JP2016509759A - 格納室を有する伸縮性電子システム - Google Patents

格納室を有する伸縮性電子システム Download PDF

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Abstract

本発明は、機能的デバイス（複数可）及び／又はデバイス構成要素（複数可）が少なくとも部分的に１つ又は複数の格納室を介して包囲されることによりデバイス（複数可）及び／又はデバイス構成要素（複数可）が少なくとも部分的に、また場合により完全に、格納流体に浸漬された状態となるものを備えるデバイスアレイを含む、電子システムを提供する。本発明の電子デバイスの格納室用として有用な格納流体の例として潤滑剤、電解液及び／又は電子抵抗性流体が挙げられる。一部の実施形態において、例えば、本発明の電子システムは、自立型及び／又は繋留型の構成で提供される１つ又は複数の電子デバイス及び／又はデバイス構成要素を備え、係る構成が、支持基板の変形、伸長又は圧縮時に発生する力を前記自立型又は繋留型のデバイス又はデバイス構成要素から分離する。【選択図】 図７０Ａ

Description

関連出願の相互参照
[0001]本出願は、２０１３年３月１５日に提出された米国特許出願第１３／８３５，２８４号、２０１３年２月６日に提出された米国特許仮出願第６１／７６１，４１２号、及び２０１４年１月２３日に提出された米国特許仮出願第６１／９３０，７３２号からの優先権の利益を請求する。これらの出願はそれぞれ、参照によって全体が本明細書に組み込まれる。
政府資金による研究又は開発に関する記載
[001]本発明は少なくとも部分的に、全米科学財団より授与されたＯＩＳＥ−１０４３１４３及びＥＣＣＳ−０８２４１２９、並びに米国エネルギー省より授与されたＤＥＦＧ０２−９１ＥＲ４５４３９、ＤＥＦＧ０２−０７ＥＲ４６４７１及びＤＥＦＧ０２−０７ＥＲ４６４５３の下、米国政府から支援を受けて為された。米国政府は、本発明における一定の権利を有する。
[002]１９９４年に、プリントされた全ポリマートランジスタが初めて実証されて以来、プラスチック基板上に可撓性集積電子デバイスを備える潜在的に新しい種類の電子システムに、非常に大きな関心が向けられている。［Ｇａｒｎｉｅｒ，Ｆ．、Ｈａｊｌａｏｕｉ，Ｒ．、Ｙａｓｓａｒ，Ａ．、Ｓｒｉｖａｓｔａｖａ，Ｐ．、Ｓｃｉｅｎｃｅ、２６５巻、１６８４〜１６８６頁］。最近ではかなりの研究が、可撓性プラスチック電子デバイス用の導体、誘電体、半導体のための、新しい溶液加工性材料の開発に向けられている。しかし、可撓性エレクトロニクスの分野における進歩は、新しい溶液加工性材料の開発によって推進されるだけではなく、新しいデバイス構成要素の幾何形状、効率的なデバイス及びデバイス構成要素の加工方法、並びに可撓性電子システムに適用可能な高解像度パターニング技法によっても推進される。そのような材料、デバイス構成、製作方法は、急速に出現しつつある新しい種類の可撓性集積電子デバイス、システム、回路において、必須の役割を演じることになることが予測される。
[003]可撓性エレクトロニクスの分野への関心は、この技術によりもたらされるいくつかの重要な利点から生じる。例えば基板材料の固有の可撓性により、この材料を多くの形状に組み込むことが可能になり、脆弱な従来のシリコンベースの電子デバイスでは不可能な、多数の有用なデバイス構成が提供される。さらに、溶液加工性構成要素材料と可撓性基板との組合せにより、低コストで広い基板面積上に電子デバイスを生成することが可能な連続高速プリント技法による製作が可能になる。
[004]しかし、良好な電子的性能を示す可撓性電子デバイスの設計製作は、いくつかの著しい難題を提示する。まず、従来のシリコンベースの電子デバイスを作製する十分に開発された方法は、ほとんどの可撓性材料に不適合である。例えば、単結晶シリコン又はゲルマニウム半導体などの従来の高品質無機半導体構成要素は、典型的には、ほとんどのプラスチック基板の融解又は分解温度を著しく超える温度（＞摂氏１０００度）で薄膜を成長させることにより、加工される。さらに、ほとんどの無機半導体は、溶液ベースの加工及び送達を可能にするはずの好都合な溶剤に、本質的に溶解しない。さらに、多くの非晶質シリコン、有機、又はハイブリッド有機無機半導体は可撓性基板への組込みに適合し且つ比較的低温で加工することができるが、これらの材料は、良好な電子性能を可能にする集積電子デバイスを提供することが可能な電子的性質を持たない。例えば、これらの材料から作製される半導体素子を有する薄膜トランジスタは、相補型単結晶シリコンベースのデバイスよりも約３桁少ない電界効果移動度を示す。これらの制約の結果として、可撓性電子デバイスは現在、非発光画素を有するアクティブマトリクスフラットパネルディスプレイ用のスイッチング素子における使用、発光ダイオードにおける使用など、高性能を必要としない特定の適用例に限定される。
[005]可撓性電子回路は、可撓性ディスプレイ、電子テキスタイル及び電子スキンなどの任意の形状の電気活性表面を含む、多数の分野において、活発な研究領域分野である。これらの回路は、構造の変化に応答して導電性構成要素を伸張させることができないので、しばしばその周囲物に十分順応させることができない。したがって、それらの可撓性回路は、損傷及び電子的劣化を受け易く、過酷及び／又は繰り返される構造変化の下では信頼性が低くなる可能性がある。可撓性回路は、伸張弛緩を繰り返しながら無傷のままである伸張性屈曲性の相互接続を必要とする。
[006]屈曲弾性の両方が可能である導体は、一般に、シリコーンなどのエラストマー中に金属粒子を埋め込むことによって作製される。それらの導電性ゴムは、機械的に弾性であり且つ電気的に導電性である。導電性ゴムの欠点には、高い電気抵抗率、伸張下での著しい抵抗変化が含まれ、それによって、相互接続の性能及び信頼性が全体的に不十分になる。
[007]Ｇｒａｙらは、導電性を維持しながら、最大で５４％の線形歪みが可能なシリコーンエラストマー中に包封された微細加工済み蛇行ワイヤを使用した、エラストマーエレクトロニクスの構築について論じている。この研究では、ワイヤは、螺旋状のばね形状として形成される。低い歪み（例えば、２．４％）で破砕する直線状ワイヤとは対照的に、蛇行ワイヤは、著しく高い歪み（例えば、２７．２％）で導電性のままである。そのようなワイヤの幾何形状は、伸張ではなく屈曲によってワイヤを伸ばすことができることに依拠している。そのシステムは、種々の形状で、また追加の平面内で、制御可能に且つ精密にパターニングする能力が制約を受け、それによって、システムを種々の歪み屈曲状況に合わせて調整する能力が制限される。
[008]研究は、弾性的に伸張可能な金属相互接続部が、機械的歪みに対する抵抗の増大を経験することを示唆している（Ｍａｎｄｌｉｋら、２００６年）。Ｍａｎｄｌｉｋらは、ピラミッド形ナノパターン表面上に金属膜を堆積させることにより、この抵抗変化を最小限に抑えようとしている。しかしその研究は、細い金属ラインに伸縮性を与える微小亀裂を生成するために、レリーフ形体に依拠する。微小亀裂は、面外捩り変形による金属弾性変形を容易にする。しかし、それらの金属亀裂は厚い金属膜に適合せず、代わりに、パターニングされたエラストマーの上部に堆積された非常に狭い範囲の薄い金属膜（例えば、３０ｎｍ未満程度）に適合する。
[009]金属相互接続に伸縮性を与える１つの手法は、導体（例えば、金属）付着中に基板を予め歪ませ（例えば、１５％〜２５％）、その後、予備歪みの自発的な弛緩を行い、それによって金属導体相互接続に波形を誘導させることによる（例えば、Ｌａｃｏｕｒら（２００３年）；（２００５年）；（２００４年）、Ｊｏｎｅｓら（２００４年）；Ｈｕｃｋら（２０００年）；Ｂｏｗｄｅｎら（１９９８年）参照）。Ｌａｃｏｕｒら（２００３年）は、自発的に皺が寄った金ストライプを生成するために最初に金ストライプを圧縮することにより、電気的導通は、歪みの下で最大２２％（弾性基板上の金膜の、数パーセントの破砕歪みに比較して）で維持されることを報告している。しかし、その研究は、金属膜の比較的薄い層（例えば、約１０５ｎｍ）を使用したものであり、システムが約１０％だけ伸張できる導電体をおそらくは作製できる点により、比較的限定される。
[010]米国特許第７，５５７，３６７号、第７，５２１，２９２号、第８，２１７，３８１号と、米国特許公開第２０１０／０００２４０２号、第２０１２／０１５７８０４号、第２０１１／０２３０７４７号は、プリントをベースにした技法を含めた微細加工経路によって入手される可撓性及び／又は伸縮性電子システムについて記述する。これらの参考文献の伸縮性システムには、大きい歪み変形に対して任意選択で弾性応答することが可能な変形性電子相互接続を介して相互接続された、分散電子デバイス構成要素を有するデバイスが含まれる。これらの参考文献のシステムには、組織載置型生物医学デバイス、太陽エネルギー、及び大面積マクロエレクトロニクスシステムを含めた適用例のための、電子デバイスが含まれる。
[011]前述の内容から、改善された伸縮性、電気的性質を有する相互接続その他の電子構成要素などの電子デバイスと、様々な異なる構成の伸縮性相互接続の迅速で信頼性ある製造のための関連あるプロセスが、求められていることが明らかである。可撓性エレクトロニクスの分野における進歩は、いくつかの重要な出現しつつあり且つ確立された技術において、極めて重要な役割を演ずることが予測される。しかし、可撓性エレクトロニクス技術のこれらの適用例の成功は、撓曲し変形し屈曲する構造にあり良好な電子的、機械的、光学的性質を示す集積電子回路デバイスを作製するための、新しい材料、デバイス構成、商業的に実現可能な製作経路の絶えることのない開発に、強力依存する。特に、折畳み、伸張、及び／又は収縮がなされる構成にある、有用な電子的機械的性質を示す、高性能の機械的に拡張可能な材料デバイス構成が求められている。
[012]本発明は、機能的デバイス（複数可）及び／又はデバイス構成要素（複数可）が少なくとも部分的に１つ又は複数の格納室を介して包囲されることによりデバイス（複数可）及び／又はデバイス構成要素（複数可）が少なくとも部分的に、また任意選択で完全に、格納流体又は低弾性固体に浸漬された状態となるものを備えるデバイスアレイを含む、電子システムを提供する。本発明の電子デバイスの格納室用として有用な格納流体の例として潤滑剤、電解液及び／又は電子抵抗性流体が挙げられる。一部の実施形態において、例えば、本発明の電子システムは、１つ又は複数の電子デバイス及び／又はデバイス構成要素を自立型及び／又は繋留型の構成として、支持基板の変形、伸長又は圧縮時に自立型又は繋留型のデバイス又はデバイス構成要素から発生する力を、例えば１つ又は複数の電子デバイス及び／又はデバイス構成要素に対して支持基板の変形、伸長又は圧縮によって生じる歪みを、支持基板へ直接接着される構成で提供される同等のデバイス又はデバイス構成要素を有する比較可能なデバイスと比べ４分の１〜１０００分の１にまで、任意選択で１０分の１以下にまで低減できるよう、分断又は別段に機械的に分離する、１つ又は複数の電子デバイスを備える。
[013]一実施形態において、例えば、本発明は、例えば圧縮、伸長、延伸及び／又は変形後の構成で提供された場合に有用な機械的、電子的及び／又は光学的特性を実現する自立型又は繋留型の幾何形状を有する弾性材料、流体包装物及びデバイス又はデバイス構成要素を組み合わせるシステムを提供する。本発明のデバイスは、発電、通信、検知、光起電、表示装置、電磁放射線発生、医療用デバイス、類似する電子機器、大面積電子機器、装着型電子機器、電子ペーパー等を含む多様な用途に有用である。
