CN110393507A - 柔性电子器件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及一种柔性电子器件及其制造方法，所述柔性电子器件包括：柔性基底及位于所述柔性基底上的电路结构，所述电路结构包括功能部和连接部，所述功能部用于实现所述柔性电子器件的功能，所述连接部具有曲线形状，用于连接所述功能部，其中，所述电路结构及所述柔性基底具有弯曲形变，所述连接部具有褶皱形变。根据本公开实施例，可得到具有较高延展性的柔性电子器件，且通过使用失稳模式的调控，使得电路结构的布局区域具有较好的电学连接和结构连接，从而确保该柔性电子器件可以在较大变形下保持良好的性能。
Description
技术领域
本公开涉及电子器件技术领域，尤其涉及一种柔性电子器件及其制造方法。
背景技术
柔性电子技术的应用逐渐普遍，将柔性电子器件与被测对象(例如人体)接合进行生理信息采集与监测已经越来越受到人们的关注，特别是一些超薄、超柔、可拉伸的皮肤电子器件由于其本身的特点，能够与人体进行长时间舒适的接合，使得其在医学诊断、医学治疗以及人机交互和机器感知等领域发挥着重要作用。
但是，用于制备柔性电子器件功能单元的无机材料，都存在一定的断裂韧性，当拉伸延展性超过这个极限后，这些无机材料发生断裂，而失去其功能，从而导致无机柔性电子器件的失效和破坏。
因此，需要提升柔性电子器件的可延展性。
发明内容
有鉴于此，本公开提出了一种柔性电子器件及其制造方法，使得柔性电子器件能够在较大变形下保持良好的性能。
根据本公开的一方面，提供了一种柔性电子器件，包括：柔性基底及位于所述柔性基底上的电路结构，所述电路结构包括功能部和连接部，所述功能部用于实现所述柔性电子器件的功能，所述连接部具有曲线形状，用于连接所述功能部，其中，所述电路结构及所述柔性基底具有弯曲形变，所述连接部具有褶皱形变。
在一种可能的实现方式中，所述连接部包括第一导电层，所述功能部包括功能部件及第二导电层，所述第一导电层连接到所述第二导电层，所述第二导电层的厚度大于所述第一导电层的厚度，所述功能部件设置在所述第二导电层上，用于实现所述柔性电子器件的功能。
在一种可能的实现方式中，所述功能部由半导体材料制成，所述功能部的厚度大于所述连接部的厚度。
根据本公开的另一方面，提供了一种柔性电子器件的制造方法，包括：在硅衬底上生成电路结构，所述电路结构包括功能部和连接部，所述功能部用于实现所述柔性电子器件的功能，所述连接部具有曲线形状，用于连接所述功能部；在预设方向上对柔性基底进行预拉伸，获得预拉伸后的柔性基底；将所述电路结构转印到所述预拉伸后的柔性基底；释放所述预拉伸后的柔性基底，使得所述电路结构及所述柔性基底产生弯曲形变，所述连接部产生褶皱形变，得到所述柔性电子器件。
在一种可能的实现方式中，所述在硅衬底上生成电路结构，包括：在所述硅衬底上生成预设图案的薄膜层；对所述薄膜层的部分区域进行厚度调整，得到所述电路结构的功能部和连接部，其中，所述功能部的厚度大于所述连接部的厚度。
在一种可能的实现方式中，所述薄膜层包括金属层，所述连接部包括第一导电层，所述功能部包括功能部件及第二导电层，所述在所述硅衬底上生成预设图案的薄膜层，包括：在所述硅衬底上生成牺牲层和与所述预设图案互补的光刻胶层；沉积金属薄膜，并在沉积金属薄膜后去除所述光刻胶层，得到所述预设图案的薄膜层；所述对所述薄膜层的部分区域进行厚度调整，得到所述电路结构的功能部和连接部，包括：对所述薄膜层的功能区域再次沉积金属薄膜，得到所述功能部的第二导电层；在所述第二导电层上布置功能部件，得到所述功能部，其中，所述连接部的第一导电层包括所述薄膜层的连接区域。
在一种可能的实现方式中，所述薄膜层包括半导体层，所述在所述硅衬底上生成预设图案的薄膜层，包括：在所述硅衬底上生成牺牲层及半导体层；根据所述预设图案刻蚀所述半导体层，得到所述预设图案的薄膜层；所述对所述薄膜层的部分区域进行厚度调整，得到所述电路结构的功能部和连接部，包括：对所述薄膜层的连接区域进行减薄处理，得到所述电路结构的连接部，其中，所述电路结构的功能部包括所述薄膜层的功能区域。
在一种可能的实现方式中，所述第一导电层为第一厚度，所述第二导电层为第二厚度，所述第一厚度及所述柔性基底的第三厚度使得所述连接部在所述预拉伸后的柔性基底被释放后趋于褶皱形变，所述第二厚度及所述柔性基底的第三厚度使得所述电路结构在所述预拉伸后的柔性基底被释放后趋于弯曲形变。
在一种可能的实现方式中，所述连接部为第一厚度，所述功能部为第二厚度，所述第一厚度及所述柔性基底的第三厚度使得所述连接部在所述预拉伸后的柔性基底被释放后趋于褶皱形变，所述第二厚度及所述柔性基底的第三厚度使得所述电路结构在所述预拉伸后的柔性基底被释放后趋于弯曲形变。
根据本公开实施例，可得到具有较高延展性的柔性电子器件，且通过使用失稳模式的调控，使得电路结构具有较好的电学连接和结构连接，从而确保该柔性电子器件可以在较大变形下保持良好的性能。
