导体结构或一个或多个电介质结构的至少一部分的步骤不在半导体铸造厂执行。
在一些实施方案中，使用溶液处理执行用选择性可转变材料替代一个或多个单晶无机半导体结构、一个或多个金属导体结构或一个或多个电介质结构的至少一部分的步骤。在其他实施方案中，使用电流体动力印刷执行用选择性可转变材料替代一个或多个单晶无机半导体结构、一个或多个金属导体结构或一个或多个电介质结构的至少一部分的步骤。
在一个实施方案中，制造瞬态电子器件的方法包括用一种或多种选择性可转变的金属导体材料替代一个或多个金属导体结构的至少一部分的步骤。
在一些实施方案中，用选自由Mg、W、Fe、Mg与一种或多种附加材料(选自Al、Ag、Ca、Li、Mn、Si、Sn、Y、Zn以及Zr组成的一组)的合金——其中该合金的一种或多种附加材料具有按重量计等于或小于10％的浓度——以及Mg与一种或多种稀土元素的合金——其中该合金的一种或多种稀土元素具有按重量计等于或小于10％的浓度——组成的一组的选择性可转变金属替代所述一个或多个金属导体结构。
在一个实施方案中，制造瞬态电子器件的方法包括用选择性可转变的材料替代包含Au或Al的一个或多个金属导体结构的至少一部分的步骤。
在一些实施方案中，制造瞬态电子器件的方法还包含从制作衬底剥离所述器件部件的组件的至少一部分的步骤。例如，可以通过至少部分地底切所述一个或多个单晶无机半导体结构、所述一个或多个电介质结构和所述一个或多个金属导体结构执行从制作衬底剥离所述器件部件的组件的至少一部分的步骤。通过在所述一个或多个单晶无机半导体结构、所述一个或多个电介质结构和所述一个或多个金属导体结构的下方蚀刻可以实现底切。
在一个实施方案中，该制作衬底是绝缘体上硅衬底，且该方法包括至少部分地蚀刻该绝缘体上硅衬底的埋氧层，从而至少部分地底切所述一个或多个单晶无机半导体结构，所述一个或多个电介质结构和所述一个或多个金属导体结构。
在一个实施方案中，通过微转印印刷执行从制作衬底剥离器件部件的组件的至少一部分的步骤，该微转印印刷从该制作衬底提离所述一个或多个单晶无机半导体结构、所述一个或多个电介质结构和所述一个或多个金属导体结构的至少一部分。在一些实施方案中，该微转印印刷使将所述一个或多个单晶无机半导体结构、所述一个或多个电介质结构和所述一个或多个金属导体结构连接到该制作衬底的一个或多个锚定件破裂，从而提供提离(liftoff)。
在一个实施方案中，该微转印印刷是干转印接触印刷。该微转印印刷技术可以包含：使所述一个或多个单晶无机半导体结构、所述一个或多个电介质结构和所述一个或多个金属导体结构的至少一部分与共形转移器件的接触表面接触，其中所述一个或多个单晶无机半导体结构、所述一个或多个电介质结构和所述一个或多个金属导体结构的至少一部分被粘附到该接触表面；以及移动具有粘附到该接触表面的所述所述一个或多个单晶无机半导体结构、所述一个或多个电介质结构和所述一个或多个金属导体结构的一部分的所述共形转移器件，从而提供提离。
在一些实施方案中，该微转印印刷技术还包括：使器件衬底的接收表面与粘附至所述接触表面的所述一个或多个单晶无机半导体结构、所述一个或多个电介质结构和所述一个或多个金属导体结构的至少一部分接触；以及将共形转移器件的接触表面与所述一个或多个单晶无机半导体结构、所述一个或多个电介质结构和所述一个或多个金属导体结构分离，从而使所述一个或多个单晶无机半导体结构、所述一个或多个电介质结构和所述一个或多个金属导体结构转移到该器件衬底的所述接收表面。在一些实施方案中，该共形转移器件是弹性印章。
在一些实施方案中，制造瞬态电子器件的方法还包含提供致动器的步骤，该致动器响应用户启动的外部触发信号且可操作地连接到所述一个或多个无机半导体部件或所述一个或多个金属导体部件，其中在该器件接收外部触发信号时，该致动器响应内部刺激或外部刺激直接地或间接地启动所述一个或多个无机半导体部件或所述一个或多个金属导体部件的至少部分转变，从而提供该瞬态电子器件响应外部触发信号的可编程转变。
在一些实施方案中，制造瞬态电子器件的方法还包括提供用于接收用户启动的外部触发信号的接收器的步骤，该接收器操作连接至该致动器，以便响应该用户启动的外部触发信号启动所述一个或多个无机半导体部件或所述一个或多个金属导体部件的至少部分转变。例如，该致动器可以与发射器单向或双向通信，其中该发射器向操作连接至该致动器的器件的接收器提供该用户启动的外部触发信号。
在一些实施方案中，制造瞬态电子器件的方法还包含提供至少部分地包封所述一个或多个无机半导体部件或所述一个或多个金属导体部件的包封材料。例如，使用溶液处理来执行或使用旋铸或旋涂来执行提供至少部分地包封所述一个或多个无机半导体部件或所述一个或多个金属导体部件的包封材料的步骤。
在一些实施方案中，该包封材料包含选择性可移除的材料。示例性包封材料包括选自由MgO、丝、胶原、明胶、PLGA、聚乙烯醇(PVA)、PLA、SiO2、聚酸酐(聚酯)、聚烃基脂肪酸酯(PHA)和聚磷酸酯组成的一组的材料。在一个实施方案中，该包封材料包含丝。
在一些实施方案中，该器件衬底包含选择性可移除的材料。例如，该器件衬底可以包含生物可兼容的、生物可再吸收的或生态可兼容的材料。在一个实施方案中，该器件衬底包括聚合物，或选自由丝、胶原、明胶、PLGA、聚乙烯醇(PVA)、PLA、MgO、SiO2、聚酸酐(聚酯)、聚烃基脂肪酸酯(PHA)和聚磷酸酯组成的一组的材料。在一个实施方案中，该器件衬底包括丝。
在一些实施方案中，制造瞬态电子器件的方法还包含确定预选瞬变分布和选择所述一个或多个无机半导体部件或所述一个或多个金属导体部件的成分和物理尺度以提供所述预选瞬变分布的步骤。
在一些实施方案中，制造瞬态电子器件的方法还包含选择所述一个或多个无机半导体部件或所述一个或多个金属半导体部件的厚度或形态以提供所述预选瞬变分布的步骤。
在一些实施方案中，所述一个或多个无机半导体部件或所述一个或多个金属导体部件中的每一个独立地包括选择性可转变的材料。
作为在此使用的“空间上被安排在可降解衬底上”指元件(如器件部件)遍布衬底的表面区域以使得每个元件位于不同的位置处。元件间间隔可以是一致的或可变的。在一些实施方案中，元件在空间上被安排成具有相等元件间间隔的规则阵列图案，如2D阵列。在一些实施方案中，元件在空间上被安排成直线(如1D阵列)。有用的空间安排包括规则的和不规则的元件分布。
在一些实施方案中，可以使用瞬态器件的几何结构提供拉伸性、柔性、顺应性和/或压缩性。在一个实施方案中，该器件可以利用被配置成如下结构形状的无机半导体材料，该形状能够在几何学上适应大的机械变形而不给材料本身施加重大的应变。例如，连接刚性器件岛的桥可以是波浪形的、卷曲形的、蛇形蜷曲的或蜿蜒曲折的，如美国专利申请No.11/851,182(美国专利公开No.2008/0157235)；美国专利申请No.12/405,475(美国专利公开No.2010/059863)；以及美国专利申请No.12/398,811(美国专利公开No.2010/0002402)中进一步描述的，上述各个美国专利申请在此以引用的方式纳入本文。
在一个实施方案中，在此公开的器件包括一个或多个可拉伸的部件(诸如，美国专利申请No.11/851,182和/或美国专利申请No.12/405,475和/或美国专利申请No.12/398,811中公开的)且由本文公布的一个或多个工艺制成。美国专利申请No.11/851,182；美国专利申请No.12/405,475；以及美国专利申请No.12/398,811在此以引用的方式纳入本文。
不希望受任何特定理论的束缚，在此可以有对涉及在此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。
附图说明
图1提供了瞬态器件的示例性示图。
图2提供了例示用于使用本发明的一些实施方案的瞬态器件的示例性步骤的流程图。
图3A-D.用于瞬态电子器件的演示平台，具有关键材料、器件结构以及反应机制。a，包含所有重要材料和若干代表性器件部件——晶体管、二极管、电感器、电容器和电阻器、具有互连线和层间电介质的瞬态电子平台的图像，所有器件部件都在薄丝衬底上。b，该器件的示意性分解视图，在右下角插图中是顶视图。所有材料——硅纳米膜(SiNMs；半导体)和镁薄膜(Mg，导体)、氧化镁(MgO，电介质)、氧化硅(SiO2，电介质)和丝(衬底和封装材料)——是瞬态的，在某种意义上它们通过在水中水解和/或简单溶解消失。c，示出了通过完全浸没在水中引起的该类型物理瞬变的时间顺序的图像。d，每种组成材料与水的化学反应。对于Si和对于SiO2，反应产生硅酸、Si(OH)4；Mg和MgO产生Mg(OH)2。丝以随β片层含量(即，结晶度)增加而减小的速率直接溶解。
图4A-F.对瞬态电子材料、器件的实验研究和对应的理论分析。a，单晶硅纳米膜(Si NM；初始尺度：3μm×3μm×70nm)在磷酸盐缓冲盐水(PBS)中通过水解而溶解的不同阶段的原子力显微镜(AFM)构形图像。b，在硅中瞬变的理论模型中使用的水解和扩散过程的图表。类似的模型应用于其他瞬态材料。c，37℃下对具有不同厚度——35nm(黑色)、70nm(蓝色)、100nm(红色)——的Si NM在PBS中的与时间相关的溶解的实验结果(符号)和模拟(线)。d，MgO层(10nm厚)顶部上的Mg弯曲迹线(150nm厚)的溶解的光学显微镜图像。e，示出了通过使用不同材料和厚度的包封层来调谐类似Mg迹线(300nm厚)的溶解时间的能力的实验结果(符号)和模拟(线)。在此，按长度标称化的电阻的测量示出了瞬变时间随MgO包封层(400nm，红色；800nm，蓝色)和丝包封层(条件i，蓝绿色；条件ii，紫色)逐渐增加。用这些简单的方案，可以在从数分钟到若干天或更长的范围内调整瞬变时间。针对瞬变的预期的时间表是短期(数分钟至数天)、中期(数天至数周)以及长期(数周至数月或数年)。丝封装策略可以进一步延长这些时间。f，在器件级通过用MgO和结晶的丝包封的n沟道晶体管来测量瞬变。该瞬变示出了双重动力学，涉及独立于时间的若干天运行，随后快速降解。包封层和Mg电极中的瞬变限定了第一时间量程和第二时间量程。以该方式，用于封装层的材料和它们的厚度可以以从器件运行解耦的方式限定瞬变时间。
图5A-H.瞬态电子部件、电路和传感器(包含简单集成电路和传感器阵列)的图像和电学特性。a，用Mg电极和MgO电介质层制作的LC(电感器-电容器)振荡器的图像(左)和具有弯曲Mg电阻器的硅二极管的图像(右)。b，在高达3GHz的频率下电感器(蓝色)、电容器(黑色)以及LC振荡器(红色)的S21散射参数的测量值(左)。连接至三个不同的Mg电阻器的硅二极管的电流-电压(I/V)特性(右)。c，p沟道(左)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的阵列的图像和包括n沟道MOSFET的逻辑门(反相器；右)的图像。每个MOSFET由Mg源电极、漏电极、栅电极、MgO栅电介质和Si NM半导体组成。在图解中示出的电路配置中，该反相器使用Mg用于互连线，以及Au用于源电极、漏电极、栅电极。d，代表性n沟道MOSFET(左，沟道长度(L)为20μm、沟道宽度(W)为900μm)的I/V特性。阈电压、迁移率和开/关比分别是-0.2V、600cm2/V·s和>105。该反相器(右，输入晶体管的L和W分别是20μm和700μm，负载晶体管的L和W分别是500μm和40μm)的传递特性。电压增益是～8。e，基于Si NM电阻器的一个集合的应力传感器的图像(左)和具有阻塞二极管的Si NM光检测器的可寻址阵列的图像。在两种情况下，Mg用作接触和互连电极，且MgO作为电介质层。f，作为时间的函数，在循环加载期间代表性应变仪的电阻的分数变化(左)。弯曲引起拉伸应变(红色)和压缩应变(蓝色)，单向地多达～0.2％。用光检测器阵列收集的标志的图像(右)。插图示出了该标志设计。g，逻辑门的图像，其中通过未包封的Mg互连线的选择性溶解，受控的瞬变影响功能转变,在该情况下从NOR运行(左)到NAND运行(右)。h，转变之前(NOR，左)和之后(NAND，右)电路的输出电压特性。Va和Vb表示电压输入。
图6A-G.用于热治疗的瞬态生物可再吸收的器件的在体内的评估和实施例。a，针对在BALB-c小鼠的背部区域的皮下中的瞬态电子器件的植入(左)和缝合(右)演示平台。b，3周后的植入部位(左)。三周之后切离的植入部位处的组织的组织切片示出了丝膜的部分被吸收的区域(右)。(A，皮下组织；B，丝膜；C，肌肉层)c，放置在丝封装件中之前和之后、在刚刚植入之后以及其后若干时间间隔时，植入的瞬态RF超材料结构的谐振响应。d，针对该超材料测量和计算的Q因子。结果指示由生物流体透过丝封装件的扩散来支配瞬变。e，用于热治疗的瞬态无线器件由连接至第一无线线圈(70MHz；外部线圈)的两个电阻器(红色轮廓)和连接至第二独立可寻址的无线线圈(140MHz；内部线圈)的第二电阻器(蓝色轮廓)组成。插图示出了该器件的热图像，该器件与在两个频率下运行的初级线圈耦合，以同时驱动内部线圈和外部线圈。f，初级线圈挨着瞬态热治疗器件的缝合部位。插图示出了器件的图像。g，在透过皮肤以无线方式为该器件供电时收集的热图像；结果示出了在期望的位置处的热点(在背景以上5℃)，插图中具有放大视图。
图7.针对丝衬底上的瞬态电子器件的弯曲演示平台。平坦状态呈现在图3a中。
图8A-E.针对三种不同初始厚度(a，70nm；b和c，30nm；d和e，100nm)使用原子力显微镜(AFM)估计的与在PBS中的不同溶解状态下的Si NM相关联的表面构形。
图9A-C.PBS中的瞬态电子材料的薄层的厚度的与时间相关的变化。a，在室温下的Si NM；b，在室温下的PECVD SiO2；c，在37℃下的PECVD SiO2。
图10A-E.在水中溶解器件用不同材料包封的Mg的弯曲迹线的电流-电压特性的变化：a，作为时间的函数，Mg迹线(300nm)的按长度标称化的电阻变化的实验(符号)和分析结果(线)。插图示出了Mg迹线的图像，b，Ti/Mg(5/300nm)；c,Ti/Mg/MgO(5/300/400nm)；d,Ti/Mg/MgO(5/300/800nm)；e,Ti/Mg/MgO/丝(i)(5/300/400nm/50μm)；f,Ti/Mg/MgO/丝(ii)(5/300/800nm/50μm)
图11A-B.瞬态电子材料在水中的与时间相关的溶解。a,MgO(150nm)和b,Mg(300nm),具有5nm的Ti层作为粘附促进剂。
图12A-C.被设计以崩解的瞬态电子器件的图像和电学特性，作为加速瞬变速率的手段。a，硅晶体管的6×9阵列的图像(第一框图)。每个晶体管使用Si纳米带阵列用于有源沟道区域(第二框图)。在溶解的早期阶段，这些纳米带崩解成个体件，如在第三框图(3分钟)和第四框图(5分钟)中示出的。b，在溶解之前(第一框图和第二框图)和溶解之后(第三框图和第四框图)以Si纳米带制作的硅二极管的6×8阵列的图像。c，从崩解晶体管测量的线性标尺(蓝色)和对数标尺(红色)传递曲线(左)，崩解晶体管的电流-电压(I/V)曲线(中间)和崩解二极管的I/V特性(右)。
图13A-B.用a,PLGA和b,胶原包封的、在水中溶解的Mg弯曲迹线的电阻的按长度标称化的变化。
图14A-B.a,n型MOSFEt中的Mg和Au源/漏电极的比较，该比较是在4V、5V和6V的栅电压下通过它们的按宽度标称化的电阻作为沟道长度的函数评估的。b，多个线宽的Mg迹线和Au迹线的测量的电阻，每个分别针对不同厚度(150nm和300nm)。c，来自使用Mg和Au源/漏电极的MOSFET的传递曲线(左)以及I-V特性(右)。
图15A-I.a，具有不同尺寸的瞬态电容器的图像。两个Mg电极的重叠面积是30×100μm(黑)，100×100μm(红)，150×100μm(蓝)，200×2100μm(紫)。b，使用MgO(左)和SiO2(右)电介质测量的电容。c，由Mg源电极、漏电极、栅电极，MgO栅电介质和Si NM有源层组成的n沟道瞬态MOSFET的图像。d，c中示出的代表性MOSFET的线性(黑)和对数标尺(蓝)传递曲线。e，图5c的左框图中示出的p沟道瞬态MOSFET的线性(黑)和对数标尺(蓝)传递曲线。沟道长度(L)是20μm，宽度(W)是600μm。阈电压、迁移率和开/关比分别是-6V，100±10cm2/V·s和约105。f，基于Si NM二极管的温度传感器的互连的4×4阵列的图像。g，温度传感器在不同温度下的I-V特性(左)。在不同温度下，被施加到温度传感器的电压产生10μA的输出电流。形成的校准曲线的电压温度斜率是约-2.23mV/℃(右)。h，使用Mg电阻器、Mg互连线和MgO作为层间电介质的温度传感器的4×4阵列的图像。i，h中示出的代表性温度传感器的I-V特性(左)。测量的、Mg温度传感器的电阻对温度的依赖性(右)。随着温度增加，电阻以约0.14Ω/℃的斜率增加。
图16A-D.a，使用约3μm厚的Si板和Mg互连线的太阳能电池的图像(左)。作为电压的函数的从代表性器件测量的电流密度和功率(右)。b，作为施加的拉伸应变(红)和压缩应变(蓝)的函数，硅电阻器的电阻的分数变化的实验结果(符号)和分析结果(线)。c，图5e的右框图中示出的代表性像素的I-V特性。暗(红)和亮(蓝)分别指示光源开和关状态。d，使用瞬态光检测器的8×8阵列获得的多个图像，该光检测器以扫描对象的模式运行，且记录的图像的收集被结合以改善效应分辨率。每个插图都示出了原始对象图案。含有对象、扩散光源、平凹透镜以及分立的数据获取程序的简单的光学装置被使用。透镜与源图像之间的距离是98毫米。在某些情况下，过扫描程序被使用以移除出故障的像素的影响。
图17A-D.多个传感器的个体像素布局，a，基于Si二极管的温度传感器(左)，Mg电阻器(右)，b，Si太阳能电池，c，Si应变传感器，d，Si光二极管。插图示出了每个传感器的电学示意图。
图18A-B.示出了通过瞬态摄像机捕获的未修正的经标称的图像。红色突出的区域对应于出故障的像素。可以通过过扫描移除它们的影响。b，该过扫描处理的结果。
图19A-H.受控的功能转变之前和之后瞬态电子电路的图像和电学特性。a，通过关键的Mg互连线的溶解从NAND门(左)到反相器和晶体管(右)的转变的图像。b，NAND门的电学特性，其中VA和VB指示输入电压(左)，以及转变之后反相器的电压传递特性(右)。c，通过关键的Mg互连线的溶解从NAND门(左)到隔离的晶体管(右)的转变的图像。d，转变之后产生的晶体管的传递曲线(左)的和电流电压特性(右)的线性标尺和对数标尺图。e，通过关键的Mg互连线的溶解从NOR门(左)到单独的晶体管(右)的转变的图像。f,NOR门的输出电压特性(左)和转变之后晶体管的I-V特性。g，通过Mg电阻器的溶解从Mg电阻器(左)到Si二极管(右)的功能变化的图像。h，Mg电阻器(左)和Si二极管(右)的I-V特性。
图20A-B.生物可兼容性的附加的组织学分析。该实例对应于植入2周之后的丝器件。a和b示出了低放大倍率和高放大倍率下的组合收集的图像。(A，皮下组织；B，丝膜；C，肌肉层)
图21A-C.a，集成有两个并联的硅电阻器的无线功率线圈的图像。b，硅电阻器的I-V特性。c，通过电感耦合无线地供电的具有两个电阻器的加热线圈的图像。
图22.以68MHz的频率使用不同输入功率感应驱动的加热器的红外图像：0％(左上方)，18％(左下方)，20％(右上方)，以及25％(右下方)。
图23A-C.a，与感应线圈集成的Mg电阻器的验证：1-电阻器(左)和2-电阻器(右)。b，Mg电阻器的测量的I-V特性。c，具有不同数目的Mg电阻器的线圈的IR图像：1个电阻器(左)和2个电阻器(右)。
图24A-H.用于器件级研究的瞬态器件的布局。a，n-沟道MOSFET，b，个体n沟道MOSFET，对应于(a)中的虚线白箱，c，个体Si二极管，对应于(d)中的虚线白箱，d,Si二极管，e，NAND门，f，个体NAND门，对应于(e)中的虚线白箱，g，个体Mg电阻器，对应于(h)中的虚线白箱，h，Mg电阻器。
图25A-B.用于瞬变的器件级研究的结构。a，示出了PDMS井和远程探测焊盘的示意性例示，b，测试的器件阵列的俯视图。
图26A-D.在器件级下对瞬变和瞬变可调谐性的研究。a，从瞬态n沟道MOSFET测量的线性(左)和对数标尺(右)传递曲线，对应于图4f中示出的器件，浸入水中之后作为时间的函数。数据示出了瞬变中的双动力学：在第一个约4天的时间内属性变化可忽略，随后快速衰减。MgO和丝包封层的厚度确定第一时间量程；Mg电极的厚度限定了第二时间量程。b，硅二极管的电流中的与时间相关的变化(左)和硅二极管的电流电压特性(右)。全部瞬态行为类似于MOSFET的那些行为。插图示出了一个器件阵列的图像。c，在类似的条件下测量的逻辑门(NAND)的输出电压特性，其中输入电压为0V。插图示出了一个器件阵列的图像。d，作为时间的函数，Mg迹线中按长度标称化的电阻的测量和电阻的分数变化。该插图示出了一个电阻器阵列。
图27A-D.由瞬态无线热治疗器件提供的细菌抑制的体外测试。a，三个不同瞬态电子器件的图像，每个都在琼脂下方且具有用于无线功率递送的初级线圈——隔离的弯曲形Mg电阻器(左)，隔离的Mg RF感应线圈(中)，互连的电阻器和线圈(线圈+电阻器，右)。b，电阻器(左)、线圈(中)和加热器(右)的放大视图。c，具有以80MHz频率感应供电的器件的琼脂板的红外图像。如所预期的，电阻器(左)和线圈(中)示出了可忽略的加热。集成器件(右)在电阻器的位置示出了约50℃的峰温度。d，孵育之后细菌的图像。结果示出对于电阻器(左)和线圈(中)的情况没有细菌清除。集成器件指示在对应于电阻器的区域处和最热的核心区域处(右)的细菌清除。
图28A-B.用于被用来捕获溶解动力学的理论模型的示意性例示，a，单层，以及b，双层。
图29.在通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)沉积的不同厚度的SiO2膜的溶解的不同阶段收集的AFM图像和线性分布图：a和b，35nm，c和d，70nm，e和f，100nm。
图30.对具有不同厚度35nm(黑)，70nm(蓝)，100nm(红)的Si NM在37℃的PBS中的与时间相关的溶解的实验结果(符号)和理论预测(线)。在此呈现的计算使用与时间相关的反应速率常量。
图31.在水溶解期间在多个时间收集的ZnO纳米棒的扫描电子显微图。
图32.碳纳米管阵列上的分子玻璃(MG2OH)薄膜中的选择性热毛细流动的原子力显微图。在具有每微米若干度的梯度的低温度下，金属管中的选择性焦耳热引起覆盖玻璃中的热毛细流动。
图33.用于触发瞬变的热毛细模型的示意图。
图34.(左至右)Au-NP丝溶液中的吸收光谱和针对不同AuNP浓度的体样本的图像。当通过绿(532nm)激光指示器照射时，旋铸在载玻片上的AuNP丝膜(2μm厚)的热图像以及对应的测量的热分布图(用FLIR SC-600热成像器获取的数据)
图35.丝中的微针，插图示出了模塑到针中以加载附加的药物制剂的微囊。
图36.掺杂有酶(HRP)的印刷的丝的实例。暴露于TMB导致过氧化物酶经历比色反应，从而显示印刷的图案。
图37.钨栓塞线圈的体外降解。
图38.具有植入的栓塞线圈的兔子中的血清钨水平。
图39.在多种二元镁合金的降解期间的氢析出(作为对降解的测量)。
图40Mg和Zn合金在不同pH下的腐蚀速率的比较。
图41在铁(Fe)的体外降解测试期间的降解速率和溶液的铁浓度。
图42电解质中铁的累积与时间的关系。
图43.PVA和PLGA的化学结构、器件几何结构和降解测试。
图44.来源于晶片源的硅膜的微转印印刷的示意性例示(左)和用于该目的的代表性定制自动化工具(右)。右下角的表格提供了性能规格。
图45通过μTP组装到塑料衬底上的稀疏阵列的半导体纳米膜阵列(左)和通过μTP组装到独立的8”×11”丝片材上的半导体纳米膜阵列(右)。
图46.有角度的印章在衬底上的与拉动方向相关的粘合的示意例示(a)以及其在取回模式下(b)和在印刷模式下(c)，以辊轴印刷模式实施到用于高速运行的μTP的示意性例示。在一侧上取回而同时在另一侧上印刷是可能的。
图47.用于将来源于铸造厂的Si CMOS转换成用于可再吸收的电子设备的部件建造块的工艺流程。
图48.为μTP制备的Si CMOS(非可再吸收的)的实例。
图49.定制的高分辨率电流体动力喷射印刷系统的关键部件(左)、固体形式的表示(中)以及实际图像(右)的示意性图示。
图50通过电流体动力喷射印刷的代表性图案，示出了用于形成导电线的电路状布置的能力(左)和亚微米分辨率的能力(右)。
图51.具有集成同心环形反电极的电流体动力喷射印刷喷嘴的示意性例示(左)和静电建模(左)。该布置具有消除衬底对印刷过程的影响的潜能。(SU8是光可图案化的环氧基树脂。)
图52.可再吸收的电子器件的完全制造流程的示意性例示，涉及用于配准的凸印浮雕特征，用于改性的基于铸造厂的器件的递送的μTP，具有用于良好接触和互连线的电流体动力喷射，以及用于实现粗化特征的喷墨。用于感测(光学)和检验(电学测试结构)的部件提供了用于对过程进行反馈的路线。
图53.远程地为LED供电的瞬态天线的验证。
图54.瞬态RF功率提取器的示意图。
图55.Si整流器(PIN二极管)的示意性例示和性能数据。
图56.全波形整流器的实例。
图57.充分瞬态RF提取系统的实例。
图58.Mg电感器(a)和其对应的性能数据(b)。
图59.Mg电容器(a)和其性能数据(b)-(e)。
图60.具有无源瞬态部件的科耳皮兹(Colpitts)振荡器的实例(a)和示意图(b)。
图61.用于包含Si CMOS环形振荡器的充分瞬态无线电装置的设计。
图62.通过电流体动力喷射图案化Mg的实例。
图63.瞬态电子器件。衬底和无源器件是水溶性的；有源器件使用崩解设计。a)在集成有源器件之后的器件的图像(左)和形成无源器件和互连线之后的器件的图像(右)。b)示出了该系统在水中溶解的系列图像。
图64.无线电验证媒介。由提取整流器(左)和发射振荡器(右)组成的无线电器件的电路图。底部框图示出了以“塑料RF”技术物理实现该电路的图片。
图65.有源和无源“塑料RF”部件。顺时针方向从左上方：GaAsMESFET中的小信号增益，LC振荡器的散射参数，以及电容器和电感器中的频率响应。所有器件都具有亚微米厚度，且被建造在聚酰亚胺薄片上。
图66.和Si MOSFET一起建造在薄的丝衬底上的生物可再吸收的电子器件。a)一件丝上硅电子器件的水溶解。b)植入在皮肤下的类似器件的体内评估。
图67.可再吸收的丝衬底上的超薄、网状电极阵列的体内脑皮层电图(ECoG)。左：丝溶解之后，共形地包裹到大脑表面上的器件的图片。右：来自猫的视觉皮层的ECoG。紧密的电极/组织接触提供了最佳的测量保真度。
图68.使用在丝膜上图案化的镁电极建造的水溶性ECoG器件。从左至右，一系列图例示了该系统通过水的溶解。
图69.在37℃标准反应条件下通过蛋白酶XIV使丝膜酶促降解。附图右侧的温度指示被用来使膜退火以控制结晶程度的温度[4℃、25℃、37℃、70℃、95℃]。
图70.无线电验证媒介。由提取整流器(左)和发射振荡器(右)组成的无线电器件的电路图。底部框图示出了以“塑料RF”技术物理实现该电路的图片。
图71.提取整流器。顶部框图示出了单级整流器电路图和在AC输入的半周期期间节点的电压。底部框图示出了在每级输出节点处两级整流器的电压模拟结果，指示电压从AC到DC的变化。
图72.发射器。顶部框图示出了用于使用有源器件的简化模型设计微波振荡器的程序。底部框图示出了振荡器的简化黑箱示意图(左)，以及最终的无线电频率信号发射器的电路系统(右)。
图73.有源和无源“塑料RF”部件。顺时针方向从左上方：GaAsMESFET中的小信号增益，LC振荡器的散射参数，以及电容器和电感器中的频率响应。所有器件都具有亚微米厚度，且被建造在聚酰亚胺薄片上。