[014]一態様において、例えば、本発明は（ｉ）基板と、（ｉｉ）基板によって支持され、自立型であるか又は基板に繋留される電子デバイス又はデバイス構成要素と、（ｉｉｉ）少なくとも部分的に電子デバイス又はデバイス構成要素を包囲し、少なくとも部分的に格納流体又は低弾性固体が充填される格納室とを備える電子システムを提供する。
[015]一態様において、例えば、本発明は（ｉ）超低弾性層と、（ｉｉ）超低弾性層によって支持される基板と、（ｉｉｉ）基板によって支持され、自立型であるか又は基板に繋留される電子デバイス又はデバイス構成要素とを備える電子システムと、複数の側壁及び上部壁とを備え、少なくとも部分的に電子デバイス又はデバイス構成要素を包囲し、少なくとも部分的に格納流体又は低弾性固体が充填される格納室とを備える電子システムを提供し、基板のヤング率が超低弾性層のヤング率より高く、上部壁のヤング率が格納流体又は低弾性固体のヤング率より高いことにより、システムのヤング率プロファイルは超低弾性層に対し実質的に直角の軸に沿って空間的に変動する。
[016]一実施形態において、例えば、電子デバイス又はデバイス構成要素における自立型又は繋留型の構成は少なくとも部分的に、基板の運動及び／又は変形を電子デバイス又はデバイス構成要素から分断する。一実施形態において、例えば、電子デバイス又はデバイス構成要素における自立型又は繋留型の構成は少なくとも部分的に、基板の伸長、圧縮又は変形によって生じる力を電子デバイス又はデバイス構成要素から分断する。
[017]一実施形態において、基板の一表面に超低弾性層が提供される。例えば超低弾性層は、一表面に対する基板の密着を改善し得る。一実施形態において、超低弾性層はｅｃｏｆｌｅｘ（登録商標）を備えるものであってもよい。一実施形態において、超低弾性層のヤング率は１５０ＫＰａ以下であるか、又は１００ＫＰａ以下であるか、又は５０ＫＰａ以下である。一実施形態において、超低弾性層のヤング率は５０ＫＰａ〜１５０Ｐａの範囲か、又は５０ＫＰａ〜１００ＫＰａの範囲から選択される。
[018]電子的に相互接続されるデバイスアレイも記述され、基板におけるデバイス構成要素の配置は規則的な配置、登録された配置、無作為な配置又は恣意的な配置であってもよい。複数のデバイス又はデバイス構成要素が単一の格納室内で包囲され得る、及び／又は１つ又は複数のデバイス又はデバイス構成要素が、分割構造又は入れ子構造の格納室へ分離収容され得る。例えば、分割構造又は入れ子構造である格納室中のデバイス又はデバイス構成要素が、例えば複数の外部デバイスとの通信及び／又は外部環境との通信又は別段の連結など、孤立的機能を実行するためにバルクデバイス又はデバイス構成要素から分離され得る。本発明の一定の態様におけるデバイス構成要素配置の幾何形状は、異なる複数の構成要素による別の構成要素との通信又は連結を可能にする、及び／又は複数のデバイス構成要素による、例えば組織界面など、外部環境との連結を可能にする。
[019]一実施形態において、本発明のデバイスは、複数の集積デバイス構成要素を備える集積電子デバイス及び／又は集積電子回路を特徴とし、集積電子デバイス及び／又は集積電子回路は単一の格納室内で包囲された自立型又は繋留型構造として提供される。この態様のデバイスは（例えばデバイスアレイ内の）他の複数のデバイスとの通信又は外部環境との通信を、有線式の通信システム及び／又は電源システム、光学式通信システム、無線周波数システム、及び／又は格納室内に提供されたデバイス又は回路を格納室外のデバイス又はデバイス構成要素と接続する電気的相互接続を含む、様々なシステムを介して行うことができる。一実施形態において、例えば、単一の自立型又は繋留型の集積回路又はチップが、単一の格納室に設けられる。
[020]一実施形態において、電子デバイス又はデバイス構成要素が、基板の受容表面に、又は基板と電子デバイス又はデバイス構成要素との間に設けられる中間構造上に設けられる。いずれ理解される通り、多様な中間構造が、機能的デバイス構成要素構造（例えば電極、電気絶縁体、誘電体構造、半導体構造など）及び構造的デバイス構成要素構造（例えば薄膜構造、低弾性固体、レリーフ形体、粒子、ペデスタル、膜など）を含む本発明のデバイス及びデバイス構成要素の支持に使用され得る。
[021]一実施形態において、格納室は、電子デバイス又はデバイス構成要素の外側部分を少なくとも部分的に包囲するか、任意選択でデバイス又はデバイス構成要素を完全に包囲するよう配置された、１つ又は複数の包囲構造を備える。格納室における１つ又は複数の包囲構造は、支持表面へ、又は支持表面と１つ若しくは複数の包囲構造との間に設けられる中間構造へ、例えば積層、化学結合及び／又は接着剤使用を介して、動作的に連結され得る。一実施形態において、格納室の１つ又は複数の包囲構造が電子デバイス又はデバイス構成要素と物理的に接触していない状態であり、また任意選択で一部の実施形態において、格納室における全ての包囲構造が電子デバイス又はデバイス構成要素と物理的に接触していない状態である。例えば、包囲構造は、電子デバイス又はデバイス構成要素の側面から少なくとも１０００ミクロンの位置に、任意選択で一部の実施形態において電子デバイス又はデバイス構成要素の側面から少なくとも１００ミクロンの位置に、また任意選択で一部の実施形態において電子デバイス又はデバイス構成要素の側面から少なくとも１０ミクロンの位置にそれぞれ配置される、１つ又は複数の格納室隔壁又はバリア構造を備えることができる。一実施形態において、例えば、バリア構造又は格納室隔壁は、デバイス又はデバイス構成要素の運動を、例えばデバイス又は構成要素の運動を物理的に妨害するか又は別段に阻止することによって制約する形で提供される。一実施形態において、例えば、バリア構造又は格納室隔壁は、デバイス又はデバイス構成要素における、例えば基板においてデバイス又はデバイス構成要素を直接又は間接的に支持する支持表面など、基板の表面と平行な方向の運動を、１０００ミクロン以下に、任意選択で一部の実施形態において１００ミクロン以下に、また任意選択で一部の実施形態において１０ミクロン以下に制約する形で提供される。一実施形態において、例えば、バリア構造又は格納室隔壁は、デバイス又はデバイス構成要素における、例えば基板においてデバイス又はデバイス構成要素を直接又は間接的に支持する支持表面など、基板の表面と直交する方向の運動を、１０００ミクロン以下に、任意選択で一部の実施形態において１００ミクロン以下に、また任意選択で一部の実施形態において１０ミクロン以下に制約する形で提供される。一実施形態において、例えば、格納室の包囲構造のうち１つ又は複数が、デバイス又はデバイス構成要素と物理的に接触している状態である。一実施形態において、例えば、格納室の包囲構造のうち１つ又は複数が、例えば無変形の状態で提供される場合、デバイス又はデバイス構成要素と物理的に接触していない状態である。
[022]一実施形態において、格納室は、デバイス又はデバイス構成要素を、例えば電子デバイス又はデバイス構成要素を部分的包囲によって収容するための、基板に設けられた１つ又は複数の凹型形体をさらに備え、１つ又は複数の包囲構造は少なくとも部分的に凹型形体を包囲する形で設けられる。例えば、格納室における凹型形体は、電子デバイス又はデバイス構成要素の側面から少なくとも１０００ミクロンの位置に、任意選択で一部の実施形態において電子デバイス又はデバイス構成要素の側面から少なくとも１００ミクロンの位置に、また任意選択で一部の実施形態において電子デバイス又はデバイス構成要素の側面から少なくとも１０ミクロンの位置にそれぞれ配置される、１つ又は複数の格納室隔壁又はバリア構造を備えることができる。典型的に、格納室における包囲構造は少なくとも一部が、基板又は基板と包囲構造との間に設けられた中間構造へ、物理的又は化学的に結合される（例えば積層、接着、等）。例えば、フリップチップボンダを使用して、民生用（ＣＯＴＳ）チップ及び／又はベアダイスを異方性導電膜又ははんだバンパと、チップ／金属相互接続界面で結合させることができる。一部の実施形態において、ＣＯＴＳチップ又はベアダイスは１０ＧＰａ〜１００ＧＰａの範囲の弾性と、０．０１ＧＰａ・ｍｍ２〜１０００ＧＰａ・ｍｍ２の引張剛性とを有する。
[023]一実施形態において、バリア構造が、自立型又は繋留型のデバイス又はデバイス構成要素の運動を、例えば、基板における支持表面又は受容表面に平行及び／又は直交する方向での運動を制限する形で、制限又は別段に抑制する。バリア構造の典型例として、格納室の囲い、レリーフ形体、凸型形体、圧痕又は窪み、内壁、格納室自体、緩衝装置、等が挙げられるがこれらに限定されない。一実施形態において、バリア構造は、電子デバイス又はデバイス構成要素の側面から少なくとも１０００ミクロンの位置に、任意選択で一部の実施形態において電子デバイス又はデバイス構成要素の側面から少なくとも１００ミクロンの位置に、また任意選択で一部の実施形態において電子デバイス又はデバイス構成要素の側面から少なくとも１０ミクロンの位置に配置される。一実施形態において、バリア構造は、電子デバイス又はデバイス構成要素の側面から１０ミクロン〜１００ミリメートルの範囲、又は任意選択で電子デバイス又はデバイス構成要素の側面から１００ミクロン〜５ミリメートルの範囲、又は任意選択で電子デバイス又はデバイス構成要素の側面から１００ミクロン〜１ミリメートルの範囲の位置に配置される。一部の実施形態において、バリア構造の高さｈは、バリア構造と格納室の上部壁との間に隙間が存在するよう、格納室の全高より低い（例えば９０％以下、任意選択で６０％以下）。或いは、本発明は格納室の全高に及ぶバリア構造を含む。しかし、バリア構造の高さは少なくとも、自立型のデバイス又はデバイス構成要素がバリア構造の上方にわたり、バリア構造と格納室の上部域との間の隙間を通って移動するか又は別段に伸長することを十分に防ぐ高さである。
[024]一実施形態において、例えば、格納流体又は低弾性固体は電子デバイス又はデバイス構成要素に作用する摩擦力を、例えばデバイス又はデバイス構成要素における複数の可動表面間の摩擦力を減少させる、例えば潤滑剤として機能することにより緩和する。一部の実施形態において、例えば格納流体又は低弾性固体は、デバイス又はデバイス構成要素の劣化又は故障を防ぐよう、例えばデバイス又はデバイス構成要素における複数の表面のこすれ又は他の物理的相互作用によって生じる摩擦を減少させることにより、摩擦を減少させる。一実施形態において、例えば、格納流体又は低弾性固体は、それ自体との電気的相互接続及び／又は他の電気的相互接続又はデバイスの他の構成要素の物理的相互作用によって生じる摩擦を減少させる、潤滑剤として機能する。一実施形態において、格納流体又は低弾性固体は、１つ又は複数のデバイス又はデバイス構成要素間の摩擦の度合いを、格納流体が存在しない構成と比べ、２分の１よりさらに少なく、任意選択で一部の実施形態において１０分の１よりさらに少なく、また任意選択で１００分の１よりさらに少なくさせる。