根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本公开的其它特征及方面将变得清楚。
附图说明
包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本公开的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本公开的原理。
图1示出根据本公开一实施例的柔性电子器件的框图。
图2示出根据本公开一实施例的柔性电子器件的结构示意图。
图3示出根据本公开一实施例的柔性电子器件的结构示意图。
图4示出根据本公开一实施例的柔性电子器件的制造方法的流程图。
图5示出根据本公开一实施例的柔性电子器件的工艺示意图。
图6示出根据本公开一实施例的柔性电子器件制备流程的示意图。
图7示出根据本公开一实施例的柔性电子器件的实验验证图。
图8示出根据本公开一实施例的柔性电子器件的实验验证图。
具体实施方式
以下将参考附图详细说明本公开的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。
另外，为了更好的说明本公开，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本公开同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本公开的主旨。
图1示出根据本公开一实施例的柔性电子器件的框图。如图1所示，该柔性电子器件包括：
柔性基底11及位于柔性基底11上的电路结构12。
电路结构12包括功能部121和连接部122，功能部121用于实现柔性电子器件的功能，连接部122具有曲线形状，用于连接功能部121。
其中，电路结构12及柔性基底11具有弯曲形变，连接部122具有褶皱形变。
举例来说，该柔性电子器件可用于贴合到被测对象(例如人体)的表面，采集被测对象的生理信息和/或对生理信息进行处理等。该柔性电子器件包括柔性基底11和电路结构12，柔性基底11用于承载电路结构12，电路结构12用于实现该器件的功能并进行信号传输等。
在一种可能的实现方式中，电路结构12可包括功能部121和连接部122。功能部121用于实现柔性电子器件的功能，例如包括传感器、处理器等，功能部121可以为一个或多个；连接部122用于连接功能部121，例如连接在多个功能部121之间，连接在功能部121与外部电路(未示出)之间等。本公开对功能部的数量及类型、连接部的连接位置均不作限制。
在一种可能的实现方式中，连接部122可连接功能部121，实现多个功能部121之间，和/或功能部121与外部电路之间的信号传递。连接部122的导电层(也即第一导电层)可由金属材料(例如金、铜等)制成，也可以由半导体材料(例如多晶硅)制成，本公开对此不作限制。
在一种可能的实现方式中，电路结构(功能部121和连接部122)还可包括绝缘层、封装层等，绝缘层可用于实现电路结构与外部的绝缘；封装层用于封装该电路结构，本公开对此不作限制。
在一种可能的实现方式中，电路结构12及柔性基底11具有整体的弯曲形变，连接部122具有局部的褶皱形变。通过这种方式，在柔性电子器件受力拉伸时，电路结构12及柔性基底11的整体弯曲形变首先被展平，分担一部分延展性；其次，连接部122的局部褶皱形变开始展平，承担第二部分延展性，从而提高了柔性电子器件的可拉伸性。
在一种可能的实现方式中，连接部具有曲线形状。该曲线形状可为蛇形。通过这种方式，在柔性电子器件受力拉伸到整体弯曲形变和局部褶皱形变均已展平后，连接部的曲线形状被拉伸，承担第三部分延展性，进一步提高了柔性电子器件的可拉伸性。
根据本公开的实施例的柔性电子器件，具有较高延展性，且通过使用失稳模式的调控，使得器件的电路结构具有较好的电学连接和结构连接，从而确保该柔性电子器件可以在较大变形下保持良好的性能。
在一种可能的实现方式中，所述连接部包括第一导电层，所述功能部包括功能部件及第二导电层，所述第一导电层连接到所述第二导电层，所述第二导电层的厚度大于所述第一导电层的厚度，功能部件设置在所述第二导电层上，用于实现所述柔性电子器件的功能。
图2示出根据本公开一实施例的柔性电子器件的结构示意图。如图2所示，柔性电子器件包括柔性基底11和电路结构，电路结构包括功能部121(如图2中虚线框所示)和连接部122。其中，功能部121可包括功能结构(也即功能部件1211)与导电结构(也即第二导电层1212)两部分。功能部件1211可设置在第二导电层上，包括具有预设功能的芯片(例如减薄的芯片)和/或其他功能单元等。应当理解，本领域技术人员可根据实际需要选择功能部件1211，本公开对此不作限制。