图74.无线电验证媒介。由提取整流器(左)和发射振荡器(右)组成的无线电器件的电路图。底部框图示出了在发射频率为1GHz的情况下发射器的模拟结果。
图75.电阻/长度。从玻璃衬底上的具有不同膜厚度和宽度的Mg和Au测试结构电极测量的电阻/长度(R/L)的比较。
图76.基于镁的晶体管。(a)在不同栅电压下，作为沟道长度的函数的按宽度标称化的导通电阻。(b)晶体管的传递曲线和电流-电压曲线。(c)器件阵列的图像，以及横截面示意例示。
图77.Mg在水中的溶解速率。3小时之后Mg在水中充分溶解 且10小时只剩下Ti。
图78.非晶丝膜的快速溶解。0秒(左)，10秒(右)。
图79.数字四位行解码器的电路图。
图80.通过在室温下升华消失的“消失的”蜡状物的图像。该材料的薄膜和薄片用作提供完全干燥形式的瞬变的电子器件的平台。
图81.用于瞬态RF信标器件的使用模式。
图82.瞬态RF信标的示意图。
图83.ZnO薄膜晶体管阵列和电容器阵列和部件的示意图。
图84.ZnO薄膜晶体管阵列和电容器阵列和部件的示意图。
图85.示出了ZnO膜属性的线图和显微图。(a)粉末X射线衍射线图和ZnO的晶体结构，(b)针对ZnO膜的电压与位移曲线之间的关系，(c)ZnO膜的电子显微图，(d)针对ZnO的时间与偏置曲线之间的关系。
图86.针对ZnO晶体管的电流与电压之间的关系的线图。开/关比>约103,Vth(阈电压)约2V，迁移率约1cm2/V·s。
图87.在(c)中示意性示出的应力和应变下，ZnO能量采集器的(a)时间与电压之间的关系的线图和(b)时间与电流之间关系的线图。P＝I×V＝6nW,功率密度＝0.15μW/cm2，应变速率＝1.5cm/秒。
图88.丝衬底上的ZnO晶体管阵列和能量采集器阵列在水中溶解的时间推移照片。
图89.示出了(a)ZnO晶体管在瞬变期间的性能的线图。性能被测量为(b)迁移率随时间的关系和(c)电流与电压之间的关系。
图90.在丝衬底上的具有Mg接触的ZnO能量采集器的电流模型。
图91.在丝衬底上的具有Mg接触的ZnO能量采集器的电压模型。
图92.(a)建立的电化学测量的示意图和(b)针对Fe、Al以及Cu的电流与电压之间的关系的线图。
图93.电路验证的示意图，其中通过电化学的第一电流路径的阳极溶解触发电流以经过点亮LED的第二电流路径。
图94.图93中示意性描述的器件在阳极溶解之前(a)和之后(b)的照片。
图95.瞬态RF信标的示意图。
图96.瞬态双面印刷电路板的示意图，示出了(a)前侧面，(b)后侧面，以及(c-d)前侧面和后侧面的对准。
图97.(a)双面太阳能供电的RF信标的示意图和(b)双面太阳能供电的RF信标的照片。
图98.附接到与信号分析器的天线通信的Mg天线的太阳能供电的RF信标的照片。
图99.(a)具有大约3μm厚度的太阳能电池和(b)针对该太阳能电池的线图，示出了电流和功率与电压之间的关系。为了比较，图(c)示出了针对用在图98的信标中的约15μm厚的太阳能电池的电路与电压之间的关系的线图。
图100.具有中心频率为160MHz的全向Mg线圈天线。
图101.当器件由(a)高功率的DC电源和(b)由较低功率的瞬态太阳能电池供电时，信标信号输出的图形。
图102.示出了当由DC电源供电时在5米的距离处(a)和当由瞬态太阳能电池供电时在10cm的距离处(b)由接收器从该信标接收的信号的图形。
图103.在丝衬底上的、使用商业太阳能电池的瞬态RF信标发射器的照片。
图104.用于生成供瞬态器件使用的可升华的材料的静电纺丝设备的照片。
图105.(a)左：干燥静电纺丝PVA垫；右：水合静电纺丝PVA垫，以及(b)左：纱布；右：牛纤维蛋白原垫的照片。
图106.示出了对于以300nm的厚度沉积的多种金属(a)以及针对具有150nm和300nm厚度的Fe，将在金属线中出现电学断路(electrical open)的近似时间的线图，
图107.涉及金属块崩解/剥落到水中的溶解机制的示意图(a)和涉及溶解而非崩解/剥落的溶解机制的示意图(b)。图107(c)示出当溶解时金属越来越薄且孔越来越多。
图108.示出了根据图107(b)的金属随时间溶解的理论结果和实验结果的线图。
图109.示出了在PBS溶液中钨迹线的初始溶解的照片(a)，接着在稍后时间钨迹线崩解/剥落的照片(b)，以及钨分层的实例(图109(c))、钨分层且破裂的实例(图109(d))和钨剥落的实例(图109(e))。
图110.100nm的W膜在DI水中溶解之前的照片(a)和溶解20小时之后的照片(b)。图110(c)示出了不同宽度的100nmW膜的溶解行为。
图111.AZ31B膜在DI水中溶解之前的显微图(a)和溶解2小时之后的显微图(b)。图111(c)示出了300nm AZ31B Mg合金在DI水中和在PBS溶液中的溶解行为。
图112.Zn膜在DI水中溶解之前的显微图(a)和溶解2小时之后的显微图(b)。图112(c)示出了300nm的Zn在DI水中和PBS溶液中的溶解行为。
图113.具有粗化的/密集的晶粒的Fe膜的显微图(a)和具有更精细晶粒的Fe膜的显微图(b)，粗化的/密集的晶粒腐蚀快于更精细晶粒。图112(c)示出了150nm的Fe在DI水中和PBS溶液中的溶解行为。
图114.概括了在DI水(pH 6.8)和在磷酸盐缓冲溶液(pH 7.4)中金属溶解数据的线图。
图115.Si在PBS中的溶解属性的线图。
图116.丝衬底上的具有Mg电感器线圈和Mg电阻器的瞬态热治疗器件的照片(a)和红外图像(b)。
图117对体外细菌培养的评估的照片。(H)无植入，无健康组织的注入，(D)植入的器件，(B1和B2)注入的细菌。
图118.完全形成的瞬态MOSFETS和集成电路的示意图。
图119.示出了完全形成的瞬态MOSFETS和集成电路的溶解的时间推移的照片。
图120.完全形成的瞬态MOSFETS和集成电路的照片和性能线图。
图121.瞬态RF电子器件的照片和性能线图：(a-b)整流器，(c-d)电容器，(e-f)电感器，以及(g-h)电阻器。
图122.瞬态RF电子器件的照片和性能线图：3级CMOS环形振荡器。
图123.Fe电极CMOS振荡器的照片。
图124.与Fe电极CMOS逻辑电路(NAND、NOR)相关的照片、示意和线图。
图125.逻辑电路转变(逻辑电路至CMOS反相器)的照片。
图126.示出了Mg合金(AZ31B，Al 3％,ZN 1％)TFT的性能的线图。
图127.具有天线的瞬态RF电子器件的照片、性能线图以及时间推移溶解研究。
图128.纳入了图115-117的部件的瞬态RF器件的示意图、照片以及时间推移溶解研究。
图129电化学瞬态电源的示意图(a)和示出了金属电耦的电压和放电电流随时间的性能线图(b)-(c)。
图130落向地面以及当触及地面时释放转变液体的瞬态器件的时间推移示意图。
图131具有用于接收来自远程发射器的信号的天线的瞬态电子器件的示意图。
具体实施方式
总之，本文中所使用的术语和短语具有它们的领域公认的含义，可以通过参考标准文本、杂志引用和本领域技术人员知晓的上下文找到这些术语和短语。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、金属部件、电介质部件、光学部件、压电部件等。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、金属层或电介质层。功能层可以包括多个图案化的元件，诸如在电极或岛之间延伸的互连线。功能层可以是异质的或可以具有一个或多个不同类型的特性。“不均匀(inhomogeneous)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”指的是赋予结构功能的层，例如，通过支撑、固定和/或包封器件部件。本发明包含具有一个或多个结构层(诸如包封层、嵌入层、粘合层和/或衬底层)的瞬态器件。
“半导体”指的是如下的任何材料，其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。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(如硅、锗和金刚石)和化合物半导体(如IV族化合物半导体，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族三元半导体合金诸如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)。术语半导体包含本征半导体和掺杂有一种或多种被选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特性。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”广泛地指的是任何半导体材料、成分或结构，且明确包括高质量单晶和多晶半导体、通过高温处理制作的半导体材料、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”是部件的一个实例，且指的是能够与另一个部件或在部件之间建立电连接的导电结构。尤其，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和金属导体。
其他部件包含但不限于：薄膜晶体管(TFT)、晶体管、二极管、电极、集成电路、电路元件、控制元件、光伏元件、光伏元件(例如，太阳能电池)、传感器、发光元件、致动器、压电元件、接收器、发射器、微处理器、换能器、岛、桥和其组合。如本领域已知的，部件可以被连接到一个或多个接触焊盘，诸如通过金属蒸发、线键合以及应用固体或导电胶。本发明的电子器件可以包括一个或多个部件，可选地设置在互连的配置中。
“中性机械平面”(NMP)指的是在器件的横向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。在一个实施方案中，本发明的器件包括一个或多个无机半导体部件、一个或多个金属导体部件、或被设置与该器件的中性机械平面重合的或紧邻的一个或多个无机半导体部件和一个或多个金属导体部件。
“重合的”指的是两个或更多个物体、平面或表面的相对位置，举例来说，一个例如中性机械平面的表面被定位在一个层中或邻近该层，该层例如是功能层、衬底层或其他层。在一个实施方案中，中性机械平面被定位为对应于该层中的最应变敏感层或材料。
“紧邻的”指的是两个或更多个物体、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，同时提供期望的顺应性而不会对应变敏感材料的物理特性产生不利影响。“应变敏感”指的是响应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，例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，而是可以被紧邻放置或被放置为充分接近，以在器件符合组织表面时提供减小该应变敏感器件元件上的应变的功能益处。在一些实施方案中，紧邻指第一元件的位置在第二元件的100微米内，或可选地对于一些实施方案在10微米内，或可选地对于一些实施方案在1微米内。
“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、印刷线板、集成电路、部件阵列、生物和/或化学传感器、物理传感器(例如，温度、应变等)、纳机电系统、微机电系统、光伏器件、通信系统、医疗器件、光学器件和电光器件。
“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、温度传感器、应变传感器、机械传感器、位置传感器、光学传感器和电容传感器。
“致动”指的是刺激、控制或以其他方式影响结构、材料或器件部件，如一个或多个无机半导体部件、一个或多个金属导体部件、或包封材料或包封层。在一个实施方案中，例如，致动指一个过程，在该过程中选择性地转变结构或材料，以便经历化学变化或物理变化，如材料或结构的移除、损耗或移位。对于致动有用的电子器件部件包括但不限于电极元件、电磁辐射发射元件、发光二极管、激光器、磁元件、声学元件、压电元件、化学元件、生物元件和加热元件。
“致动器”是器件部件，其响应用户启动的外部触发信号直接地或间接地启动瞬态电子器件的至少部分转变，例如，通过启动瞬态电子器件的选择性可转变材料的至少部分转变。例如，致动器可以如下方式启动瞬态器件的至少部分转变，即通过吸收供应至该器件的能量且利用或转换该能量以影响该至少部分转变。例如，通过将包括选择性可转变材料的器件部件暴露于导致至少部分转变的内部刺激或外部刺激，致动器可以启动瞬态器件的至少部分转变。例如，通过向影响转变的中间材料或器件部件供应能量(例如，热、电磁辐射、声、RF能量等)，例如向包封材料、无机半导体部件或金属导体部件供应能量，致动器可以启动瞬态器件的至少部分转变。因此，该致动器可以包括独立地或结合在一起地促进瞬态电子器件的转变的单个部件或多个部件。在一些实施方案中，本发明的致动器被直接地或间接地设置成与发射器单路通信或双路通信，例如，经由一个或多个接收器器件部件。
“用户启动的触发信号”包括除了将瞬态器件纯粹放置在特定环境中以外的任何动作，通过该动作人们可以开始或启动瞬态器件的可编程转变。示例性“用户启动的触发信号”包括向器件或与器件通信的发射器提供实时用户输入数据(例如，按压按钮、翻转开关、设置定时器等)、直接地或间接地向器件提供至少一个非环境外部能量源(例如，电场、磁场、声能、压力、应变、热、光、机械能量等)、和/或编程软件以执行计算机可读指令，这可以基于从器件接收的数据，例如，来自反馈回路的数据。在一个实施方案中，用户启动的外部触发信号是电子信号、光信号、热信号、磁信号、机械信号、化学信号、声信号或电化学信号。在一个实施方案中，本发明提供了如下的瞬态电子器件，其被配置以接收用户启动的触发信号，例如，通过发射器提供的且被器件接收器部件接收的用户启动的触发信号。
“非环境外部能量源”包括量级比在瞬态器件所位于的环境中发现的普遍存在的相同形式的能量的量级大至少10％、或大至少25％、或大至少50％的能量。
术语“直接地和间接地”描述一个部件相对于另一个部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。
“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。特定的桥结构包括半导体互连线和金属互连线。在一个实施方案中，本发明的瞬态器件包括一个或多个含有半导体的岛结构，如晶体管、电路或集成电路，它们经由包含电互连线的一个或多个桥结构电连接。
“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(诸如衬底、粘合剂层或包封层)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。本发明包含具有被部分地或完全地包封的无机半导体部件、金属导体部件和/或电介质部件的瞬态电子器件，举例来说，经由聚合物包封物(如生物聚合物)、丝、丝复合物或弹性体包封物被包封。
“阻挡层”指将两个或更多个其他部件在空间上分开或将部件与器件外部的结构、材料、流体或环境在空间上分开的部件。在一个实施方案中，阻挡层包封一个或多个部件。在一些实施方案中，阻挡层将一个或多个部件与水性溶液、生物组织、或水溶液和生物组织二者分开。本发明包含具有一个或多个阻挡层(例如，位于器件与外部环境交界处的一个或多个阻挡层)的器件。
阻挡层，可选地衬底上的牺牲层，可以被蚀刻以产生“网状结构”，其中至少一部分阻挡层，可选地衬底上的牺牲层被移除。例如，被布置成距一个无机半导体部件或另外的部件约10纳米或更大的阻挡层的一部分被移除。移除至少一部分阻挡层，且可选地衬底上的牺牲层，可以产生(i)阻挡层中的一个或多个孔洞和/或(ii)在近端处由阻挡层物理地接合和在远端处物理地分开的电气部件。在一个实施方案中，网状结构可以被布置在连续的衬底上，在部署到环境中期间，该连续的衬底为器件提供结构支撑。
“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，可移植的生物医疗器件的连续的层未被蚀刻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、晶体管和晶体管阵列。本发明包含器件，其中一个或多个无机半导体部件、一个或多个金属导体部件和/或一个或多个电介质部件包括一个有源电路或多个有源电路。
“衬底”指具有能够支撑一个或多个部件或器件的表面(例如，接收表面)的材料、层或其他结构。“键合”到衬底的部件指与该衬底物理接触且不能够相对于它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，本发明提供了如下的器件，其中一个或多个无机半导体部件、一个或多个金属导体部件和/或一个或多个电介质部件被直接地或间接地键合到衬底，例如，经由粘合剂层或经由粘合层。“衬底”指具有能够支撑一个或多个部件或器件的表面(诸如，接收表面)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，本发明提供了如下的器件，其中一个或多个无机半导体部件、一个或多个金属导体部件和/或一个或多个电介质部件被直接地或间接地键合到衬底，例如，经由粘合剂层或经由粘合层。
“选择性可转变的材料”是在预选的和/或预定的条件下(诸如时间、压力、温度、化学或生物成分和/或电磁辐射条件)经历物理变化和/或化学变化的材料。对某些器件应用有用的选择性可转变的材料经历物理转变(诸如，包括融化、升华等的相变)，可选地在预选的时间或以预选的速率或响应一组预选条件或条件变化。对于某些器件应用有用的选择性可转变的材料经历化学转变(诸如，分解(decomposition)、崩解、溶解、水解、再吸收、生物再吸收、光解、解聚、蚀刻或腐蚀)，可选地在预选的时间或以预选的速率或响应一组预选的条件或条件变化。预选的条件可以自然地发生，例如，由器件环境的条件提供(例如，环境温度、压力、化学或生物环境、自然电磁辐射等)或可以通过向瞬态电子器件提供的或瞬态电子器件内提供的人工条件(诸如，用户或器件启动温度、压力、化学或生物环境、电磁辐射、磁条件、机械应变或电子条件)而发生。当瞬态电子器件的选择性可转变的材料暴露于启动材料转变的条件时，该选择性可转变的材料可以在“预选的时间”或以“预选的速率”大体上完全转变或完全转变。本发明的器件包括经历完全转变、大体完全转变或不完全转变的选择性可转变的材料。“大体上完全地”转变的选择性可转变的材料是95％转变、或98％转变、或99％转变、或99.9％转变、或99.99％转变，而非完全地(即，100％)转变。在一些实施方案中，选择性可转变的材料经历导致物理、化学、电子或光电性能变化的化学变化，可选地在预选的时间或以预选的速率。例如，在一个实施方案中，选择性可转变的材料经历导致第一成分(以导电材料或半导体材料为特征)到第二成分(特征是绝缘体)变化的化学变化或物理变化。在一些实施方案中，选择性可转变的材料是选择性可移除的材料。
“选择性可移除的材料”是在预选的或预定的条件下(诸如时间、压力、温度、化学或生物成分、和/或电磁辐射条件)物理地和/或化学地移除的材料。例如，在一个实施方案中，经由选自由分解、崩解、溶解、水解、再吸收、生物再吸收、光解以及解聚组成的组的过程，可选地在预选的时间或以预选的速率或响应一组预选的条件或条件变化，移除选择性可移除的材料。例如，在一个实施方案中，通过经历导致该材料损耗或重新安置的相变(诸如融化或升华)，可选地在预选的时间或以预选的速率或响应一组预选的条件或条件变化，来移除选择性可移除的材料。该预选的条件可以自然地发生，例如，由器件环境条件(例如，环境温度、压力、化学或生物环境、自然电磁辐射等)提供，或者，可以通过向瞬态电子器件提供的或瞬态电子器件内提供的人工条件(诸如，用户或器件启动温度、压力、化学或生物环境、电磁辐射、磁条件、电子条件)而发生。当瞬态电子器件选择性可移除的材料暴露于启动该材料移除的条件时，可以在“预选的时间”或以“预选的速率”大体上完全地、完全地或不完全地移除该选择性可移除的材料。“大体上完全地”移除的选择性可移除材料是95％移除、或98％移除、或99％移除、或99.9％移除、或99.99％移除，而非完全地(即，100％)移除。
“预选的时间”指从初始时间t0开始经过的时间。例如，预选的时间可以指从部件/器件制作或布置到临界时间tc经过的时间，举例来说，临界时间tc为当暴露于预选的条件下的选择性可移除材料的厚度到达零或大体上为零(初始厚度的10％或更少，初始厚度的5％或更少，初始厚度的1％或更少)时，或当选择性可移除的材料的属性(例如，电导或电阻)到达阈值时；例如，电导率的减小等于50％，可选地对于某些应用等于80％，且可选地对于某些应用等于95％，或替代地当电导率等于0时。在一个实施方案中，可以根据下述公式计算预选的时间，公式：
其中tc是临界时间，ρm是材料的质量密度，M(H2O)是水的摩尔质量，M(m)是材料的摩尔质量，h0是材料的初始厚度，D是水的扩散率，k是溶解反应的反应常数，以及W0是水的初始浓度。
“预选的速率”指每单位时间从器件或部件移除的选择性可移除的材料的量。预选的速率可以被报道为平均速率(在器件或部件的寿命内)或瞬时速率。当未指定速率类型时，假定是平均速率。
“可编程的转变”指瞬态电子器件中预选的或预定的物理、化学和/或电气变化，该可编程的转变提供了器件的功能从第一状况到第二状况的变化。可编程的转变可以在部件/器件制作或部署的时间预先设定，或可以是由提供被器件接收的信号的发射器所控制的实时触发可编程的转变。
“瞬变分布”描述了材料的物理参数或属性(例如，厚度、电导率、电阻、质量、孔隙率等)随时间的变化，例如，随时间增加/损耗的厚度。瞬变分布可以由速率来表征，例如，由选择性可转变材料的物理尺度(例如，厚度)或物理属性(例如，质量、电导率、孔隙率、电阻等)的变化速率来表征。本发明包括具有如下瞬变分布的选择性可转变材料，该瞬变分布的特征在于恒定的或随时间变化的物理尺度(例如，厚度)或物理属性(例如，质量、电导率等)的变化速率。
“可降解的”指易于化学地和/或物理地分裂成较小分段的材料。例如，可降解的材料可以被分解、再吸收、溶解、吸收、腐蚀、解聚和/或崩解。在一些实施方案中，本发明提供可降解的器件。
“生物可再吸收”指易于被生物环境中自然存在的试剂化学地分裂成较低分子量的化学部分的材料。在体内应用中，该化学部分可以被吸收到人体或动物组织内。“大体上完全地”被再吸收的生物可再吸收材料被高度再吸收(例如95％再吸收，或98％再吸收，或99％再吸收，或99.9％再吸收，或99.99％再吸收)，而非被完全地(即，100％)再吸收。在一些实施方案中，本发明提供了生物可再吸收的器件。
“生物可兼容的”指当其被布置在体内生物环境中时不引起免疫排斥或有害作用的材料。例如，当生物可兼容的材料被植入到人或动物内时，指示免疫反应的生物标记物相对于基准值变化小于10％，或小于20％，或小于25％，或小于40％，或小于50％。在一些实施方案中，本发明提供了生物可兼容的器件。
“生物惰性的”指当其被布置在体内生物环境中时不引起人或动物的免疫反应的材料。例如，当生物惰性材料被移植到人或动物内时，指示免疫反应的生物标记物维持大体上恒定(基准值上下5％)。在一些实施方案中，本发明提供了生物惰性器件。
“生态可兼容的”指对环境友好的材料，原因在于它可以被降解或分解成环境中自然出现的一种或多种化合物。在一些实施方案中，本发明提供了生态可兼容的器件。
“纳米结构材料”和“微米结构材料”分别指具有一个或多个纳米尺寸物理尺度(例如，厚度)或特征(如凹陷的或浮雕(relief)特征)的材料和具有一个或多个微米尺寸物理尺度(例如，厚度)或特征(如凹陷的或浮雕特征)的材料，例如一个或多个纳米尺寸和微米尺寸的沟道、空隙、细孔、柱等。纳米材料的浮雕特征或凹陷特征具有选自1-1000nm范围的至少一个物理尺度，同时微米结构材料的浮雕特征或凹陷特征具有选自1-1000μm的范围的至少一个物理尺度。纳米结构和微米结构包含例如薄膜(例如，微米膜和纳米膜)、多孔材料、凹陷特征的图案、浮雕特征的图案、具有研磨或粗糙表面的材料等。纳米膜结构还是纳米结构材料的一个例子，且微米膜结构是微米结构材料的一个例子。在一个实施方案中，本发明提供了如下器件，其包含一个或多个纳米结构或微米结构的无机半导体部件、一个或多个纳米结构或微米结构的金属导体部件、一个或多个纳米结构或微米结构的电介质部件、一个或多个纳米结构或微米结构的包封层和/或一个或多个纳米结构或微米结构的衬底层。
“纳米膜”是具有选自1-1000nm范围的厚度的结构，或替代地，对于一些应用具有选自1-100nm的范围的厚度，如以带状物、柱状物或薄层形式提供的。在一些实施方案中，纳米带是电子器件的半导体、电介质或金属导体结构。在一些实施方案中，纳米带具有小于1000nm且可选地小于100nm的厚度。在一些实施方案中，纳米带具有选自0.1至0.0001范围的厚度与横向尺度(例如，长度或宽度)的比。
“电介质”指非导电材料或绝缘材料。在一个实施方案中，无机电介质包括基本上无碳的电介质材料。无机电介质材料的具体例子包含而非限制于氮化硅、二氧化硅、丝、丝复合物、弹性体和聚合物。
“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，或基本上由单个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(如无规共聚物无序的、嵌段共聚物、交替共聚物、多嵌段共聚物、接枝共聚物、递变共聚物以及其他共聚物。有用的聚合物包含非晶、半非晶、晶体或部分地晶体状态的有机聚合物或无机聚合物。对于某些应用，具有连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。例示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、氯丁橡胶橡胶、乙烯-丙烯橡胶、丁基橡胶、丁腈橡胶、硅橡胶)、丙烯酸类树脂、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。在本发明的一些方法中有用的例示性共形转移器件包括弹性体转移器件，诸如弹性体印章、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。例如，在一个实施方案中，本发明的一个方法在微转印印刷工艺中使用共形转移器件，如弹性体转移器件(例如，弹性体印章)，以将一个或多个单晶无机半导体结构、一个或多个电介质结构和/或一个或多个金属导体结构从制作衬底转移到器件衬底。
“弹性体”指可以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。弹性体通常经历大体上弹性的变形。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。弹性体层也可以包含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、聚氯丁二烯和硅酮。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、聚氯丁二烯和硅酮。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轮廓，例如，允许与具有浮雕特征图案的表面共形接触的轮廓。在一些实施方案中，期望的轮廓是生物环境中组织的轮廓。