[025]一実施形態において、電子デバイス又はデバイス構成要素は、自立型又は繋留型の、完全に形成されたチップ又は集積回路又はそれらの複合体である。本明細書に記載の流体格納戦略における繋留、選択的結合及び／又は浮遊の活用により、チップ／集積回路が弾性基板に及ぼす機械的負荷が最小化される。一実施形態において、電子デバイス又はデバイス構成要素は、高純度無機単結晶材料及び／又はドープ無機単結晶材料を含む単結晶無機半導体構造又は電子デバイスなど、単結晶半導体構造又は電子デバイスである。一実施形態において、電子デバイス又はデバイス構成要素は、導電構造、誘電構造、電極、カソード、アノード、及び付加的半導体構造からなる群から選択される少なくとも１つの付加的デバイス構成要素又は構造へ動作的に接続され得る、単結晶半導体構造又はデバイス構成要素である。一実施形態において、例えば、デバイス又はデバイス構成要素は単結晶シリコン、ゲルマニウム、ＩＩＩ−Ｖ族半導体（例えばＧａＡｓ）又はダイヤモンドを備える。一実施形態において、例えば、デバイス又はデバイス構成要素は、圧電性半導体材料など、圧電性材料を備える。
[026]単結晶半導体電子デバイス又はデバイス構成要素は、例えば、トランジスタ、電気化学電池、燃料電池、集積回路、太陽電池、レーザ、発光ダイオード、ナノ電気機械デバイス、ミクロ電気機械デバイス、フォトダイオード、ＰＮ接合、センサ、記憶デバイス、集積回路、補助的論理回路及びこれらのアレイ又は組合せからなる群から選択される１つ又は複数の電子デバイスを備えることができる。
[027]一実施形態において、電子デバイス又はデバイス構成要素は、１０ナノメートル〜約１０００ミクロンの範囲から選択される厚さと、１００ナノメートル〜約１０ミリメートルの範囲から選択される幅と、５００ナノメートル〜約１０ミリメートルの範囲から選択される長さとを有する。一実施形態において、電子デバイス又はデバイス構成要素は、１０ナノメートル〜約１００ミクロンの範囲から選択される厚さと、１００ナノメートル〜約１ミリメートルの範囲から選択される幅と、１ミクロン〜約１ミリメートルの範囲から選択される長さとを有する。一実施形態において、電子デバイス又はデバイス構成要素は、５００ナノメートル〜約１０００ミクロンの範囲から選択される厚さと、１ミクロン〜約１ミリメートルの範囲から選択される幅と、１ミクロン〜約１ミリメートルの範囲から選択される長さとを有する。
[028]一実施形態において、電子システムは、少なくとも部分的に格納室に包囲された、又は少なくとも部分的に１つ若しくは複数の付加的格納室に包囲された、１つ又は複数の付加的電子デバイス又はデバイス構成要素をさらに備える。本発明は、複数の電子デバイス又はデバイス構成要素からなる、任意選択で相互に電気接続され、同一の格納室又は複数の格納室に収容されて提供されるアレイを備える複数のデバイスを含む。一実施形態において、例えば、本発明のデバイスは、格納室に収容されて提供される５つ以上のデバイス又はデバイス構成要素、任意選択で格納室に収容されて提供される２０以上のデバイス又はデバイス構成要素、また任意選択で格納室に収容されて提供される１００以上のデバイス又はデバイス構成要素を含む。
[029]一実施形態において、電子デバイス又はデバイス構成要素は、伸縮性電気相互接続など、電気相互接続である。例えば、１つ又は複数の伸縮性電気相互接続は、電子デバイス又はデバイス構成要素と電気的に接触している状態であってもよく、また１つ又は複数の伸縮性電気相互接続の少なくとも一部が少なくとも部分的に、格納室における包囲構造に埋め込まれていてもよい。
[030]一実施形態において、格納室における包囲構造、例えば格納室隔壁又はバリア構造のヤング率は、１ＫＰａ〜１ＧＰａの範囲から選択されるか、又は１ＫＰａ〜１００ＭＰａの範囲から選択されるか、又は１００ＫＰａ〜１ＭＰａの範囲から選択されるか、又は２５０ＫＰａ〜７５０ＫＰａの範囲から選択される。一実施形態において、例えば、格納室における包囲構造、例えば格納室隔壁又はバリア構造のヤング率は１０ＭＰａ以下、任意選択で１ＭＰａ以下、また任意選択で５００ＫＰａ以下、任意選択で２００ＫＰａ以下である。一実施形態において、格納室における包囲構造、例えば格納室隔壁又はバリア構造の曲げ剛性は、１０−１３Ｎ・ｍ〜１０５Ｎ・ｍの範囲から選択されるか、又は１０−１０Ｎ・ｍ〜１０３Ｎ・ｍの範囲から選択されるか、又は１０−５Ｎ・ｍ〜１０Ｎ・ｍの範囲から選択される。一実施形態において、格納室における包囲構造の透過率は、１ｆｇ・ｍｍ／ｍ２・ｄａｙ〜１ｇ・ｍｍ／ｍ２・ｄａｙの範囲から選択されるか、又は１ｎｇ・ｍｍ／ｍ２・ｄａｙ〜０．５ｇ・ｍｍ／ｍ２・ｄａｙの範囲から選択されるか、又は１ｍｇ・ｍｍ／ｍ２・ｄａｙ〜０．１ｇ・ｍｍ／ｍ２・ｄａｙの範囲から選択される。一実施形態において、格納室における包囲構造の熱膨張係数は、１０−７℃−１〜１０−２℃−１の範囲から選択されるか、又は１０−５℃−１〜１０−１℃−１の範囲から選択されるか、又は１０−３℃−１〜１０℃−１の範囲から選択される。
[031]一実施形態において、格納室は格納流体に対し透過性でない材料を備える。例えば、多様なポリマーが本発明の格納室向けに有用である。例えば格納室は、エラストマーなど物理的に伸縮性となり得る軟質材料を備えることができる。多様なポリマーが本発明の格納室向けに有用である。一実施形態において、例えば、格納室は、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、ｅｃｏｆｌｅｘ（登録商標）、シリコーン、ゴム、及びポリマーからなる群から選択される材料を備える。一実施形態において、ＰＤＭＳベースは如何なる硬化剤の添加も要せず使用され得る。
[032]一実施形態において、格納室の高さは、１０μｍ〜１０ｃｍの範囲から選択されるか、又は１００μｍ〜５ｃｍの範囲から選択されるか、又は１ｍｍ〜０．５ｃｍの範囲から選択されるか、又は５ｍｍ〜５０ｍｍの範囲から選択される。一実施形態において、例えば、格納室の高さは１０μｍ以上、また任意選択で一部の実施形態において１００μｍ以上、また任意選択で一部の実施形態において１０００μｍ以上である。一実施形態において、格納室の横方向寸法（例えば長さ及び幅）は、１０μｍ〜１０ｍの範囲から選択されるか、又は１００μｍ〜１ｍの範囲から選択されるか、又は１ｍｍ〜０．１ｍの範囲から選択されるか、又は５０ｍｍ〜５０ｃｍの範囲から選択される。一実施形態において、例えば、格納室の横方向寸法は１０μｍ以上、また任意選択で一部の実施形態において１００μｍ以上、また任意選択で一部の実施形態において１０００μｍ以上である。一実施形態において、格納室の容積は、１０００μｍ３〜１０ｍ３の範囲から選択されるか、又は１μｍ３〜１ｍ３の範囲から選択されるか、又は１００ｍｍ３〜１００ｃｍ３の範囲から選択されるか、又は１０ｍｍ３〜１ｃｍ３の範囲から選択される。一実施形態において、例えば、格納室の容積は１０００μｍ３以上、また任意選択で一部の実施形態において１μｍ３以上、また任意選択で一部の実施形態において１００ｍｍ３以上である。一実施形態において、格納室は構造的に自己支持型である。
[033]一実施形態において、格納室は、外側境界に沿って密閉されて袋を形成する２枚のエラストマー薄膜で形成される。流体容器は、格納室に格納された電子デバイス又はデバイス構成要素の配置に応じて３次元正方形、３次元長方形、球体、プリズム、又は恣意的形状から選択される形状因子又は幾何形状を有することができる。
[034]一実施形態において、格納室の容積の少なくとも５０％が格納流体又は低弾性固体によって占有され、また任意選択で格納室の容積の少なくとも９０％が格納流体又は低弾性固体によって占有され、また任意選択で格納室の容積の少なくとも９８％が格納流体又は低弾性固体によって占有される。一実施形態において、格納流体が格納室を占有する割合は、１％〜９９．９％の範囲から選択されるか、又は１％〜９９％の範囲から選択されるか、又は２５％〜９０％の範囲から選択されるか、又は５０％〜９０％の範囲から選択されるか、又は５０％〜７５％の範囲から選択される。一実施形態において、格納室の容積の少なくとも０．１％が電子デバイス又はデバイス構成要素によって占有される。一実施形態において、電子デバイス又はデバイス構成要素が格納室を占有する割合は、１％〜９９％の範囲から選択されるか、又は２％〜５０％の範囲から選択されるか、又は５％〜３０％の範囲から選択されるか、又は５％〜１５％の範囲から選択される。格納流体は、例えば、電子デバイス又はデバイス構成要素と、例えばデバイス又はデバイス構成要素の１つ又は全ての外部表面と物理的に接触している状態など、物理的に接触している状態である。
[035]一実施形態において、電子デバイス又はデバイス構成要素は、格納流体又は低弾性固体に完全に浸漬している。適切な格納流体の例として、液体、コロイド、ゲル、気体、潤滑剤、電解液、熱機能性流体、低粘度流体、化学的不活性流体、低イオン抵抗性流体、及び高イオン抵抗性流体（例えば電気絶縁性流体など）など、機能性流体が挙げられるがこれらに限定されない。例えば、適切な潤滑剤の例として油脂（天然又は合成）、及びポリジメチルシロキサン前駆体など未硬化シリコーンエラストマー前駆体が挙げられる。例えば、適切な潤滑剤の例としてシリコーン、ハロカーボン又はフルオロカーボンが挙げられる。適切な電解液の例として、例えばＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４又はＬｉＣｌＯ４などリチウム塩をエチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、及びジエチルカーボネートなど有機溶媒に溶解させた非水リチウムイオン電池電解液が挙げられる。適切な熱機能性流体の例として、有限熱伝導係数を有する流体など、電子デバイス構成要素から生じる熱を消散させるための熱伝導流体が挙げられる。一実施形態において、格納流体は、プレポリマー、溶媒、非水電解液、シリコーン、天然油脂、合成油脂、ポリオレフィン及びフルオロカーボンからなる群から選択される材料である。一実施形態において、１つ又は複数のコロイドが、流体の粘度、光学的特性及び／又は電気的特性を調節するために格納流体へ添加され得る。一実施形態において、例えば、格納流体は熱的に安定した流体である。
[036]一実施形態において、格納流体の蒸気圧力は２９８Ｋにて７６０Ｔｏｒｒ以下である。一実施形態において、格納流体の粘度は２９８Ｋにて０．１ｃＰ〜１００００ｃＰの範囲から選択されるか、又は２９８Ｋにて１０ｃＰ〜５００ｃＰの範囲から選択される。一実施形態において、格納流体のイオン抵抗は１０７ｏｈｍ・ｃｍ〜無限の範囲から選択されるか、又は１０１０ｏｈｍ・ｃｍ〜１０７０ｏｈｍ・ｃｍの範囲から選択される。一実施形態において、格納流体の電子抵抗は１０７ｏｈｍ・ｃｍ〜無限の範囲から選択されるか、又は１０１０ｏｈｍ・ｃｍ〜１０７０ｏｈｍ・ｃｍの範囲から選択される。一実施形態において、格納流体の蒸気圧力は１００Ｐａ〜１ＭＰａの範囲から選択されるか、又は５００Ｐａ〜１ＫＰａの範囲から選択される。一実施形態において、格納流体の蒸気圧力は１０−７℃−１〜１０−１℃−１の範囲から選択されるか、又は１０−５℃−１〜１０−３℃−１の範囲から選択される。一実施形態において、格納流体は、液体室の製造に使用される材料に応じて、流体の接触角度が９０°未満となるよう、例えば１ダイン／ｃｍ〜７０ダイン／ｃｍの範囲から選択される表面張力又は湿潤特性を有する。一実施形態において、格納流体は、例えば、電気化学システムにおける電解液の役割を果たすよう、０．００１Ｓｃｍ−１以上、任意選択で０．０１Ｓｃｍ−１以上、任意選択で０．００５Ｓｃｍ−１以上のイオン伝導率など、高イオン伝導率を有する。