在一种可能的实现方式中，连接部122可包括第一导电层，第二导电层1212连接到连接部122的第一导电层，以实现功能部件1211之间，以及功能部件1211与外部电路之间的信号传递。第一导电层及第二导电层1212可由金属材料(例如金、铜等)制成，本公开对第一导电层及第二导电层的材料类型不作限制。
在一种可能的实现方式中，第二导电层的厚度大于第一导电层的厚度，例如第二导电层的厚度为220nm，第一导电层的厚度为110nm。这样，使得功能部(包括功能部件1211及第二导电层1212)所在的区域只发生弯曲，曲率较小，所以在该区域，功能部可以实现与柔性基底11的共形贴合。同时连接部122所在的区域发生弯曲和褶皱，提高了器件的延展性。
在一种可能的实现方式中，功能部由半导体材料制成，所述功能部的厚度大于所述连接部的厚度。
图3示出根据本公开一实施例的柔性电子器件的结构示意图。如图3所示，柔性电子器件包括柔性基底11和电路结构，电路结构包括功能部121和连接部122。其中，功能部121可以为由半导体材料制成的功能结构，以实现柔性电子器件的功能。对于半导体材料，可以均作为功能结构，图案也比较规则，因此使用半导体材料制备功能部121时，功能部121的制备较为方便。
其中，功能部121的厚度大于连接部122的厚度，功能部121的厚度为220nm，连接部122的厚度为110nm。这样，使得功能部所在的区域只发生弯曲，曲率较小，所以在该区域，功能部可以实现与柔性基底11的共形贴合。同时连接部122所在的区域发生弯曲和褶皱，提高了器件的延展性。
下面对上述结构的作用原理进行详细说明。
对于单位宽度的结构，其弯曲刚度可以为：Eh3/12，其中E为材料的弹性模量，h为结构的厚度。对于结构而言，结构的弯曲刚度越小，结构越容易弯曲，并且柔性越好。因此当材料一定时，减小结构的厚度可以降低其弯曲刚度，增强其柔性。因此，在柔性电子器件中可以使用减薄芯片。
举例来说，减薄芯片可以是指对原有的芯片通过机械抛光或者化学腐蚀的方法去掉其非功能结构的部分，从而保留原有的芯片的功能部分，使其性能不受影响的方法。
减薄后的芯片可以进行一定程度的弯曲，但是由于其材料本征脆性的原因，而不能进行过大曲率的弯曲，因此可以在只发生弯曲的区域布置减薄后的芯片。同时，布置减薄芯片和功能单元的区域只发生弯曲，曲率较小，所以该区域可以实现芯片和功能单元与柔性基底的共形贴合(即芯片与功能单元可以发生与柔性基底曲率相同的形变)，从而可以保证较好的电学连接。
在柔性电子器件中，常见的“硬膜软基”系统(例如基底为柔性基底，制备器件的薄膜为硬质薄膜)可以是基底比较薄，且结构自由时(没有硬质基底支撑)的系统，系统的能量可以如公式(1)所示：
其中：Utotal为系统总能量；Uf为薄膜能量；Us为软基底能量；为硬质薄膜材料的平面应变弹性模量；为软基底材料的平面应变模量；h为硬质薄膜的厚度；H为柔性衬底的厚度；ε为施加的预应变；k＝2π/λ为波数，A为褶皱的幅值，λ为褶皱的波长。当材料一定时，通过改变硬质薄膜和软基底的厚度，可以使其分别发生弯曲和局部褶皱，具体发生哪种失稳形式，则需要根据系统的总能量来进行判断，即如果发生整体弯曲时的系统总能量最小则发生弯曲；如果发生局部褶皱时的系统总能量最小，则发生局部褶皱。
下面对基于上述原理的柔性电子器件的制造方法进行说明。
图4示出根据本公开一实施例的柔性电子器件的制造方法的流程图。图5示出根据本公开一实施例的柔性电子器件的工艺示意图。下面，将结合图4和图5对上述方法进行说明。如图4所示，该方法包括：
在步骤S10中：在硅衬底上生成电路结构，电路结构包括功能部和连接部，功能部用于实现柔性电子器件的功能，连接部用于连接所述功能部。
关于步骤S10，可参见图5中(a)所示出的结构，硅衬底11a上的电路结构包括功能部121和连接部122。功能部121用于实现柔性电子器件的功能，连接部122具有曲线形状，用于连接功能部121。
应该理解，图5所示各结构内相同或相似的部分可参考图5中(a)处的附图标记，在图5的其它结构中不再重复示出。
在步骤S20中：在预设方向上对柔性基底进行预拉伸，获得预拉伸后的柔性基底。举例来说，预设方向可以为柔性基底的长度方向。对应预设方向可以根据实际需要进行选择，本公开对此不作限定。
关于步骤S20，可参见图5中(b)所示出的结构，对柔性基底11b可按照黑色箭头所示方向进行拉伸。其中，黑色实线所示为未拉伸的柔性基底11b，黑色虚线所示为拉伸后发生形变的柔性基底11b。
在步骤S30中：将电路结构转印到预拉伸后的柔性基底。关于转印工艺可以使用相关技术中的转印工艺，本公开对此不作限定。
关于步骤S30，可参见图5中(c)所示出的结构。此时，硅衬底11a已被去除，硅衬底11a上的电路结构已转印至柔性基底11b。
在步骤S40中：释放预拉伸后的柔性基底，使得电路结构及柔性基底产生弯曲形变，连接部产生褶皱形变，得到柔性电子器件。