“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，导致基本上无空隙的亲密接触。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。在一个实施方案中，本发明的方法包括在共形转移器件与一个或多个单晶无机半导体结构、一个或多个电介质结构和/或一个或多个金属导体结构之间建立共形接触，例如，在微转印印刷工艺中，如干转移接触印刷。
“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，式子：
其中E是杨氏模量，L0是平衡长度，ΔL是在施加的压力下的长度变化，F是施加的力，且A是上面施加了力的面积。也可以根据Lame常数通过下述等式表达杨氏模量，等式：
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，对于一些实施方案优选地是约10倍，对于其他应用更优选地是约100倍，且对于其他应用甚至更优选地是约1000倍。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的范围的杨氏模量。在一个实施方案中,本发明的器件具有低杨氏模量的一个或多个部件，诸如衬底、包封层、无机半导体结构、电介质结构和/或金属导体结构。在一个实施方案中，本发明的器件具有整体低的杨氏模量。
“非均匀杨氏模量”指具有空间上改变(例如，随表面位置变化)的杨氏模量的材料。可选地，可以按照针对整个材料的“总体”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10MPa、小于或等于5MPa或小于或等于1MPa的材料。
“抗弯刚度”是材料、器件或层的、描述该材料、器件或层抵抗施加的弯曲力矩的机械属性。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“总体”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。
现在将参照附图描述瞬态器件以及制作和使用该器件的方法。为了清楚起见，图中的多项可能未被标注且这些图可能未按比例绘制。
图1示出了具有物理尺度的瞬态器件100的俯视立体图，该物理尺度包含竖向尺度或高度h、横向尺度或宽度b以及纵向尺度或长度L。瞬态器件100可具有任何规则或不规则形状，但常常是方形或矩形平行四边形形式。瞬态器件100包括可降解的衬底102，在该可降解的衬底上布置有一个或多个器件部件104、106。在一些实施方案中，器件部件106是接合彼此物理和/或电学通信的两个或更多个其他器件部件104的互连线。可选地，一个或多个器件部件104、106可以由包封材料(未示出)部分地或完全地包封。瞬态器件100可被远程(如无线地)提供动力或致动，或通过物理连接到电源(未示出)而被提供动力或致动。
图2提供了流程图200，流程图200例示了用于使用瞬态器件100的示例性步骤。在步骤202和204中，用户提供了与环境接触的瞬态器件。在可选步骤206中，瞬态器件100致动环境或感测与环境相关联的参数。最终，在步骤208中，通过至少一个内部刺激和/或外部刺激可编程地转变该瞬态器件。
在一些实施方案中，可植入的生物医疗器件有利地利用丝作为生物可再吸收的衬底。丝是生物可兼容的、经FDA批准的、光学透明的、机械上坚固的(高机械模量和韧度)并且为薄膜形式时是柔性的。其还与水处理兼容，这保留了敏感电子功能，且经得起化学和生物功能化。不同的氨基酸侧链的存在促进了用于功能化丝的偶联化学过程。丝也是水溶性的，在几分钟至几小时至几年的范围内，以可编程的蛋白水解生物降解(产生非炎性氨基酸)速率水溶。
一些呈现出类似于或类同于丝的特性的其他天然聚合物包括但不限于：脱乙酰壳多糖、胶原、明胶、琼脂糖、壳多糖、聚羟基脂肪酸酯、普鲁蓝多糖(pullan)、淀粉(直链淀粉支链淀粉)、纤维素、玻璃酸或它们的组合物。
可以从多种天然来源例如从家蚕(Bombyx mori)或从金丝蜘蛛(Nephilaclavipe)获得丝。例如，用于根据本发明的实施方案的丝溶液可以获自含有溶解的蚕丝(例如，来自家蚕)、溶解的蜘蛛丝(例如，来自金丝蜘蛛)的溶液，或获自含有重组的丝(如来自细菌、酵母菌、哺乳动物细胞、转基因动物、或转基因植物)的溶液。
在一个实施方案中，生物可再吸收衬底的丝可以是丝心蛋白蛋白质，它由多层反向平行的β片层组成且具有主要由循环氨基酸序列(Gly-Ser-Gly-Ala-Gly-Ala)n组成的一级结构。已知丝心蛋白以三种结构(被称作丝I、丝II和丝III)安排其自身。丝I是天然的、非晶形式的丝心蛋白，如从家蚕丝腺射出的。丝II指绢丝中丝心蛋白分子的晶体排列，其具有更高的强度。丝III主要在丝心蛋白溶液的界面(即，空气-水界面，水-油界面等)处形成。在公开的瞬态器件中可以使用丝I、丝II和/或丝III。
根据公布的步骤，丝衬底可以由源于家蚕茧的材料制备。参见，Sofia,S.,McCarthy,M.B.,Gronowicz,G.&Kaplan,D.L.的Functionalized silk-basedbiomaterials for bone formation.J.Biomed.Mater.Res.54,139-148(2001)；Perry,H.,Gopinath,A.,Kaplan,D.L.,Negro,L.D.&Omenetto,F.G.Nano-and micropatterning ofoptically transparent,mechanically robust,biocompatible silk fibroinfilms.Adv.Mater.20,3070-3072(2008)；以及WO 2008/108838。简言之，在0.02M碳酸钠的水溶液中煮沸蚕茧60分钟移除丝胶，丝胶是在茧中结合丝心蛋白且能够引起不期望的免疫反应的水溶性糖蛋白。溴化锂的水溶液在60℃下使丝心蛋白纤维增溶溶解，且随后透析移除溴化锂。离心后微孔过滤去除微粒，以产生具有最少污染物的8-10％丝心蛋白溶液。
使用一个替代的方法，可以使用有机溶剂制备丝溶液，如WO 2008/108838中所描述的，WO 2008/108838以引用的方式整体纳入本文。在丝材料的制备中使用有机溶剂能够改变丝材料的生物兼容性和物理特性。例如，丝膜浸入在有机溶剂(诸如，甲醇)中可以引起水化结构或溶胀结构的脱水，导致结晶化，且因此，失去在水中的溶解度。此外，有机溶剂的使用可以使得丝材料较少地可降解。
如上文所述，与水性溶剂相比，在丝溶液中存在有机溶剂可以生成具有更多晶体结构(与非晶结构相比)的丝衬底。例如，该现象可以被用来控制丝的生物再吸收速率或降解速率。因此，取决于期望的再吸收速率或降解速率，可以使用任何适合的水性溶液:有机溶剂的比(例如，100％水性溶液、约80％水性溶液、约60％水性溶液、约50％水性溶液、约40％水性溶液、约20％水性溶液或约10％水性溶液)制备丝溶液。
可以使用附加的技术来控制丝衬底的降解速率。例如，通过改变：衬底材料、衬底厚度、交联、链间氢键或范德华力的程度、和/或分子排列(例如，经由单向或双向拉伸、纺织成纤维，和/或编织)，可调整降解发生的速率。
其他生物可再吸收聚合物包括但不限于：生物聚合物、合成聚合物、蛋白质、多糖、聚(甘油-葵二酸酯)(PGS)、聚二氧六环酮、聚(乳酸-共-乙醇酸)(PLGA)、聚乳酸(PLA)、胶原、脱乙酰壳多糖或它们的任何组合，其可以被单独用作可降解的衬底或可以被添加到丝溶液中以生成复合丝衬底。在一个实施方案中，衬底包括约50到约99.99体积份数(vol％)的丝蛋白质溶液和约0.01至约50vol％的其他聚合物。
在某些方面，本文描述的瞬态器件可以被用于药物递送。在一个实施方案中，一种或多种治疗试剂可以被包封在衬底材料中，作为液体、凝胶、分散的固体或任何其它适当的物理形式，以当该衬底降解时向患者施用药物。为了形成这些增强治疗的衬底材料，在形成该衬底之前，可降解的聚合物溶液可以与一种或多种治疗试剂混合，以及与可选地药学上可接受的载体混合。可以使用不溶解该可降解的材料的任何药学载体。
在一些实施方案中，本发明的瞬态器件被用来给予、递送和/或激活向受试者提供的治疗剂。在该方面的一个实施方案中，可降解的衬底是多功能部件，当给药至生物环境和/或与目标组织接触时，该多功能部件就释放治疗剂。例如，本发明包括具有嵌入式治疗剂的可降解衬底，所述治疗剂例如是药物(例如，小分子治疗剂)、纳米粒子和/或生物分子(例如，蛋白质、肽、寡核苷酸(例如DNA或RNA))等。本发明的这个方面对于一些治疗应用是有帮助的，所述治疗应用包括治疗剂的受控释放和治疗剂向被选组织类型的定向给药。在这些实施方案中，通过与目标组织接触的可降解衬底的再吸收所介导的过程，可以发生治疗剂的释放。本发明包括可植入的器件和系统，其中电子器件部件通过热方法(例如，通过局部加热该可植入器件的部件，如可降解的衬底)来介导治疗剂从该可降解衬底的释放。本发明包括可植入的器件和系统，其中该电子器件部件经由通过局部电场的生成和控制所驱动的过程(如用于蛋白质或肽的释放的电泳过程)来介导治疗剂从该可降解衬底的释放。本发明包含可植入的器件和系统，其中电子器件部件经由通过电磁辐射的吸收所驱动的过程来介导治疗剂从该可降解衬底的释放和/或激活。在一个实施方案中，该可植入的器件包括电子器件部件，如激光器或LED阵列，该电子器件部件在治疗剂从可降解衬底释放期间和/或治疗剂从可降解衬底释放时能够光学地激活该治疗剂。本发明的该方面对于包括光疗的治疗应用是有用的。
可以与在此描述的器件结合使用的治疗剂包括但不限于：小分子；蛋白质；肽；核苷酸；核酸；碳水化合物；单糖；细胞；基因；抗血栓形成药；抗代谢药物；抗凝血剂；抗有丝分裂剂；纤溶剂；抗炎类固醇；单克隆抗体；维生素；镇静剂；类固醇；安眠药；抗感染药，诸如抗生素和抗病毒剂；化学治疗剂(即，抗癌剂)；前列腺素类，放射性药物，抗排斥剂；镇痛药；抗炎剂；激素，如类固醇；生长因子(抑制剂和促进剂)，例如表皮生长因子、成纤维细胞生长因子、血小板衍生的生长因子、胰岛素样生长因子、转化生长因子、和血管内皮生长因子；抗血管生成蛋白，例如内皮抑制素；多糖；糖蛋白；脂蛋白；以及这些的任意组合。
例如，当循环通过体内生物环境的治疗试剂接收到来自在治疗部位植入的生物医疗器件的电磁辐射时，该治疗试剂可以被激活。尤其，电磁频谱的紫外光区和可见光区内的能量可以是有用的。
可以通过下面的非限制实施例进一步理解本发明。
实施例1
图3a、3b和7提供了用于该技术的示范平台的图像和示意图。在此示出的所有部件，范围为从电感器、电容器、电阻器、二极管、晶体管、互连线和转接线路到衬底和包封层通过水解反应溶解完全消失，如图3c中的时间顺序图像中例示的。该瞬态电子器件的实施例使用镁(Mg)作为导体、氧化镁(MgO)和二氧化硅(SiO2)作为电介质、单晶硅(Si)NM作为半导体、以及丝(不仅是水溶性的而且是酶促可降解的4,5)作为衬底和封装材料。该制作涉及转印印刷(Si NM)(基于该转印印刷工艺的自动生产工具目前用在包含微型、多结太阳能电池的大规模阵列的高效率光伏模块的试产线中)`、通过细线(fine line)模版掩模(Mg、MgO、SiO2)的物理气相沉积以及溶液浇铸(丝)的结合。作为用于Mg的粘合促进剂，在某些情况下使用MgO且在其他情况下使用超薄钛层。器件制作在没有钛的情况下是可能的，尽管具有稍低的产率。
作为每种材料溶解原因的化学反应出现在图3d中。如随后所描述的，由于Si NM和SiO2层在高性能晶体管、二极管、光检测器、太阳能电池、温度传感器、应变仪以及其他半导体器件中的重要作用，Si NM和SiO2层是特别重要的。对于二者，水解形成正硅酸(Si(OH)4)，在室温下正硅酸的水溶解度是约0.10g/L，如从纳米多孔硅矩阵7-9的研究中确定的。NM几何结构是重要的，这是因为它能够使高性能器件和平面构架成为可能，使得在瞬态步骤期间必须消耗的材料的量最小化，且提供了有利于异质集成到衬底(诸如丝)的机械和工艺选项4。对于生物兼容性是重要的应用，第二个特征允许获取高瞬变速率，而避免溶解度限制和潜在的有害生物反应。在此描述的典型晶体管涉及小于约1μg的Si，该Si能够在少至30μL的水(或生物流体)9中溶解为Si(OH)4。器件尺度的直接减少能够甚至进一步降低Si所需的量。例如，在超薄绝缘体上硅(SOI)晶片上建造的现代MOSFET的有源区域中的Si的质量是约10fg，约10fg的硅对应于在少至约300fL10中的溶解度。
图4a表示厚度为70nm的Si NM(3×3μm)的原子力显微图，这些原子力显微图是在生理相关温度(37℃)下在磷酸盐缓冲液(PBS；pH为7.4)中不同的溶解阶段收集的，以通过生物再吸收模拟瞬变(参见图8具有不同厚度的Si NM)。可以使用反应扩散模型(图4b)通过分析捕获动力学，其中，根据下述公式，通过水和氢氧根离子扩散到Si中和在贯穿厚度方向y上的反应来定义速率限制步骤：
11-13
其中D和k分别是水的扩散率以及硅与PBS之间的反应常数，且w是水的浓度。当溶解时，之后的平衡被表示为式：Si+4H2O<->Si(OH)4+2H2，其中中性正硅酸通过扩散离开硅表面。在该模型中，对于时间t，在完全物理消失之前，Si NM的厚度(h)以近似线性方式随t减小，根据：
其中h0是初始厚度，α＝[M(Si)/M(H2O)]w0/(4ρSi)，M(H2O)和M(Si)分别是水和硅的摩尔质量，w0是初始水浓度，且Si的质量密度是ρSi＝2.329g/cm3。该表达式捕获当k＝5.0×10-6s-1和D＝4.5×10-16cm2/s时在体温(37℃)下对h0＝35、70和100nm的实验观察结果(图4c)，且捕获当k＝2.8×10-6s-1和D＝3.4×10-16cm2/s时在室温(25℃)下对h0＝35、70和100nm的实验观察(图9a)，与阿伦尼乌斯缩放比例14(Arrhenius scaling)一致。由大致给出了厚度到达零的临界时间。结果是在体温下对于h0＝35、70和100nm，t分别为14、16和19天，与实验一致。包含与时间相关的反应速率常数的模型可以捕获附加的特征。
类似计算定量地捕获用于瞬态电子器件的其他材料中的相关行为，包含图3中的那些。图4d表示MgO薄膜(10nm；粘合促进剂)上的Mg(150nm)的曲径迹线的实施例，其中测量的电阻的变化与基于计算的厚度变化所预期的那些变化密切关联(图4e、图10a和b，且细节参见实施例2)，其中由R0×(h/h0)-1给出电阻，且R0是初始电阻。(其他实施例出现在图11中)。该结果将关键电学属性连接到反应扩散模型，从而启发结合已建立的电路模拟器使用这样的分析学作为针对瞬态电子器件的综合设计方法的能力。这些模型的实验性验证允许它们在评价包括这些材料的集成器件的行为时的预测使用。
这些模型的预测使用突出了NM和薄膜器件设计的重要性。尤其，对于尺度与切块集成电路(约12mm×约12mm×约700μm)的尺度相当的一块硅，预计tc大于约600年且会需要将近约8L水以避免溶解度限制9。通过比较，具有类似横向尺度且厚度为35nm的Si NM的tc小于约10天，且能够在少至约0.4mL水中发生。可以通过添加瞬态包封层和封装材料来在受控的量内延长NM-基电子部件的时间量程；可以通过减小临界尺度或通过以崩解加速溶解的方式物理地构造所述材料来减小时间量程(图12)。图4e和10示出了在用不同厚度的MgO以及用MgO和丝覆层的组合包封的Mg弯曲电阻器中测量的瞬变结果。还示出了对应的建模结果(细节参见实施例2)，所有建模结果与实验和综合预期良好吻合。对于该目的，丝是引人注目的，这是因为可以通过控制结晶度在若干数量级上编程其在水中的溶解度5,15。也可以使用其他生物可降解的聚合物，如图13中示出的。器件级水平的瞬变研究也是重要的。图4f示出了用Si NM、SiO2电介质和Mg电极形成的、具有MgO和结晶丝的包封层的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的例子。接下来详细描述的且在实施例2中描述的器件示出了它们功能瞬变中的两阶段动力学。尤其，浸入在水中长达约90小时导致关键器件特性(诸如，迁移率、开/关电流比(Ion/Ioff)和阈电压(Vth))的可忽略的变化。在该稳定运行时段之后，功能降解发生在相对窄的时间间隔内。包封层限定第一时间量程；Mg电极限定第二时间量程。这些行为与基于对构成材料的单独的实验和理论研究的预期一致。结果是重要的，因为它们验证了能够利用包封层(它在器件中不提供主动作用)以从系统或器件级功能解耦的方式限定瞬变时间。对于在此探讨的实际情况，尽管不同的器件类型需要具有不同厚度的Si NM，但是图4的结果说明Mg和包封层在确定功能瞬变的时间量程时起主导作用。(由于在此呈现的情况中的瞬变运行模式，因此需在干燥环境中能长期存储)。
在CMOS设计中，这些材料、制作技术和建模工具可以产生用于几乎任何类型的瞬态电子系统的部件器件。图5呈现若干实施例，包含关于像图4中的那些MOSFET的额外的细节，其中n沟道和p沟道二者都能够运行，其中Mg电极(厚度约250nm)用作源极、漏极和栅极；MgO和/或SiO2提供栅极电介质(厚度在100nm与150nm之间)；且Si NM(厚度300nm)充当半导体。产生的典型n沟道器件(L＝20μm和W＝900μm)的电学属性包含560cm2/Vs的饱和区迁移率和660cm2/Vs的线性区迁移率，大于105的开/关比，160mV/dec的阈下斜率(在Vd＝0.1V下)和0.34mA/mm的按宽度标称化的电流输出(在Vg＝5V下)。与在SOI晶片上形成的具有类似临界尺度的对应物的性能相比，这些属性以及类似的p沟道器件的那些属性是有利的。器件的属性被认为以通常方式与接近在现有集成电路中发现的器件尺度的器件尺度成比例。(对于研究的沟道长度范围，接触电阻不限制性能。参见图14。)
除了MOSFET之外，许多其他类型的半导体器件和无源部件是可能的。图5、图15和图16中出现了一些实施例的图像和电学特性。电阻器和二极管可以用作温度传感器；二极管还可以被用在光检测器和太阳能电池中，如图5和图16中示出的。Si NM二极管和Mg电阻式温度传感器示出了-2.23mV/℃(对于给定电流输出的电压变化)和0.23％/℃(电阻变化百分数)的灵敏度，二者与常规非瞬态器件的行为一致16。利用当前的设计和标准测量系统，可以解决0.004～0.007℃的温度变化。超薄硅太阳能电池(约3μm厚)提供了66％的填充因数(fill factor)和约3％的总体功率转换效率，甚至在没有陷光结构、背面反射体或抗反射涂层的情况下。具有Mg触头的掺杂的Si NM可以用作应变计(图5e，左)，具有接近约40的应变计灵敏因数(gauge factor)，该应变计灵敏因数与现有技术器件的应变计灵敏因数相当17。在此呈现的技术和制作方案被充分良好的开发，以使得传感器的功能、互连阵列成为可能。作为一个实施例，瞬态数字成像器件被建造，包含用于无源矩阵寻址的阻塞二极管与Si NM光二极管的聚集(图5e，右)，能够在以扫描模式运行时捕获图画(图5f，右，以及图16d)。(参见图17中的关于器件尺度的更多细节。)在此产率是大于90％(即64个像素中的58个充分地起作用。参见图18)。能够实现许多其他可能性。
集成系统中的多种元件的瞬变时间可以相同或不同。能够通过使用不同厚度和/或堆叠组成，或者甚至通过与非瞬态材料的组合来实现不同的瞬变时间。在图5c和5d的右侧框图中的逻辑门(反相器)中示出了最后一种可能性，其中非瞬态金属(Au)用作由瞬态Mg互连线接合的两个晶体管的源极、漏极和栅极。在该情况下，Mg的瞬变将该系统从反相器转换成两个隔离的晶体管。纯瞬态系统中的可变的溶解速率能够类似地被用于随时间的转变功能。在以其他方式包封在MgO中的系统中的Mg分流电阻器或互连线的消失分别能够影响瞬态集成电路中选择的部件的功能添加或减少。图5g和5h例示了后者可能性，在SiNMMOSFET逻辑门中，由于互连线的消失，Si NM MOSFET逻辑门从NOR运行转变到NAND运行。瞬态分流的实施例出现在图19中，其中效果是将功能从电阻器变化到二极管，将NAND门变化到反相器，以及将NOR门变化到独立的晶体管。
很多种器件部件、传感器和致动器使得集成系统具有有用的功能级别。一个电源选项是利用诸如图16a中示出的那些硅太阳能电池。另一个使用电感器和电容器(像图3a、5a和15中的那些)作为无线天线，以用于近场互感耦合至分开供电的外部初级线圈。瞬态电子系统的强制应用是在可植入器件中4，可由在此介绍的生物可兼容的组成材料制成(图3)。尤其，Mg已经被用作某些类型的血管内支架中的结构材料18。丝被认可用在缝合以及组织工程设计中5。溶解在3L血浆中的1μg瞬态Si NM器件形成0.33μg/L的浓度，该浓度低于生理浓度19。实现具有Si NM的n沟道MOSFET和p沟道MOSFET所需要的硼掺杂和磷掺杂对于磷呈现约1ng/L的浓度且对于硼呈现～11pg/L的浓度，两个浓度都远低于生理水平(在血液中，磷是400Mg/L，硼是24Mg/L)，甚至处于避免Si的溶解度限制所必须的最小体积下(在0.03mL中，对于磷是90μg/L且对于硼是1μg/L)。磷的总量(约3ng)和硼的总量(约33pg)的数量级比建议的从普通饮食日常摄入量(对于磷是约1500mg且对于硼是1～13mg)小20-23。
为了验证生物再吸收和生物可兼容性，进行了一系列体内试验。根据试验动物管理和使用委员会(IACUC)协议，多种代表性瞬态器件(例如，图3以及其他)被制作、密封在丝封装中、用环氧乙烷消毒、且然后被植入在BALB/c鼠的皮下区域中。图6a示出了图3中呈现的验证平台的实施例。试验三周后(图6b，左)显示仅仅微量的残留物，有证据显示伴随表面血管再生缓慢地重新整合进皮下层。图6b(右)中呈现的组织切片示出了皮下层(A)、丝膜(B)和肌肉层(C)，且不存在任何炎性反应。图6b的数据代表生物可吸收材料或器件的标准动物评估，遵循的是建立的具有多个动物(N＝3)的方案，每个跟随三周时间点。附加的历史分析出现在图20中。此外，文献为瞬态电子系统中的组成材料的生物可兼容性提供了有力的证据。在可再吸收外科缝合和软组织支架中，丝被认可用于临床使用。多孔硅和硅纳米粒子被很好地确立为用于生物可再吸收药物递送应用的可行的候选物8,24。MgO已经被用作用于这些结构和相关结构的涂层25以及用于磁谐振成像的铁基纳米粒子造影试剂。已经在生物可降解的支架中验证了Mg和Mg合金。瞬态电子器件结构利用的或设想的材料的量的数量级比实验上证明的具有可接受的生物可兼容性的量以及在某些情况下在临床使用中有确定作用的量小。
与掺杂Si NM的电阻式微加热器结合的Mg感应线圈被集成在丝衬底上且被容纳在丝封装中，该感应线圈提供了潜在的用在感染缓解和疾病管理中的瞬态热治疗系统，其中局部加热可以有助于细菌抑制和提供局部疼痛缓解27-29。可以被递送到医疗植入器件(诸如，永久性起搏器、可植入除颤器、机械循环支持器件或人工髋部和膝部)的外表面的瞬态电子杀菌贴片(appliqué)是瞬态热治疗系统的一个实施例。目的是通过随着患者度过最大危险期而消失的可行的、有效的、非抗生的、可编程的杀菌剂来控制手术部位感染30,31，以使患者摆脱不必要的器件负担。图6c、d示出了超材料RF天线的实施例，作为用于这样的器件的一般性部件构建块，对于该器件，在植入之后使用网络分析器以无线模式连续地监视瞬变。该数据说明与生物流体缓慢扩散通过丝封装边缘相关联的瞬态行为，其中测量的Q因子具有与理论模型一致的时间相关性。详见实施例2。图6e示出了形成在玻璃上的器件的图像，该器件包含具有不同谐振频率(约70MHz和约140MHz)的两个线圈和三个分开的加热器。如插图中的热图像中例示的，以施加至分立的初级线圈的合适频率和功率水平运行这些线圈中的任一个或二者使得能够完全控制系统。(其他实施例见图21、22和23。)包含附加的线圈和加热器能够允许在更复杂的温度分布上完全控制。类似的方法可以被用于在空间上和时间上编程的电刺激。为了验证体内功能，该器件的单线圈、单加热器、完全瞬态版本被植入在斯普拉-道来氏大鼠的皮肤下面(图6f)。通过该皮肤的感应耦合生成ΔT约5℃(图6g)的局部温度增加，与加热器的位置一致。整个器件是瞬态的，具有15天的时间量程。15天的时间量程被选择以在最关键时期(即，手术之后最初的几天)期间提供牢固的功能性，以在伤口部位杀菌和维持无菌。该时间之后不再需要该器件。15天表示所要求的效力持续时间的保守估计，在该时间之后，器件消失以消除与附加的外源性植入材料相关联的任何长期负担。丝封装确定瞬变时间，经由控制丝中的结晶度，该瞬变时间是可调整的。
在此报道的概念建立了用于瞬态电子系统、传感器、致动器和电源的材料、建模方法、制造方案和器件设计的全面基准。具有或者不具有SiO2的Si纳米膜(NM)是重要元件，这是因为它们的使用立即使得具有有源功能性和无源功能性的复杂半导体部件成为可能。对于电介质或导体而言，附加的可能性范围分别从胶原到聚(乳酸-共-乙醇酸)以及从铁到锌。瞬变的替代模型包括吸收、腐蚀、解聚以及其他。可以想象地，这些过程的速率是实时可调整的、触发的和/或对周围环境的属性敏感的，由化学事件或生物事件或温度变化、压力变化或光变化确定。
方法总结
器件的制作
由绝缘体上硅(SOI)晶片(顶部硅厚度约300nm，p型，SOITEC，法国)制备掺杂的单晶硅纳米膜(NM)。用氢氟酸(HF，49％电子级，ScienceLab,美国)底切蚀刻掩埋氧化物形成隔离的硅NM，然后该隔离的硅NM被转印印刷到丝膜衬底上。通过电子束蒸发穿过高分辨率模版掩模来沉积栅和中间层电介质(MgO或SiO2)，以及电极和互连线(Mg)。对于后者，除晶体管所需要的Mg/Si接触之外，MgO层被用作粘合促进剂，其中Mg或是被直接沉积，或为了提高产率和粘合强度用5nm的Ti层。关于制作过程的附加的细节出现在实施例2中。
衬底、包封层和封装件的制备
家蚕(B.mori)蚕茧被切割且在0.02M Na2CO3溶液中被煮沸，以提取胶状丝胶蛋白。剩余的丝心蛋白在Milli-Q水中冲洗且在在60℃下在LiBr溶液中溶解4小时，然后使用透析盒用蒸馏水透析几天，以移除LiBr。在离心和过滤移除不可溶的残留物之后，用去离子蒸馏水将丝溶液稀释到5wt％至7wt％且将其浇铸到硅衬底或载玻片上以形成约20μm厚的膜且在空气中保持干燥以形成丝膜。
丝心蛋白封装方案
切割成约5cm×5cm面积的两个约100μm的丝心蛋白膜通过在120℃下层压60s而交联，以实现最大β片层结晶度和丝层的完全粘附。膜被堆叠，然后通过用10μL的约6％的丝心蛋白溶液作为粘合层重新层压以密封一个边缘。用于功能器件的丝衬底被留下未交联，且被置于两个交联的膜之间。最终，通过相同的方法密封另外三个侧边，将样品完全地包封在两个膜之间。将额外的膜从边缘修去，以使用于植入的包封的样品的尺寸最小。
在器件级下的瞬变和瞬变可调谐性
使用上文描述的方法和材料制作多种瞬态器件，包含n沟道MOSFET、二极管、逻辑门(NAND)和Mg电阻器。MgO(400nm厚)和结晶丝(70μm厚)用作包封层，均匀地沉积在器件上作为对水的阻挡层。细节出现在实施例2中。
动物模型评估
用氯胺酮/甲苯噻嗪混合物的腹腔内注射来麻醉雌性BALC/c小鼠(6-8周龄)和雌性白化斯普拉-道来氏大鼠。通过眼睑反射和撤回反射来监测麻醉深度，以确定动物已经到达麻醉的“第三阶段”。将背部剃毛且在切口部位用70％的乙醇清洗，随后用聚维酮碘术前洗消液清洗。一旦阶段3被确定，穿过皮肤形成小的纵向切口且插入无菌植入物(环氧乙烷杀菌的)。用Dexon5-0缝合线封闭切口。监测该动物直到能走动，且手术一完成即注射一剂镇痛药(皮下给予丁丙诺啡叔丁啡)。
用于热治疗的具有无线电源的瞬态电子系统
器件包括形成在丝衬底上的、具有独立的丝封装的硅电阻器、感应线圈和互连线。在掺杂硅NM的转印印刷之后是第一金属层(Ti/Mg,5/250nm)、中间层电介质(MgO，400nm)以及第二金属层(Ti/Mg,10/800nm)的沉积和形成图案。然后用丝封装该器件，如先前所描述的。用于无线功率传输的耦合频率是约70MHz。