[037]格納材料としての低弾性固体の使用は、例えば、格納材料の漏出、及び／又は格納材料の蒸発に起因する格納室の乾燥の低減又は排除により、重要な設計上の検討事項に対処するものである。格納室を使用するシステムの設計に重要な、他の材料特性の例として、粘度、蒸気圧力、空隙率、弾性率、及び弾性率の温度依存性が挙げられるが、これらに限定されない。例えば、材料の弾性率は典型的に温度上昇に伴って減少し、また格納室を使用する一部の電子システムは可変性の温度環境（例えば生体内で使用する電子システムにおける、廃棄物として熱を生じる無規制環境など）で動作し得る。一実施形態において、低弾性固体は、ゲル、プレポリマー、シリコーン、天然油脂、合成油脂、ポリオレフィン又はフルオロカーボンからなる群から選択される材料である。一実施形態において、低弾性固体のヤング率は１ＭＰａ以下であるか、又は０．５ＭＰａ以下であるか、又は２００ＫＰａ以下である。一実施形態において、低弾性固体のヤング率は２ＫＰａ〜１ＭＰａの範囲から選択されるか、又は２ＫＰａ〜５００ＫＰａの範囲から選択されるか、又は２ＫＰａ〜２００ＫＰａの範囲から選択されるか、又は２ＫＰａ〜１００ＫＰａの範囲から選択されるか、又は２ＫＰａ〜５０ＫＰａの範囲から選択される。一実施形態において、低弾性固体のヤング率は、格納室の基板又は上部壁のヤング率の１００分の１であるか、又は１０分の１であるか、又は５分の１であるか、又は２分の１である。一実施形態において、低弾性固体のヤング率は、格納室の基板又は上部壁のヤング率の２分の１以下である。一実施形態において、低弾性固体はシルビオン、ｅｃｏｆｌｅｘ（登録商標）、ソラリス、ＰＤＭＳ及びこれらの組合せからなる群から選択される。Ｓｉｌｂｉｏｎｅ（登録商標）ＲＴ Ｇｅｌ ４７１７ Ａ＆Ｂ（Ｂｌｕｅｓｔａｒ Ｓｉｌｉｃｏｎｅｓ ＵＳＡ社（ニュージャージー州Ｅａｓｔ Ｂｒｕｎｓｗｉｃｋ）製）は、室温で架橋して弾性及び抵抗性のゲルを生産する、生体適合性の二成分シリコーンエラストマーである。Ｓｏｌａｒｉｓ（登録商標）は、Ｓｍｏｏｔｈ−Ｏｎ社（ペンシルベニア州Ｅａｓｔｏｎ）から供給される、低粘度、透明無色の液体プラチナ硬化シリコーンゴムである。一実施形態において、硬化剤がない場合、典型的に硬化剤との混合によって硬化又は架橋される低弾性材料が使用され得る。
[038]一実施形態において、格納室内の格納流体又は低弾性固体のレベルが、１つ又は複数の格納室を格納流体又は低弾性固体の容器へ動作的に接続する１つ又は複数のマイクロ流体流路を介してモニタ、調節又は制御される。
[039]一実施形態において、電子デバイス又はデバイス構成要素は、基板によって支持されるか又は基板と物理的に接触している状態の自立型構造である。本明細書で使用する自立型という用語は、デバイス又はデバイス構成要素が、基板又は基板とデバイス又はデバイス構成要素との間の中間基板の表面によって支持されているが結合された状態ではない構成を指す。一実施形態において、例えば、自立型のデバイス又はデバイス構成要素は、基板表面と相対的に、基板の支持表面又は受容表面など基板表面と平行及び／又は直交する方向で動くことができる。しかし、自立型構造は、基板又は基板と自立型構造との間に設けられる中間構造との１つ又は複数の結合性相互作用を受ける、及び／又は係る結合性相互作用に加担し得、例えば結合性相互作用は双極子間相互作用又はファンデルワールス相互作用である。一部の実施形態において、電子デバイス又はデバイス構成要素と支持層又は基板との間での結合性相互作用が静摩擦を引き起こし得る。静摩擦を低減又は排除するため、一部の実施形態において、電子デバイス又はデバイス構成要素と支持層又は基板との間の接触面積を低減するよう、支持層又は基板にテクスチャ加工、ミクロ構造又はナノ構造が施され得る。
[040]一実施形態において、電子デバイス又は半導体デバイス構成要素、電極及び／若しくは電気相互接続などのデバイス構成要素は、基板のレリーフ形体又は基板によって支持される１つ又は複数のレリーフ形体など、１つ又は複数の繋留構造によって支持される繋留型構造である。一実施形態において、例えば、繋留型のデバイス又はデバイス構成要素は、基板表面と相対的に、基板の支持表面又は受容表面など基板表面と平行及び／又は直交する方向で動くことができる。一実施形態において、例えば、１つ又は複数のレリーフ形体など繋留構造は、基板又は繋留型構造と基板との間に提供される中間構造へ結合される。一実施形態において、例えば、１つ又は複数のレリーフ形体など繋留構造は、デバイス又はデバイス構成要素の表面の全部ではなく一部分、例えばデバイス又はデバイス構成要素の底面の面積の３０％以下、任意選択でデバイス又はデバイス構成要素の底面の面積の１０％以下、任意選択でデバイス又はデバイス構成要素の底面の面積の５％以下、また任意選択でデバイス又はデバイス構成要素の底面の面積の１％以下へ結合される。一実施形態において、例えば、１つ又は複数のレリーフ形体など繋留構造は、デバイス又はデバイス構成要素の表面の全部ではなく一部分、例えばデバイス又はデバイス構成要素の底面の面積の１％〜３０％の範囲、任意選択でデバイス又はデバイス構成要素の底面の面積の１％〜１０％の範囲、また任意選択でデバイス又はデバイス構成要素の底面の面積の１％〜５％の範囲へ結合される。１つ又は複数のレリーフ形体など繋留構造と、デバイス又はデバイス構成要素の表面の全部ではなく一部分との間に選択的結合を有する実施形態は、デバイス又はデバイス構成要素の少なくとも一部を基板の運動及び／又は変形から機械的に分断することを達成するうえで特に有用である。一部の実施形態における繋留型幾何形状は、デバイス構成要素を基板から機械的に分離して、例えば基板の運動及び／又は変形からの機械的分離をもたらすうえで有用である。一部の実施形態における繋留型幾何形状は、半導体デバイス構成要素、電極及び／又は電気相互接続などデバイス構成要素の位置の保持に有用である。一部の実施形態において、繋留型幾何形状は、半導体デバイス構成要素、電極及び／又は電気相互接続における、例えば伸長サイクル及び解放サイクルの間又は途中での配線の絡みなど、デバイス構成要素の配線の絡みの防止に有用である。
[041]一実施形態において、例えば、電子デバイス又はデバイス構成要素は、５〜１０００のレリーフ形体からなるアレイ、また任意選択で一部の実施例において５〜１００のレリーフ形体からなるアレイ、また任意選択で一部の実施例において５〜２０のレリーフ形体からなるアレイによって支持される繋留型構造である。一実施形態において、例えば、電子デバイス又はデバイス構成要素は、少なくとも５のレリーフ形体によって支持される、任意選択で一部の実施形態において少なくとも１０のレリーフ形体によって支持される、また任意選択で一部の実施形態において少なくとも１００のレリーフ形体によって支持される繋留型構造である。本発明において、１つ又は複数の柱、ペデスタル、支柱、プラットフォーム、フィンガ、等を含む多様な繋留構造が有用である。本発明の繋留構造は、円形、三角形、楕円形、長方形、台形及びこれらの任意の組合せなど多様な断面形状を有することができる。一実施形態において、例えば、本発明の繋留構造は、基板表面と相対的に直交又は実質的に直交する方向（例えば絶対的直交配向の２０度以内）の長さに沿って伸びる。
[042]例えば、１つ若しくは複数のレリーフ形体は１つのペデスタルを備えることができ、又は１つ若しくは複数のレリーフ形体は、少なくとも１０のペデスタルからなるアレイ、任意選択で一部の実施形態においては少なくとも２０のペデスタルからなるアレイ、任意選択で一部の実施形態においては少なくとも１００のペデスタルからなるアレイ、また任意選択で一部の実施形態においては少なくとも１０００のペデスタルからなるアレイを備えることができる。一実施形態において、繋留型構造は、繋留構造を備える１つ又は複数のレリーフ形体へ結合される。一実施形態において、繋留構造のレリーフ形体はエラストマー、ＰＤＭＳ、ｅｃｏｆｌｅｘ（登録商標）、又はシリコーンを備える。一実施形態において、例えば、繋留構造はデバイス又はデバイス構成要素と異なる材料を備える。
[043]一実施形態において、例えば、繋留構造における１つ又は複数のレリーフ構造はそれぞれ独立的に１００ｎｍ〜１ｍｍの範囲にわたり選択される長さに延び、独立的に１００ｎｍ〜１０ｍｍの範囲にわたり選択される１つ又は複数の物理的断面寸法を有し、また任意選択で一部の実施形態において１００ｎｍ〜１０００ミクロンの範囲にわたり選択される長さに延び、独立的に１００ｎｍ〜１０００ミクロンの範囲にわたり選択される１つ又は複数の物理的断面寸法を有し、また任意選択で一部の実施形態において１ミクロン〜１０００ミクロンの範囲にわたり選択される長さに延び、独立的に１ミクロン〜１０００ミクロンの範囲にわたり選択される１つ又は複数の物理的断面寸法を有し、また任意選択で一部の実施形態において１０ミクロン〜１０００ミクロンの範囲にわたり選択される長さに延び、独立的に１０ミクロン〜１０００ミクロンの範囲にわたり選択される１つ又は複数の物理的断面寸法を有する。
[044]一実施形態において、基板はポリマー基板など可撓性又は伸縮性の基板である。例えば、多様なポリマーが本発明の基板用として有用である。例えば、基板はエラストマー、ＰＤＭＳ、ｅｃｏｆｌｅｘ（登録商標）、スパンデックス、粘着性包帯及びシリコーンからなる群から選択される１つ又は複数の材料を備えることができる。典型的に、基板のヤング率は１ＫＰａ〜１００ＭＰａの範囲から選択されるか、又は１０ＫＰａ〜１０ＭＰａの範囲から選択されるか、又は２０ＫＰａ〜１ＭＰａの範囲から選択される。一部の実施形態において、基板の厚さは１００ミクロン〜１００ｍｍの範囲から選択されるか、又は１００ミクロン〜５０ｍｍの範囲から選択されるか、又は１ｍｍ〜１０ｍｍの範囲から選択される。一部の実施形態において、基板の厚さは１０００ｍｍ以下、任意選択で１０ｍｍ以下、また任意選択で１ｍｍ以下である。一部の実施形態において、基板は、例えばデバイス構成要素又は接続を損傷又は破壊するおそれのある過剰伸長を防ぐための漸進的弾性及び／又は歪み制限挙動を提供し得る、基板の面内で空間変動性弾性特性を有することができる（例えば図７０Ｓの座標軸で示されているもの）。一実施形態において、基板は１ＫＰａ〜１００ＭＰａの範囲内、又は１０ＫＰａ〜１０ＭＰａの範囲内、又は２０ＫＰａ〜１ＭＰａの範囲内で変動する面内空間変動性ヤング率を有することができる。
[045]一実施形態において、電子システムは基板の面外で空間変動性弾性特性を有することができる（例えば図７０Ｎの軸Ｎなど、基板の面に対して実質的に直交する軸に沿って）。一実施形態において、電子システムは１ＫＰａ〜１０ＧＰａの範囲内で変動する面外空間変動性ヤング率を有することができる。
[046]一実施形態において、電子システムは、電子デバイス又はデバイス構成要素と電気的に接触している状態の１つ又は複数の電気相互接続を備える。例えば、１つ又は複数の電気相互接続は、電子デバイス又はデバイス構成要素と１つ又は複数の付加的な電子デバイス又はデバイス構成要素との間の電気的接触を確立し得る。電子デバイス又はデバイス構成要素、１つ又は複数の付加的電子デバイス又はデバイス構成要素及び１つ又は複数の電気相互接続は、島状架橋形状で提供され、電子デバイス又はデバイス構成要素が島状構造を備え、電気相互接続が架橋を備えるものであってもよい。電子デバイス又はデバイス構成要素、１つ又は複数の付加的電子デバイス又はデバイス構成要素及び１つ又は複数の電気相互接続は、剛性島状架橋形状で提供され、電子デバイス又はデバイス構成要素が剛性島状構造を備え、電気相互接続が可撓性及び／又は伸縮性の架橋を備えるものであってもよい。