关于步骤S40，可参见图5中(d)所示出的结构。其中，黑色实线所示为经过拉伸的柔性基底11b，黑色虚线所示为释放作用力后恢复的柔性基底11b。在柔性基底11b恢复形变的过程中，也促使功能部121和连接部122发生形变，其中，功能部121和连接部122及柔性基底11b产生弯曲形变，连接部122产生褶皱形变。
通过上述方法得到的柔性电子器件的结构，可以参考图1或图2中的结构及其相关说明。
上述方法从系统总能量出发，判断整个结构的失稳模式(弯曲或者局部褶皱)，从而据此对柔性电子器件的结构进行设计。
通过上述方法制备的柔性电子器件，可以使得连接部(可以用于承担结构延展性的结构)发生局部褶皱和弯曲，而对于功能部所在的位置可以只发生弯曲。
基于以上原理，可以使用以下步骤进行柔性电子器件的制备。
在步骤一中，制备超薄柔性基底。
制备超薄柔性基底，可以通过旋涂、静置摊平等方式，制备超薄柔性衬底。
举例来说，旋涂制备超薄柔性基底可以根据转速和厚度的关系，制备出满足预设厚度的超薄柔性基底。通过调整合理的转速，可以使旋涂的超薄柔性基底达到合适的厚度。
举例来说，静置摊平的方式制备柔性衬底，可以根据m＝ρSH得出超薄柔性衬底的厚度，其中：H为固化后的薄膜的厚度；m为为了固化形成厚度为H的薄膜所需的未固化的衬底材料的质量；S为固化容器的底面积；H为固化的薄膜厚度；ρ为所用制备材料的密度；同理影响薄膜条带一维失稳模式也只由参数所影响，其中Es为超薄柔性基底的材料的弹性模量；对制备好的超薄柔性基底进行预拉伸，并保持预拉伸状态。
在步骤二中：对硬质薄膜进行加工。
对硬质薄膜(如金属薄膜或者半导体薄膜)进行光刻，使之成为目标形状，例如，可以为条带状或者蛇形结构；同时对硬质薄膜的部分区域进行厚度调整，可以通过“增材法”或者“减材法”对厚度进行调整。
举例来说，硬质薄膜中布置减薄芯片或者功能单元的部分，可以保持该部分的硬质薄膜(金属薄膜)厚度较厚，使其更易发生弯曲；而对于连接部分，承担结构延展性的结构，可以保持该部分的硬质薄膜较薄，使其更容易发生局部褶皱和弯曲。
举例来说，“增材法”可以是通过薄膜的多次沉积，如对于需要加厚的区域通过多次沉积来进行加厚。
举例来说，“减材法”可以是通过对需要保持较薄厚度的区域采用腐蚀或者刻蚀等手段，使其保持较薄的厚度。然后将厚度调整合适的图案化硬质薄膜转印到步骤一中预拉伸的超薄柔性衬底上；
在步骤三中：布置需要的功能单元或者减薄芯片。
在超薄柔性基底的预拉伸状态下，可以在图案化的硬质薄膜上布置需要的功能单元或者减薄芯片，由于减薄芯片去掉了非功能部分，其结构厚度较小，可以随着“硬膜软基”系统发生弯曲，并和“硬膜软基”结构保持共形变形(整体弯曲)。
另外，整体弯曲时，较小的曲率可以使得功能单元和减薄芯片与图案化的硬质薄膜(如金属电极)保持较好的机械连接和电学连接。
在步骤四中：释放超薄柔性基底。
释放超薄柔性基底，使整个系统部分区域只发生整体弯曲，而结构连接部分(承担结构延展性的结构)发生局部褶皱和整体弯曲。为了提高延展性，可以将结构连接部分的结构设计为蛇形结构，使得蛇形结构即发生整体弯曲，也发生局部褶皱。
释放超薄柔性基底后，当柔性电子器件再次拉伸时，其结构首先将整体弯曲展平，分担一部分延展性；其次，局部褶皱开始展平，承担第二部分延展性；最后当局部褶皱和整体弯曲均展平后，蛇形结构发生大转动，承担第三部分延展性。通过综合以上三部分分担的延展性，上述柔性电子器件具有较高的延展性，可以提高器件的可拉伸性。
基于前述力学原理以及结构设计制备的柔性电子器件可以具有较高的延展性，而且通过使用失稳模式的调控，可以使得电路结构的布局区域具有较好的电学连接和结构连接，从而确保上述柔性电子器件可以在较大变形下保持良好的性能。
在一种可能的实现方式中，步骤S10可以包括：在硅衬底11a上生成预设图案的薄膜层；对所述薄膜层的部分区域进行厚度调整，得到所述电路结构的功能部和连接部，其中，所述功能部的厚度大于所述连接部的厚度。
举例来说，预设图案可以包括连接部122的图案，也可以包括连接部122和功能部121的图案，预设图案可以根据实际需要进行选择，本公开对此不作限定。在生成预设图案的薄膜层后，可对薄膜层的部分区域进行厚度调整，得到电路结构的功能部121和连接部122。其中，功能部121的厚度大于连接部122的厚度。
其中，对于薄膜层的部分区域的调整，可以是对薄膜层中功能区域的厚度的调整，或者是对薄膜层中连接区域的厚度的调整，对于调整的区域可以根据实际需要进行选择，本公开对此不作限定。
对于薄膜层部分区域进行厚度调整的方法可以根据实际需要进行选择，例如通过多次沉积的方法来增加厚度，或者通过刻蚀的方法来减薄厚度，对于具体的厚度调整工艺，本公开对此不作限定，只能能够得到预设的薄膜厚度即可。关于需要调整的区域的厚度，可以根据公式(1)得出，此处不再赘述。
通过此方法制备的柔性电子器件，利用功能部的厚度和连接部的厚度来产生预设的形变，可以使得连接部(例如，用于承担结构延展性的结构)发生局部褶皱和弯曲，而对于功能部所在的位置可以只发生弯曲。