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实施例2
制作过程
由绝缘体上硅(SOI，SOITEC，法国)晶片制作单晶硅纳米膜(厚度约300nm，p型)，以形成半导体器件的有源区。磷掺杂物的高温扩散(约950℃)和硼掺杂物的高温扩散(约1000℃)限定用于晶体管的源电极和漏电极的高掺杂区,以及用于二极管、光电检测器和太阳能电池的n型区和p型区的高掺杂区。通过采用六氟化硫(SF6)气体的反应离子刻蚀(RIE)限定掺杂的Si NM的横向尺度。为了从SOI上剥离硅，通过采用氢氟酸(HF，49％电子级，ScienceLab，美国)的湿法蚀刻来移除掩埋的氧化物。通过该方法形成的个体Si NM被转印印刷到硅晶片(作为临时“载体”衬底)上的旋铸的丝膜。然后，使用电子束(ebeam)蒸发穿过有图案的聚酰亚胺遮蔽掩模沉积多种金属和电介质层，以完成器件以及它们之间的互连。
经由瞬变的功能转变
通过瞬变的功能转变涉及某些金属互连线的在时间量程上短于与系统的其他部分相关联的那些时间量程的溶解。通过用MgO层包封电路的除了与所选互连线相关联的那些之外的所有区域来实现该行为。制作过程涉及在具有MgO(150nm)或SiO2栅电介质层和Mg(250nm)源电极、漏电极以及栅电极的晶体管中掺杂Si NM。尽管不要求，使用促进粘合的薄Ti层提高产率。Ti的典型的厚度是5nm。通过在薄的MgO粘合促进层(10nm)的顶部沉积Mg(150nm)来形成使用这样晶体管的逻辑门之间的互连线。金属迹线被延伸超出该粘合层的边缘，以确保与晶体管电极的有效电接触。如上文所描述的,以合适的图案沉积最后的包封层(MgO，400nm)。用聚酰亚胺遮蔽掩模和电子束蒸发执行所有图案化步骤和沉积步骤。
崩解晶体管
替代单个Si NM，可以使用窄Si纳米带(NR)阵列，作为一种通过可以增强扩散性质量输送的崩解过程来加速瞬变的方法。在该情况下，制作开始于使用先前部分中所描述的步骤来限定掺杂的Si纳米带阵列。然而，在此，掩埋的氧化物仅部分从Si NR下方移除，然而在介入区完全被移除。接下来，图案化光刻胶层(AZ 5214)形成了结构(即，锚筋；10μm×50μm，1.5μm厚)，在第二蚀刻步骤期间，该层光刻胶形成的结构将Si NR限于它们光刻限定的位置，以完成移除掩埋的氧化物。接下来，Si NR阵列被转印印刷到涂布有丝层的单独的硅衬底上。在选择的区域上穿过聚酰亚胺遮蔽掩模的MgO(150nm)蒸发限定栅电介质和粘合促进层。最终，通过类似的步骤限定源电极、漏电极和栅电极(Ti/Mg，5/200nm)，以完成器件。
硅的溶解测试
执行了一系列Si NM溶解测试，以研究该过程的详细的动力学。出于该目的，测试结构是3×3μm方形几何结构的NM阵列,通过光刻和RIE形成在SOI晶片上。研究了35nm、70nm和100nm的厚度。在室温下或接近人体的温度(37℃)的温度下，将样品放置到50mL的1.0M磷酸盐缓冲盐水(PBS，pH7.4，Sigma-Aldrich,美国)中。每两天将样品从PBS溶液中移除，以通过原子力显微镜(AFM，Asylum Research MFP-3D,美国)测量Si NM的高度。每隔一天更换PBS溶液。
高分辨率模版掩模
丝对光刻中常用的溶剂和工艺的灵敏度促使了用于图案化金属和电介质的高分辨率遮蔽掩模技术的使用。所要求的模版掩模由均匀的聚酰亚胺(PI)膜(12.5μm，Kapton,Dupont,美国)制成，具有以期望的几何结构蚀刻的开口。制作过程开始于将这样的膜附接到涂布有10:1的聚(二甲基硅氧烷)(单体：催化剂，按重量)(PDMS,Sylgard 184,DowCorning,美国)的载玻片上。通过电子束蒸发来沉积金属层(Cr/Au,10/150nm)，使用光刻来图案化和用湿法蚀刻剂进行蚀刻。在通过利用氧气(O2)的RIE干法蚀刻穿过PI膜期间，金属用作硬掩模。蚀刻之后，通过湿法蚀刻移除金属掩模，且图案化的PI膜被小心地剥离，以形成高分辨率模版掩模。
包封
使用若干不同的包封层控制溶解速率。研究该过程所使用的测试结构涉及载玻片上的Mg(300nm)迹线。所述迹线的多个部分被涂布有各种包封材料：MgO(400nm或800nm)、丝、PLGA(聚(乳酸共-乙醇酸)85:15，Mw 50,000-70,000、Sigma-Aldrich,美国)或胶原膜(Devro,美国)。对于丝包封，重复若干涂布和处理周期：将样品滴到丝溶液中，在65℃下干燥，用甲醇处理以增加β片层含量，且然后干燥。使用多次涂布和随后的甲醇处理以增加丝膜的总厚度。通过在待涂布的区域周围放置装入的PDMS来涂布PLGA，且内部体积填满PLGA溶液。该溶液被允许蒸发，仅留下PLGA作为包封层。使用浓缩的PLGA溶液将胶原膜附接到玻璃边缘，然后该浓缩的PLGA溶液被允许干燥，在胶原与玻璃之间留下固态但柔性的粘合层。图13中示出了结果。
在器件级研究瞬变和瞬变的可调谐性
除了瞬态材料的溶解速率，还在器件级研究了行为且验证了控制瞬变的策略。具体来说，首先构造若干不同的瞬态器件，包括n沟道MOSFET、硅二极管、逻辑门(NAND)和Mg电阻器。除了Mg电阻器以外，制作过程开始于针对Si NM(300nm厚)的高温掺杂工艺，如先前部分中所描述的。该类型的转印印刷的Si NM用作半导体层。通过PECVD沉积的SiO2层(100nm厚)用作个体MOSFET的栅电介质以及被用在NAND门中的栅电介质。类似的层(但具有400nm厚度)提供中间层电介质。电极由通过电子束蒸发沉积的Mg(300或400nm厚)组成。该器件布局出现在图24中。
MgO包封层(400nm厚)和结晶的丝(大约70μm厚)提供了对水的瞬态阻挡。在所有器件情况下，系统配置允许通过连接到器件的远程定位电极焊盘连续探测电学属性，器件浸入在由PDMS制成的可移除井(well)所含有的水中，如图25中。图26中总结的结果示出具有两个截然不同的时间量程的动力学：第一个，且最长的，对应于包封层中的瞬变；第二个是由于器件中的有源层的溶解，其中首先发生Mg的消失。这些行为例示了器件级的瞬变。结果还验证了采用在器件运行中不起主动作用的材料(即，包封层)来限定瞬变时间的能力。以该方式，可以以独立于电功能的方式设计瞬变时间。
可植入RF超材料天线中的瞬变的体内研究
为了研究体内瞬变，建造了整体尺度约1.35cm×1.35cm的超材料天线(由400nm的Mg制成且涂布有600nm的MgO作为保护层)，设计谐振频率为约1.8GHz，在未处理的/水可溶解的丝膜(约50μm厚)上，该未处理的/水可溶解的丝膜被包封在丝的囊(pocket)状容器(约2cm×2cm大且每侧上约100微米厚)中，该囊状容器被处理成水溶性的且使用若干丝滴作为粘合剂沿着边缘通过热压印密封。当在雌性白化斯普拉-道来氏大鼠的皮肤下植入时，该构造防止器件与周围组织之间的直接接触。在该情况下，主要通过生物流体穿过丝囊边缘的扩散限定瞬变。在包封过程之前和之后且在植入前，通过网络分析器(HP 8753D)测量谐振响应来检查该天线。记录在第0天(植入之后立刻)、第4天、第8天和第15天(当天线的响应几乎检测不到时)的体内响应，如图6c中示出的。其后取回该器件，用微弱的信号和不连贯的(disconnected)Mg迹线示出了到组织基质中的再吸收。
由瞬态、无线热治疗器件提供的体外细菌抑制测试
器件被放置在约3毫米厚的载有大肠杆菌(Escherichia coli)细菌(ATCC 25922,美国典型培养物保藏中心,弗吉尼亚马纳萨斯)的琼脂板下方。根据提供的说明，细菌被复原并扩大，且液体培养物生长18-24小时，到达0.8的光学密度(OD600)(对应约107CFU/mL的活菌数)。三个不同的器件结构被分开检查。前两个是对照，由Mg电阻器和Mg RF感应线圈组成，都在隔离中。第三个是完全功能器件(即连接到Mg RF感应线圈的Mg电阻器)。在所有三种情况下，在80MHz下通过具有分开定位的初级线圈(1匝，直径＝5cm，12AWG)的外部RF源来施加无线功率，该外部RF源的输入是约33dBm(即2瓦特)。使用热成像摄像机(FLIR SC645,FLIR公司)实时监测载有细菌的琼脂板的温度分布。图像示出了在对照样品的情况下可忽略的加热，而对于功能器件，在该板的中心(对应加热器位置)被加热到约50℃。在加热约30分钟之后，该琼脂板被整晚放置在37℃的培养箱中以允许菌苔生长。肉眼检查显示在由器件引起的加热区域中细菌局部缺失，而对于对照则没有显著的变化。在图27中示出了结果。
溶解模型
单层(硅或镁)溶解
Si可具有一薄的天然SiO2层(几纳米厚)。通过在接下来的部分中给出的双层(SiO2/Si)溶解模型来解释天然SiO2层对Si的溶解的影响。从图9中示出的PE-CVD SiO2实验获得SiO2的反应常数和扩散率如在室温下k＝1.5×10-6s-1,D＝1.0×10-16cm2/s(图9b)和在体温下k＝3.0×10-6s-1且D＝2.0×10-16cm2/s(图9c)1-3。在图29中示出了有关的AFM研究。由双层溶解模型给出的结果(例如，Si完全溶解的临界时间)与没有薄SiO2层的情况相同。这表明薄SiO2层的影响是可忽略的。
反应扩散方程(1)的边界条件(图28a)是在水/Si界面处恒定的水浓度是在Si的底部表面处零水通量初始条件是零水浓度w|t＝0＝0(0≤y<h0)。通过分离变量的方法获得解。
其与反应常数k的乘积给出了Si中水的质量(每单位体积)，这进而给出了溶解的Si的质量(每单位体积)将是[kwM(Si)]/[4M(H2O)]，这是因为四个水分子与一个Si原子反应。其在厚度方向y和时间t上的积分给出了溶解期间的净Si，如
对于本研究中的k和D，上述方程的左侧上的和是可忽略的，这导出方程(1)。
针对Mg修改方程(1)，这是因为两个水分子与一个Mg原子反应，
其中ρMg＝1.738g·cm-3是Mg的质量密度。对于Mg初始厚度h0＝300nm和初始电阻(每单位长度)R0＝1.06Ω/mm,图4e中的电阻(每单位长度)R＝R0(h/h0)-1与反应常数k＝1.2×10-3s-1和扩散率D＝6.0×10-12cm2/s的实验非常符合。在此针对Mg的k和D远大于针对Si的k和D，这是因为水-Mg反应快的多(几小时溶解Mg对比几周溶解Si)。方程(2)给出了Mg完全溶解的临界时间tc＝38.4分钟，该tc值与实验中断路的40分钟非常符合。
双层(MgO/Mg)溶解
在图28b中示出了Mg层和MgO层的局部坐标系，分别由下标1和2表示。对于Mg，具有在底部表面处的零水通量条件和初始条件的反应扩散方程是
对于MgO，具有在水/MgO界面处的恒定的水浓度和初始条件的支配方程是
浓度的连续性和穿过MgO/Mg界面的水分子通量要求
和
通过分离变量的方法获得方程(S4)和(S5)的解，为
其中由下式给出常数E和F
从下列等式确定特征值λn(n＝1,2,3,…)
且由下式给出Cn
由下式分析地给出了电阻R
上述电阻(每单位长度)非常符合针对400/800nm厚度的MgO包封的实验，其分别具有1.04/1.15Ω/mm的初始电阻(每单位长度)。MgO的反应常数和扩散率是k2＝5.0×10-4s-1和D2＝4.9×10-13cm2/s,然而Mg的值已经在图4e中被确定为k1＝1.2×10-3s-1且D1＝6.0×10-12cm2/s。
当方程(S10)中的电阻接近无穷时，达到断路临界时间tc，其给出
对于本研究中的反应常数和扩散率，上述方程的左手侧上的和是可忽略的，其导出
其分别为400nm和800nm厚度的MgO包封给出了3.5小时和13小时的临界时间，这相当好地符合图4e中的实验。
丝覆层为水扩散到MgO/Mg层中提供了阻挡层，且通过可在丝中实现的最大结晶度cmax的百分数φ控制有效扩散。然后获得丝的结晶度为c＝φ×cmax。在水/MgO界面处恒定浓度的边界条件由替代方程(S5)中的获得的两个丝覆层的电阻分别非常符合针对45.0％的φ和89.8％的φ的实验(如图4e中示出的)。
具有与时间相关的反应速率常数的溶解模型
在许多情况下，净反应的反应常数可以随时间消逝而减小。当该反应常数为通用形式k(t)时，获得了反应扩散方程的解为：
其中对于小如实验中的，上述解可以被简化成
类似于方程(S2)，可以获得Si NM的厚度为
对于反应常数随指数衰减k(t)＝k0e-t/τ，导出SiNM的标准化厚度
对于k0＝7.9×10-6s-1和τ＝23天，图30示出了从方程(S16)的预测与实验测量非常符合。与被选择成独立于时间的反应常数k 5.0×10-6s-1相比，k(t)的参数是合理的，因为在第20天时k在初始反应常数k0与反应常数3.3×10-6s-1之间。
用于可植入RF超材料天线的体内瞬变的模型
Q因子通过Q＝XL/RL与电感器的感应电抗XL和电阻RL相关。忽略XL的小变化，可以从电感器的厚度和双层溶解模型容易地获得通过其初始值标称化的Q因子，具有97.0cmax％的结晶度。
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实施例3
通过本发明人的近期工作建立了新的硅基电子器件技术，该电子器件技术能够以受控的方式随时间逐渐消失[1]。“瞬态”器件在该意义上形成了不能够用常规电子器件解决的应用可能性，如在医疗上有用的时间框架内存在而然后完全溶解且通过人体再吸收消失的主动植入物，或为避免回收而消失的可现场部署的信标。本发明人已验证了用于该类型的互补金属氧化物半导体(CMOS)电子器件的一组材料、部件、理论设计工具和制造方法，连同不同类别的传感器和致动器、电源供给选项和无线控制策略。以可植入模式递送热治疗的瞬态硅器件解决了因抗药性细菌导致的手术部位感染的问题且其在动物模型中的验证例示了该技术的系统级实施例[1]。完全瞬态RF提取器件和部分瞬态无线电发射器证明了实现与许多军事应用相关的基本构造块的能力[2]。
上文所描述的瞬态电子技术基础缺少两个关键能力：(1)路由至压电和光电部件，以及(2)用于编程或“触发”瞬变的低功率方案。本发明的器件解决了这两个问题。针对第一个问题，ZnO被用作水溶性半导体，其中水解影响瞬变。对于机械能量采集器、发光二极管和透明导体中的应用，ZnO的大的直接带隙和强压电响应使得它对Si是有用的补充。先前的研究验证了ZnO是水溶性的[3，4]和生物可兼容的[5]，且验证了它能够被用在多种半导体器件中。图31示出了在水溶解期间在多个时间收集的ZnO纳米棒的扫描电子显微图[摘自3]。本实施例关注ZnO与其他水溶性材料(例如，Mg、MgO、Si、SiO2、丝)的集成，以生产出完全瞬态部件。
研究了两个部件。第一个是薄膜晶体管(TFT)。过去的工作已验证透明的TTF使用如下三种之一的方式沉积ZnO：分子束外延、溅射以及溶胶-凝胶/溶液法。ZnO的电学和半导体属性(迁移率、电阻率和载流子浓度等)取决于微结构，特别是晶粒尺寸[6]。能够通过在升高的温度下沉积、通过在退火工艺期间晶粒生长[8,9]或通过调整溅射压力[10,11]来设计晶粒尺寸[7]。退火工艺还能够帮助掺杂物活化[12]。还可以通过在溅射期间添加O2来调整电学属性[13]，尽管仍能够通过仅在Ar中溅射来制作TFT。
能够通过在室温下溅射然后低温退火或根本没有退火来将柔性ZnOTFT形成在塑料衬底上[14,15]。该类型的顶部栅和底部栅TFT都是可能的，尽管底部栅TFT的设计更常见[13]。利用该布局提供了高掺杂、转印印刷的硅纳米膜作为栅电极，以及通过PECVD沉积的SiO2层作为栅电介质。ZnO的低温溅射而未退火形成了沟道，且使用为瞬态硅器件开发的方法沉积Mg源电极和漏电极。用于图案化ZnO的典型蚀刻方法与丝不兼容，但两个策略避免了该约束：(1)直接在丝上的、所有使用精确遮蔽掩模的附加处理，以及(2)作为最后步骤，以与转印印刷到丝兼容的可剥离形式完成在硅衬底上的制作。
由于浸没在水中，在瞬变之前和在瞬变期间测量电学属性。文献中报道的ZnO TFT的属性被广泛地改变。开/关比通常在103与105之间。器件迁移率高度取决于微结构、沟道几何结构以及处理条件。报道的值位于0.02cm2/(Vs)与4cm2/(Vs)之间。因为瞬态ZnO器件的开发涉及许多新挑战，所以本发明的器件的性能目标位于针对非瞬态版本报道的边界值之间：对于开/关比是103且对于迁移率是0.1cm2/(Vs)。
在此描述的第二个类别的器件是机械能采集部件，该机械能采集部件利用关于ZnO作为PZT的环境友好替代物的先前工作。基于ZnO的应变传感器和能量采集器件常常使用纳米结构(即，纳米线)，以实现与柔性衬底的改善的集成[16]。用于实现与薄膜类似的机械结构的本发明技术提供了到高性能的可扩展路径，复杂度降低且改善了与已有的薄膜器件构架和处理方法的兼容性。
ZnO膜已经被用在PI上作为压力传感器[17]且被用在PET上作为悬臂式微发电器[18]。该微发电器包括在两个金属触头之间的ZnO层，在本发明的情况下金属触头是使用Mg形成的。性能目标包括约1V的断路电压和0.25μW的总输出功率，这与文献中报道的非瞬态形式的ZnO薄膜器件的范围一致。与TFT一样，测量器件特性和探讨瞬态行为。
对于在这些系统和其他系统中触发的瞬变，本发明人探讨了两个不同的方案(1)当在纳米尺度实施时，电致热毛细效应或光致热毛细效应提供了引起薄膜中的流动的低功率手段，以及(2)酶促引起的丝降解。在第一种方法中，表面张力和湿润特性的与温度相关性导致质量以由温度梯度限定的速率且沿着由温度梯度限定的方向输送(而不是由温度变化限定)。先前已经使用这样的现象来以编程的方式移动表面上的液体液滴，在该方式中热梯度小到每毫米几度足够了[19]。
本发明人的近期工作示出了相同的物理现象能够在每微米几度的温度梯度下使分子玻璃薄膜中的有意义的流动成为可能。图32示出了碳纳米管阵列上的分子玻璃(Mg2OH)薄膜中的选择性热毛细流动的原子力显微图。在具有每微米几度的梯度的低温下，金属管中的选择性焦耳加热导致上覆的玻璃中的热毛细流动。在策略布局中，用提供局部焦耳加热的窄电极来实施，这样的流动能被设计以导致导电迹线中的电气开口(opening)。例如，结果能够改变或消除集成电路中的功能。替代地，这些流动能够将下面的材料暴露于影响整体系统中的瞬变的周围环境。
为了其在触发瞬变中的使用，该过程的基本机制对于建立清楚的工程设计方法是重要的。图33示出了能够捕获基本物理现象的初始模型的示意图。在此，膜的局部加热减小了表面张力γ，对于大多数材料，表面张力γ相对于局部温度T是线性的。不均匀的温度产生了与表面张力的梯度成比例的热毛细剪切应力τ，热毛细剪切应力τ将液体或粘滞固体拉向表面温度较低的区域。由纳维尔-斯托克斯方程得出的支配方程是
其中h(x,y,t)是液体或粘滞膜的位置和与温度相关的厚度，t是时间，且μ是剪切粘度。该方程与适当的初始条件和边界条件可以一起被数值地求解以确定与时间相关的膜厚度，这对于触发瞬变是关键。还将为长期行为建立分析解法，这能够提供对于工程设计有用的标度律。例如，能够示出热功率Q0、膜的热传导率kf和初始厚度Hf、环境温度T0以及表面张力(γ＝γ0+γ1T)的系数γ0和γ1出现在单个组合中以控制过程。
除焦耳加热之外，以范围从共形涂层[20]到体膜[21]到3D光子晶体[22]的形式，探讨了在掺杂有金纳米粒子的丝中的光致加热。在这些材料中，等离子体谐振以能够影响体材料(通过丝晶体矩阵的热致改性)和掺杂的丝衬底与器件之间的界面的方式增强了光吸收。后者提供了用光来触发器件崩解的途径。通过不同区域或不同层的选择性掺杂和/或入射光的聚焦能够获得局部加热。
掺杂物选择：半导体(如CdSe和CdTe)和金属(如Au和Ag)都是掺杂物的候选物。具有强等离子体谐振的金属是优选的。金被广泛地用于光热应用，且由于其生物可兼容性,因此是植入应用的良好选择。然而，由于银纳米粒子更强的等离子体谐振，因此其生成的热量远高于金纳米粒子(是10倍)，且因此可以是用于不可植入的应用(例如，安装至皮肤的器件)的良好选项。
形状和波长：对于Ag-NP和Au-NP，固体球形纳米粒子(NP)示出了等离子体谐振分别在约400nm和530nm，对于代表性的尺寸，具有以可预测的方式随尺寸转移的波长。例如，对于可植入的应用，能够将等离子体谐振转移至红光(650–900nm)，以利用低组织吸收以及相关的改善的渗透。
对于不可植入的应用，Ag-NP或Au-NP能够被用来用蓝光或绿光远程生成热量。能够通过下述方程分析地计算生成的热量Q以及局部温度增加ΔT，该方程是:
其中E0是入射辐射的幅值，且εNP和ε0分别是NP和周围媒介的电介质常数。
其中r是距NP的中心的距离，k0是周围媒介的热传导率，且VNP是NP体积。
通过结合(1)和(2)，能够示出由下式给出的最大温度增加(在r＝RNP处，NP的表面发生)，该式子：
其中I0是光强度，且当NP半径远小于入射波长时，温度增加与NP半径的平方成比例，即，例如，便携式激光指示器在约532nm下具有15mW的输出功率且约1nm(未聚焦)的光斑尺寸，对应于I0＝1.91W/cm2的光通量。
表1.用水媒介中的一些商业Au NP生成的功率和温度增加的预估值。
★:Au-NP被产生和被用于掺杂Au-NP的丝实验。
最直接的通过丝瞬变的方式是物理地改变其上建造有电子/金属部件的丝膜。基于先前关于丝的激光加工/切割的工作，所要求的温度是约200℃。本发明人成功地用具有10mW输出的聚焦激光指示器加工丝+Au NP膜。通过热毛细效应，能够通过仅仅几度的温度增加来改变可溶解的材料，诸如，Mg、MgO、Si、SiO2。假设NP掺杂的丝器件(7×1012粒子/mL,从1.4×1012粒子/mL开始浓缩,通过离心具有约15nm的直径)和约50mW(束直径：约1mm)的激光指示器可以获得这些值，约50mW(束直径：约1mm)对应于6.4W/cm2的光通量。忽略束发散，估计局部温度增加将是约200℃，该温度应足以崩解器件。除改变NP浓度之外，还能够用微透镜阵列压印丝膜，以增加能量密度和加速瞬变。通过用在一距离处的激光照射，从相隔一定距离的位置触发降解也是可能的。图34从左至右示出了Au-NP丝溶液中的吸收频谱和不同Au NP浓度的体样品的图像、当绿光(532nm)激光指示器照射时载玻片上旋铸的AuNp丝膜(2·m厚)的热图像，以及对应的测量的热分布(用FLIRSC-600热成像器取得的数据)。
除热机制之外，探讨了生物改性触发瞬变。具体地，提及了当暴露于(1)唾液蛋白酶激活的消化和(2)环境光和温度激活的消化，以及其他潜在的机制(如pH、盐、电场、压力)时，引起丝材料整体快速消失的丝的改性。在所有情况下，该方案涉及丝微米/纳米粒子、纤维、海绵、凝胶或作为用于功能丝材料的构造块的其他部件。这些件是用丝-结合肽或用丝-弹性蛋白共聚物束缚结合肽功能化的表面，其中丝-结合肽或丝-弹性蛋白共聚物结合肽也具有连接(触发)结构域(易受到作为触发物的环境输入的影响)。涂布有这些“连接体”的丝件在材料中提供用于快速激活的部位(弱键或易受影响的键)，导致本体材料整体性快速消失。例如，这能够以两种方式发生:(a)通过用自组装、涂布以及桥接部件(例如，用于结合的两个丝结合结构域和桥接易受影响的连接体)的三功能的连接体桥接丝件；或(b)通过使用丝-弹性蛋白嵌段共聚物以从环境触发物驱动转变。已经示出了这些策略的某些方面(如由构造块制作材料和双功能连接体设计)已经起作用了。该工作聚焦于动力学优化，以控制依赖环境输入的材料溶解。
部件设计可以涉及使用如在近期显微操作针研究中使用的那些成型方法形成复杂结构。(图35示出了丝中的显微操作针和显示成型到该操作针中以装载附加的药剂的微囊泡的插图)。替代地，能够通过碾磨或通过相位分离、声波降解法(能量)、脂质模板和其他模式生成粒子。能够通过pH、电场或有关的技术形成凝胶。能够通过天然丝纤维的选择性化学消化来产生微纤维。所有这些构造块或件能够被认为本发明的瞬态器件需要的材料衬底。
作为进行功能化的方法，利用丝嵌段共聚物系统和对三嵌段设计(如丝-连接体-丝)的扩展。双功能连接体促进了粒子之间的结合，以将该系统结合在一起。在中心的连接(触发)结构域能够包括对唾液蛋白酶有选择性的肽，以在暴露于唾液时促进材料整体性快速消失。二嵌段系统在许多格式中起作用且能够被用来在丝材料上自组装涂层，且基质金属蛋白酶(MMP)敏感的连接体已经被设计到丝中。在另一个方法中，丝-弹性蛋白共聚物能够被用作连接体，以提供可能的触发物的扩展集合。首先，能够生成温度驱动的触发物，例如当温度改变时材料从扩展形式到收缩形式的相变(例如，逆温度转化)。一个例是基于温度的变化控制转化。这些类型的肽的设计能够被扩展，以响应一系列的温度，使得当达到由该弹性蛋白嵌段中的氨基酸序列置换指定的临界温度时，该材料经历结构变化(这能够被编程以在接近冰点的温度到接近沸点的温度下驱动转化)。此外，能够将这样的设计从pH、盐、压力、电场以及其他扩展到将触发材料结构变化的环境输入阵列(表2)。由于这样的转化还能够导致材料压紧(例如，尺寸减小)，这样的变化伴随着与隔开的消化酶(例如，触发的蛋白酶XIV或糜蛋白酶的释放)的快速释放。
表2
丝嵌段(GAGAGS)2
弹性蛋白嵌段(GVGVP)4(GXGVP)(GVGVP)3
一旦组装成本体丝材料，则最大的挑战是连接件位置的可获取性。该特征必须被确定，以控制溶解或压紧/释放的动力学。通过一系列过程控制以及在这些连接件部位中本体肽的可能添加，能够解决该挑战。使用这些工具，制备改性丝溶液，以及生成在其他情况下是稳定的(如在水中不可溶)而当暴露于唾液蛋白酶时能够溶解的丝膜。图36示出了印刷掺杂有酶(HRP)的丝的实施例。暴露于TMB导致过氧化物酶经历比色反应且显示印刷图案。
此外，显示了用商业喷墨印刷机(富士Dimatix)制备丝墨的能力。商业喷墨印刷机和/或微喷嘴高分辨率喷墨印刷系统能够被用来在微米尺度和纳米尺度上制造AuNP丝图案。印刷图案被照射且被热监测，适合于与瞬态金属和氧化物相互作用。目标是限定微米尺度和亚微米尺度加热图案，当该微米尺度和亚微米尺度加热图案暴露于适当波长和适当功率的光源时充当局部触发点，以用于降解。这些结果用作基于Au-NP以外的掺杂物(诸如纳米克、量子点、纳米管、酶、功能化/改性丝等)为的不同类型的功能瞬态衬底的技术支持。
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实施例4
用于瞬态电子器件的材料。材料显然是可降解电子器件技术的重要部分，降解时间持续期望的范围(例如，在几分钟至几个月之间)。个体材料以及它们共同集合成的器件和电路限定了总体降解时间。例如，即使具有约0.5mm厚度的Mg膜在室温下在几十分钟内经历完全水解，涂布有高结晶丝的Mg迹线要求更长的时间。该实施例概述了提供期望的行为的材料和层架构。
瞬态导体。Mg被用作起点，这是因为Mg已经被用作用于可再吸收的血管内支架的结构材料。Mg合金主要产出三元系统，小量(通常按重量10％)Al、Ag、Ca、Li、Mn、Si、Sn、Y、Zn、Zr和稀土元素[2]用于Mg合金。探讨了这些合金的电学属性和再吸收速率。例如，在一个研究的实施例中，镁铝锌合金(具有3％的铝、1％的锌)具有的体电阻率几乎是纯Mg的体电阻率的两倍，但体溶解速率和薄膜溶解速率显著较低(在生理和环境相关pH范围下，约是1/4)。通常，较高的铝浓度使体降解速率(例如，AZ61或AZ91)变慢。缓慢再吸收对于如下器件类别可以是特别重要的，该器件类别要求可再吸收系统中的电极与生物系统(例如，生物可再吸收的电生理学监测器)或水感测环境(例如，生态可再吸收的传感器)之间的连续接触。出于这样的目的，感兴趣的是W,这是因为W先前用在可再吸收栓塞线圈中。在此，W展现的再吸收速率(由于水解形成钨酸)远低于Mg或其合金的再吸收速率，如图37中公布的研究中示出的。图37示出了钨栓塞线圈的体外降解[7]。图38示出了具有植入的栓塞线圈的兔子中的血清钨水平[6]。W栓塞线圈的体内研究表明在再吸收期间增加的血清钨水平，但没有任何有害的生物反应[6]。W的体电阻率非常类似于Mg(5×10-8Ωm对4.4×10-8Ωm)。W与Mg的组合物(例如，作为覆盖层)形成附加的工程设计选项。