[047]一実施形態において、電子システムは剛性島状デバイスを備えるデバイス構成要素からなるアレイを備え、１つ又は複数の電気相互接続が、隣接する剛性島状デバイスを電気的に接続する。例えば、電気相互接続のうち少なくとも１つが、第１の剛性島状デバイスを備えるデバイス構成要素を、第２の剛性島状デバイスを備える第２のデバイス構成要素と電気的に接続し得る。一実施形態において、電気システムは複数のデバイス構成要素を備え、剛性島状デバイスのそれぞれが１つのデバイス構成要素に対応する。一般的に、島状構造の物理的寸法及び幾何形状は、電子デバイス又はデバイス構成要素の物理的寸法及び幾何形状に相当する。
[048]一実施形態において、１つ又は複数の電気相互接続は、電気システムへ弾性、屈曲性又は両方をもたらすよう構成された伸縮性電気相互接続であってもよい。例えば、１つ又は複数の伸縮性電気相互接続は少なくとも一部分が、屈曲型、座屈型、折り畳み型、湾曲側、又は蛇行型の幾何形状を有することができる。さらに、１つ又は複数の伸縮性電気相互接続は少なくとも一部分が、面内、面外又は面内と面外両方に、基板の支持面によって定義される面と相対する、屈曲型又は実質的に平坦となり得る幾何形状を有することができる。一実施形態において、１つ又は複数の電気相互接続は少なくとも一部分が、面内蛇行型幾何形状を有する。
[049]一実施形態において、製造時における多層構造（ポリイミド（１．２μｍ）／Ｃｕ（５００ｎｍ）／Ａｕ（１００ｎｍ）／ポリイミド（１．２μｍ）／（Ｃｕ（６００ｎｍ））／ポリイミド（１．２μｍ）／Ａｌ（６００ｎｍ）／ポリイミド（１．２μｍ））の相互接続は、面内（又は非同一平面内）蛇行型幾何形状、又は弧状ポップアップ配置を有し、横幅は５０μｍ〜１００μｍである。これらの材料のヤング率は、ポリイミドが２．５ＧＰａ、Ｃｕが１２０ＧＰａ、Ａｕが７８ＧＰａ、及びＡｌが７０ＧＰａである。
[050]一部の実施形態において、本発明の自立型及び／又は繋留型のデバイス幾何形状は、電子デバイス又はデバイス構成要素の基板からの機械的分離を達成するための効率的手段を提供する。本発明におけるこの態様は、例えば、基板の運動又は変形によって生じる、電子デバイス構成要素の歪みの度合いの低減に有益である。一実施形態において、半導体デバイスチップなど自立型又は繋留型の電子デバイス又はデバイス構成要素は、基板から機械的に分離される。比較のため、機械的に分離されないデバイスの歪みレベルは、本発明による自立型又は繋留型のデバイスの歪みレベルより４倍〜１０００倍大きい。
[051]繋留型構成の一実施形態において、複数の繋留構造（例えば柱アレイ）が、電子デバイス、デバイス構成要素又は相互接続の支持に使用される。繋留構造の数は、デバイス又はデバイス構成要素の数及び回路配置の精巧さに応じて変動する。繋留構造の機能は、電子デバイス又はデバイス構成要素又は相互接続の位置を、伸長中及び解放中における物理的相互作用又は電気的相互作用（例えば配線の絡み）を防止するよう実質的に維持することである。一実施形態において、繋留構造は円筒形、円錐形、長方形、正方形、又は不規則な形状であってもよい。典型的に、繋留構造の横方向寸法は、１ｍｍ〜１０ｍｍの範囲の横方向寸法を有する電子デバイス又はデバイス構成要素の支持に使用される場合、直径０．５ｍｍ〜１ｍｍの範囲である。従って、剛性島状構造は、選択的結合構成における総面積のごく一部分のみ、繋留構造へ結合される。一実施形態において、繋留構造は高さが約１００μｍ、ヤング率が約１ＫＰａ〜１ＧＰａの範囲、曲げ剛性が約１０−１３Ｎ・ｍ〜１０５Ｎ・ｍの範囲である。
[052]一実施形態において、繋留構造及び基板は、エッチング処理されたＳｉウエハに１個単位として装着され、また多層構造金属製蛇行型相互接続を繋留構造の表面にＵＶオゾン活性化及びＳｉＯ２結合によって積層化するための標準的手順が使用される。
[053]一実施形態において、繋留構造は、剛性島状デバイスの浮遊防止に使用され、また伸縮性相互接続は、反復的な伸長プロセス及び解放プロセスにおける相互接続の配線の絡みの防止に使用される。
[054]一実施形態において、デバイス又は納入時の状態のまま及び機械的被膜剥離後の状態のＣＯＴＳチップなどデバイス構成要素、ベアダイス及び社内で製造された薄膜センサ／デバイスは、格納室の包囲構造に埋め込まれる。別の実施形態において、相互接続は格納室の包囲構造（例えば隔壁）に埋め込まれる。
[055]一実施形態において、相互接続はビアホールを有する単層構造又は多層構造であり、導電性金属配線は、例えばポリイミド又はパリレンＣ又はＳＵ８など誘電性ポリマーによって絶縁される。
[056]一実施形態において、１つ又は複数の伸縮性電気相互接続は少なくとも一部分が複数の導電性構造を有し、それぞれが独立的に、空間的にオフセットされ相対する区間を備える１次単位セル形状を有し、導電性構造は、導電性構造の配列から形成される少なくとも１対の空間的にオフセットされ相対する領域を備える２次形状を特徴とする配列で接続され、導電性構造配列は変形に耐える能力を有することにより、伸縮性電子デバイスの伸縮性を提供する。一実施形態において、導電性構造配列を備える１つ又は複数の電気相互接続は少なくとも一部分が、伸縮性電気相互接続の総体的な自己相似幾何形状を提供する。例えば、導電性構造配列はモノリシック構造を備えることができ、及び／又は導電性構造配列はワイヤを備えることができる。
[057]一実施形態において、２次形状は１次単位セル形状と相似であるが、尺度が異なる。例えば、２次形状は１次単位セル形状と相似であるが、１次単位セル形状より少なくとも１０倍大きいか、又は１次単位セル形状より少なくとも２５倍大きいか、又は１次単位セル形状より少なくとも５０倍大きい。
[058]一実施形態において、導電性構造配列は、２次形状を備える導電性構造の連続の反復から形成される、少なくとも１対の空間的にオフセットされ相対する領域を備える３次形状を、さらに特徴とする。
[059]一実施形態において、１次単位セル形状における空間的にオフセットされ相対する区間は、凸型領域と凹型領域とを備える。例えば、単位セル形状は蛇行型形状であってもよい。
[060]一実施形態において、電子システムはトランジスタ、電気化学電池、燃料電池、集積回路、太陽電池、レーザ、発光ダイオード、ナノ電気機械デバイス、ミクロ電気機械デバイス、フォトダイオード、ＰＮ接合、センサ、記憶デバイス、補助的論理回路又はこれらのいずれかからなるアレイを備える。
[061]一態様において、電気化学電池は、基板と、基板によって支持される第１の電子デバイス構成要素の一部を形成するアノード（第１の電子デバイス構成要素は自立的であるか又は基板に繋留される）と、基板によって支持される第２の電子デバイス構成要素の一部を形成するカソード（第２の電子デバイス構成要素は自立的であるか又は基板に繋留される）と、アノード、カソード又はアノードとカソードの両方を少なくとも部分的に包囲する格納室（格納室は少なくとも部分的に、アノードとカソードとの間でのイオン輸送を可能にする電解液が充填される）とを備える。実施形態において、電気化学電池は、アノード、カソード又はアノードとカソードの両方と電気的に接触している状態の１つ又は複数の伸縮性電気相互接続をさらに備える。例えば、１つ又は複数の伸縮性電気相互接続はそれぞれ独立的に、自己相似蛇行型幾何形状を有することができる。電気的に相互接続された複数の電気化学電池を備えるアレイも記述される。
[062]一態様において、電子システム製造方法は、基板の準備と、自立型又は基板上の格納室内の基板に繋留される電子デバイス又はデバイス構成要素の準備と（格納室は少なくとも部分的に電子デバイス又はデバイス構成要素を包囲する）、格納室の少なくとも一部における格納流体又は低弾性固体の充填とを備える。
[063]一態様において、電子システムの使用方法は、基板と、基板によって支持され、自立的であるか又は基板に繋留される電子デバイス又はデバイス構成要素と、少なくとも部分的に電子デバイス又はデバイス構成要素を包囲し、内部が少なくとも部分的に格納流体又は低弾性固体が充填される格納室とを備える電子システムの提供、並びに電子システムへの電流印加を備える。
[064]本明細書に記載の構成を有する伸縮性及び可撓性の電子機器は、多様なデバイス用途に使用され得る。流体中での浮遊性相互接続の使用は、相互接続の自由な座屈及び変形を可能にすることにより、様々な使用分野における電子デバイスの伸縮性及び可撓性を大幅に高める。例えば、浮遊性相互接続は、波状相互接続によって接続された島状の活性材料からなるアレイを有する、リチウムイオン電池に使用され得る。島状構造は、基板に強固に結合され得る一方、波状相互接続は自由に座屈及び変形できる。伸縮性相互接続は、剛性島状アレイとして形成される発光ダイオード及びフォトダイオードのアレイなど、光学システムでも使用され得る。剛性島状センサアレイも、温度、水和、圧力、歪み及び／又は生物学的パラメータのモニタに使用され得る。例えば、特定の機能的回路の設計により、人間及び／又は動物の電気生理学的パラメータ、例えば皮膚温度、心電図、筋電図、脳波図、眼電図を測定することができる。
[065]本発明は、伸縮性及び／又は可塑性の電子デバイス及びデバイスアレイを含む電子システムの製造方法及び使用方法も提供する。これらの方法は明示的に、本発明の記述全体と範囲が釣り合うよう意図されており、また本明細書で開示される全てのデバイス及び実施形態と併せて実施され得る。
[066]いかなる特定の理論にも拘泥するものではないが、本明細書に開示されるデバイス及び方法に関する基本原理の信念又は理解に関する考察が、本明細書には見られる。それにも関わらず任意の機械的な説明又は仮説の最終的な正確さとは無関係に、本発明の実施形態は作用的であり且つ有用とすることができることが理解される。
[067]本発明は、以下の実施例及び請求項によってさらに詳しく説明、例示及び記述される。