在一种可能的实现方式中，薄膜层为金属层(例如，金、铜等)，可以通过薄膜的多次沉积，对于需要加厚的区域通过多次沉积来进行加厚，从而调整功能部的厚度。
在一种可能的实现方式中，步骤S11中的薄膜层包括金属层，连接部包括第一导电层，功能部包括功能部件及第二导电层；此时，步骤S11中在硅衬底上生成预设图案的薄膜层，可以包括，在硅衬底上生成牺牲层和与预设图案互补的光刻胶层；沉积金属薄膜，并在沉积金属薄膜后去除光刻胶层，得到预设图案的薄膜层；在步骤S11中的，对薄膜层的部分区域进行厚度调整，得到电路结构的功能部和连接部，可以包括，对薄膜层的功能区域再次沉积金属薄膜，得到功能部的第二导电层；在第二导电层上布置功能部件，得到功能部；其中，连接部的第一导电层包括薄膜层的连接区域。
举例来说，步骤S11可以包括：
在硅衬底11a上生成牺牲层和与预设图案互补的光刻胶层。在具有光刻胶层的硅衬底11a上沉积金属薄膜，并在沉积金属薄膜后去除光刻胶层，得到预设图案的薄膜层。然后，对薄膜层的功能区域再次沉积金属薄膜，得到功能部121的第二导电层；在第二导电层上布置功能部件，得到功能部121；其中，连接部122的第一导电层包括薄膜层的连接区域。其中，关于第一导电层的结构，可以参见前述第一导电层的相关描述。
上述步骤可以使用光刻图案化工艺进行，因此薄膜层中的图案易于设计，也可以使得硅衬底11a上的电路结构易于制备。
而且，对于薄膜层的部分区域进行厚度调整时，对于不需要增厚的部分可以使用光刻胶进行覆盖保护，从而提升对器件结构的加工精度。
上述步骤中，牺牲层可以为PDMS(polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷)或其它材料，本公开对此不作限定。
需要说明的是，关于第二导电层，可以参见前述关于第二导电层121的描述。
通过此方法，可以通过加厚功能部的方式，来调整柔性基底的形变。通过此方法制备的柔性电子器件，可以使得连接部(可以用于承担结构延展性的结构)发生局部褶皱和弯曲，而对于功能部所在的位置可以只发生弯曲。
图6示出根据本公开一实施例的柔性电子器件制备流程的示意图。
图6中的柔性电子器件可以采用“芯片-硬质薄膜电极-柔性基底”的结构进行制备，即在柔性基底上制备硬质金属薄膜，通过硬质金属薄膜形成硬质薄膜电极的图案，硬质薄膜电极用于芯片之间的电连接；硬质薄膜电极可以包括功能部和连接部，芯片可以至于硬质薄膜电极的功能部处，连接部用于连接多个功能部。
下面将对此结构柔性电子器件的制造方法进行说明。
图6中的柔性电子器件包括柔性基底11及位于柔性基底11上的电路结构12，电路结构12为硬质金属薄膜，电路结构12包括功能部121和连接部122，功能部121用于实现柔性电子器件的功能，连接部122包括第一导电层，第一导电层连接多个功能部121。
上述柔性电子器件的制造方法包括如下步骤：
在步骤A1中，制备柔性基底11。
在此步骤中，所制备的柔性基底11可以为超薄柔性基底，从而使得基底本身即具有较好的延展性。
如图6中(a)处所示，制备柔性基底11时，可以采用静止摊平的方式制备超柔弹性基底。可以通过m＝ρSH(公式中各符号含义与前述内容相同，此处不再赘述)计算对应于液态柔性衬底的质量所需的厚度。例如，可以采用厚度为65μm的PDMS(polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷)。将液态PDMS的本体和固化剂按照10:1的比例进行混合均匀，然后称取一定质量的PDMS混合液体(根据固化容器的横截面积来确定)，将其置于室温固化2天，形成厚度为65μm的PDMS薄膜。将固化后的PDMS薄膜置于拉伸台上，使其保持约5％的预应变，并处于拉伸状态，即可形成柔性基底11。其中，εpre表示预拉伸的应力方向。
在步骤A2中，制备电路结构12。
在此步骤中，可以包括如下步骤：
步骤A21：在硅衬底上生成牺牲层和与预设图案互补的光刻胶层。通过此步骤，后期生长完成薄膜后，去除光刻胶层即可得到具有预设图案的薄膜层。
在此步骤中，牺牲层可以使用PDMS进行制备，牺牲层用于降低从硅衬底上转移出具有预设图案的薄膜层的难度。
步骤A22：沉积金属薄膜，并在沉积金属薄膜后去除光刻胶层，得到预设图案的薄膜层。
举例来说，通过光刻的方法制备一层图案化的光刻胶图案，其图案形状与设计的电路结构12的预设图案形成互补形状，然后通过常规的薄膜沉积方法，如电子束蒸发镀膜或者磁控溅射的方法制备金属薄膜。其后，通过lift-off的工艺，使预先设计的电路结构12的预设图案保留下来。
在此步骤中，电路结构12的预设图案可以包括功能部121和连接部122。其中，连接部122包括第一导电层，用于连接多个功能部121。
步骤A23：对薄膜层的功能区域再次沉积金属薄膜，得到功能部121的第二导电层。