第三种金属是Fe，Fe像Mg一样已经作为用于支架的生物可降解材料受到关注。铁在水中通过首先氧化然后根据pH溶解成Fe2+或Fe3+而再吸收。体外测试表明Fe的降解速率远低于Mg的降解速率。另一方面，体内降解速率远低于由体外研究预测的速率[8]。该差异已经被认为是由某些不可溶解的化合物(如，由与身体中的磷酸根离子反应形成的磷化铁)对铁表面的钝化造成的。Mg、Mg合金、W和Fe的组合可以为可降解电子器件中的导体提供必要的能力。
瞬态电介质。对于MOSFET中栅电介质和集成电路中的层间电介质，SiO2和MgO具有满足所有要求的强劲的潜力，如通过对这些系统中的降解速率和动力学的研究所示出的，与建模进行比较。单个层中的这些材料，或具有金属(如W)和生物有机聚合物(如丝)的多层配置中的这些材料，能够被用作包封物，以控制总体再吸收速率。测量不同堆叠设计的水渗透速率。
镁合金。镁合金是正在研究的对纯镁支架的两个感知缺陷的解决方案：机械强度差和由于迅速腐蚀造成的机械强度快速消失[1]。镁合金有许多种类，但都具有数个共同的特质。合金元素被少量(通常重量10％)添加，大多数合金是三元的，且没有对任何一种镁合金的电学属性做过评估。测试的元素包含：Al、Ag、Ca、Li、Mn、Si、Sn、Y、Zn、Zr以及稀土元素[2]。镁铝锌合金是较常被研究的合金中的一些。
AZ31B(3％的铝，1％的锌)的体电阻率几乎是纯镁的电阻率的两倍，而且体溶解速率和薄膜溶解速率明显较慢。较高的铝浓度使体降解速率(例如，AZ61或AZ91)降低。图39示出了在多种二元镁合金降解期间的析氢(作为降解的量度)[3]。图40示出了Mg合金和Zn合金在不同pH下的腐蚀速率的比较[4]。
钨。由于生物医疗植入应用优选钛和其他重量轻的金属，因此常忽视钨。然而，钨仍被用作作为栓塞线圈的一种可行的材料选择。作为栓塞线圈，钨已经被证明是可降解的，且对于类似体积的材料，降解速率远低于镁的降解速率。钨最终被转化成钨酸。
钨在人类中少量(<200ng/mL))天然存在[5]。当钨栓塞线圈降解时，体内监测动物和人类的血清钨水平；尽管血清钨水平显著增加，但在植入部位处没有检测到生物反应和炎性反应[6]。然而，钨酸已经被鉴定为是仅当直接施加到大脑时引起癫痫的物质。
与镁相比，钨的电学属性是有利的。钨的体电阻率与镁非常类似(5×10-8Ωm对4.4×10-8Ωm)，因此用少量的钨替代或覆盖镁不会显著地影响器件性能。图37示出了钨栓塞线圈的体外降解。图38示出了具有植入的栓塞线圈的兔子中的血清钨水平。
铁。像镁一样，作为生物可降解的支架材料的铁已经得到了关注。铁的结构性能超过了镁的结构性能，且更接近SS316——支架中不可降解的标准物。铁如下进行降解，首先氧化，然后通过与水反应溶解成Fe2+或Fe3+，其中形成的离子取决于环境的pH。铁在身体内极为常见，且铁对于许多生物学过程是重要的。体外测试示出了降解速率慢于镁。然而，体内降解速率远超过用体外研究预测的速率[8]。这已经被认为是由除氧化铁之外的某些化合物对铁表面的钝化造成的。磷化铁是一种可能的候选物；磷酸根离子容易在身体内存在，且磷化铁在水中是不可溶解的，这可以解释显著减小的降解速率。图41示出了铁(Fe)的体外降解测试期间的降解速率[8]和溶液铁浓度[9]。图42示出了铁在电解液中的积累与时间的关系。
胶原/明胶。胶原的三股螺旋结构赋予了其强度和耐化学性。作为蛋白质，胶原与丝心蛋白共享一些特征。胶原酶促地降解成明胶和更短的链。胶原酶将三股链分开且将它们分解成多个碎片。随着片段越来越小，明胶酶和其他溶解蛋白质的酶能够参与[10]。
胶原通常仅在强酸或强碱溶液中可溶解，且仅少量溶解。该耐化学性使它更耐受标准处理，但是当涉及光刻时两个关键缺陷出现。首先，制得的胶原膜的表面粗糙度相当高，使旋涂光刻胶困难。此外，随着结合水分子被驱离，在高温度下胶原膜将变形。而且，胶原在某些光刻胶显影剂(基于TMAH的,高碱性的)中会试图溶胀。由于膜的表面粗糙度，通过绝缘氧化层将胶原与显影剂分开是不可能的。因此，明胶是用作衬底材料的更可能的候选物，尽管其整个寿命将大大减小。
明胶能够被容易地溶解、旋铸以及与其他聚合物混合。像胶原一样，明胶在丙酮中是不可溶解的，透明明胶(干燥的，因此所有结合水被蒸发)在高达200℃时是稳定的。然而，像胶原一样，明胶在碱溶液(如TMAH)中易于溶胀。明胶能够被氧化层部分保护(已经获得了一些成功)，但是低温度沉积可以将氧化层限制为是低质量的，且最终限制为是无效的保护层。
聚乙烯醇(PVA)。其可降解的性质已经被用于生态友好的产品包装，且其高电介质常数(εr约10)使它成为用于有机电子器件的常用栅电介质材料[11]。然而，PVA的特性高度依赖于水含量，水含量会受湿度和其他环境变化影响。它对水还是高度可渗透的。这些不稳定性已经限制了其作为有效封装材料的使用，从而选择其他聚合物(像PLGA)作为用于有机电子器件的衬底材料而非PVA。
聚(乳酸-共-乙醇酸)((PLGA)。在生物降解是重要的或必要的情况下，PLGA是通常使用的聚合物。其多能性允许许多不同的应用，从纳米粒子药物递送到生物可降解的支架和支架涂层。能够通过变化分子量以及乳酸与乙醇酸的比来改变PLGA的特性。PLGA在水中缓慢地溶解，且在溶剂(像丙酮)中相当迅速地溶解。丙酮溶解性使它不能作为基于提离的光刻的有效衬底。此外，蒸发到PLGA上的镁膜在几分钟内扩散到PLGA中或被PLGA溶解；当使用钛粘合层时不会观察到该现象。
使用PLGA衬底的先前的工作[11]在沉积期间使用主动冷却和不反应的金属(银或金)。图43提供了PVA和PLGA的化学结构、器件几何结构以及降解测试[11]。不知道其他生物可降解的金属直接沉积到PLGA上时是否将经历类似的降解，尽管PLGA与镁[12]和氧化锌[13]之间络合作用表明可预计类似的反应性金属会有该现象。
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实施例5
制造。由于固有的有限运行(以及物理)寿命，因此对于实际的可降解电子器件技术，低成本制造是重要的要求。半导体工业中使用的工艺是不适用的，这是因为许多可降解的材料与已有的溶剂、光刻胶、显影剂、曝光技术以及蚀刻方法不兼容。在此开发的制造策略涉及两个主要步骤(1)转印印刷，以允许用Si NM制造，且最终，部分形成具有可降解衬底的器件子部件，这些器件子部件通过现有铸造厂源获得。以及(2)电流体动力喷射(e-jet)印刷，以在这些器件之间形成可降解的互连线，以及用于功能系统的包封件/封装件。
微转印印刷。使用微转印印刷(μTP)[1]技术，其目标是以高速、卷到卷(roll-to-roll)制造模式来实施。在“上墨”步骤中，μTP工艺使用软的弹性体印章来剥离由源衬底制作的固体材料微米/纳米结构，且然后在“印刷”步骤中，将该材料朝下放到目标衬底上。通过控制印章表面处的粘合强度(即，在上墨步骤中强的强度和在印刷步骤中弱的强度)的优化策略，整个过程能够是自动化的，以使高产出(>99.9％)和定位精确(<1微米)成为可能。图44提供了该工艺的示意性例示和代表性工具的图片。
验证了基于μTP的材料和集成策略，该材料和集成策略允许将高性能电子系统和光电系统建造在非常规的衬底(包括橡胶板)上。核心策略依赖于包含以良好对准的阵列格式形成在硅、砷化镓或磷化铟的源晶片上的无机半导体纳米带/膜/线的“墨”[1,2]。该类型的策略能够与SiNM一起使用，以形成可再吸收的电子器件。该工艺的关键特征在于，以密集封装(close packed)布局方式在硅晶片上形成的Si NM能够被取回且以匹配系统要求的区域覆盖方式将其递送到目标衬底。该能力对于有效率的利用材料以及低成本是至关重要的。为了突出该点，图45(左)示出了以该方式印刷到柔性塑料片材上的半导体元件的稀疏阵列的一个实施例。
开发了专用于可降解的电子器件的以高速、连续、辊轴印刷模式使用μTP的基本知识和工程知识。尤其，探讨了软的、范德瓦耳斯力粘合物理现象，其中结合强度取决于在针对性设计的印章与源衬底之间的界面处施加的力的方向。图46a中的例示示出了这样的印章中的单个浮雕特征，以及其本身非对称接触角(θa和θb)。由于θa大于θb，当在竖直方用力F2向上拉印章时，在印章衬底界面处将优先地从右拐角开始出现裂纹。以一定角度向左拉动将加速从右拐角开始出现裂纹，从而导致减小的分离力(F3<F2)。当以一定角度向右拉印章时，抑制了裂纹形成，导致增大的分离力(F1>F2)。以该方式，三种不同的拉方向导致三种不同的分离力(F1>F2>F3)。
由于两个原因，该方法是吸引人的。首先，有角度的几何结构使得分离力增强成为可能。当在μTP的上墨步骤中需要大的力来取回材料/器件时，该物理现象是重要的。其次，能够将与方向相关的粘合利用在包裹在圆柱形支撑件周围的薄印章中，以使得以连续、辊轴印刷模式高速运行成为可能。图46b和46c提供了例示。在此，该设计允许高粘合(F1)以用于取回，分别在辊轴印章的适当的旋转运动期间和源衬底的适当的平移运动期间(图46b)。对于相反的方向，粘合物理现象有助于用相对低的粘合(F3)来印刷(图46c)。如所描述的，可以连续地实施下述方案，在该方案中辊轴印章在一侧上取回器件/结构且将它们递送到另一侧上的目标衬底。在以与滚动方向正交的方向上周期性地标引源衬底、且将它平移回到其起点将允许上墨过程发生在不同区域中，直到该源上的所有材料被消耗完。可以根据需要插入新鲜的源衬底。
理解粘合的方向相关性和整体强度这两个基本方面对允许它们的工程设计使用用于本目的是至关重要的。可以通过界面分层的力学模型来分析关键物理现象。高度为h的柱经受竖直分离力F以及通过柱/衬底界面被施加在该柱底部处的剪切位移u。非对称的分离力F导致该柱上的弯曲力矩Fhcotθa。剪切位移u给出了该柱中的剪切应变γ＝u/(h+0.421L)，[23]由于剪切，剪切应变进而导致弯曲力矩μγhL2，其中该柱的剪切模量是μ＝E/3，E是杨氏模量，且该柱被处理为不可压缩的。该柱上的净弯曲力矩是M＝Fhcotθa+μγhL2。在柱/衬底接触界面的不同拐角处的两个无穷小边缘裂纹中的任何一个可以扩展，从而导致分层。根据F和弯曲力矩M可以分析获得对应的应力强度因子。[24]为了限制消失的裂纹长度，由F和M或等价地由F和剪切应力γ分析给出由EL标称化的裂纹尖端能量释放速率
其中下标1和2分别表示在柱/衬底界面的左拐角和右拐角处的裂纹尖端，其中已经考虑了针对界面裂纹尖端的柱(PDMS)与衬底之间的大弹性匹配。[25]对于负剪切(γ<0,图46c)或在正方向上的相对小的剪切左裂纹尖端具有的能量释放速率大于右边的能量释放速率。当时，情况相反。一旦方程(1)中的左或右裂纹尖端能量释放速率达到界面断裂韧度Γ0，则裂纹扩展开始。该条件分析给出了临界分离力
其取决于标称化的剪切应变(h/L)γ，接触角度(h/L)cotθa，以及界面断裂韧度Γ0/(EL)。该方程向实验测量提供了清楚的连接点。这些类型的模型不仅用于引导辊轴印章的工程实施，而且用于为了进一步增加F1和减小F3而优化材料和浮雕几何结构。例如，通过将应力集中的点从边缘转移到接触区域的内部中，将内曲的浮雕特征添加到成角度的柱结构能够导致显著增强的粘合。结合科学研究和工程研究，探讨了这些效果以及粘弹性的影响。
从硅铸造厂器件到可再吸收的电子器件。
尽管使用来源于晶片且通过μTP组装的Si NM方案向可再吸收的电子器件提供了可行的方法，但是它们是非理想的，原因有两个：(1)它们要求器件处理且关键特征被限定在可再吸收的衬底上，以及(2)它们不能够利用已建立的用于硅集成电路制造的基础设施。第一个原因影响能够实现的功能性能和复杂程度，因为与可再吸收衬底可兼容性的要求强加在工艺选择中的严格约束。第二个原因实质上增加了成本以及环境影响，因为需要为可再吸收器件而建立具体配置的独立的铸造厂网络。本发明方法通过开发路径以将专门设计的铸造厂加工的晶片转换成用于可再吸收系统的部件构造块源来解决这两个限制。μTP被用作一种手段，不只是操纵Si NM，而且充分地处理来源于铸造厂加工的晶片的原始物或小电路元件。
关键的挑战是适配铸造厂可兼容的布局和可用的材料集合以用于本发明的目的。尽管初步的发现确立了Si和SiO2作为生物可兼容且环境友好的可再吸收电子材料，但是在商业集成电路中没有其他部件具有这样的特性。一个解决方法是在复杂度降低的布局和适于μTP的配置中，从铸造厂寻求超薄体绝缘体上硅(SOI)衬底上的集成电路和原始物。能够在铸造厂外执行的适中数目的附加步骤用可再吸收的导体(如Mg)替代了金属化层。图47示意性地例示了该工艺流程。在此，该布局允许接触到整个堆叠的金属化，以其移除且随后用可再吸收的导体将其替代；未改变硅、掺杂区、栅电介质和层间电介质(ILD)的横向限定，目的在于利用铸造厂能力。必须开发用于该材料交换的方案，以及用于移除SOI衬底上的隐埋氧化物(BOX)以制备用于μTP的部件的路径。可以使用湿法蚀刻和干法蚀刻技术的组合来完成第一个。作为替代方案，重掺杂的多晶硅层可以完全替代金属化，从而消除了对移除的需要。解决第二个挑战要求认真地研究移除BOX之后将部件系到下面的晶片的关键结构(即，锚定件)的断裂力学。由有角度的印章设计实现的粘合增强放宽了要求。图48提供了一个类型的锚定件设计的SEM图像，其在形成于SOI上的且然后通过蚀刻BOX而被剥离的非可再吸收的SiCMOS块中。
电流体动力喷射(e-jet)印刷。功能系统要求用于使可再吸收的部件互连的方案。为了有效地利用源晶片的面积，分辨率必须足够高，以允许个体部件上的小接触焊盘。由于其额外的性质和与许多各种不同的材料墨和衬底的兼容性，使用电场在高分辨率喷嘴的尖端处形成流体流动的方法被努力实现。先前的工作验证了：该物理现象提供了液滴生成和印刷中的扩展到深亚微米范围(约100nm)的分辨率，该分辨率超出用常规墨水喷射技术能够实现的最好的分辨率100倍[3]。图49示出了定制的e-jet印刷器，具有关键部件的示意性例示，所述关键部件包含墨室、受控压力源、金属涂布的玻璃喷嘴顶端、衬底以及定位台。背压、远离高度(standoff height)以及在导电喷嘴顶端与衬底之间施加的电压限定了印刷条件。相关联的电场导致墨中的移动离子在喷嘴顶端处的表面附近积累。离子之间的相互库伦排斥在液体表面上引入了正切应力，该正切应力连同对衬底的静电吸引使弯液面变形成泰勒锥形状，如[3]中所描述的。当静电应力克服液体与喷嘴顶端的内表面之间的表面张力时，液滴从该锥的顶端喷射。参考文献[7-9]详述了e-jet工艺的发展，包含新型感测技术、机器设计和印刷能力。
这些特征使e-jet成为对用于制造可再吸收电子器件的μTP的潜在有力的补充。然而，必须克服e-jet的科学方面和工程设计方面中的两个关键不足之处，以使其使用能够用于该应用：(1)分辨率和液滴定位对衬底的局部电学特性的灵敏性，以及(2)缺乏针对能够以连续的辊轴印刷模式实施的多个、平行喷嘴的设计。第一个问题引起通过μTP递送到绝缘衬底的可再吸收的部件之间的互连线的可靠的形成中的挑战。尤其，目标表面(即，金属、电介质、半导体)的局部电子属性的空间变化导致电场分布，并因此液滴尺寸和轨迹以可能难以适应的方式变化。图50示出了由e-jet印刷的代表性的图案，示出了形成导电线的电路状布置的能力(左)和亚微米分辨率的能力(右)。一种解决方案是用于e-jet喷嘴的耦合电磁流动模型，所述e-jet喷嘴把一个环形反电极包含到该喷嘴组件自身中。结果是，在系统中所有驱动电场被以从衬底解耦的方式限定。感应电流感测提供了一种建立反馈控制印刷过程的手段。图51示出了具有集成的同心环反电极的e-jet印刷喷嘴的示意性例示(左)和静电建模(右)。该布置可能消除衬底对印刷过程的影响。
通过扩展上文工作中的模拟能力来解决第二个缺点，以理解线性阵列中的相邻喷嘴之间的静电耦合。通过在独立的调整显微平台上单独地移动每个喷嘴单元来适应某种程度的衬底未对准的能力被包含到该设计中。类似的将是被常规喷墨印刷机用以调整打印盒校准的测试图案序列。10-20个不同的喷嘴以线性布置包含在总体印刷头中，能够相对于下面的衬底的移动方向精确平移。足够智能被局部地嵌入到每个单元中，以使得它充当自治实体，在没有外部帮助的情况下，其通过与网络处理系统和μTP模块通信而校准自身。
关于制造流程的一个重要方面是，在源自铸造厂的部件的级别下形成关键器件尺度和在许多情况下的最大需求互连线。通过允许使用小接触焊盘，该情形降低了对e-jet系统的产出量和分辨率要求，尽管在此小于常规喷墨印刷可实现的那些特征尺寸的特征尺寸对低成本地利用铸造厂部件是必须的。然而，注意到在商业制造中，可能的是，将在战略上与其他方法(诸如，喷墨和丝网印刷)一起使用e-jet，以形成分辨率、生产量和配准精度的最佳平衡。图52中出现了一种涉及μTP、e-jet和喷墨的集成工艺线，其具有限定配准标记的初始刻印(常规的，热凸印)步骤。在该系列中，只有通过e-jet和喷墨形成的图案要求配准。在此，光学图案识别系统使用通过μTP形成的结构和通过凸印步骤限定的浮雕的结合。
实施例6
使用玻璃上的、无线地为LED供电的Mg天线(2μm厚)来验证瞬态天线。Mg天线与电路板上的商业电感器、电容器以及二极管(整流器)集成。如图53中示出的，该电路工作在大约3米的距离(或约10英尺)处以给LED供电。
根据图54中示出的示意图和布局，生产瞬态RF功率提取器系统。RF功率接收器系统包含制作在SOI晶片上的电感器、电容器以及整流器。电路含有作为整流器的级联二极管和电容器以积累电荷。天线被制作在丝衬底上且被集成到SOI衬底上。电感器被用于阻抗匹配。商业LED被用于验证电路性能。表1示出了部件规格、材料和尺度。图57示出了充分瞬态RF提取系统的一个实施例。
表2.瞬态RF功率提取器部件规格、材料和尺度。
发现制作的Si整流器(PIN二极管)与商业二极管和GaAs肖特基二极管相当。PIN二极管工作达约300MHz。p-N串联电阻导致较低的运行频率(由于从金属到结点的距离)。可改变金属接触焊盘的设计，以降低该效应并实现更高的操作频率，如图55中示出的。图56示出了全波整流器。
使用具有在大约3GHz到大约12GHz的范围内的谐振频率和在大约4到大约6.5的范围内的Q因子的Mg电感器(Mg/SiO2/Mg；250nm/800nm/3μm)产生瞬态无线电装置。表2提供了四个不同的Mg电感器的规格，且图58示出了Mg电感器(a)和它们的对应的性能数据(b)。
表2.Mg电感器规格
瞬态无线电装置也使用图59a中示出的Mg电容器(Mg/MgO/Mg；250nm/200nm/500nm)。图59(b)-(e)示出了Mg电容器的性能数据。样品S2和S4示出了漏电流并显示电感，而不是电容。它们在较低频率下工作，但是由于漏电流充当较高频率下的大电阻器。最后的电路使用SiO2取代MgO，以允许较厚的电介质层，从而减少高频率下的泄漏。表3示出了部件规格、材料和尺度。
表3.瞬态Mg电容器部件规格、材料和尺度。
图60示出了具有无源瞬态部件(互连线和电阻器)的科尔皮兹(Colpitts)振荡器的实施例(a)、示意图(b)-(c)以及性能数据(d)。所述无源部件被集成到具有六种不同频率的LC谐振器的商业HEMT中。频率设计应该与电感器的最大品质因子匹配。在图60d中，振荡频率是28MHz，Vpp是0.65V，且Vdd是2V。
图61示出了用于包含Si CMOS环形振荡器的充分瞬态无线电装置的设计。
图62示出了通过e-jet印刷图案化Mg的实施例。
实施例7
瞬态电子器件可以被广泛地定义为新类别的器件，该新类别的器件具有通过若干个可能的机制(包含再吸收、溶解、吸收、腐蚀、水解、解聚或崩解)来以某个编程的速率物理地消失的能力。该瞬变的模式和速率能够被预先设置，实时调整、触发，和/或对部署环境的属性(如化学或生物事件、温度、压力或光)敏感。部署情境范围从与活的宿主(人类/动物/昆虫/植物/种子；在身上或体内)到常规室内/户外环境(诸如，建筑物、道路、材料等)。实施例包含被人体充分再吸收的(“生物可再吸收的”)植入的医疗器件和当被放置在水中时溶解(“生态可再吸收的”)的通信系统。瞬态电子器件提供了若干革命性且有意义的军用能力，包含隐蔽的ISR、简化的战场上的诊断和处理、改善的健康监测，专派任务人为表现增进，以及特种部队的众多应用。
为了实现瞬态电子器件，在从起始材料到部件到完成的产品的整个电子器件生产过程上要求关键技术突破。具体地，创新必须发生在下面的关键领域中：
1.材料，其展现了在与运行相关的时间量程上的瞬变与高质量的电子器件的构造和性能所要求的物理特性(例如，电导率、电介质属性、模量)的有用组合；
2.用于部件和器件的制造工艺和组装工艺与新的瞬态材料和设计相称。这包含新型方法，以合并、使能、编程、控制或增强复杂电子器件架构中的瞬变；
3.设计工具和性能模型。这包含设计策略、新型部件设计和设计权衡，以补偿由瞬态材料构造的电子器件的潜在降级的/折中的性能(与常规材料相比)；以及
4.用于使用瞬态部件的全局电路板性能的布局工具。
开发了由RF提取(例如，无线电力)供电的简单无线电装置，当暴露于水时，该无线电装置消失。该完全瞬态的器件包括在水中崩解的充分可再吸收的无源部件(电阻器、电容器、电感器和天线)和两个有源部件(用于无线电装置的MESFET和用于提取器的二极管)。所述有源部件的特征是利用可再吸收的互连线的新型分段设计，且整个无线电装置被构建在可再吸收的衬底上。此外，为了验证扩展功能，用环境敏感的线圈替代无线电装置中的基础RF拾波线圈(pickup coil)，以形成水可溶解的传感器/无线电装置。该器件被用来检测温度、水合状态以及化学浓度的变化，且播送结果。这样的器件可以监测和报告其自己的瞬变。图63中示出了水溶性电子器件的一个实施例。该无线电装置设计建立在生物可再吸收的电子器件中的、针对监测体内电学过程的近期工作上。
无线电装置是理想的选择，由于：(1)通信是军事行动的中心；(2)它们用作使能技术，其能够被联接到几乎任何器件以提供信息输入和输出；以及(3)具有适当的设计，它们能够本征地充当集成传感器和报告器。电源是所有瞬态电子器件的关键方面。RF提取避免了对板载电源的需要，且因此避免了对开发瞬态电池或电源的需要。最终，为可再吸收的无线电装置开发的原理、开发策略/途径、工艺流程、工具以及基础电子部件是容易推广的，且提供对开发任意复杂性的瞬态电子器件的基本且实用的深刻理解。
本计划的目标是开发用于瞬态电子器件的材料和制造技术。水溶性无线电装置提供了验证媒介。技术方法建立在近期开发的“丝上硅”和“塑料RF”电子器件技术。使用用于电介质和衬底的基于丝的材料和用于互连和金属化的镁开发了水溶性的无源部件(诸如，电阻器，电容器，电感器和天线)。对于如晶体管和二极管的半导体器件，硅和砷化镓与镁互连线和丝衬底一起被用在分段布局中，以实现当浸入在水中时崩解成小的不溶的块的器件。使用常规程序确定性能特性。图64示出了无线电装置的电路示意图和其通过柔性、塑料RF技术的物理实现。该系统由两个功能部分组成：从环境提取RF功率的模块(左)和使用来自提取器的功率发射连续RF信号的部件(右)。提取器模块连接到谐振天线。高速GaAs肖特基二极管通过移除电压中的负摆幅产生正平均信号。直接连接到地的电容器用作滤波和功率存储元件。该模块的输出连接到系统的RF发射器部件中的振荡器。发射频率取决于用作简单LC振荡器的一个电感器和两个电容器的谐振频率。由于电阻性损耗造成的振荡器中的信号的衰减被GaAs MESFET放大器补偿。该系统是超薄的、“塑料RF(plastic RF)”技术，如图64中示出的。图65呈现了该系统的某些个体元件(包含代表性MESFET和无源器件的集合，全部在聚酰亚胺薄片上)的特性，示出了对几GHz的良好的RF响应。表4总结了构造块部件。
表4.用于水溶性无线电装置的构造块部件。
背景：本发明人的近期工作提供了瞬态电子系统概念的首次验证，作为用于监测大脑或身体的其他部分中的电学过程的生物可再吸收的器件。这些结果表示该技术形式的最简单的实施方案，其中支撑衬底是系统的唯一瞬态部件。图66a示出了第一个实施例：建立在来源于蚕茧、薄的丝心蛋白片材上的超薄硅金属氧化物半导体场效应晶体管(SiMOSFET)的阵列。[1]丝是水溶性的和生物可再吸收的，具有能够在几秒和几个月之间调整的溶解速率，取决于工艺条件。该“丝上硅”技术的初步体内测试显示衬底随时间再吸收，仅留下Si MOSFET；没有观察到发炎、肿胀或其他不良反应(图66b)。
该类型的设计被利用在神经电极阵列中，其能够与大脑的高度复杂表面亲密集成，以用于高保真度脑皮层电图(ECoG)。[2]该器件由互连的、开放网状结构布局的超薄电极阵列组成，由薄的丝片材支撑。丝提供了用于处理和安装到大脑表面上的机械坚固性。该超薄网状结构设计提供了极其低的抗弯刚度和配合至曲线表面的能力。由毛细作用驱动，用盐水溶液的洗涤溶解丝且启动自发包裹过程。图67总结了在具有该类型器件的猫科动物模型上执行的体内神经监测实验。在每个电极电处测量的代表性ECoG信号的背景颜色例示了诱发的响应与来自整个阵列的所有响应的平均之间的零滞后互相关(zero lag crosscorrelation)的量级。结果表明对于超过90％的电极、具有高信噪比的生理相关数据。详细的对比研究表明由于在丝溶解时形成的低阻抗、亲密电极组织接触，因此该器件胜过所有的替代监测技术。
探讨了将其他水溶性的、生物可再吸收的材料添加到丝衬底上。作为一个实施例，提供了由作为丝上金属化的图案化的镁薄膜组成的结构。图68示出了该类型器件的图像，具有图67的ECoG器件几何结构中的镁特征。在该实施例中，整个系统溶解在水中，且在体内随时间再吸收。这两种材料——丝和镁——为在此呈现的瞬态电子器件技术提供了起点。
材料：对于该研究，使用三种基础可再吸收的材料：Mg(电导体)，丝纤蛋白(电介质和衬底)以及聚(乙烯醇)(替代的电介质或衬底)制作电子部件。材料的这种选择提供了电子器件的设计、构建和性能中的高程度的多功能性，且提供了与多种环境的兼容性。重要地，Mg[3],丝[1,2,4]，和PVA全部是生物可兼容的、生物可再吸收的、非致免疫的，且小剂量的、无毒的，因此对于与活的宿主集成的瞬态器件是理想的。Mg具有高电导率(2.3×105S/cm,近似地是Au的电导率的1/2)，Mg是机械坚固的，且是容易使用气相沉积加工的，所有关键特性适合电子器件制造。这与最好的有机导体(如PEDOT：PSS，CleviosTM)相反，最好的有机导体展现了低得多(达到103S/cm)和显著依赖温度的电导率；该类别材料的再吸收和毒性属性尚未被最终确立。由于非可再吸收的Si和GaAs是提供必要性能的唯一已知种类的材料，因此在已建立的器件设计中这些材料被用于有源电子部件。
由于通过在材料加工期间引入的结晶度(β片层含量)的变化，丝的溶解速率是容易地且可控地可调谐的(从瞬时到数年)，因此丝是用于瞬态电子器件的极具吸引力的材料，图69。[3]因此，丝既可以用作本征瞬态材料又可以用作涂层或包封物，以控制其他可再吸收的材料(如镁)的动力学。这为可编程瞬变提供了创建充当“生物钟”、定时器、“开关”(例如，类似于定时释放胶囊和药物配方)的分层结构的可能性。重要地，丝溶解自身通过化学和生物化学过程(如酶促降解)而被介导，因此，使得集成的感测/报告器件、“自毁”(即触发的瞬变)机制以及主动受控系统成为可能。
此外，当丝心蛋白与微电子器件交界时，其拥有良好的技术属性。在先前未发表的结果中[13]，丝已经被用作常规无机氧化物层(如SiO2或PMMA)的替代物。已经通过堆叠400nm厚的丝层作为栅电介质、n型和p型有机半导体(分别是N,N'-二-十三烷基苝-3,4,9,10-四羧二酰亚胺(P13)和α，ω-二己基-四噻吩(DH4T))、以及金栅电极和源电极，在玻璃/ITO衬底上制造电容器和其他器件。P13和DH4T是众所周知的且被广泛研究的材料且为丝的电子性能提供了理想的基准。在器件配置中测量的丝电介质常数是εS＝6，使它适合于该工作。