電池の配置及び設計における態様の図である。完成したデバイスの伸長及び屈曲した状態の概略図。 電池の配置及び設計における態様の図である。電池構造における様々な層の配置の分解図。 電池の配置及び設計における態様の図である。相互接続に使用される「自己相似」蛇行型幾何形状の図（黒：第１レベルの蛇行型形状、灰色：第２レベルの蛇行型形状）。 電池の配置及び設計における態様の図である。Ｓｉウエハ上のＡｌ電極パッド及び自己相似相互接続（左パネル、上から見た状態、約４個の単位セル）、シリコーン膜上での転写後（中間パネル、上から見た状態、屈曲形状）、ＬｉＣｏＯ２の成形スラリを加えた状態（右パネル、上から見た状態、屈曲形状）の光学画像。尺度バーは２ｍｍである。 電池の配置及び設計における態様の図である。Ｓｉウエハ上のＣｕ電極パッド及び自己相似相互接続（左パネル、上から見た状態、約４個の単位セル）、シリコーン膜上での転写後（中間パネル、上から見た状態、屈曲形状）、Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２の成形スラリを加えた状態（右パネル、上から見た状態、屈曲形状）の光学画像。尺度バーは２ｍｍである。 自己相似蛇行型配置の相互接続における屈曲物理学に関する実験研究及びコンピュータ計算研究の図である。様々なレベルの印加引張り歪み（ε）に関する、対称（左カラム）及び非対称（中央カラム）変形モードの、光学画像及び対応する有限要素解析（ＦＥＡ）である。ＦＥＡ結果の色は、金属層の最大主歪みを表す。スケールバーは２ｍｍである。右カラムは、印加歪みを解放した後の、相互接続構造を示す。 電池の電気機械的特性及び機械的特性の図である。電池電極における３００％の一軸歪みを伴わない場合（黒）と伴う場合（赤）の定電流充電及び放電。 電池の電気機械的特性及び機械的特性の図である。カットオフ電圧が２．５〜１．６Ｖの時の２０サイクルにわたる容量保持（四角）及びクーロン効率（丸）。 電池の電気機械的特性及び機械的特性の図である。加えられた二軸歪みの関数としての出力電力。 電池の電気機械的特性及び機械的特性の図である。赤色ＬＥＤに接続された電池の動作。 電池の電気機械的特性及び機械的特性の図である。３００％まで二軸延伸させた状態。 電池の電気機械的特性及び機械的特性の図である。折り曲げた状態。 電池の電気機械的特性及び機械的特性の図である。撚った状態。 電池の電気機械的特性及び機械的特性の図である。人間の肘に装着し適合している状態。 無線充電用伸縮性システムの図である。回路図。 無線充電用伸縮性システムの図である。様々な構成要素が表示された集積システムの画像。尺度バーは１ｃｍである。 無線充電用伸縮性システムの図である。周波数４４．５ＭＨｚでの交流電圧入力式無線コイルの特徴付け（黒）及び（ａ）に記載通りの結果的な直接電圧出力（赤）。 無線充電用伸縮性システムの図である。伸縮性電池を無線回路から３Ｖの出力で充電する際の充電電圧（オレンジ）及び電流（青）。 自己相似相互接続の寸法の図（銅層）である。 （ａ）〜（ｄ）製造プロセス概略図及び成形された（ｅ）カソード及び（ｆ）アノードスラリを水溶性テープに貼り付けた状態の画像。 約３０％の予歪を解放した後の、エコフレックスのシート表面上にある、座屈状態のＡｌ箔（６００ｎｍ）／ＰＩ（１２００ｎｍ）２重層のＳＥＭ画像を示す図である。この２重層構造は、水、空気、及び溶媒の透過を遮断するための、パウチセルで使用される層状Ａｌ／ポリマー包装材料のタイプに似ている。 異なる視野角（即ち、上、正面、側面、及び３次元（３Ｄ）視野）からの、５０％の印加歪みの下での対称（ａ）及び非対称（ｂ）座屈モードに関する、自己相似電極の変形した構成（ＦＥＡ結果）を示す図である。 変形の発生と共に、印加歪み（εａｐｐｌ）の関数として、自己相似相互接続の金属層における最大主歪みの最大値（εｍａｘ）を示す図である。 その最大値が１％に到達したときの金属層における最大主歪みの分布を示す図である：（ａ）２次自己相似相互接続；及び（ｂ）１次相互接続である。２つの構造は、同じ全体寸法及び断面を有する。 自己相似及び単純な曲がりくねったデザインに関し、印加歪み（εａｐｐｌ）の関数として、相互接続の金属層における最大主歪みの最大値（εｍａｘ）を示すプロットである。２つの相互接続は、同じ全長（ｌｔｏｔａｌ）、スパン（Ｌ）、振幅（ｈ）、幅（ｗ）、及び厚さ（ｔ）を有する。 圧縮下にある、垂直に並べられた自己相似相互接続の座屈プロファイルの有限要素解析、及びそれを実験からの光学画像と比較したものを示す図である。ＦＥＡ結果における色輪郭は、金属層内の最大主歪みの分布を表す。 Ａｌ及びＣｕパッドのレイアウトを示す図である。オフセット距離（ｄ）は、バッテリが伸張されるときに短絡が生じる可能性を回避するために、モデルにおいて０．５ｍｍになるように設定される。 代表的な単位セルのサイズ及びＡｌパッドの半径に対する、曲線因子の依存性（ｂ）を示す図である。オフセット距離（ｄ）は、バッテリが伸張されるときに短絡が生じる可能性を回避するために、モデルにおいて０．５ｍｍになるように設定される。 １０ｍＶのａ．ｃ．（交流）摂動振幅で、１ＭＨｚ〜１０ｍＨｚの、パウチ型伸縮性バッテリのナイキストインピーダンスを示すプロットである。 室温で測定された様々な構成のバッテリの、開路電圧減衰曲線（ａ）及び漏れ電流曲線（ｂ）を示すデータの図である。 スラリ及び静電容量が正確にカソード及びアノードの幾何形状と合致するコイン電池幾何形状におけるカットオフ電圧が２．５〜１．６Ｖの時の２０サイクルにわたる容量保持（四角）及びクーロン効率（丸）の図である。 放電震度１００％（丸記号の曲線、カットオフ電圧１．６０〜２．５０Ｖ）及び約７５％（四角記号の曲線、カットオフ電圧２．２５〜２．５０Ｖ）の条件での容量保持曲線の図である。 市販の赤色発光ダイオードのＩ−Ｖ曲線の図である。ターンオン電圧が１．７Ｖ前後であることを示している。 （ａ）無線再充電システムの配置の概略図、（ｂ）離散型ダイオードと蛇行型相互接続の両方を有する無線コイルの代表的構成要素について３２．３％の歪みを加えられた状態での計算上の変形及び最大主歪みの分布、（ｃ）蛇行型相互接続のみ有する無線コイルの代表的構成要素について３２．６％の歪みを加えられた状態での計算上の変形及び最大主歪みの分布。 （ａ）全体構造における最大主歪みの計算された分布、及び（ｂ）システムが垂直方向に沿って３０％伸張されたときの、ダイオード／基板界面での、基板の垂直歪み（ε３３）の計算された分布を示す図である。 ワイヤレス充電システムの入力及び出力電気特性を示す図である。ショットキーダイオードは、関数発生器からの交流電圧入力（ピンク色曲線）を整流させて整流出力（青色曲線）をもたらすが、これは名目上０Ｖ〜４．６Ｖで発振する。並列１．７ｎＦキャパシタはこの発振を統合して、直流電流（赤色曲線）に近い挙動を有する電流源を得る。キャパシタンスの増大（例えば、１７ｎＦ）は、電流をさらに滑らかにする（黒色曲線）。 その直列抵抗が約２．３ＫΩであることを示す、整流チップを持つワイヤレスコイルのＩ−Ｖ曲線を示す図である。 太さ１８μｍの銅箔無線コイルの入出力電圧（黒）及び電流（赤）。 太さ７μｍのＣｕコイルに様々なレベルの一軸歪みを加えた場合の光学顕微鏡写真。尺度バーは全て１ｃｍである。 太さ７μｍの蛇行型コイルの一区間の伸長の有限要素解析。 無線コイル充電回路における（ａ）電流変化測定結果の図である。 無線コイル充電回路におけるシミュレーション結果との比較の図である。 本発明の一実施形態による、一部の電子システム製造に関する総体的製造フローチャートの典型例の図である。 銀エポキシ剥離の図である。 本発明の一実施形態による、液体室製造の図である。 本発明の一実施形態による、電池１個の図である。 本発明の典型的な電池が約１００％の延伸を受けた状態の図である。 無線電源方式の遠隔通信用ＥＣＧ回路の図である。 典型的なＥＣＧデータの図である。 選択的結合を施された回路の図である。 複数のＥｃｏｆｌｅｘペデスタルからなるアレイの図である。 薄型チップ（１ｍｍ未満）の図である。 本発明の一実施形態による、液体室を有する回路の図である。 電子システムの延伸の実証画像である。 電子システムの屈曲の実証画像である。 界面での相互接続を示す概略図である。 システムレベル力学を示す概略図：横方向である。 システムレベル力学を示す概略図：縦方向である。 液体室を有する先進的多機能回路の図である。 機械研磨された民生用（ＣＯＴＳ）チップの図である。 回路機能例のリストである。 多層構造の図：第１である。 多層構造の図：第２である。 多層構造の図：第３である。 精密選択的結合の位置の図（１）である。 精密選択的結合の製造プロセスの図（２）である。 鋭利な角を減らした状態の図である。 自己相似相互接続の図である。 自己相似導体パッドの図である。 基本的製造スキームの典型例の図である。 基本的製造スキームの典型例の図である。 無線電源回路の一例の図である。 無線回路延伸の実証の図である。 典型的なＥＣＧ回路の図である。 典型的な配置設計検討の図である。 典型的な配置設計検討の図である。 典型的な配置設計検討の図である。 典型的な既製相互接続の図である。 ある製造プロセスを使用しての選択的結合の図である。 ペデスタルに結合された伸縮性電気相互接続を備える繋留型デバイス構成要素の図である。 チップ包装剥離の図である。 既製デバイスの図である。 電子デバイスの延伸及び屈曲の図である。 典型的な力学的解析の図である。 歪み分布の図である。 延伸シミュレーションの概略図である。 延伸シミュレーションの概略図である。 本発明の多様な実施形態による、格納室内の電子デバイス及び／又はデバイス構成要素の多様な実施形態の一つの概略図である。 本発明の多様な実施形態による、格納室内の電子デバイス及び／又はデバイス構成要素の多様な実施形態の一つの概略図である。 本発明の多様な実施形態による、格納室内の電子デバイス及び／又はデバイス構成要素の多様な実施形態の一つの概略図である。 本発明の多様な実施形態による、格納室内の電子デバイス及び／又はデバイス構成要素の多様な実施形態の一つの概略図である。 本発明の多様な実施形態による、格納室内の電子デバイス及び／又はデバイス構成要素の多様な実施形態の一つの概略図である。 本発明の多様な実施形態による、格納室内の電子デバイス及び／又はデバイス構成要素の多様な実施形態の一つの概略図である。 本発明の多様な実施形態による、格納室内の電子デバイス及び／又はデバイス構成要素の多様な実施形態の一つの概略図である。 本発明の多様な実施形態による、格納室内の電子デバイス及び／又はデバイス構成要素の多様な実施形態の一つの概略図である。 本発明の多様な実施形態による、格納室内の電子デバイス及び／又はデバイス構成要素の多様な実施形態の一つの概略図である。 本発明の多様な実施形態による、格納室内の電子デバイス及び／又はデバイス構成要素の多様な実施形態の一つの概略図である。 本発明の多様な実施形態による、格納室内の電子デバイス及び／又はデバイス構成要素の多様な実施形態の一つの概略図である。 本発明の多様な実施形態による、格納室内の電子デバイス及び／又はデバイス構成要素の多様な実施形態の一つの概略図である。 本発明の多様な実施形態による、格納室内の電子デバイス及び／又はデバイス構成要素の多様な実施形態の一つの概略図である。 本発明の多様な実施形態による、格納室内の電子デバイス及び／又はデバイス構成要素の多様な実施形態の一つの概略図である。 本発明の多様な実施形態による、格納室内の電子デバイス及び／又はデバイス構成要素の多様な実施形態の一つの概略図である。 本発明の多様な実施形態による、格納室内の電子デバイス及び／又はデバイス構成要素の多様な実施形態の一つの概略図である。 本発明の多様な実施形態による、格納室内の電子デバイス及び／又はデバイス構成要素の多様な実施形態の一つの概略図である。 本発明の多様な実施形態による、格納室内の電子デバイス及び／又はデバイス構成要素の多様な実施形態の一つの概略図である。 本発明の多様な実施形態による、格納室内の電子デバイス及び／又はデバイス構成要素の多様な実施形態の一つの概略図である。 本発明の多様な実施形態による、格納室内の電子デバイス及び／又はデバイス構成要素の多様な実施形態の一つの概略図である。 本発明の多様な実施形態による、格納室内の電子デバイス及び／又はデバイス構成要素の多様な実施形態の一つの概略図である。 本発明の一実施形態による、基板へ（直接又は間接的に）選択的に結合されたデバイス構成要素を有する電子デバイスの一実施形態の概略図である。 歪み分離型デバイス構成要素及び浮遊性相互接続ネットワークを薄型弾性マイクロ流体筐体内で一体化する、軟質伸縮性電子システムの概略図、走査型電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）及び写真である。（Ａ）システムの主要構成要素の展開概略図。