举例来说，对电路结构12需要加厚的位置(例如，功能部121)，进行第二层光刻胶掩膜的制备，使其形成与需要加厚的区域互补的图案，然后沉积第二层硬质金属薄膜，采用剥离(lift-off)工艺去出多余光刻胶，形成加厚的功能部121。电路结构12通过第二导电层局部加厚。
步骤A24：在第二导电层上布置功能部件，得到功能部121。其中，电路结构的连接部122包括薄膜层的连接区域。
如图6中(b)处所示，在步骤A24中形成的电路结构12包括功能部121和连接部122。其中，连接部122包括第一导电层，功能部121包括第二导电层。
在一种可能的实现方式中，电路结构12的连接部122可以图案化为蛇形结构。
举例来说，电路结构12中，加厚的部分区域(功能部121的第二导电层)厚度为220nm，未进行加厚的区域(连接部122的第一导电层)金属厚度为110nm，所采用的金属为金。因为硬质金属薄膜主要起到连接导线的作用，因此可以使用蛇形结构，兼顾结构的导电性与延展性。
在步骤A2中，电路结构12的制备材料为金属薄膜(金、铜等)，对于金属部分采用增材法进行制备。
在此步骤中，在硬质衬底(例如，硅衬底)上，通过光刻的方法制备一层图案化的光刻胶图案，其图案形状与设计的电路结构12形成互补形状，然后通过常规的薄膜沉积方法，如电子束蒸发镀膜或者磁控溅射的方法制备金属薄膜，然后通过lift-off的工艺，使预先设计的电路结构12保留下来。
电路结构12中，加厚的部分区域(功能部121的第二导电层)厚度为220nm，未进行加厚的区域(连接部122的第一导电层)金属厚度为110nm，所采用的金属为金。因为硬质金属薄膜主要起到连接导线的作用，因此可以使用蛇形结构，兼顾结构的导电性与延展性。
在步骤A3中，布置需要的功能单元或者减薄芯片
如图6中(c)处所示，在此步骤中，在柔性基底11处于预拉伸的状态的情况下，在图案化的电路结构12上布置所需要的功能单元或者减薄芯片。例如，可以在电路结构12上布置减薄后的LED。通过转印的方法，将电路结构12转印到预拉伸的PDMS薄膜(柔性基底11)上转印完成后，在电路结构12上面布置减薄后的LED。
在步骤A4中，释放预拉伸的柔性基底11。
在此步骤中，释放柔性基底11，即释放预应变，整个系统发生如图6中(d)处所示的“整体弯曲+局部褶皱”的失稳形貌，对于电路结构12较厚的区域(功能部121)只发生整体弯曲，同时系统也发生整体弯曲；而对于电路结构12较薄的区域(连接部122)则既发生整体弯曲，也发生局部褶皱。
通过上述方法制备的柔性电子器件，第一导电层为第一厚度110nm，第二导电层为第二厚度220nm，第一厚度110nm及柔性基底11的第三厚度65μm使得连接部在预拉伸后的柔性基底11被释放后趋于褶皱形变；第二厚度220nm及柔性基底11的第三厚度65μm使得电路结构在预拉伸后的柔性基底11被释放后趋于弯曲形变。
对于上述方法制备的柔性电子器件，当柔性电子器件拉伸时，其结构首先将整体弯曲展平，分担一部分延展性；其次，局部褶皱开始展平，承担第二部分延展性；最后当局部褶皱和整体弯曲均展平后，蛇形结构发生大转动，承担第三部分延展性。因此综合以上三部分分担的延展性，采用该结构设计的柔性电子器件具有较高的延展性，可以较大提高器件的可拉伸性。
另外，由于较厚的区域只发生整体弯曲，使得减薄后的芯片可以与其发生共形变形，保持较好的机械连接和电学连接。
在一种可能的实现方式中，薄膜层为半导体材料，可以通过对需要保持较薄厚度的区域采用腐蚀或者刻蚀等手段，使其保持较薄的厚度。
在一种可能的实现方式中，步骤S11中的薄膜层包括半导体层(对于步骤S11中提及的结构，可参见图5)；此时，在步骤S11中的，在硅衬底上生成预设图案的薄膜层，可以包括，在硅衬底上生成牺牲层及半导体层，根据预设图案刻蚀半导体层，得到预设图案的薄膜层；在步骤S11中的，对薄膜层的部分区域进行厚度调整，得到电路结构的功能部和连接部，可以包括，对薄膜层的连接区域进行减薄处理，得到电路结构的连接部，其中，电路结构的功能部包括薄膜层的功能区域。
举例来说，步骤S11可以包括：
在硅衬底11a上生成牺牲层及半导体层，根据预设图案刻蚀半导体层，得到预设图案的薄膜层；然后，对薄膜层的连接区域进行减薄处理，得到电路结构的连接部122，其中，电路结构的功能部121包括薄膜层的功能区域。
上述方法中，牺牲层可以为二氧化硅或其它材料，本公开对此不作限定。
上述方法中，对于半导体材料，可以均作为功能结构，图案也比较规则，因此可以避免在功能部121处布置芯片，可以不使用加厚功能部121的方法。
通过此方法，可以通过减薄连接部的方式，来调整柔性基底的形变。通过此方法制备的柔性电子器件，可以使得连接部(可以用于承担结构延展性的结构)发生局部褶皱和弯曲，而对于功能部所在的位置可以只发生弯曲。
在一种可能的实现方式中，柔性电子器件可以采用“硬质薄膜-柔性基底”的结构进行制备。即，在柔性基底上生成硬质薄膜(例如，半导体薄膜)，然后在硬质薄膜中形成电路结构的图案，此时功能部和连接部的图案可以在一次工艺中同时形成，避免额外的芯片布置。