还探讨了替代的材料。研究了纯材料、材料组合物以及图案化策略，以实现在宽暂时范围上受控的可调谐瞬变。材料结构被制作成具有电子部件中发现的形状因子(formfactor)(尺寸、厚度、几何结构、纵横比)，且它们在水中的再吸收动力学在表示典型布置环境的条件(例如，温度、盐度、光强度)下被量化。此外，在器件运行的背景下探讨了针对更复杂暂时控制的策略，诸如按时间顺序的再吸收、多个瞬变机制的利用、抑制/促进、触发、加速/减速以及破坏性化学反应。
制造：由于所述材料与常规半导体器件加工中使用的基于水的过程的本征不可兼容性，瞬态电子器件的制作是极具挑战性。此外，在不降解丝、合成聚合物以及该工作中预想的其他瞬态电子材料的条件下，最令人感兴趣类别的半导体材料(例如，Si、GaAs以及其他)不能够被沉积、掺杂或蚀刻。然而，本发明人已经开发了适于瞬态电子器件的不同的图案化和集成方法，以克服常规工艺的限制。三种重要的方法是：
1)微转印印刷——近些年来，本发明人已经开发了用于将纳米尺度无机半导体材料确定性组装到感兴趣的衬底(范围从塑料片材[8]和橡胶板[9]到丝膜[1,2])上的类似印刷的方法。在该工艺中，通过半导体晶片的光刻加工形成的纳米带/膜被“上墨”到软印章的表面，且然后接触“印刷”到匹配器件要求的配置和布局。在该工作中，该技术适合于将GaAsMESFET和Si RF二极管印刷到丝衬底上。
2)精确遮光掩模——开发了用于在完全“干法”工艺中图案化蒸发的材料(例如，金属、电介质)的软光刻法的先进形式[10]。在此，被放置成与感兴趣的衬底接触的超薄、共形模板掩模能够使几微米的分辨率成为可能。在该工作中，该方法被用来图案化用于所有无源部件、互连线和用于分段有源器件的布线的Mg的特征。
3)电流体动力喷射印刷——已经发明了使用电流体动力效应的超高分辨率形式的喷墨印刷。在此，当施加电学偏置时，纳米尺度的引导喷嘴递送流体喷射到目标衬底上。可以以该方式印刷大范围类别的墨，具有接近约100nm的分辨率，比采用常规墨水喷射方法[11、12]可实现的分辨率高多于两个数量级。在该工作中，该技术被扩展以用于与丝溶液一起使用，以图案化高频率电容器和电感器中的电介质层。相同的方法被用来选择性地涂布集成系统的不同区域，作为控制相对溶解速率的手段。
表征：使用参数和矢量网络分析器和标准探测台设备，充分表征所有无源部件和有源部件的特性。确定关键参数，以针对目标量度评价性能。使用常规手段评估无线电装置和提取器系统的功能性。
RF电路系统描述
图70示出了无线电装置以及其以柔性塑料RF技术的物理实现的电路示意图。该系统由两个功能部分组成：从环境提取RF功率的模块(左)和使用来自提取器的功率发射连续RF信号的部件(右)。
提取整流器
无线电信号表示用于运行功率需求适中的某些类别的器件的功率源。提取器模块通过使用天线收集某些频带上的交流信号(AC)且然后通过经过高频半波整流器转换成直流信号(DC)来捕获环境辐射能量。天线与整流器之间的传输线匹配输入阻抗，以消除它们之间的信号反射。
图71示出了整流器的电路示意图，示出了当信号经过每个节点时，该信号的变化。该实施例中的模拟使用±5V的交变电压源，表示来自天线、1000pF电容器和D1N4449肖特基二极管的信号。在输入AC的负半周期期间，正向偏置的D1将C1充电到+5V。当该输入进入到正半周期时，反向偏置的D1和正向偏置的D2引起C2的上节点波动到+10V，当它对C2充电时其保持+10V。只要电容器的电荷耗散时间长于该输入周期时间，则来自该单个整流器的输出就停留在DC 10V。该模拟指示9.3V，这是由于二极管的电压降。对于一些电路系统，通过再添加一个完全相同的整流器能够使该输出DC电压加倍，如图中的第二级，其中C3被充电到15V且节点C处的输出电压是20V。该整流器输出处的大电容器用作功率存储元件。
发射器
发射频率取决于用作简单LC振荡器的一个电感器和两个电容器的谐振频率。通过用作小信号负电阻器件的GaAs MESFET放大器补偿由于电阻式损耗所造成的该振荡器中的信号衰减。图72示出了针对以简单的MESFET等效电路开始设计振荡器的过程。具有反馈元件X1和X2的器件的输入阻抗(VIN/IIN)等于
ZIN＝j(X1+X2)–gm X1 X2 (1)
其中gm是MESFET的跨导。振荡器使用两个电容器X1和X2，形成输入阻抗的负实数部分。只要该负实数部分比LC振荡系统的任何电阻式损耗大50％，则信号开始振荡。谐振电感器的加入使得从反馈负载晶体管的栅极看进去的净电抗仅在一个频率下等于零，因此通过下面的等式该振荡频率发生在该处。
紧挨着电感器的电容器被设计以匹配振荡器与发射天线之间的阻抗。
本发明人以超薄“塑料RF”技术验证了该系统，如图70中示出的。图73表示用于该系统的某些个体元件的特性，包含代表性MESFET和无源元件的集合，所有都在聚酰亚胺薄片上，示出了对几GHz的良好响应。图74示出了用于无线电装置的电路图，该无线电装置由提取整流器(左)和发射振荡器(右)组成。底部框图示出了发射器的模拟结果，其中发射频率是在1GHz处。
无线电电路系统规格
整流器部件
整流器规格
输入频率 2.4GHz
经整流的输出 1–3V
发射器部件
名称 部件 值 电路中的作用
Cc 电容器 4.56pF LC谐振器
RA 电阻器 1kΩ 源偏置
RB 电阻器 16Ω 匹配网络
LA 电感器 11.1nH LC谐振器
AB 天线 – 发射RF信号
MESFET 有源器件 – 放大器
发射器规格
输出频率 1GHz
关于Mg互连线的初步数据
通过文献研究和初步实验的结合，探讨了使用镁用于金属化和互连的可行性。表5总结了镁(Mg)、铝(Al)和铜(Cu)的电阻率和天然氧化物厚度的文献值，这些文献值示出了这些材料具有相似的属性[14,15]。此外，作为电介质材料，氧化镁(MgO)可能对于无源部件是有用的。[16-20]。MgO是高k电介质(MgO，k约9.7)，且能够通过电子束蒸发沉积，这与该工作中使用的高分辨率遮光掩模技术兼容。
表5.与Al和Cu比较，天然氧化物的电阻率和厚度
执行了简单的实验以进一步支持Mg的可行性。表6示出了对玻璃衬底上的具有不同宽度(50/100/150μm)和厚度的Mg线测量的电阻/长度。图75示出了表6中的值的线图。
表6.与Au电极比较，电阻/长度
Si晶体管的Mg电极
具有Mg电极的N型硅金属氧化物半导体场效应晶体管(n-SiMOSFET)被制作以与具有Au电极的其他方面完全相同的器件进行比较。图76a呈现了在不同栅电压下，器件的在导通状态下的按宽度标称化的电阻(Ron)与沟道长度的关系，示出了Mg和Au具有类似的晶体管接触电阻。图76b以线性和半对数标尺示出了典型的传递曲线(左)，以及全电流-电压曲线(右)。阈电压是接近-1V，且开/关比是约103。代表性器件的这些DC测量值表明Mg能够被用在高性能Si MOSFET中。图7c示出了玻璃衬底上的晶体管阵列的图像。
Mg在水中的溶解速率
为了探讨Mg在水中的溶解速率，玻璃上的Mg的测试结构被图案化。图77示出了3小时之后(Ti/Mg,)和10小时之后(Ti/Mg,)Mg迹线全部溶解在水中，取决于厚度。(在Mg完全溶解之后剩下的微弱图案对应于作为粘合促进剂的超薄Ti层。)溶解过程涉及Mg与水的反应，以形成氢氧化镁和氢气，根据：Mg+2H2O→Mg(OH)2+H2。
不同候选物互连材料
尽管上文提供的数据显示Mg良好适用于本发明目的，但是它不是唯一可以被使用的材料。基于它们的水溶解度/溶解性，表7呈现了不同候选物互连金属材料。[21-30]。
表7.水溶性导体
可调谐的丝溶解
通过结晶度(如β片层构造)以及允许结晶度可调谐的工艺参数来确定丝的溶解速率，包括：
1.溶剂(例如，水、甲醇、六氟异丙醇)
2.温度、热历史(例如，退火)
3.应变、应力
参数1或2被用来调谐溶解速率，以实现范围从约1s到1年的溶解时间量程。例如，先前的工作显示，对于非晶丝膜，快速溶解发生在小于10s内，且对于高结晶丝膜，缓慢发生大约1年。[31]。图78示出了非晶丝膜的快速溶解：0秒(左)，10秒(右)。
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实施例8
历史上，每种新类别的电子器件的开发都涉及努力实现以随时间经历可忽略变化的形式进行运行。在此描述的技术具有相反的目标：创建以规定的时间和良好限定的速率、以友好的方式物理地消失到周围环境中的电子系统。可行的器件包含：医疗监测器，当其被植入到人体内时其充分再吸收(“生物可再吸收的”)，以避免不利的长期影响；以及环境监测器，当其暴露于水时溶解(“生态可再吸收的”)，以消除对收集和回收的需要。其他概念涉及“可混合的(compostable)”电路，以利于处置。
在该实施例中描述的工作提供了关于用于这类技术的材料、制造策略和建模工具的科学和工程设计基础知识，其被称为可再吸收的电子器件。性能目标、运行可靠性和集成的伸缩性与已建立的硅集成电路的那些相当。该技术将产生：
·用于可再吸收的电子器件的一整组材料——半导体、导体、层间电介质、衬底和封装层——以及器件设计。重点将在下述材料上，该材料是(1)通过溶解或水解可再吸收的，(2)生物可兼容的且环境友好的以及(3)性能能够与常规硅集成电路的性能相当。
·与这些材料匹配的制造策略，具有满足现实应用对生产量、分辨率以及成本的要求的能力。所述器件的可再吸收性质以及它们的相关联的成本考量要求的制作方法远不同于已建立的半导体工业中使用的那些制作方法。
·材料、器件和系统级上的针对再吸收的分析和计算模型。在可再吸收的电子器件中，这样的模型将提供计算机辅助设计(CAD)工具，其角色在概念上类似于当前常规技术中用于电路设计的那些计算机辅助设计工具。
这三种组成部分将基础科学研究与发明工程设计成果相结合，为实用技术设定基础知识。成功的结果将使得独特的器件能够应用在范围从减轻外科手术部位感染的影响且然后生物再吸收的传感器/致动器贴片，到生态再吸收消除污物的无线电使能的水监测器的领域中。与这些和其他系统相关联的商机限定了一组重要的更广泛的影响。可持续的制造方法、相关联的资源消耗的减少以及有害废物流的消除构成具有显著全球意义的附加特征。
可拉伸的电子器件：传统半导体技术涉及在易碎晶片衬底的平面表面上形成的部件和集成系统。近期工作验证了材料、机械和制造的结合策略使得新的可能性成为可能，包含能够随线性弹性响应拉伸、折叠、弯曲和扭曲和包裹曲线表面的器件[1]。核心思想利用组装在橡胶衬底上且由通过受控非线性压曲工艺形成的可变形的薄窄结构互连的微米/纳米器件[2]。这些研究生产出第一个半球形电子“眼球”摄像机，其中器件部件是超薄、方形几何结构且互连线采用弯曲非共面布局[3]。该布置能够在接近100％的应变水平下适应变形。在此，该结构中的机械工程设计起到与传统系统中的电路/光学器件设计的作用同样突出的作用。产出足够高，以使得具有不能够使用任何其他技术实现的功能模式和软“组织状”构造的表皮电子器件和外科部件的制作成为可能。
将可变性、生态再吸收和生物再吸收以及生物材料合并到提供高性能和耐久运行特性的可制造的半导体技术中显然是高风险的命题。然而，通过用于电子器件的新应用可能性、用于有效制造的新模式的创建和与当前电子器件技术相关联的多类别废物流的消除，伴随着该风险为革命性影响带来可能。此外，许多基本思想具有除提供电子功能性的系统之外的适用性。例如，功能材料、支架和化学递送系统中的生物能可再吸收性与生物医学科学、介入医学以及再生技术的许多领域相关。结构元件以及用于有效制造结构元件的机械系统和装置中的生态可再吸收性可能解决可持续发展中的许多挑战。
生物/生态可再吸收的电子系统远不同于任何现有半导体技术。在某些情况下，可再吸收的应用依赖不能够以任何其他方式实现的能力。在其他情况下，可再吸收的器件重现现有功能，但是具有在环境中消除废物流和恢复的产品生命周期。作为前者可能性的实施例，考虑被递送到医疗植入器件的外表面的生物可再吸收的电子杀菌贴片，医疗植入器件诸如是永久性起搏器、可植入的除颤器、机械循环支撑器件或人工髋部和膝盖。这样的器件可以被配置以通过经由射频耦合和感觉反馈以时空受控的方式递送加热脉冲来消除外科手术部位感染(SSI)。经过一周或两周，随着患者度过危险最大的时间段，该器件将通过生物再吸收消失，以使患者摆脱不必要的器件负担。该类型的功能将解决重要的临床问题：SSI是第二个最常见的与健康护理相关的感染形式，是17％的所有健康获得性感染的原因[1,2]。在患者发病率、死亡率和美元方面的相关花费是巨大的。一项调查手术后出院患者花费的近期研究发现，没有SSI的患者八周花费平均为$1773，而有SSI的患者八周花费平均为$5155[3]。如果患者具有与SSI相关联的耐药生物，则花费甚至进一步逐渐增加。Anderson等人发现在与耐药葡萄球菌(即，耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA))相关联的SSI的情况下通常平均费用为$60,000，而具有抗生素敏感葡萄球菌的患者为$20,000。
受寿命终止的消费者电子器件的处置的驱动，后者的可能性是日益紧迫的问题。最近几年中，仅美国每年产生数千万吨电子废物，其中再使用/再循环率仅在10％的范围内，使得其余电子废物进入城市废物流。在所有发达国家中该负担都是突出的，而且最令人烦恼的是其在发展中国家中的增长速率——2010年报告预示在未来十年内发展中国家中产生的废弃个人计算机总量将超过发达地区中产生的废弃个人计算机总量。到2030年，预测发展中地区丢弃的计算机总数达400-700百万件，是发达地区的200-300百万件的两倍，其再循环成本超过50B$/yr。在此描述的这种生态可再吸收的电子器件技术具有(至少部分地)消除这些趋势的某些不利经济和环境影响的潜力。
背景工作——针对可再吸收的电子器件的某些思想源于关于使用水溶性、生物可兼容的丝膜作为硅金属氧化物半导体场效应晶体管(Si-MOSFET)和功能性神经电极阵列的衬底的工作(Kim,D.-H.etal.Dissolvable films of silk fibroin for ultrathin,conformal bio-integrated electronics.Nature Mater.9,511-517(2010))。这样的系统体现了不完全形式的再吸收，其中在器件运行中不具有主动作用的支撑衬底是唯一消失的部件。图66示出了第一个实施例的图像：在源自蚕茧的薄的丝心蛋白片材上建造的SiMOSFET阵列。丝是水溶性的和生物可再吸收的，取决于工艺条件，其溶解速率能够在数秒和数月之间调整。该“丝上硅”技术的初步体内测试示出了衬底随时间再吸收，仅留下SiMOSFET，而没有发炎、肿胀或其他不良反应。
第二个实施例提供了用于超薄开放网状结构布局中的脑皮层电图(ECoG)的探针，该超薄开放网状结构布局自发地符合大脑的湿润曲线表面。因为由于器件异常低的抗弯刚度造成其自身难于或不能够操纵，所以丝片材被用作暂时机械支撑物。在安装在大脑上之后用盐水溶液的冲洗将丝溶解，且由毛细作用驱动而启动剩余电子器件的自发包裹过程。在猫科动物模型上执行的体内神经监测实验验证了该设计的实用性。详细的比较研究表明，由于低阻抗、当丝溶解时形成的亲密的电极-组织接触，该类型的器件胜过所有替代的监测技术。
来自其他组织的另外的近期工作描述了多种形式的有机且生物有机电子器件，其中某些组成层是水溶性的。(1.Bettinger,C.J.&Bao,Z.Organic thin-film transistorsfabricated on resorbable,biomaterial substrates.Adv.Mater.22,651–655(2010).2.Irimia-Vladu,M.et al.Biocompatible and biodegradable materials for organicfield-effect transistors.Adv.Funct.Mater.20,4069–4076(2010).3.Legnani,C.etal.Bacterial cellulose membrane as flexible substrate for organic lightemitting devices.Thin Solid Films517,1016-1020(2008).)尽管这些材料中的某些潜在地与在此描述的那些互补，但是由他们提供的适中的性能和不确定的可靠性会阻止许多令人感兴趣的应用，如下文所描述的。
描述了一组能够与丝平台和封装件一起使用以产出具有异常高性能的充分瞬态形式的电子器件的功能性材料。对于电极和互连线，Mg薄膜代表极好的选择，这是由于与水自发反应以形成Mg(OH)2，Mg(OH)2是环境和生物友好的。(Mg被用作某些种类的可再吸收的血管内支架中的结构材料。Witte,F.The history of biodegradable magnesiumimplants.Acta Biomater.6,1680-1692(2010).)此外，Mg提供了高电导率(2.3x105S/cm,近似地是Au的电导率的1/2)，它是机械坚固的，且是容易使用气相沉积加工的。因为Mg的水解涉及MgO作为中间物，因此该氧化物变成用于层间电介质的自然选项。
对于半导体，硅自身是令人感兴趣的候选物，这是因为它经历水解以形成正硅酸：Si(OH)4。(J.D.Rimstidt,H.L.Barnes,Geochim.Cosmochim.Ac.44,1683(1980).)一个挑战是相关反应的速率异常小：使用文献参数作为扩散常数和速率常数(H.Seidel,L.Csepregi,A.Heuberger,H.Baumgartel,J.Electrochem.Soc.137,3612(1990).)，能够估计尺度与切片集成电路的尺度(约12mm×约12mm×约700μm)相当的一块硅需要超过约600年以溶解和将近约8L水以避免溶解率限制。然而，关键的理解是，由于电荷运输的界面性质，例如MOSFET的器件能够用极其薄形式的硅良好运行。具有类似于上文所考虑的集成电路的那些尺度的横向尺度但具有35nm厚度的硅纳米膜(Si NM)将在约10天内、在少至约0.4mL的水中溶解。实验结果支持该结论。因此，该形式的硅能够被用作可再吸收的半导体。同样重要的是，薄SiO2是经由类似的化学过程可再吸收的，从而提供了在Si NM MOSFET中使用的极好的栅电介质。此外，Si和SiO2都是生物可兼容和生态可兼容的；使用多孔硅体作为药物递送媒介提供了前者的证据。(1.Park,J.-H.et al.Biodegradable luminescentporous silicon nanoparticles for in vivo applications.Nature Mater.8,331-336(2009).2.Trewyn,B.G.et al.Biocompatible mesoporous silica nanoparticles withdifferent morphologies for animal cell membrane penetration.ChemicalEngineering Journal137,23-29(2008).)
将所有这些材料与作为衬底和包封物的丝共同部署在一起，产出充分可再吸收的集成电路，其中可以通过多种器件层的厚度和成分的选择来调整速率。图3c示出了包括各种有源部件和无源部件的验证平台，所述部件包括Si NM MOSFET、Mg/MgO/Mg电容器、Mg电感器和Si NM二极管，全部都在丝薄膜上。在具有用于源、漏和栅的Mg电极(厚度约250nm)；用于栅电介质的MgO和/或SiO2(厚度在100nm与150nm之间)；以及作为半导体的Si NM(厚度300nm)的MOSFET中，极好的性能是可能的，分别560cm2/Vs的饱和区迁移率和660cm2/Vs的线性区迁移率，大于105的开/关比、160mV/dec的亚阈斜率(在Vd＝0.1V下)和0.34mA/mm的按宽度标称化的电流输出(在Vg＝5V下)。与在硅晶片上形成的具有类似关键尺度的对应物中的那些特性相比，这些特性是有利的。结合多个这样的器件提供了到集成电路的路径。
一组相互关联的科学问题加强了可再吸收电子器件和该新类别的技术能够支持的多种应用的基础。该实施例描述了材料和材料界面、器件和电路工程设计、制造技术和预测性理论建模。结合该知识允许功能性验证媒介，作为为了建立用于这些部件的规模化生产的途径的关键步骤。结果是用于可再吸收的电子器件的科学和工程设计知识的完整基础，其中重点在于由于分子级溶解或化学反应而完全消失的生物可再吸收的和环境可再吸收的器件。下面的子部分描述了三种使能组成部分：材料、制造和建模。
用于可再吸收的电子器件的材料
对材料的研究对于可再吸收的电子器件技术的开发是至关重要的。半导体、导体、栅电介质、层间电介质、包封层和衬底用作所描述的成果的基准。一个重要的发现是，通过水解，掺杂的和未掺杂的Si NM以生物上和环境上良好的方式化学地转变。在此描述的本发明的实施方案利用了该事实，以开发用于完全生物/生态可再吸收的电子器件技术的其他类别的材料。该工作解决了用于导体、电介质的先进材料的基础方面，以使得能够控制它们的再吸收时间，其中实际应用能够要求几分钟到几个月范围内的时间。第一研究阶段集中于理解和控制个体材料和它们的界面。在第二阶段，探讨了它们在图案化的多层配置中的集体集成，以限定所得结构的总体再吸收时间。在整个该时间内，该工作与制造中的成果紧密配合，以开发具有期望行为的器件和电路。
可再吸收的导体——Mg被用作起点。Mg作为用于可再吸收的血管内支架的结构材料的过往成果为探讨Mg合金提供了动机，其中少量(通常按重量约10％)Al、Ag、Ca、Li、Mn、Si、Sn、Y、Zn、Zr和稀土元素[2]用于Mg合金，主要是三元系统。通过结合电学、化学和形态研究，检查了这些合金的电学属性和再吸收速率。例如，在一个研究的实施例中，镁铝锌合金(具有3％的铝、1％的锌)具有的体电阻率几乎是纯Mg的体电阻率的两倍，但体溶解速率和薄膜溶解速率显著较低(在生理学上和环境上相关的pH范围下，是几乎1/4)。通常，较高的铝浓度使体降解速率(例如，AZ61或AZ91)变慢。缓慢再吸收对于生物系统(例如，生物可再吸收的电生理学监测器)或水感测环境(例如，生态可再吸收的传感器)中要求电极之间持续接触的器件类别可能是特别重要的。出于这样的目的，由于其先前在可吸收栓塞线圈中的使用，W可能是令人感兴趣的。在此，W呈现的再吸收速率(作为水解的结果，形成钨酸)远低于Mg或其合金的再吸收速率，如已公开的研究中示出的。W栓塞线圈的体内研究表明在再吸收期间血清钨水平增加，但是没有任何不利的生物反应[6]。W的体电阻率非常类似于Mg(5×10-8Ωm对4.4×10-8Ωm)。W与Mg的组合物(例如，作为覆盖层)能够作为附加的工程设计选项。
第三种金属是Fe，Fe像镁一样，已经作为用于支架的生物可降解材料受到关注。通过首先通过氧化，然后根据pH溶解成Fe2+或Fe3+，铁在水中再吸收。体外测试表明Fe的降解速率远低于Mg的降解速率。另一方面，体内降解速率远低于由体外研究预测的速率[8]。该差异已经被认为是由某些不可溶解的化合物(诸如，磷化铁，其能够由与身体中的磷离子反应形成)对铁表面的钝化造成的。Mg、Mg合金、W和Fe的某一组合物很可能为可降解的电子器件中的导体提供必要的能力。
可再吸收的电介质——对于MOSFET中栅电介质和集成电路中的层间电介质，SiO2和MgO具有满足所有要求的强劲的潜力。与建模进行比较，对这些系统中的再吸收速率和动力学的详细研究提供了重要的信息。为了使得使用下文所描述的技术的额外处理成为可能，探讨了有机改性二氧化硅材料的溶胶凝胶方法和它们不仅能够用作层间电介质而且还能够潜在地用作栅绝缘体的能力。单个层中的或具有金属(如W)和生物聚合物(如丝)的多层配置中的这些材料能够被用作包封物，以控制总体再吸收速率。探讨了这些选项，其中重点在于针对不同的堆叠设计测量水渗透速率，用高分辨率电子显微镜研究形态学和界面。
可再吸收的、功能性衬底以及涂层
材料选择的基本原理——与上文所描述的金属、电介质和半导体可兼容的有机材料和生物有机材料代表用于衬底和包封物的极好的候选物。由于丝的生物学、物理学和电属性的有利的组合以及其与先进制造的可兼容性，丝是独特的适合于可再吸收的电子器件的生物材料。丝是广泛可获得的商品纺织品，可以通过简单的基于水的处理将其纯化且成本低廉地制造为薄的、平滑的柔性片材。丝的天然表面化学性质和平滑形态使得在进一步简单修饰下(例如，碳化二亚胺、抗生素蛋白链菌素-生物素偶联、重氮反应以及浇铸温度和湿度的控制)强力附着金属以优化界面。由于蛋白质的疏水性质且其自组装成物理交联的网络，因此丝形成坚韧的、结实的材料。通过控制交联密度，所述膜可以被配制成以受控的速率(从几分钟到几年)溶解，且可以被设计以包含生物分子和其他用于传感的目标靶并使所述生物分子和目标靶稳定。替代物如胶原、PLGA和PLA各自仅提供这些特征中的某个子集。作为实例，胶原易于变性，当发生水合作用时它们倾向于膨胀，从而它们不能实现与金属的强力界面。PLGA具有类似的缺点，且也必须将它们在有机溶剂中处理，从而移除某些处理选项以及与生物活性化合物结合的能力。包括壳聚糖/壳多糖、聚羟基脂肪酸酯、聚已酸内酯(PCL)和角蛋白的其他通常较少研究的选项难于处理且提供有限的能力来控制材料特性，因此，提供有限的能力来控制它们的降解/可再吸收性。
丝膜制剂和再吸收研究——在丝膜形成期间发生的液固转化，以及相关联的丝蛋白自组装、结晶化、工艺化学以及方法对于可再吸收的器件制造来说具有基本重要性。丝材料酶促地降解，提供了可预测的寿命和对材料命运的控制。因此，丝可以用作真正的可再吸收的衬底材料或用作涂层或包封物以控制其他可再吸收材料(例如，Mg)的动力学。这提供了形成用于可编程的可再吸收性的分层结构——起“生物钟”、定时器或“开关”作用——(例如，类似于定时释放胶囊和药物制剂)的可能性。
该工作建立了开发用于可再吸收的电子器件的丝衬底的知识基础。具体地，后处理丝膜和丝涂层以控制它们的再吸收速率(在存在水或酶的情况下)的不同形式被探讨。通过在材料处理期间引入的结晶度(β片层含量)来控制这种材料的溶解速率(瞬时到几年)[3]。这些基础研究产出了一套用于材料衬底制造的工艺参数。实验方法包括制备并表征用来形成膜和涂层的丝溶液，然后，对该膜和涂层进行后处理以控制该丝/涂层的最终结晶状态，从而确定其可再吸收性速率。
丝膜和涂层的组装与可再吸收性之间关系在很大程度上尚未被探讨。为了阐明该关系，当前的方法涉及通过调整丝蛋白提取过程中的参数(煮沸时间、pH以及工艺温度的变化)来改变丝溶液制剂，以及随后产生具有不同浓度的基于水的丝溶液。对生成的丝片材的系统分析阐明了后处理温度的作用、附加的溶剂(例如，甲醇、HFIP)的作用、环境湿度范围的作用(它确定了干膜的水含量，进而与其β片层含量相关)以及在丝膜形成期间在丝膜上施加的应力和应变的作用(它还引起β片层形成)。用诊断学的基础技术(例如，AFM、FTIR、X-射线以及冷冻透射电镜)执行对所述膜的结构评价。这些研究告知了生成用于电子界面的合适衬底、且获得该衬底材料预定的且受控的再吸收速率所需要的适当参数组合。
从电学和电学界面角度评估这些生物可再吸收的衬底。执行不同膜的测量以确定基准参数，如电介质常数、击穿阈以及电阻率。界面性能对于电子器件组件特别重要。研究了不同组成制造的膜和Mg、和MgO之间的界面属性，以及它们的热属性(热导率、界面Kaptiza电阻)、或者体属性(举例来说，离子杂质水平和它们的迁移率、水吸收以及气体/液体渗透性)。