（Ｂ）組み立て後のシステムに注射器を使用してマイクロ流体を注入する作業の初期段階の図である。（Ｃ）Ｂ図で赤色の破線箱型記号により示されている通り、このシステムの小領域の均等二軸延伸に関連する物理学を示す、分解図形式での３次元ＦＥＡ結果。色は最大主歪みを示す。吊下型チップの浮遊性蛇行型相互接続及び歪み分離構造における座屈の物理学は、主要な形体を表わす。（Ｄ）基板の一領域における、デバイス構成要素（支柱）の局所結合及び相互接続ネットワーク内での配線の絡み防止（バリア）のための構造に沿って、表面レリーフの鋭利なピラミッド状形体によって形成される模様を施された表面を示す、斜め方向から見たＳＥＭ。（Ｅ）（Ｄ）における同じ領域を、相互接続ネットワーク転写後に斜め方向から見たＳＥＭ（黄色に着色）。（Ｆ）（Ｅ）で赤色の破線箱型記号により示される領域を斜め方向から見たＳＥＭ。（Ｇ）皮膚から測定されたＥＰ信号の取得、フィルタリング、増幅及び無線送信用に設計されたシステムの画像。誘導電力用集積モジュールは無線電源を提供する。色付きの破線箱型記号及びラベルは様々なサブシステムを識別する。周囲の灰色の破線箱型記号は、スーパーストレートのおおよその結合位置を示す。このシステムの延伸時（Ｆ）及び撚り時（Ｇ）の構成の画像。 ノンコアリングニードルの、側壁に設けられた注入孔を強調する光学画像である。この構造は注入プロセスにおける注入物の除去を防止する。 温度上昇が長期化した状況でのＰＤＭＳベース流体の熱重量解析の図である。 浮遊性相互接続を完全結合型相互接続又は埋込型相互接続と比較した場合の力学的優位性を示す３次元ＦＥＡ結果の図である。（Ａ）図７２Ｃに記載の相互接続のうち１つの初期構成、（Ｂ）Ｅｃｏｆｌｅｘの上部へ２つの端部のみ結合された相互接続において、加えられた歪みが相互接続について該当する弾性伸縮性（１６７％）に達した時点での歪み分布、（Ｃ）Ｅｃｏｆｌｅｘの上部へ完全結合された相互接続において、加えられた歪みがその弾性伸縮性（１７％）に達した時点での歪み分布、（Ｄ）Ｅｃｏｆｌｅｘの中央に完全に埋め込まれた相互接続において、加えられた歪みがその弾性伸縮性（８％）に達した時点での歪み分布。 階層型基板の特徴付け。（Ａ）複数レベルの浮き彫り加工レリーフを有する基板の光学画像である。（Ｂ）基板における階層構造を示す小領域のＳＥＭ画像。 標準的な包装設計を有する典型的な市販チップのＸ線側方画像である。このチップの厚さは余分な包装エポキシの研磨除去によって０．８６ｍｍにまで削減することができる。 相互接続の界面湿潤挙動の光学画像である。無電解Ｓｎめっき加工の（Ａ）前及び（Ｂ）後における、相互接続に結合されたチップ。これらの画像は、Ｓｎめっき加工後、はんだが相互接続表面を十分に湿潤させることができ、その結果、強固な結合界面を可能にすることを明確に示す。 単一のＥＣＧシステムにおける、デバイスの様々な部分を表記した配置設計の図である。相互接続とチップ結合パッドとの間の遷移領域の設計も、紫色の破線箱型記号で強調されている。 ３つの異なる相互接続設計におけるマイクロ流体筐体周辺部分での力学的性能の比較の図である。（Ａ）界面を横断する自己相似蛇行型相互接続の概略図（左パネル）、及び１００％の一軸延伸時の金属層における最大主歪みの分布（中間パネルはｘ方向に沿った横方向延伸、右パネルはｙ方向に沿った縦方向延伸）。（Ｂ）界面を横断する直線状相互接続の概略図（左パネル）（長さ１ｍｍ）、及び１００％の一軸延伸時の金属層における最大主歪みの分布（中間パネルは横方向延伸、右パネルは縦方向延伸）。（Ｃ）界面を横断する直線状相互接続の概略図（左パネル）（長さ０．５ｍｍ）、及び１００％の一軸延伸時の金属層における最大主歪みの分布（中間パネルは横方向延伸、右パネルは縦方向延伸）。このシミュレーションは、最適化された直線状相互接続が界面において、１００％の二軸延伸条件下でさえ、歪みを誘発する破壊を回避することを、ＦＥＡ結果と一致する形で示し、相互接続の歪みは破壊限度（約５％）より十分に低い水準である。 完全集積型デバイスの図である。（Ａ）若干変形した構成のデバイスの概略図、及び（Ｂ）同様の変形状態にある実際のデバイスの光学画像に回路の様々な部品及びモジュールの説明を併記した図。 ＥＣＧシステムの概略配置図にチップの位置及びチップの種類（表１）を併記した図である。黒い点は各チップの１番ピンを示す。 皮膚から測定されたＥＰ信号の取得、フィルタリング、増幅及び無線送信を行う能力を有する、誘導電源方式のデバイスにおける、浮遊性相互接続ネットワークにおける座屈及び吊下型チップにおける歪み分離の物理学に関するコンピュータ計算研究及び実験研究の図である。（Ａ）様々な規模の均等二軸引張歪みに関するシステムレベル３次元ＦＥＡ結果。色はシステムの各部分にまたがる最大主歪みを示す。最下段のパネルは相互接続ネットワークの小領域の図である。（Ｂ）３次元ＦＥＡによる評価結果に相当する均等二軸歪みが生じた状態のデバイスの光学画像。追加画像は、応答の可逆性を例示するための、歪み解放後のシステムを示す。最下段のパネルは、システムがチップ及び相互接続ネットワークを有する場合（黒：横方向、青：縦方向）及び有さない場合（赤：横方向、ピンク：縦方向）について一軸試験によって測定された応力／歪み応答のグラフである。これらの結果は、チップ／相互接続の基板からのほぼ完全な力学的分離を示す。（Ｃ）局所領域の画像及び３次元ＦＥＡ結果。 ＥＣＧシステム内の様々な自己相似蛇行型相互接続の二軸延伸条件下における局所変形に関する実験研究及びコンピュータ計算研究の図である。（Ａ）〜（Ｊ）は１０の自己相似蛇行型相互接続について、回路全体が０〜５０％及び１００％の範囲で二軸延伸される時の光学画像及び該当するＦＥＡ結果を示す。ＦＥＡ結果における色は、金属層の最大主歪みを表わす。 相互接続金属（材料レベル）における歪みの、加えられる歪み（システムレベル）に対する依存性の図である。相互接続の金属層における、加えられる二軸歪み（εａｐｐｌ）の関数としての主歪みの最大値（εｍａｘ）、並びに変形の進化の図である。 横方向に沿った一軸延伸条件下での回路全体にまたがる座屈変形に関する実験研究及びコンピュータ計算研究の図である。０％〜１０％、２０％、３０％及び４０％の範囲での一軸延伸条件下における回路全体の３次元ＦＥＡ結果（Ａ）及び該当する光学画像（Ｂ）。ＦＥＡ結果における色は、金属層内の最大主歪みを表わす。 横方向に沿った一軸延伸条件下での、回路との自己相似蛇行型相互接続における局所変形に関する実験研究及びコンピュータ計算研究の図である。（Ａ）〜（Ｅ）は５の自己相似蛇行型相互接続について、回路全体が０〜２０％及び４０％の範囲で一軸延伸される時の光学画像及び該当する３次元ＦＥＡ結果を示す。ＦＥＡ結果における色は、金属層の最大主歪みを表わす。 εａｐｐｌ＝２０％の二軸延伸条件下での軟質基板全体にまたがる歪み分布に対する剛性デバイスの効果を例示するための有限要素シミュレーションの図である。（Ａ）剛性デバイスが（小型の円形及び長方形のペデスタルを介して）基板に選択的に結合された時の、基板における対数歪み分布。（Ｂ）各デバイスの全領域が基板に結合された時の、基板における対数歪み分布。 全てのチップが基板に完全結合された時の、様々な歪みレベルでの歪みマッピングの図である。これらのチップの下方における歪みの局在化を明確に視認することができる。 ＥＰ信号を測定、フィルタリング及び増幅し、結果を無線送信する能力を有し、誘導電源を使用するデバイスからの画像及び動作データの図である。前腕に装着された、自己相似蛇行型メッシュ配置の１対の表皮電極を有するデバイス（光学顕微鏡写真を挿入）の未変形状態（Ａ）並びに圧縮及び撚りを加えられた状態（Ｂ）の光学画像。（Ｃ）胸骨に装着されたデバイスを使用して取得されたＥＣＧ。右側のグラフは、予想されるＱＲＳ群を示す詳細図である。（Ｄ）左眼の側方から取得したＥＯＧ（緑）及び市販の電極を無線システムの隣に配置した有線型市販デバイスを使用しての同時測定（青）。右側のプロットは両眼の瞬き時のデータを示す。（Ｅ）左手根伸筋に装着したデバイスを使用して取得したＥＭＧ（緑）及び市販の電極を無線システムの隣に配置した有線型市販デバイスを使用しての同時測定（青）。無線デバイスからのデータは、比較しやすいよう、縦軸に沿って反転された。右側のプロットは、単一の筋収縮に相当するデータを示す。（Ｆ）暗算実行中及び安静時に左前頭部から取得したＥＥＧ（緑）、及び無線システムの隣に装着したＡｕめっきＡｇ電極及び導電性ゲルを有する有線型市販デバイスを使用しての同時測定（青）。大きい偏向は、右側のプロットに詳しく示されている通り、被検者が暗算実行から安静に移行する時に目を閉じた状態を表わす。データは恣意的単位でプロット化され、比較しやすいよう縦方向に正規化及びオフセットされている。 自己相似蛇行型メッシュ設計の表皮電極の３次元ＦＥＡの図である。（Ａ）伝統的な蛇行型メッシュにおける、充填率約３１％での設計、及び加えられた歪みが弾性伸縮性（１２．５％）に到達した時点での歪み分布。（Ｂ）自己相似蛇行型メッシュにおける、充填率約３１％での設計、及び加えられた歪みが弾性伸縮性（２５．０％）に到達した時点での歪み分布。両方について変形構成時の上から見た図と斜め方向から見た図が示されており、縮緬波長は右側の自己相似蛇行型メッシュ設計の方が小さいことが分かる。 人体での実験環境及び測定位置の図である。（Ａ）バックグラウンド電気ノイズを排除するよう設計された室内でのＥＣＧ測定実験環境。（Ｂ）人体における、電気生理学的信号測定用の様々な積層位置。 本研究及び市販システムからのＥＣＧ信号の比較の図である。（Ａ）胸骨に装着したデバイスを使用して取得したＥＣＧ（緑）及び市販の電極を無線システムの電極の隣に配置した有線型市販デバイスを使用しての同時測定（青）。（Ｂ）展開グラフは、予想されるＱＲＳ群を示す詳細図である。データは恣意的単位でプロット化され、比較しやすいよう縦方向に正規化及びオフセットされている。 ウェーブレット分解により計算されたＥＥＧに関する時間周波数スペクトログラムの図である。図９０Ｆからの、正規化された恣意的単位でのＥＥＧデータは、２０サイクルのウェーブレット変換を使用して分解された。暗算実行中、１２〜４０Ｈｚ（ベータバンド）の範囲で高周波活性の増加が観察され、これは安静時に消散する。安静時、データは低周波デルタバンドにおいて、暗算実行中より大きい明確なピークを示す。 ＥＰ信号、加速度及び温度を測定、フィルタリング及び増幅し、結果を時分割無線モードで送信する能力を有するデバイスからの画像及び動作データの図である。周囲の露出導体パッドは、別体式電源と、皮膚への電気的インターフェース用の１対の表皮電極との統合点を提供する。（Ａ）代表的デバイスの光学画像。色付きの破線箱型記号及びラベルは様々なサブシステムを識別する。周囲の灰色の破線箱型記号は、スーパーストレートのおおよその結合位置を示す。（Ｂ）皮膚に装着したデバイスの画像、並びに硬貨（米国の２５セント硬貨）と比較した全体の厚さ（約１ｍｍ）を示す透視図。皮膚の圧迫によって誘発された撚り及び延伸状態（Ｃ）及び圧縮状態（Ｄ）のデバイスの画像。（Ｅ）拳の握り締めと弛緩を繰り返す過程で左手根伸筋上方から取得されたＥＭＧ。右パネルは１回の握り締め運動におけるＥＭＧの拡大図である。（Ｆ）デバイスを前腕に装着した状態での歩行に相当する加速度プロファイル。この時間枠の終了間際のデータは意図的転倒に相当する。（Ｇ）デバイス表面への温風吸入に対する温度応答。この図に記載のデータは、小型コイン電池を電源として使用したデータである。 多機能センサシステムについて、様々な部品及びチップの情報（表３）を併記した図である。黒い点は各チップの１番ピンを示す。 マルチプレクサの動作原理の図である。 電圧制御型発振器（ＶＣＯ）の電力消費を、パルス変調器の増設によって低減するための設計戦略の図である。ＶＣＯの負荷サイクルが７％にまで減少すると、システム全体の電力消費は約６ｍＷとなる。 多機能システム用解除可能電源の図である。（Ａ）ＮＦＣモジュールの前方及び後方からの光学画像、及び関連チップ情報（表１）。（Ｂ）小型コイン電池モジュールの前方及び後方からの光学画像。これらのモジュールはいずれも、動作用電力を供給するための、多機能デバイスの電源導体パッド上に積層することができる。 多機能システムにおける温度と周波数の関係を表わす較正曲線の図である。 多機能デバイスを前腕に装着し、拳の握り締めと弛緩を繰り返す過程で取得された信号測定結果の図である。握り締めと弛緩の前及び９分後における（Ａ）加速度信号及び（Ｂ）温度信号。（Ｃ）この運動の前（左パネル）と後（右パネル）に市販のＩＲカメラで確認された温度測定結果。 有限要素解析（ＦＥＡ）に採用された伸縮性設計配置（ａ）及び蛇行型相互接続（ｂ）の概略図である。 第１の低弾性材料及び流体又は第２の低弾性材料を備える設計配置の概略図である。 流体又は低弾性固体を充填された格納室が、基板と接触している状態の誘電材料上の２つの電子デバイス又は構成要素にはんだ付けされた太陽電池を収容する設計配置の概略図。 図１０３Ｂのデバイスの写真及び分解図である。