下面将对此结构柔性电子器件的制备方法进行说明。
在步骤B1中，制备柔性基底。
制备柔性基底时，可以采用静止摊平的方式制备柔性基底。可以通过m＝ρSH(公式中各符号含义与前述内容相同，此处不再赘述)计算对应于液态柔性衬底的质量所需的厚度。例如，可以采用厚度为65μm的PDMS。将液态PDMS的本体和固化剂按照10:1的比例进行混合均匀，然后称取一定质量的PDMS混合液体(根据固化容器的横截面积来确定)，将其置于室温固化2天，形成厚度为65μm的PDMS薄膜。将固化后的PDMS薄膜置于拉伸台上，使其保持约5％的预应变，并处于拉伸状态。
在步骤B2中，制备图案化的硬质薄膜。
此步骤可以包括如下步骤：
步骤B21：在硅衬底上生成牺牲层及半导体层。
举例来说，可以在硅衬底上生成二氧化硅层作为牺牲层，通过薄膜沉积的方法生成半导体层。
步骤B22：根据预设图案刻蚀半导体层，得到预设图案的薄膜层。
举例来说，可以在SOI硅片上制备一层与设计图案相同的图案，然后采用反应离子刻蚀去除多余的硅薄膜，形成设计图案的半导体硬质薄膜条带，
步骤B23：对薄膜层的部分区域进行厚度调整，得到电路结构的功能部和连接部。
举例来说，可以采用与步骤B22中相同或相似的工艺，在第一次图案化后的基础上，形成与需要加厚的区域一直的光刻胶掩膜，同样采用反应离子刻蚀技术，对硬质硅薄膜条带进行部分区域减薄，通过控制反应离子刻蚀的时间来调控减薄的厚度。例如，硅薄膜条带的较厚区域的厚度可以为220nm，减薄区域的厚度可以为110nm。
在此步骤中，所制备的半导体硬质薄膜条带可以包括功能部121和连接部122。其中，功能部121的厚度可以为220nm，连接部122的厚度可以为110nm。
在步骤B2中，硬质薄膜的制备材料为半导体材料，对于半导体材料采用减材法进行制备。
在此步骤中，对于半导体材料，可以均作为功能结构，图案也比较规则，因此可以采用硅薄膜条带来进行制备。
例如，在SOI硅片上制备一层与设计图案相同的图案，然后采用反应离子刻蚀去除多余的硅薄膜，形成设计图案的半导体硬质薄膜条带，再采用同样的工艺，在第一次图案化后的基础上，形成与需要加厚的区域一直的光刻胶掩膜，同样采用反应离子刻蚀技术，对硬质硅薄膜条带进行部分区域减薄，通过控制反应离子刻蚀的时间来调控减薄的厚度。例如，硅薄膜条带的较厚区域的厚度可以为220nm，减薄区域的厚度可以为110nm。
在步骤B3中，转印半导体薄膜。
在此步骤中，半导体薄膜条带上的功能部121处可以避免布置减薄芯片，因为在电路中，半导体材料本身就是一种功能单元。因此，对于硅薄膜条带而言，可以先将其在氢氟酸中浸泡一定的时间，去除硅薄膜条带下面的二氧化硅，方便使其从SOI硅片上转移下来。
在步骤B4中，释放柔性基底。
在此步骤中，释放柔性基底，即释放预应变，整个系统发生如图2所示的“整体弯曲+局部褶皱”的失稳形貌，对于硬质薄膜较厚的区域(功能部121)只发生整体弯曲，同时系统也发生整体弯曲；而对于硬质薄膜较薄的区域(连接部122)则既发生整体弯曲也发生局部褶皱。
在一种可能的实现方式中，连接部122为第一厚度110nm，功能部121为第二厚度220nm，第一厚度110nm及柔性基底的第三厚度65μm使得连接部121在预拉伸后的柔性基底被释放后趋于褶皱形变；第二厚度220nm及柔性基底的第三厚度65μm使得电路结构在预拉伸后的柔性基底被释放后趋于弯曲形变。
对于上述方法制备的柔性电子器件，当柔性电子器件拉伸时，其结构首先将整体弯曲展平，分担一部分延展性；其次，局部褶皱开始展平，承担第二部分延展性；最后当局部褶皱和整体弯曲均展平后，蛇形结构发生大转动，承担第三部分延展性。因此综合以上三部分分担的延展性，采用该结构设计的柔性电子器件具有较高的延展性，可以较大提高器件的可拉伸性。
另外，由于较厚的区域只发生整体弯曲，使得减薄后的芯片可以与其发生共形变形，保持较好的机械连接和电学连接。
由于半导体薄膜脆性大，相较于金属而言，对该设计的要求比较苛刻，因此对硅薄膜条带进行了有限元和实验的双重验证。
图7示出根据本公开一实施例的柔性电子器件的实验验证图。图7为硅条带薄膜与PDMS薄膜组成的系统(例如，图3中柔性电子器件)进行有限元仿真计算，与预期吻合较好。
图8示出根据本公开一实施例的柔性电子器件的实验验证图。图8为与硅条带薄膜与PDMS薄膜组成的系统(例如，图3中柔性电子器件)对应的实验结构，图8中的图像为光学显微镜下拍摄的结构，结果与预期和图7中有限元的计算吻合良好
通过上述方法设计的柔性电子器件，具有超薄、超柔等特点，而且可以实现与人体大变形部位进行集成，可以保证器件在大变形情况下不被破坏，提高皮肤电子器件的延展性。
通过上述方法设计的柔性电子器件中承担延展性的结构，可以实现“整体弯曲”、“局部褶皱”和“蛇形延展”等三重分担变形，相较于单一的“蛇形延展”，提高了延展性；