功能化的可再吸收的材料——通过将掺杂物添加到丝溶液而使衬底改性将进一步使这些研究更加复杂。该额外的自由度提供了调节衬底的物理参数(例如，增强电导率或携带用于生物整合的治疗剂)的选项。评估了嵌入在丝系统中、与周围环境和材料参数(例如，弹性、降解、界面、水含量)相关的生物化学掺杂剂的效果以及它们对再吸收速率和与Mg和MgO相互作用的影响。丝掺杂有生物相关染料(二氢荧光素、孟加拉红、若丹明)、基于蛋白质的生物掺杂物(反射蛋白、噬菌调理素、血红蛋白、卟啉)、或化学方法改性的掺杂剂(GFP,偶氮苯)。使用上文所描述的相同的工艺和诊断学制备和评价掺杂的可再吸收衬底。将结果直接与在相同工艺条件下用未掺杂的膜所获得的发现进行比较。
可再吸收的电子器件的制造方法
由于固有的有限运行(以及物理)寿命，低成本的制造对于现实可再吸收的电子器件技术是至关重要的。在半导体工业中使用的工艺是不可应用的，因为它们的不可兼容的成本结构和因为许多可再吸收的材料与已有的溶剂、光刻胶、显影剂、曝光技术和蚀刻方法是不可兼容的。该工作开发涉及两个主要步骤的制造策略(1)转印印刷，以允许用SiNM制造，以及最终通过现有铸造厂源获得的部分形成的器件子部件与可再吸收的衬底的集成，以及(2)电流体动力喷射(e-jet)印刷，以建立用于功能系统的可再吸收的互连线、层间电介质和包封物/封装物。第一阶段集中于这两种能力的单独开发。第二阶段涉及它们彼此整合以及用更常规方法整合成连续制造工艺，在下文所描述的验证测试媒介中进行小规模验证。
微转印印刷——对于所述第一步骤，微转印印刷(μTP)[1]技术被用于以高速卷到卷制造模式实施它们。在“上墨”步骤中，μTP工艺使用软的弹性体印章来剥离由源衬底制造的固体材料微米/纳米结构，且然后在“印刷”步骤中，将它们朝下放到目标衬底上。通过优化的用于控制印章表面处的粘合强度(即，在上墨步骤中强的强度和在印刷步骤中弱的强度)的策略，整个过程能够是自动化的，以使高产出(>99.9％)和定位精确(<1微米)成为可能。图45提供了代表性印刷结果的图像和作为用于该工艺的可吸收接收衬底的大的丝片材的图像。上文所描述的和在图3c中示出的工作例示了该类型的策略如何能够与Si NM一起使用，以制造可再吸收的电子器件。该工艺的一个关键特征是，以密集封装布局方式在硅晶片上形成的Si NM可以被取回且以匹配系统要求的区域覆盖方式将其递送到目标衬底。该能力对于有效率的利用材料以及低成本是至关重要的。
该工作开发了以高速、连续、辊轴印刷模式使用μTP的新的基本知识和工程知识。尤其，探讨了软的、范德瓦耳斯力粘合物理现象，其中结合强度取决于在针对性设计的具有有角度的浮雕的印章与源衬底之间的界面处施加的力的方向。由于两个原因该方法是有吸引力的。首先，有角度的几何结构使得分离力增强成为可能。当在μTP的上墨步骤中需要大的力来取回材料/器件时，该物理现象是重要的，这与下一部分描述的用于CMOS结构的情况一样。其次，能够将与方向相关的粘合利用在包裹在圆柱形支撑件周围的薄印章中，以使得以连续、辊轴印刷模式高速运行成为可能。辊轴印章取回一侧上器件/结构且将它们连续地递送到另一侧上的目标衬底的方案是可行的。以与滚动方向正交的方向周期性地标引源衬底且将它平移回到其起点允许上墨过程发生在不同区域中，直到该源上的所有材料被消耗完。可以根据需要插入新鲜的源衬底。
理解粘合的方向相关性和总体强度这两个基本方面对允许它们的工程使用用于本目的是至关重要的。可以通过界面分层的力学模型来分析关键物理现象，其中非对称的分离力引起形成驱动裂纹形成的界面剪切的弯曲力矩。通过评估所述条件，能够分析得到临界分离力，以联系到具有不同组成的丝衬底的实验测量值。这些类型的模型不仅用于指导辊轴印章的工程实施，而且用于指导材料和浮雕几何结构的优化以及丝的选择。对于印章，通过将应力集中的点从边缘转移到接触区域的内部中，将凹入的浮雕特征添加到该有角度的柱结构能够导致显著增强的粘合。结合科学研究和工程研究，探讨了这些效果以及粘弹性、物理交联以及印章和接收丝衬底二者中的相关参数的影响。
从硅铸造厂器件到可再吸收的电子器件——尽管使用来源于晶片且通过μTP组装的Si NM的方案为可再吸收的电子器件提供了可行的路径，但上文呈现的每个结果是非理想的，原因有两个：(1)它们要求将器件处理和关键特征限定在可再吸收的衬底上，以及(2)它们不能够利用已建立的用于硅集成电路的制造的基础设施。第一个原因影响可以实现的功能的性能和复杂程度，由于与丝衬底可兼容性的要求强加在工艺选择中的严格约束。第二个原因实质上增加了成本和环境影响，这是因为需要为可再吸收的器件建立具体配置的独立的铸造厂网络。本发明方法通过开发路径以将专门设计的、铸造厂加工的晶片转换成用于可再吸收系统的部件构造块源来解决这两个限制。μTP被用作一种手段，不只是操纵SiNM，而且充分地处理来源于铸造厂加工的晶片的原始物或小电路元件。
关键的挑战是适配铸造厂-可兼容的布局和可用的材料集合以用于本发明的目的。尽管初步发现确定Si和SiO2作为生物可兼容且环境友好地可再吸收的，但是在商业集成电路中没有其他材料具有这样的特性。一个解决方法是在复杂度降低的布局和适于μTP的配置中，从铸造厂寻求超薄体绝缘体上硅(SOI)衬底上的集成电路和原始物。能够在铸造厂外执行适中数目的附加步骤用可再吸收的导体(诸如，Mg)替代金属化层。在此，该布局允许接触到整个堆叠的金属化，其移除且随后用可再吸收的导体将其替代；未改变硅、掺杂区、栅电介质和层间电介质的横向限定，从而利用铸造厂能力。开发用于该材料交换的方案，以及用于移除SOI衬底上的隐埋氧化物(BOX)以制备用于μTP的部件的路径。可以使用湿法蚀刻和干法蚀刻技术的组合来实现第一个。解决第二个要求认真地研究移除BOX之后将部件系到下面的晶片的关键结构(即，锚定件)的断裂力学。由有角度的印章设计和适当处理的丝衬底实现的粘合增强放宽了要求。图48提供了一种类型的锚定件设计的SEM图像，其在形成于SOI上的且然后通过蚀刻BOX而被剥离的非可再吸收Si CMOS块上。
电流体动力喷射(e-jet)印刷——功能系统要求用于互连和选择性包封先前部分中描述的那种可再吸收的部件的方案。为了有效地利用源晶片(用于可再吸收的CMOS或用于Si NM)的面积，分辨率必须足够高以允许个体部件上的小接触焊盘。由于其额外的性质和与许多各种不同的材料墨和衬底的兼容性，使用电流体动力效应以在高分辨率喷嘴的尖端处形成流体流动的印刷方法被努力实现。最重要的是，先前工作验证了该物理现象提供了液滴生成和印刷中的扩展到深亚微米范围(约100nm)的分辨率，该分辨率超过用常规喷墨技术能够实现的最好的分辨率100倍[3]。这些特征使得该方法(被称为e-jet)潜在地有力补充用于制造可再吸收的电子器件的μTP。然而，必须克服科学和工程方面中的两个缺点：(1)分辨率和液滴定位可以取决于衬底的局部电学特性，以及(2)生产量被限制，这是由于缺少可以适应使用连续辊轴印刷模式的多个平行喷嘴的系统。第一个问题导致通过μTP递送到绝缘衬底(如丝)的可再吸收的部件之间的互连线的可靠形成中的挑战。尤其，目标表面(例如，金属、电介质、半导体)的局部电属性的空间变化导致电场分布中的变化，且因此导致液滴尺寸和轨迹以可能难于适应的方式的变化。一种解决方案是开发用于e-jet喷嘴的耦合电磁流动模型，该e-jet喷嘴把一个环形反电极包含到该喷嘴组件自身中。结果是，在系统中所有驱动电场被以从衬底解耦的方式限定。感应电流感测提供了一种建立反馈控制印刷过程的手段
通过扩展从上述工作出现的模拟能力解决第二个缺点，以理解线性阵列中相邻喷嘴之间的静电耦合。该模拟应包含通过在独立的调整显微平台上单独地移动每个喷嘴单元来适应某种程度衬底未对准的能力。类似的是被常规喷墨印刷机使用以调整打印盒校准的测试图案序列。10-20个不同的喷嘴以线性布置包含在总体印刷头中，能够相对于下面的衬底的移动方向精确平移。在当前扩展到50kHz的液滴生成速率下，该多喷嘴布置提供了所要求的生产量。一个挑战是将足够智能嵌入到每个单元中，以使得它充当自治实体，在没有外部帮助的情况下，其通过与网络处理系统和μTP模块通信而校准自身。开发了上文描述的基于电流感测的反馈策略和μTP工具中的监测系统。关于该制造流程的一个重要方面是在源自铸造厂的部件的级别下形成关键器件尺度和在许多情况下最大需求特征。通过允许小接触焊盘的使用，该情形降低了对e-jet系统的产出量和分辨率要求，尽管在此小于常规喷墨印刷可实现的那些特征尺寸的特征尺寸对低成本利用铸造厂部件是必须的。
然而，在最后的商业制造中，很有可能的是，将在战略上与其他方法(如喷墨和丝网印刷)一起使用e-jet，以形成分辨率、生产量和配准精度的最佳平衡。设想了一种涉及μTP、e-jet和喷墨的集成工艺线，其具有限定配准标记的初始刻印(常规的，热凸印)步骤。如上文概述的，丝与这些其他模态建立的兼容性表示以该方式使用丝的关键考虑。在该系列中，仅通过e-jet和喷墨形成的图案要求配准。在此，光学图案识别系统使用通过μTP形成的结构和通过凸印步骤限定的浮雕的结合。最初阶段的工作集中于μTP和e-jet上。以并行方式，建立了e-jet在材料的添加(例如，丝、溶胶材料)和减去(例如，Mg、W)图案化模式中的使用。集成关注建造下文描述的电路测试媒介。
用于可再吸收电子器件的计算设计工具
需要分析的和计算的模型来建立用于可再吸收的电子器件的科学知识基础和工程能力基础。用于常规电子器件的电路设计工具仅获取了运行方面的一部分；一组互补的再吸收设计工具是必须的。与基于材料、器件设计和制造结构的实验结果直接关系在一起，在上文描述了用于在材料级、器件级和系统级的再吸收的分析和计算模型。基于上文概述的多种材料的单层研究，第一阶段关注模型的建立和实验验证。接下来，研究这些材料的多层堆叠以及它们彼此的相互作用。在测试媒介中，最后的模型获取在用上文描述的技术制造的功能器件级和系统级下的再吸收。
可再吸收的材料的建模——再吸收动力学的分析研究使用反应扩散模型。方程(1)例示了水和氢氧根离子扩散到Si中的模型和一些结果。由水、氢氧根粒子以及其他液体扩散到用于可再吸收的电子器件的材料(例如，Si、SiO2、MgO、Fe、Mg、以及具有少量添加物Al、Ag、Ca、Li、Mn、Si、Sn、Y、Zn、Zr的Mg合金)以及整个厚度方向y中的反应来定义速率限制步骤，根据
其中D和k分别是水(或其他液体)的扩散率和用于可再吸收的电子器件的材料与磷酸盐缓冲溶液之间的反应常数，且w是水的浓度。当Si溶解时，将建立下面的动态平衡：Si+4H2O<->Si(OH)4+2H2，其中中性正硅酸将通过扩散离开硅表面。在该模型中，按Si纳米膜的初始厚度(h0)标称化的Si纳米膜厚度h取决于标称化的时间Dt/h0 2和反应常数kh0 2以及水的摩尔质量M(H2O)和硅的摩尔质量M(Si)、初始水浓度w0和Si的质量密度ρSi。这将给出Si纳米膜在水中的溶解的标度律，即，
其中f是无因次函数，且采取下面的形式
图4(c)示出了在体温(37℃)下，初始厚度为h0＝35，70和100nm的Si NM的初步建模结果(曲线)，该初步建模结果与实验结果(由点示出)非常符合。该分析模型导致对材料完全溶解时间的精确预测。这样的方法可以被扩展到其他用于可再吸收的电子器件的材料。
还开发了具有与时间相关的反应速率常数的溶解模型。在许多情况下，净反应的反应常数可以随着时间推移而减小，且采取k(t)的一般形式。根据下式获得反应扩散方程的解
其中可以根据下式获得Si纳米膜的厚度
一个简单的实施例是电阻R，涉及其初始值R0以及根据R＝R0(h/h0)-1的当前厚度与初始厚度的比h/h0。图4(e)示出了电阻变化的建模结果(曲线)，与实验结果(由点示出)非常符合。类似的分析框架可以获得其他用于可再吸收的电子器件的材料(例如，Fe和Mg合金)中的有关行为。由于溶解涉及多种元素的反应扩散，开发了用于合金溶解的计算模型。针对每种元素的反应扩散方程(1)现在变成其中是拉普拉斯算子。对该方程进行数值求解，且通过合金中界面的连续条件将该方程与用于其他元素的方程结合。此外，可以经由数值分析研究W覆盖层的影响。
对于可再吸收的电介质和半导体，建模工作集中于再吸收速率，诸如厚度达到零的临界时间tc。对于Si NM，根据下式分析地得出其临界时间
结果是在体温T＝37℃下，对于h0＝35nm、70nm和100nm，tc分别为14天、16天、19天。
可再吸收的部件和器件的建模——对于可再吸收的部件(如，Mg互连线)，建模关注电学属性和再吸收速率，如通过MgO/Mg双层溶解例示的。对于Mg,反应扩散方程被施加以在底部表面处有零水通量条件。对于MgO，反应扩散方程被施加以在水/MgO界面处有恒定的水浓度。穿过MgO/Mg界面，水分子的浓度和通量是连续的。分析解决用于Mg和MgO的耦合反应扩散方程，对双层器件的电阻R也如此。该电阻的结果(每单位长度)与针对400/800nm厚度的MgO包封的实验非常符合，其分别具有1.04/1.15Ω/mm的初始电阻(每单位长度)。还开发可计算模型以解决该耦合反应扩散方程，特别是对于部件和器件的复杂几何结构，其包括用于器件的多层材料堆叠。
当电阻接近无穷大时，达到断路的临界时间tc。对于MgO/Mg双层，分析获得该临界时间，且分别针对400nm和800nm厚度的MgO包封给出了3.5小时和13小时，这与实验相当符合。针对具有复杂几何结构的多层材料(如部件和器件中的)，开发了计算模型且评估了各种部件和器件。计算模型还给出了器件溶解的标度律。这些模型的预测使用突出了纳米膜和薄膜器件设计的重要。
应力状态效应(例如，剩余应力或内部应力)可影响器件的溶解。这是因为材料和器件的连续溶解改变它们的应力状态，这进而影响溶解速率。该溶解速率可以通过耦合的应力-溶解方程来计算，该耦合应力-溶解方程可以通过有限元程序ABAQUS经由其用户子程序来实施。
也研究了用Si NM、SiO2电介质和Mg电极形成的、用MgO和结晶丝的包封层形成的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。关于器件的实验示出了它们的功能瞬变中的两阶段动力学。具体来说，浸入在水中达到约90小时引起关键器件特性(如迁移率、开/关电流比(Ion/Ioff)和阈电压(Vth))的可忽略变化。在该稳定运行时段之后，功能降解发生在相对窄的时间间隔内。包封层限定第一时间量程；Mg电极限定第二时间量程。通过分析模型和计算模型详细研究了这些行为，这些模型对于验证包封层(它在器件中不提供主动作用)能够被利用以从系统级或器件级功能解耦的方式定义瞬变时间是重要的。对于在此探讨的实际情况，尽管不同的器件类型要求Si NM具有不同的厚度，但是Mg和包封层在确定功能瞬变的时间量程中起主导作用。
可再吸收的电子器件系统的建模——用于可再吸收的材料和器件的分析模型和计算模型在系统级被集成，以提供用于可吸收的电子器件的设计、制造和运行的CAD工具，其类似于当前用于常规电子器件中的电路设计的那些CAD工具。针对每个类型的器件开发了一种计算(或分析)模块。每个模块包含应力和扩散之间的相互作用。所有模块被集成且被耦合在一起，以预测在系统级下的关键行为和属性，包括(1)在器件和系统级下的关键属性(如电阻)的时间相关性和(2)每个器件的溶解的临界时间以及整个系统的溶解的临界时间。可以通过使用用于器件的包封层(诸如，丝)主动地控制该临界时间，对于该目的，丝是吸引人的，因为可以在若干数量级上通过控制结晶度编程其在水中的溶解度。
关于集成验证媒介的研究
本工作关注点是开发用于多种类别的可再吸收的电子器件的科学知识和工程概念。努力实现两个具体的集成验证媒介：一个在数字电子器件中，一个在模拟电子器件中。前者是在四个反相器中的四比特行解码器(结合八十八个晶体管)和具有反相器输出的NOR阵列，该反相器输出用作NOR门的输入之一。(电路图参见图79。)后者是一组7级CMOS环形振荡器，具有从100kHz到100MHz的运行频率，对应从VLF频带到VHF频带的射频运行。使用上文描述的材料、制造方法和可再吸收的构造模型建造这两个电路验证器。定量研究了电路级电子属性和再吸收行为，且其与理论预期进行比较。
实施例9
该实施例建立新的硅基电子器件技术，其能够以受控的方式随时间逐渐消失[1]。在这个意义上的“瞬态”器件创建了用常规电子器件不能够解决的应用可能性，如在医学上有用的时间表内存在但然后经由身体再吸收而完全溶解且消失的有源植入物，或消失以避免回收的现场可部署的信标。近期工作已经验证了用于该类型的互补金属氧化物半导体(CMOS)电子器件的一套综合的材料、部件、理论设计工具和制造方法，以及多个不同类别的传感器和致动器、两个电源的选项和无线控制策略。能够以可植入的模式递送热治疗以解决由耐抗生素细菌引起的手术部位感染问题的瞬态硅器件和其在动物模型中的验证例示了该技术的系统级的实施例[1]。充分瞬态RF提取器件以及部分瞬态无线电发射器证明实现与许多军用应用相关的基础构造块的能力[2]。
该工作建立在先前与瞬态电子器件有关的结果上，其目的是扩展以下方面：(a)用于设计全部部件瞬态(和/或可崩解)的系统的材料和制作工具箱，(b)实现更高集成水平的能力(即超过若干分立部件电路)(c)用于触发瞬变的可能机制，特别是用于大面积系统/电路和非水性条件。活动涉及(1)作为Si的瞬态半导体补充的ZnO以及作为功能性衬底的丝复合物的开发，(2)建立到高集成Si瞬态电子器件的基于铸造厂的路径，(3)关于用于控制和触发瞬变的数个新机制的探索性努力，以及(4)由RF信标组成的工作验证器件，该RF信标具有在高海拔处从航空器落下期间脉冲传输的能力。
ZnO作为瞬态半导体
上文描述的瞬态电子器件技术基础缺少两个关键能力：(1)到压电部件和光电部件的路径，以及(2)用于编程的或“触发”的瞬变的低功率方案。该工作解决了这两个问题。探讨了使用ZnO作为水溶性半导体，其中水解影响瞬变。ZnO的大直接带隙和强压电响应使它成为对Si的有用的补充，以用于机械能采集器、发光二极管和透明导体中的应用。先前的研究验证ZnO是水溶性的[3,4]和生物可兼容的[5]，从而它能够被用在多种半导体器件中。在此工作主要集中在ZnO与其他水溶性材料(例如，Mg、MgO、Si、SiO2、丝)的集成，以产生充分瞬态的部件。
两个部件被努力实现。第一个是薄膜晶体管(TFT)。先前的工作已经验证了透明TFT，使用以下面三种方式之一沉积的ZnO：分子束外延、溅射或溶胶凝胶/溶液方法。ZnO的电学属性和半导体属性(迁移率、电阻率、载流子浓度等)取决于微观结构，特别是晶粒尺寸[6]。可以通过在升高的温度下沉积[7],通过在退火过程期间晶粒生长
[8,9]，或通过调整溅射压力[10,11]来工程设计晶粒尺寸。该退火过程还可以有助于掺杂物活化[12]。还能够通过在溅射期间添加O2来调整电学属性[13]，虽然仍仅可以通过在Ar中溅射来制造TFT。
可以通过在室温下溅射，随后低温退火或根本不退火[14,15]，来在塑料衬底上形成柔性ZnO TFT。该类型的顶部栅TFT和底部栅TFT是可能的，尽管后者设计更常见[13]。利用了该布局，以高掺杂、转印印刷的硅纳米膜作为栅电极，且通过PECVD沉积SiO2层作为栅电介质。在不退火的情况下低温溅射ZnO形成沟道，且使用为瞬态硅器件开发的方法来沉积Mg源电极和Mg漏电极。典型的用于图案化ZnO的蚀刻方法是与丝不可兼容的；避免该约束的两个策略被努力实现：(1)使用精确遮光掩模直接在丝上进行所有添加处理，以及(2)作为最后的步骤，以可与转印印刷到丝兼容的可剥离方式，完成在硅衬底上的制作。
在由于浸入在水中而引起的瞬变之前和期间，测量电学属性。文献中报道的ZnOTFT的属性变化很大。开/关比通常在103与105之间。器件迁移率高度地取决于微观结构、沟道几何结构以及工艺条件。报道的值位于0.02cm2(V s)与4cm2/(V s)之间。因为瞬态ZnO器件的开发涉及许多新挑战，所以性能目标处于针对非瞬态版本报道的边界值之间:开/关比是104且迁移率是0.5cm2/(Vs)。
用于触发瞬变的丝复合物
丝中的瞬变基于存在于丝晶体结构中的物理交联。为了在溶解的控制和模式方面添加更多多功能性，探讨了使不同的瞬变模态成为可能的丝复合物。开发了与瞬态电子建造块界面结合的材料工具包。该包的补充丝的关键成分是：
·胶原/明胶、玻璃酸-聚合物(医学上相关)，用于与丝混合，丝基于先前研究(通常在大约20wt％下,显著部分)形成稳定且结实的混合物。这还生成更有弹性的丝衬底。
·稳定的蛋白酶粒子–可使用已确立的方案将降解丝和胶原/明胶的蛋白酶隔离在丝的微囊和纳囊中,同时所述酶还与小分子抑制剂或抗体络合，以关闭活性直到被释放。可以通过加热或压力实现活性酶的释放。例如,当局部加热时，由于所述酶与所述抑制剂去偶联，因此可以激活所述酶。类似地,对于玻璃酸,与蛋白酶相反，随后玻璃酸酶将被释放。
·蛋白酶抑制剂-抑制剂(如EDTA或抗体)可以局部地偶合到丝材料，以基质中需要的地方提供更稳定的区域,同时其他区域被留下以暴露于酶(当它们释放时)，用于基质的快速降解。这是用于控制材料中所选区域中的降解的可调特征。
·弹性蛋白共聚物-其对温度、pH、压力以及其他外部因素响应,其可以被用来导致弹性蛋白的凝聚(coascervation),并因此导致成分(如降解酶)的释放。
·响应于热量或pH变化的蛋白酶–在特定温度下激活的嗜热细菌酶、耐pH酶、抗体结合酶。
如下文概述，生成了一套材料且针对瞬变的功能和不同模式评估该套材料。
瞬态电路的CMOS铸造厂方法
先前验证的瞬态电子器件类别利用从晶片蚀刻且随后通过转印印刷将其组装到感兴趣的衬底上(例如，丝)的薄硅片材。在此，必须在瞬态衬底上执行器件的关键元件(例如，晶体管的源电极、漏电极和栅电极，以及栅电介质)的制作和它们之间的互连线的制造。该方法良好的适合于验证瞬变的概念和研究动力学，但是它不能够被用来形成具有高集成水平或复杂功能的系统。
该工作通过开发铸造厂可兼容的制造工艺克服了这些限制，该铸造厂可兼容的制造工艺作为瞬态电子器件实现现实应用的实用途径。成功的开发使得能够以建立在已建成的用于硅集成电路的制造基础设施上的方案，实现任意水平的集成和功能复杂性。两个主要的挑战是以下面的配置形成铸造厂CMOS——(1)仅使用瞬态材料，以及(2)使转印印刷和瞬态衬底上的互连需要的超薄、“可剥离”形式成为可能。对于第一个挑战，开发了使用掺杂多晶硅代替用于接触部、通孔和互连线的常规金属化的改性电路/器件布局。一个替代方案是使用钨，钨在水中是瞬态的，以形成钨酸，不仅用于通孔而且还用于接触部和互连线。对于第二挑战，利用了绝缘体上硅(SOI)技术，允许超薄有源器件和电路以与转印印刷兼容的小规模芯片集形式从下面的处理晶片剥离。成功的关键是蚀刻化学品和阻挡层的开发，该阻挡层在剥离和“分离”将微型器件保持到下面的晶片的系结构(例如，锚定件)期间保护有源器件，而在转印印刷中的取回步骤期间断裂。
触发的瞬变
在该工作过程中，探讨了引起相关衬底和器件中的瞬态的替代手段，以识别用于编程的或“触发”的瞬变的低功率方案，并在不存在合适的环境条件(如缺少引发水解的水)时引发瞬变。
通过热毛细现象电引发的瞬变
对于这些系统和其他系统中触发的瞬变，可以利用热毛细效应，当以纳米级实施时，热毛细效应提供了引发薄膜中的流动的低功率手段。在此，表面张力中的温度相关性和湿润特性导致质量输送以温度梯度(而不是温度变化)限定的速率且沿着温度梯度(而不是温度变化)限定的方向。先前已经使用这种现象来移动表面上的液体液滴，以其中小至每毫米几度的热梯度是足够的编程方式[24]。近期工作示出在每微米几度的温度梯度下，这种相同的物理现象能够使分子玻璃薄膜中有意义的流成为可能(图32)。在策略布局中，用提供局部焦耳加热的窄电极来实施，这样的流可以被设计以引发导电迹线中的电气开口。例如，该结果可以改变或消除集成电路中的功能。替代地，这样的流可以将下面的材料暴露于影响整个系统中瞬变的周围环境。
该过程的基本机制对于建立清楚的工程设计方法以用于其在触发瞬变中的使用是重要的。图33示出可以获得基本物理现象的模型的示意图。在此，膜的局部加热减小了表面张力γ，对于大多数材料，表面张力γ相对于局部温度T是线性的。非一致温度产生与表面张力的梯度成比例的热毛细剪切应力τ，热毛细剪切应力τ将液体或粘滞固体拉向表面温度较低的区域。得自纳维尔-斯托克斯方程的支配方程是
其中h(x,y,t)是液体膜或粘滞膜的厚度的位置和温度相关性，t是时间，且μ是剪切粘度。该方程与适当的初始条件和边界条件一起可以被数值求解，以确定与时间相关的膜厚度，与时间相关的膜厚度对于触发的瞬变是关键。还建立了一种分析解，以用于长期行为，该长期行为可以提供对于工程设计有用的标度律。例如，可以示出，膜的热功率Q0、热导率kf和初始厚度Hf、环境温度T0、以及表面张力(γ＝γ0+γ1T)中的系数γ0和γ1出现在单一组合中以控制该过程。
光引发的瞬变
探讨了作为用于衬底和器件的可编程溶解的触发机制的光引发的瞬变。该工作基于使用掺杂的丝和丝墨以包含所需要的触发机制。
丝被掺杂有光学吸收体。例如，掺杂纳米粒子的丝被用作触发机制。近期，探讨了掺杂金纳米粒子(Au-NP)的丝溶液的使用(图34)，掺杂金纳米粒子(Au-NP)的丝溶液被转化成为若干形式，范围从共形涂层[25]到体膜[26]到3D光子晶体[27]。
具体地，光触发被设想通过光的等离子体谐振增强的吸收而发生。探讨了如下瞬变机制，其影响体材料(通过丝晶体矩阵的热引发改性)和掺杂的丝衬底与图案化的板载器件之间的界面，其最终目标是能够用光触发器件崩解。
该目标是通过在掺杂的丝蛋白衬底上制作(完全地或部分地)可溶解的部件来开发瞬态器件(包括体内和体外，即，安装至皮肤的器件或植入的器件)，以及使用由光照射触发的光热效应来控制器件的降解和/或破坏。可以通过所述材料的不同区域或不同层的选择性掺杂和/或通过入射光的聚焦来获得热定位。从远离位置(standoff position)触发降解(例如，激光瞄准)也是可能的，且探讨了用于该触发的瞬变模型的参数。
掺杂物选项：半导体(如CdSe和CdTe)以及金属(Au和Ag)纳米粒子都是掺杂物的候选物。具有1)许多移动电子和2)较低的光量子产率的金属材料通常是更好的。金是目前最常用于光热应用的材料且考虑到其生物兼容性可能是对于植入应用较好的选择。然而，注意，在等离子体谐振下，银纳米粒子生成的热量远高(是10倍)于金纳米粒子，且对于非可植入情况(例如，安装至皮肤的瞬态器件)，银纳米粒子可能会是良好选项。
用于Ag-NP和Au-NP的等离子体谐振分别是在约400nm和530nm下。由于在那些波长下组织的高吸收，因此多种纳米结构已经被开发，以将该等离子体谐振移至红光(650-900nm)，以利用低组织吸收和相关的光较深渗透。
对于非可植入应用，Ag-NP或Au-NP可以被使用，并用蓝光或绿光远程地生成热量。可以通过下面的等式分析计算生成的热量Q以及局部温度增加ΔT：
其中E0是入射辐射的幅值，且εNP和ε0分别是NP和周围媒介的电介质常数。
其中r是距NP中心的距离，k0是周围媒介的热导率，且VNP是NP的体积。结合[1]和[2]，由下式给出了最大温度增加(发生在r＝RNP处，NP的表面)：
其中I0是光强度，且当NP半径远小于入射波长时，温度增加与NP半径的二次方成比例，即，例如，在约532nm下具有15mW的输出功率且光斑尺寸是约1mm(未聚焦)的便携式激光指示器，对应于I0＝1.91W/cm2的光通量。
吸收体浓度和波长/吸收体组合(将掺杂物的谐振吸收峰最佳匹配至光源的波长)被改变以探讨该机制。(参见表8，在Au-NP的情况下生成的功率和温度差的概述)。估计便携式光源(例如，激光指示器)温度增加超过100℃。
表8
粒子尺寸(nm) 浓度(粒子/mL) 摩尔粒子浓度(nM) 温度增加(℃)
5 5×1013 83.3 62.18
10 5.7×1012 9.5 28.36
15.2★ 1.4×1012 2.3 15.67
20.3 7×1011 1.15 13.93
30.7 2×1011 0.33 8.96
40.3 9×1010 0.15 7.16