通过上述方法设计的柔性电子器件利用整体弯曲的曲率较小，使得减薄芯片或者功能单元和金属电极(硬质薄膜)之间的机械连接和电学连接得到保证，也可以保证器件的功能的稳定性。
通过上述方法设计的柔性电子器件，简单易行，方便操作，具有普适性，可以采用类似的“多级分担”变形来提高器件的延展性，对于柔性可延展电子器件(例如，皮肤电子器件)具有普遍的设计指导意义。
如上任一所述的柔性电子器件通过利用不同失稳模式集成柔性电子器件，有效的利用器件结构的失稳来承担器件在使用过程中的大变形。
如上任一所述的柔性电子器件，基于前述力学原理以及结构设计制备，可以具有较高的延展性，而且通过使用失稳模式的调控，可以使得电路结构的布局区域具有较好的电学连接和结构连接，从而确保上述柔性电子器件可以在较大变形下保持良好的性能。
以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。
Claims (9)
1.一种柔性电子器件，其特征在于，包括：柔性基底及位于所述柔性基底上的电路结构，
所述电路结构包括功能部和连接部，所述功能部用于实现所述柔性电子器件的功能，所述连接部具有曲线形状，用于连接所述功能部，
其中，所述电路结构及所述柔性基底具有弯曲形变，所述连接部具有褶皱形变。
2.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，所述连接部包括第一导电层，所述功能部包括功能部件及第二导电层，所述第一导电层连接到所述第二导电层，所述第二导电层的厚度大于所述第一导电层的厚度，
所述功能部件设置在所述第二导电层上，用于实现所述柔性电子器件的功能。
3.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，所述功能部由半导体材料制成，所述功能部的厚度大于所述连接部的厚度。
4.一种柔性电子器件的制造方法，其特征在于，包括：
在硅衬底上生成电路结构，所述电路结构包括功能部和连接部，所述功能部用于实现所述柔性电子器件的功能，所述连接部具有曲线形状，用于连接所述功能部；
在预设方向上对柔性基底进行预拉伸，获得预拉伸后的柔性基底；
将所述电路结构转印到所述预拉伸后的柔性基底；
释放所述预拉伸后的柔性基底，使得所述电路结构及所述柔性基底产生弯曲形变，所述连接部产生褶皱形变，得到所述柔性电子器件。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述在硅衬底上生成电路结构，包括：
在所述硅衬底上生成预设图案的薄膜层；
对所述薄膜层的部分区域进行厚度调整，得到所述电路结构的功能部和连接部，
其中，所述功能部的厚度大于所述连接部的厚度。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述薄膜层包括金属层，所述连接部包括第一导电层，所述功能部包括功能部件及第二导电层，
所述在所述硅衬底上生成预设图案的薄膜层，包括：
在所述硅衬底上生成牺牲层和与所述预设图案互补的光刻胶层；
沉积金属薄膜，并在沉积金属薄膜后去除所述光刻胶层，得到所述预设图案的薄膜层；
所述对所述薄膜层的部分区域进行厚度调整，得到所述电路结构的功能部和连接部，包括：
对所述薄膜层的功能区域再次沉积金属薄膜，得到所述功能部的第二导电层；
在所述第二导电层上布置功能部件，得到所述功能部，
其中，所述连接部的第一导电层包括所述薄膜层的连接区域。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述薄膜层包括半导体层，
所述在所述硅衬底上生成预设图案的薄膜层，包括：
在所述硅衬底上生成牺牲层及半导体层；
根据所述预设图案刻蚀所述半导体层，得到所述预设图案的薄膜层；
所述对所述薄膜层的部分区域进行厚度调整，得到所述电路结构的功能部和连接部，包括：
对所述薄膜层的连接区域进行减薄处理，得到所述电路结构的连接部，
其中，所述电路结构的功能部包括所述薄膜层的功能区域。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一导电层为第一厚度，所述第二导电层为第二厚度，
所述第一厚度及所述柔性基底的第三厚度使得所述连接部在所述预拉伸后的柔性基底被释放后趋于褶皱形变，
所述第二厚度及所述柔性基底的第三厚度使得所述电路结构在所述预拉伸后的柔性基底被释放后趋于弯曲形变。
9.根据权利要求4、5或7所述的方法，其特征在于，所述连接部为第一厚度，所述功能部为第二厚度，
所述第一厚度及所述柔性基底的第三厚度使得所述连接部在所述预拉伸后的柔性基底被释放后趋于褶皱形变，
所述第二厚度及所述柔性基底的第三厚度使得所述电路结构在所述预拉伸后的柔性基底被释放后趋于弯曲形变。
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