59.4 2.6×1010 0.043 4.66
100 5.6×109 0.0093 2.79
★:生产的Au-NP且用于掺杂Au-NP的丝的实验。
其他的概念包括与热毛细效应联系的热活化的使用，以通过引导光以热引发瞬态衬底中含有的填充酶的囊破裂来破坏电路。
通过升华的瞬变
先前工作验证了通过水解的瞬变。某些使用情境要求完全干燥环境中的瞬变。在此，所述器件必须随时间消失成“灰尘状”形式。一个实施方案用在室温下升华的固体材料替代丝衬底和包封物。某些蜡状物提供该特性。参见图80。探讨了用于完全干燥瞬变模型的这种材料的实用性，其中升华仅留下超薄器件和互连线。布局和层厚度被工程设计，以在衬底瞬变时导致自发断裂和崩解，从而形成灰尘形式。
通过机械冲击的瞬变
冲击触发的瞬变可以与某些类型的机械引发的瞬变激活选项(例如，弯曲、粉碎等)相关。
丝可以与有高含量的胶原(明胶)或玻璃酸混合，以生成提供极好机械特性和性能特性的集成的且稳定的材料。稳定的蛋白酶囊(微米或纳米，或甚至核壳静电纺丝系统)可以被混合到所述材料中作为制造过程的一部分，且当机械破碎时，蛋白酶囊将破裂且释放用于衬底功能降解的酶，其反应速率取决于酶类型、浓度、激活状态和衬底表面面积。酶最初靶向更易分解的部件(如明胶和玻璃酸(玻璃酸酶))，同时从而打开丝结构，以用于接近其他蛋白酶(例如，糜蛋白酶或蛋白酶XIV)。类似地，被用来将丝结构域连结成功能材料的弹性蛋白共聚合物将易受物理碰撞的影响，导致材料收缩和酶的释放(如在与弹性蛋白一起使用的药物递送模式中)，以激活降解过程。所有上述选项还可以视作是丝板或丝块上的涂层，以提供较大材料的更快速的破碎，随后是整个结构的较慢的降解。
在另一个实施方案中，一个或多个囊或贮存器可以被光刻图案化到衬底中，且转变液体或材料可以被封闭在该囊或贮存器中。图130示意性地例示了通过利用该模态的机械冲击的瞬变形式。图130(a)总体示出沿着虚线箭头落向地面(G)的瞬态器件1300在初始时间A、稍后时间B以及当与地面冲击时C。在图130(b)中更详细地示出这些相同的时间表，其中瞬态器件1300包括衬底1302、一个或多个无机半导体部件1304、一个或多个金属导体部件1304、以及囊或贮存器形式的致动器1306。当冲击地面G时，囊或贮存器1306形成裂纹1310，或以其他方式被打破或破裂，允许内含物漏出，例如液体洼(puddle)1312。该液体可以例如是水、PBS溶液、酶溶液、酸、碱、非水溶剂或这些的组合。
RF信标验证器件
描述了一种瞬态验证器件，其由配备有RF发射能力的信标组成，其被设计以在约60,000ft(图81)的海拔高度处从航空器落下。在该信标落下期间，其每约1秒向该航空器发送经调制的RF脉冲信号。该航空器使用最先进的接收器系统以捕获该信号。
该器件的要求驱动选择瞬态技术。降落时间是在1000s和2000s之间，取决于详细情况。可以使用弗里斯自由路径传输方程(Friis free-path transmission equation)估计传输功率[19]。如果该航空器上的接收器具有-150dBm的灵敏度[20]，则接收器天线是具有20dBi增益的定向型，信标上的发射天线是全方向的，具有0dBi的定向增益，传输范围是60000英尺且载波频率是433MHz，然后该信标的发射功率可以小到1×10-9W。实际上，要求的功率必须克服衍射和大气吸收的实际约束。基于被用来监测鸟类迁徙的RF发射器，保守估计是对于10mW的输出功率，传输范围最高达10km[21]。在60000英尺的距离，可能需要约30mW的发射器输出功率。假设由该信标生成的脉冲宽度是20ms，则在降落期间消耗的总能量是约30mJ。可以通过单元电池或太阳能电池提供该功率。单元电池在1.3×1.3cm2的面积下具有15mAh的典型容量。具有约20％效率的硅基太阳能电池可以由直接太阳光生成100mW/cm2[22]。两个选项都被努力实现。
该信标设计(2×2cm)利用两级结构(图82)。第一级生成高频无线电信号(30MHz至433MHz)，且第二级调制和放大该信号。所得信号经过阻抗匹配电路之后，被鞭形或环形天线发射[23]。图82中的例示示出太阳能电池功率选项。该验证器件涉及商业部件在瞬态衬底上且与瞬态互连线的组装，即，“瞬态印刷电路板”，连同瞬态天线。
总之，该工作的结果：以与先前验证的其他瞬态材料可兼容的方式，指定且限制用于ZnO的沉积方法；构造和验证ZnO瞬态电子部件，包括二极管和晶体管，且将瞬态行为与理论模型进行比较；构造和验证用于分子玻璃薄膜中受控的热毛细现象的结构；实施器件结构中的瞬态的热毛细触发；将行为与理论进行比较；实施用于包括ZnO和Si部件两者的充分瞬态结构中的瞬变的热毛细触发；开发用于CMOS铸造厂制作的电路/器件布局；使用Si工艺的原型设计；验证小型芯片集可兼容的w/转印印刷；用具有集成器件的丝+Au-NP衬底实施光触发瞬变；验证用于衬底降解的光触发；验证器件的光触发降解；验证独立膜格式的丝/蛋白酶化合物的制造；验证用于含有微型囊的瞬态电子器件的丝衬底的制造和表征；验证电子器件在制造的复合衬底上的集成；执行丝复合瞬态模态和时间的测试和验证，特别是冲击瞬变；将器件集成在衬底上，以用于冲击驱动的瞬变；验证冲击触发的瞬变；设计和原型RF信标器件；在可吸收衬底上制造RF信标；验证Si太阳能电池和电池接口；取得升华的蜡状物且执行材料评价；将瞬态电子部件制造在升华的蜡状物上；且通过升华验证瞬变。
实施例10
水溶性ZnO TFT和能量采集器
该实施例验证水溶性ZnO薄膜晶体管(TFT)、电容器和能量采集器。图83和84示出ZnO薄膜晶体管和电容器阵列和部件的示意图。该晶体管含有Mg源电极、漏电极和栅电极、SiO2栅电介质和ZnO半导体。所述电容器包含衬底，该衬底具有在其上放置的底部Mg电极、在该底部Mg电极上放置的ZnO半导体、以及在ZnO层上放置的顶部Mg电极。图85示出ZnO薄膜属性的线图和显微图。例如，示出ZnO的粉末X射线衍射图和晶体结构图(图85(a))，当接通电源和断开电源时对于ZnO膜的电压与位移曲线之间的关系(图85(b))，，ZnO膜的电子显微图(图85(c))，对于ZnO的时间与偏置曲线之间的关系(图85(d))。ZnO膜的估计晶粒尺寸是约25nm。在图86的电流与电压之间的关系的线图中提供ZnO晶体管的其他的电学特性，它示出开/关比大于约103、Vth(阈电压)约2V、迁移率约1cm2/V·s。针对在应力/应变下的ZnO能量采集器(图87(c))，时间与电压之间关系的线图(图87(a))以及时间与电流之间关系的线图(图87(b))示出P＝I×V＝6nW,功率密度＝0.15μW/cm2，应变速率＝1.5cm/sec。图88中示出在一小时过程内在水中溶解的丝衬底上的ZnO晶体管阵列和能量采集器阵列的摄影时间推移。图89示出瞬变过程中ZnO晶体管的性能的线图(图89(a))。性能被测量为迁移率随时间的变化(图89(b))以及电流与电压之间的关系(图89(c))。图90示出在丝衬底上具有Mg接触的ZnO能量采集器的电流的模型：
其中—有效压电常数
T—加载和电流的周期
—每组的带状物的面积
wZnO，1，lZnO，1，wZnO，2，lZnO，2—带状物的平面尺寸
nZnO—带状物的数量
针对ē＝-0.45C/m2(与它的来自材料库的值同阶)，，理论上的最大电流等于该实验结果，Imax＝0.55nA。图91示出在丝衬底上具有Mg接触的ZnO能量采集器的电压的模型：
其中T—加载和电压的周期
—介电常数
R—电压表的电阻
对于(来自材料库)且R＝5×1099Ω，理论上的最大电压等于实验结果，Vmax＝1.14V。
电触发的瞬变：
RF引发的电化学
图92示出建立的电化学测量的示意图(图92(a))和针对具有大约0.2cm2的电极面积的Fe、Al以及Cu的电流与电压之间的关系的线图(图92(b))。对Fe、Al和Cu的电化学研究示出当施加阳极电压时溶解速率能够显著的加快。表9示出针对Fe、Al和Cu估计的溶解时间。然而，应注意，Al和Cu展现了非均匀溶解。
表9
图93示出电路验证的示意图，其中经由电化学的第一电流路径的阳极溶解触发流经点亮LED的次级电路路径的电流。图94示出图93中示意性描述器件的阳极溶解之前(图94(a))和之后(图94(b))的照片。当选择性可移除的金属为50μm宽和50nm厚时，该溶解响应在4秒内发生。
太阳能供电的RF信标和瞬态PCB
图95示出包括太阳能电池、低频信号发生器、切换器、高频信号发生器以及阻抗匹配单元的瞬态RF信标的示意图。在包括RF放大器和信号分析器的接收站处接收由该信标发射的信号。整个信标发射器基于瞬态互连线(Mg)和衬底(丝心蛋白膜)，且由基于硅的太阳能电池提供电力。通过低频信号(1Hz)调制高频信号(160MHz)。接收站含有能够检测非常小的信号的高增益天线和最先进的RF放大器。该信标发射器含有小型化的线圈天线(鞭形天线)。
图96示出瞬态双面印刷电路板的示意图，示出前侧(图96(a))，后侧(图96(b))，以及前侧和后侧的对准(图96(c-d))。在第一步骤中，通过遮光掩模在丝衬底上沉积Mg。然后穿过通孔焊盘(viapad)打出孔洞，从而用银膏连接前面的部件和后面的部件。图97示出双面太阳能供电的RF信标的示意图(图97(a))和双面太阳能供电的RF信标的照片(图97(b))。图98示出太阳能供电的RF信标的照片，其中RF信标被附接到通过天线与接收站的信号分析器的天线通信的Mg天线。
图99示出具有大约3μm厚度的太阳能电池(图99(a))和示出该太阳能电池的电流以及功率与电压之间的关系的线图(99(b))。为了进行比较，图99(c)示出用在图98信标中约15μm厚度的太阳能电池的电流与电压线图。结果验证了较薄的Si太阳能电池(约3μm)用于与瞬态RF信标发射器集成的可能性。
图100示出一种全方向Mg线圈天线，其具有160MHz中心频率，用在太阳能供电的RF信标中。图101提供当器件由DC电源以高功率供电(图101(a))和由瞬态太阳能电池以较低功率供电(图101(b))时，信标信号输出的示图。图102提供了接收器从由DC电源供电、距离5米处的信标接收的信号的示图(图102(a))和接收器从由瞬态太阳能电池供电、距离10cm处信标接收的信号的示图(图102(b))。图103是在丝衬底上的、使用商业太阳能电池的瞬态RF信标发射器的照片。
非水性瞬态材料
图80示出可升华的蜡状物在10天过程中的时间推移照片。可以通过在大约80℃下融化固体形式的蜡状物然后将它冷却至室温，或从有机溶剂(如己烷)旋转浇铸出蜡状物且将旋转成的蜡状物干燥几个小时，来制造包含可升华蜡状物的瞬态器件。使用融化方法，能够制成任何类型的形状且可以控制厚度。然而，该蜡状物倾向于粉碎成细碎块且容易破裂。此外，由于极其高的蒸气压力，金属的物理气相沉积是不可能的。使用该旋转浇铸方法，所得到的膜快速消失，如在大约24小时内。薄几何结构使衬底太脆弱而无法操作，且单独支撑是期望的。此外，所述膜倾向于展现微米/纳米多孔性。图104示出用于生成用于在瞬态电子器件中使用的可升华材料的静电纺丝设备的照片。
可升华的材料包含而不限于：干冰(CO2)、萘(C10H8)、氯化铵(NH4Cl)、氯化铁(FeCl3)、氯化铝(AlCl3)、三聚氰胺(C3H6N6)、二茂镍、莰酮(C10H16O)、咖啡因(C8H10N4O2)以及其他有机晶体和消失的蜡状物。这些材料可以被单独地、以彼此结合的方式，和/或以复合物(它包含在提供结构支撑的垫中作为纤维的小分子、可升华的材料)的方式被使用。
图105提供例示性静电纺丝材料的照片。图105(a)，左：示出干燥静电纺丝PVA垫，和右：水合静电纺丝PVA垫。图105(b)，左：示出棉纱布，和右：静电纺丝牛纤维蛋白原垫。
瞬态金属的溶解动力学
研究了瞬态金属的溶解动力学。瞬态金属在生物环境(pH 6-8)(如人体、中性水、海水等)中是可降解的且是生物可再吸收的、环境友好的且与电子器件可兼容的。
图106示出对于沉积厚度为300nm的多种金属(Mg、Zn、AZ31B(含有Al：3％，Zn：1％的镁合金)、Fe和W)(图106(a))以及具有150nm和300nm厚度的Fe(图106(b))，将在金属线中出现电学断路的近似时间的线图。表10总结了该结果：
表10
R/L(以20Ω/mm) Mg Zn AZ31B Fe W
时间(小时) 0.5 1 3 7 15
图107提供溶解机制的示意图。图107(a)涉及水扩撒通过金属的细孔和缺陷和脱离表面的金属块的崩解或剥落。另外，图107(c)示出当溶解时金属越来越薄且孔越来越多。在典型的溶解机制中，金属根据下面的反应式与水反应：
Mg+2H2O→Mg(OH)2+H2
4Fe+6H2O+3O2→4Fe(OH)3
Zn+H2O→Zn(OH)2+H2
2W+2H2O+3O2→2H2WO4
图107(b)例示一种涉及溶解而没有崩解的机制。该反应性扩散模型涉及表面反应和水扩散到金属，由两个恒定参数k(反应)和D(扩散)限定。该模型不包含崩解/剥落。
一般的溶解现象的特征在于未必是一致的溶解。在研究图案化在具有5nm的Ti或Cr粘合层的玻璃上的金属中，电阻随时间的变化来自厚度和孔隙率两者的变化。因为膜质量可受沉积条件影响，所以该条件为每种金属保持恒定。
图108示出根据图107(b)的金属随时间溶解的理论结果和实验结果的线图。该模型适合较快溶解金属(Mg、Zn和Mg合金，但对于较慢溶解金属(W，Fe(300nm)是偏离的)。对于在整个溶解时间内提供类似动力学的快速溶解金属，在开始溶解后,崩解/剥落可能会马上发生，且因此使用常量k和D将不会对理论预估引入显著偏离。
尽管在较厚膜中发生分层的可能性较高，特别是当他们遇到较长的浸入时间时，但仅观察到薄(100nm)钨膜的剥落，可能由于在溅射过程期间形成的压缩剩余应力。钨的溶解动力学在最初阶段与后期阶段之间可能不同。例如，钨在最初阶段可能一致地溶解，而在稍后阶段崩解/剥落变得明显。使用恒定参数k和D来拟合后期阶段的实验数据会导致高估在最初阶段的溶解速率。图109提供示出具有一致表面形态的钨迹线在PBS溶液中在开始6小时的初步溶解的照片(图109(a))，之后在稍后时间(例如，18小时)非一致表面形态表明钨迹线的崩解/剥落变得明显(图109(b))，以及钨分层(图109(c))、钨分层且破裂(图109(d))以及钨剥落(图109(e))的实施例。有可能通过增加溅射Ar压力、变化到不同衬底(玻璃到Si)、以及使用Cr粘合层以减小剩余应力来促进稳定的具有更好晶格匹配的阿尔法W相(两个BCC相)。
图110示出100nm的W膜在DI水中溶解之前(图100(a))和溶解20小时之后(图110(b))的照片。钨在DI水中以良好的行为溶解，且远快于在PBS溶液中以薄膜的剥落溶解。密集的W薄膜在溶解之后变成多孔的网状物。在溶解过程中XPS未显示表面上形成WO3。图110(c)示出不同宽度的100nm W膜的溶解行为。
AZ31B的溶解被观察到不一致。AZ31B最终充分溶解，其中溶解远快于在PBS溶液中。XPS结果示出暴露于溶液的表面上的MgO/Mg(OH)2。图111示出在DI水中溶解之前(图111(a))和溶解2小时之后(图111(b))的AZ31B膜。图111(c)示出300nm AZ31B Mg合金在DI水中和在PBS溶液中的溶解行为。
Zn的溶解被观察到是不一致的。Zn最终完全溶解，其中在DI水中溶解较快，这是因为磷酸盐的形成减慢溶解。由于低蒸气压力，不能够被在Zn上执行XPS。图112示出在DI水中溶解之前(图112(a))和溶解2小时之后(图112(b))的Zn膜。图112(c)示出300nm的Zn在DI水中和PBS溶液中的溶解行为。
Fe的溶解被观察到是不一致的。Fe开始在某些位置生锈且多达数天生锈产物不充分溶解。Fe溶解对沉积条件非常敏感，其中具有较小/较密集晶粒的薄膜示出在数天之后无电阻变化。Fe在PBS溶液中溶解较快。XPS示出与生锈关联的表面产物，Fe2O3/Fe(OH)3。图113示出具有粗化的/密集的晶粒的Fe膜(图112(a))，其腐蚀快于图112(b)的较精细的晶粒。图112(c)示出150nm的Fe在DI水中和PBS溶液中的溶解行为。
图114总结金属在DI水(pH 6.8)和在磷酸缓冲溶液(pH 7.4)中的溶解数据。为了进行比较，在图115中示出Si在PBS的溶解属性，且将其总结在表11中。
表11
**pH 7.4中的溶解速率----4.5nm/天(37℃),2nm/天(RT)
热治疗中的瞬态器件
瞬态器件可以被植入在手术部位，以执行热治疗，对抗细菌感染。图116示出在丝衬底上的具有Mg电感器线圈和Mg电阻器(约300Ω)的瞬态热治疗器件的照片(图116(a))和红外图像(图116(b))。在49MHz下，器件以大约25％的功率运行。该器件被植入在小鼠模型中，其中一周之后没有感染迹象。
图117示出体外评估细菌培养物的照片。组织被称重(每个样品70-80mg)，在DPBS(2.5-3mL)中被均质化且被稀释105、106和107倍。50μL的每种稀释液被用于涂覆2个TSB琼脂平板。在37℃下孵育24小时之后，对所述平板上的菌落计数且列在表12中，其中(H)不含有植入物且不注入健康组织，(D)含有植入的器件，且(B1和B2)注入细菌。
表12
在H或D上未观察到细菌。
早期工作的总结
图118提供在丝衬底上充分形成的瞬态MOSFETS和集成电路的示意图。图119提供示出图118的充分形成的瞬态MOSFETS和集成电路的溶解随时间推移的照片。图120提供充分形成的瞬态MOSFETS和集成电路的照片和性能线图。尤其，使用光刻制造nmos反相器阵列和逻辑门，且电学描述其特性。图121提供瞬态RF电子器件：(a-b)整流器，(c-d)电容器，(e-f)电感器，以及(g-h)电阻器的照片和性能线图。图122提供3级cMOS环形振荡器形式的瞬态RF电子器件的照片和性能线图。图123提供Fe电极cMOS振荡器的照片。图124提供与Fe电极cMOS逻辑电路(NAND、NOR)相关的照片、示意和曲线图。图125提供逻辑电路转变(逻辑电路至cMOS反相器)的照片。图126提供示出Mg合金(AZ31B，Al 3％,ZN 1％)TFT的性能的线图。图127提供具有天线的瞬态RF电子器件的照片、性能线图以及时间推移溶解研究。图128提供纳入来自图121-127的部件的瞬态RF器件的示意图、照片以及时间推移溶解研究。
实施例11
该实施例公开了电化学瞬态电源。在该电化学瞬态电源的一个实施方案中，当Mg溶解形成原位微加热器时，Mg-Fe或Mg-Pt(Au)金属电偶形成瞬态电池。图129示出电化学瞬态电源的示意图(图129(a))和示出金属电偶的电压和放电电流随时间的性能线图(图129(b)-(c))。
关于引入参考文献和变体的声明
在该整个该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；专利申请出版物；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不与本申请中的公开内容一致(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部分的部分)。
在此以引用的方式将2011年12月1日提交的美国临时申请No.61/565,907以及与其一并提交的附件A和B整体纳入。
下面的参考文献总体涉及柔性和/或可拉伸的半导体材料和器件且在此每个以引用的方式整体纳入：2010年5月12日提交的美国专利申请No.12/778,588；2005年6月2日提交的PCT国际申请No.PCT/US05/19354、且于2005年12月22日以No.WO2005/122285公开；2010年3月12日提交的美国临时专利申请No.61/313,397；2007年9月6日提交的美国专利申请No.11/851,182、且于2008年7月3日以No.2008/0157235公开；以及2007年9月6日提交的PCT国际申请No.PCT/US07/77759、且于2008年3月13日以No.WO2008/030960公开。
下面的参考文献总体涉及生物可再吸收的衬底和制造生物可在吸收的衬底的方法且每个在此以引用的方式整体并入：2003年6月24日提交的PCT专利申请PCT/US03/19968、2004年1月7日提交的PCT专利申请PCT/US04/000255、2014年4月12日提交的PCT专利申请PCT/US04/11199、2005年6月13日提交的PCT专利申请PCT/US05/20844以及2006年7月28日提交的PCT专利申请PCT/US06/029826。
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式、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，分别公开了该组和所有子组的所有个体成员，包含该组成员的任何异构体、对映异构体和非对映异构体。当本文使用马库什分类或其他分类法时，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，未指定特定异构体、对映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。
下面的参考文献总体涉及用于制造电子器件的制造方法、结构和系统，且在此以引用方式纳入本文的内容与本申请的公开内容一致。
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“一个电池”包含多个这样的电池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是指权利要求号码)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。
除非另有定义，否则本文所使用的所有技术术语和科学术语具有如本发明所属领域技术人员通常理解的相同意义。尽管能够将与本文所描述的任何方法和材料类似或等同的那些方法和材料用在本发明的实践和测试中，但现在描述优选的实施方法和材料。本文没有内容应被理解为承认本发明不享有早于在先发明披露的这样的内容的权利。
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。
如本文所使用的，“包含”是与“包括”“含有”或“其特征在于”同义的且可互换地，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”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 (19)

1.一种无源瞬态电子器件，包括：
衬底；以及
由所述衬底支撑的一个或多个无机部件；其中所述一个或多个无机部件独立地包括选择性可转变的材料，其中所述一个或多个无机部件具有响应外部刺激或内部刺激的预选瞬变分布；
其中所述一个或多个无机部件的至少部分转变提供了该无源瞬态电子器件响应所述外部刺激或所述内部刺激并以预选的时间或以预选的速率的可编程的转变，其中所述可编程的转变提供了所述无源瞬态电子器件的功能从第一状况到第二状况的变化。
2.权利要求1的器件，其中所述一个或多个无机部件的所述转变通过除生物再吸收之外的过程发生。
3.权利要求1的器件，其中所述一个或多个无机部件的所述转变通过如下方式而发生，从而提供所述瞬态电子器件的所述可编程的转变：
(i)通过相变，其中所述一个或多个无机半导体部件或所述一个或多个金属导体部件的至少一部分经历至少部分升华或融化；
(ii)经由所述一个或多个无机半导体部件或所述一个或多个金属导体部件在溶剂中的至少部分溶解；
(iii)经由所述一个或多个无机半导体部件或所述一个或多个金属导体部件的至少部分水解；
(iv)经由所述一个或多个无机半导体部件或所述一个或多个金属导体部件的至少部分蚀刻或腐蚀；
(v)通过光化学反应，其中所述一个或多个无机半导体部件或所述一个或多个金属导体部件的至少一部分吸收电磁辐射，并经历至少部分化学或物理变化。
(vi)通过电化学反应；或
(vii)通过化学或物理变化，其中所述一个或多个无机半导体部件或所述一个或多个金属导体部件的至少一部分被转化为绝缘体。
4.权利要求1的器件，其中所述预选瞬变分布的特征在于所述一个或多个无机部件在选自1ms至2年的范围的时间间隔内的0.01％至100％的转变，从而提供所述瞬态电子器件的所述可编程的转变。
5.权利要求1的器件，其中所述预选瞬变分布的特征在于所述一个或多个无机部件的电学电导率以选自1010S·m-1s-1至1S·m-1s-1的范围的速率减小。
6.权利要求1的器件，其中所述外部刺激或所述内部刺激包括生物环境变化、温度变化、压力变化、暴露于电磁辐射、与化学试剂接触、电场的施加、磁场的施加、暴露于溶剂、外部环境的pH变化、外部环境的盐浓度变化或阳极电压的施加。
7.权利要求1的器件，还包括包封材料，其至少部分地包封所述无机部件中的一个或多个，其中所述包封材料包括选择性可移除的材料，该选择性可移除的材料被至少部分地移除以暴露下面的无机半导体部件或金属导体部件。
8.权利要求7的器件，其中所述包封材料响应所述外部刺激或所述内部刺激而被移除。
9.权利要求7的器件，其中所述包封材料包括一种选自由MgO、丝、胶原、明胶、PLGA、聚乙烯醇(PVA)、PLA、SiO2、聚酸酐(聚酯)、聚羟基脂肪酸酯(PHA)和聚磷酸酯组成的一组的材料。
10.权利要求1的器件，其中所述一个或多个无机部件中的每一个独立地包括Si、Ga、GaAs、ZnO或这些的任何组合。
11.权利要求1的器件，其中所述一个或多个无机部件独立地包括Mg、W、Fe或其合金。
12.权利要求1的器件，其中所述一个或多个无机部件独立地包括Mg与选自由Al、Ag、Ca、Li、Mn、Si、Sn、Y、Zn和Zr组成的一组的一种或多种附加材料的合金，其中所述合金的所述一种或多种附加材料具有按重量计等于或小于10％的浓度。
13.权利要求1的器件，其中所述衬底包括丝。
14.权利要求1的器件，其中选择性可移除的材料的厚度到达零的时间由下式给出：
其中，tc是临界时间，ρm是所述材料的质量密度，M(H2O)是水的摩尔质量，M(m)是所述材料的摩尔质量，h0是所述材料的初始厚度，D是水的扩散率、k是溶解反应的反应常数，且w0是水的初始浓度；其中k具有选自105至10-10s-1的范围的值。
15.权利要求1的器件，还包括设置在所述一个或多个无机部件的至少一部分上的丝覆层。
16.权利要求1的器件，其中所述一个或多个无机部件包括一个或多个无机半导体部件、一个或多个金属导体部件，或者所述一个或多个无机部件包括一个或多个无机半导体部件和一个或多个金属导体部件。
17.一种使用无源瞬态电子器件的方法，所述方法包括步骤：
提供所述无源瞬态电子器件，所述无源瞬态电子器件包括：
衬底；以及
由所述衬底支撑的一个或多个无机部件；其中所述一个或多个无机部件独立地包括选择性可转变的材料，其中所述一个或多个无机部件具有响应外部刺激或内部刺激的预选瞬变分布；
其中所述一个或多个无机部件的至少部分转变提供了该无源瞬态电子器件响应所述外部刺激或所述内部刺激并以预选的时间或以预选的速率的可编程的转变，其中所述可编程的转变提供了所述无源瞬态电子器件的功能从第一状况到第二状况的变化；
将所述无源瞬态电子器件暴露于所述外部刺激或所述内部刺激，从而可编程地转变所述无源瞬态电子器件。
18.权利要求17的方法，其中所述无源瞬态电子器件还包括设置在所述一个或多个无机部件的至少一部分上的丝覆层。
19.权利要求17的方法，所述一个或多个无机部件包括一个或多个无机半导体部件、一个或多个金属导体部件，或者所述一个或多个无机部件包括一个或多个无机半导体部件和一个或多个金属导体部件。
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