[0172]一般に、本明細書で使用される用語及び文言は、標準的なテキスト、定期刊行物、及び当業者に公知の文脈を参照することによって見出すことができる、それらの技術分野で認識されている意味を有する。下記の定義は、本発明の文脈におけるそれらの特定の使用を明らかにするために提示される。
[0173]「機能層」は、デバイスにいくらかの機能性を与える層を指す。例えば機能層は、半導体構成要素を含有していてもよい。或いは機能層は、支持層によって分離された多数の半導体層など、多数の層を含んでいてもよい。機能層は、電極又は島の間又はそれらの下を走る相互接続など、複数のパターニングされた要素を備えていてもよい。機能層は、均質であってもよく、又は不均質な１つ若しくは複数の性質若しくは材料を有していてもよい。「不均質な性質」は、空間的に変化し得る物理的パラメータを指し、それによって、多層デバイス内の中立機械平面の位置を有効にする。
[0174]「構造層」は、例えばデバイス構成要素の支持及び／又は包封及び／又は分割を行うことによって構造的機能性を与える層を指す。
[0175]「半導体」は、非常に低い温度で絶縁体であるが、約３００ケルビンの温度で明らかな導電性を有する任意の材料を指す。本発明の記述において、半導体という用語の使用は、マイクロエレクトロニクス及び電子デバイスの分野でのこの用語の使用と矛盾しないものとする。有用な半導体には、シリコン、ゲルマニウム、及びダイヤモンドなどの元素半導体と、化合物半導体、例えば、ＳｉＣ及びＳｉＧｅなどのＩＶ族化合物半導体、ＡｌＳｂ、ＡｌＡｓ、ＡｌＮ、ＡｌＰ、ＢＮ、ＢＰ、ＢＡｓ、ＧａＳｂ、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＧａＰ、ＩｎＳｂ、ＩｎＡｓ、ＩｎＮ、及びＩｎＰなどのＩＩＩ−Ｖ族半導体、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓなどのＩＩＩ−Ｖ族３元半導体、ＣｓＳｅ、ＣｄＳ、ＣｄＴｅ、ＺｎＯ、ＺｎＳｅ、ＺｎＳ、及びＺｎＴｅなどのＩＩ−ＶＩ族半導体、ＣｕＣｌなどのＩ−ＶＩＩ族半導体、ＰｂＳ、ＰｂＴｅ、及びＳｎＳなどのＩＶ−ＶＩ族半導体、ＰｂＩ２、ＭｏＳ２、及びＧａＳｅなどの層半導体、ＣｕＯ及びＣｕ２Ｏなどの酸化物半導体を含むものが含まれる。半導体という用語は、真性半導体、及び１種又は複数の選択された材料がドープされた不純物半導体を含み、所与の適用例又はデバイスに有用な有益な電子特性を得るためにｐ型ドーピング材料及びｎ型ドーピング材料を有する半導体が含まれる。半導体という用語は、半導体及び／又はドーパントの混合物を含んだ複合材料を含む。いくつかの実施形態に有用な特定の半導体材料には、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、ダイヤモンド、フラーレン、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、銅インジウムガリウムセレン化物（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、及びこれらの任意の組合せが含まれるが、これらに限定するものではない。多孔質シリコン半導体材料は、本明細書に記述される態様に有用である。半導体材料の不純物は、（１種又は複数の）半導体材料そのもの以外の原子、元素、イオン、及び／又は分子であり、又は、半導体材料に提供される任意のドーパントである。不純物は、半導体材料の電子特性に悪影響を及ぼし得る、半導体材料中に存在する望ましくない材料であり、酸素、炭素、及び重金属を含めた金属が含まれるがこれらに限定するものではない。重金属不純物には、周期表上の銅から鉛までの元素の群、カルシウム、ナトリウム、及び全てのイオン、化合物、及び／又はそれらの錯体が含まれるが、これらに限定するものではない。
[0176]「半導体構成要素」は、任意の半導体材料、組成物、又は構造を広く指し、高品質単結晶及び多結晶半導体、高温加工を介して製作された半導体材料、ドープ型半導体材料、無機半導体、及び複合半導体材料を明らかに含む。
[0177]「構成要素」は、デバイスの個々の部分を指すのに広く使用される。「相互接続」は、構成要素の一例であり、別の構成要素と又は構成要素間で電気接続を確立することが可能な導電性構造を指す。特に、相互接続は、個別の構成要素間に電気接触を確立してもよい。所望のデバイスの仕様、動作、及び適用例に応じて、相互接続は適切な材料から作製される。適切な導電性材料には半導体が含まれる。
[0178]その他の構成要素には、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）、トランジスタ、電極、集積回路、回路素子、制御素子、マイクロプロセッサ、トランスデューサ、島、ブリッジ、及びこれらの組合せが含まれるが、これらに限定するものではない。構成要素は、例えば金属蒸着、ワイヤボンディング、及び固形分又は導電性ペーストの付着などにより、当技術分野で公知の１つ又は複数の接触パッドに接続されてもよい。
[0179]「中立機械平面」（ＮＭＰ）は、デバイスの横ｂ及び縦ｌの方向に存在する仮想平面を指す。ＮＭＰは、デバイスの垂直ｈ軸に沿ったさらに極端な位置に在るデバイスのその他の平面及び／又はデバイスのより屈曲性ある層の内部よりも、屈曲応力をそれほど受けない。このように、ＮＭＰの位置は、デバイスの厚さ及びデバイスの（１つ又は複数の）層を形成する材料の両方によって決定される。
[0180]「同時発生」は、２つ以上の対象、平面、又は表面の相対位置、例えば、機能層、基板層、又はその他の層などの、層の内部又は層に隣接して位置決めされた中立機械平面の表面の相対位置を指す。ある実施形態では、中立機械平面は、層内の最も歪みを感受する層又は材料に対応するように位置決めされる。
[0181]「近接」は、２つ以上の対象、平面、又は表面の相対位置、例えば、歪み感受性材料の物理的性質に悪影響を及ぼすことなく所望の順応性を提供しながら、機能層、基板層、又はその他の層などの層の位置に密接に従う中立機械平面の相対位置を指す。「歪み感受性」は、比較的低レベルの歪みに応答して破砕され又はその他の理由で損なわれる材料を指す。一般に、高い歪み感受性を有し且つ結果として第１の層を破砕させ易くする層は、機能層、例えば比較的脆弱な半導体又はその他の歪み感受性デバイス素子を含有する機能層内に位置付けられる。層に近接する中立機械平面は、その層の内部に拘束される必要がなく、歪み感受性デバイス素子に対する歪みを低減させる機能的な利益が得られるように、近接して又は十分近くに位置決めされてもよい。
[0182]「一体」は、単片又は分割されていない全体として形成された対象を指す。
[0183]「直接及び間接」という用語は、別の構成要素に対する１つの構成要素の、又は別のデバイスに対する１つのデバイスの、動作又は物理的位置について記述する。例えば、別の構成要素に「直接」作用し又は接触する構成要素は、仲介物からの介入なしでそのように作用し接触する。逆に、別の構成要素に「間接的」に作用し又は接触する構成要素は、仲介物（例えば、第３の構成要素）を通してそのように作用し接触する。
[0184]「電子デバイス」は、一般に、複数の構成要素を組み込むデバイスを指し、大面積エレクトロニクス、プリントワイヤ基板、集積回路、コンポーネントアレイ、電気生理学及び／又は生物学及び／又は化学センサ、及び物理センサ（例えば、温度、加速度など）を含む。
[0185]「感知」は、物理的及び／又は化学的性質の存在、不在、量、大きさ、又は強度を検出することを指す。感知するための有用な電子デバイス構成要素には、電極素子、化学又は生物センサ素子、ｐＨセンサ、加速度計、温度センサ、及び容量センサが含まれるが、これらに限定するものではない。
[0186]「島」は、複数の半導体構成要素を備える電子デバイスの、比較的剛性の構成要素を指す。「ブリッジ」は、２つ以上の島又は１つの島を別の構成要素に相互接続する構造を指す。本発明は、電気接触と半導体デバイス構成要素との間及び内部に設けられた伸縮性電気相互接続など、電気相互接続を含んだブリッジ構造を有する電子デバイスを含む。
[0187]「包封」は、少なくとも部分的に及びある場合には完全に、１つ又は複数のその他の構造によって取り囲まれるような、１つの構造の配向を指す。「部分的に包封された」は、１つ又は複数のその他の構造によって部分的に取り囲まれるような、１つの構造の配向であって、例えば、構造の外面の３０％又は任意選択で５０％又は任意選択で９０％が１つ又は複数の構造によって取り囲まれるような配向を指す。「完全に包封された」は、１つ又は複数のその他の構造によって完全に取り囲まれるような、１つの構造の配向を指す。
[0188]「隣接する」は、破壊されていない配列全体を通して接触し又は接続されている材料又は層を指す。一実施形態において、デバイスの隣接層は、当初から設けられている材料又は層のかなりの部分（例えば、１０％以上）を除去するように処理されていない。
[0189]「能動回路」及び「能動回路構成」は、特定の機能を発揮させるために構成された１つ又は複数の構成要素を指す。有用な能動回路には、増幅器回路、多重化回路、電流制限回路、集積回路、インピーダンス整合回路、ワイヤレス電力収穫回路、ワイヤレスデータ伝送回路、トランジスタ、及びトランジスタアレイが含まれるが、これらに限定するものではない。
[0190]「基板」は、１つ又は複数の構成要素又は電子デバイスを支持することが可能な受容面又は支持面などの表面を有する、材料、層、又はその他の構造を指す。基板に「結合された」構成要素は、基板に物理接触しており且つこの構成要素が結合している基板表面に対して実質的に移動させることができない構成要素を指す。対照的に、結合していない構成要素又は構成要素の部分は、基板に対して実質的な移動が可能になる。ある実施形態では、本発明は、基板によって支持された、任意選択で基板に物理接触しており又は基板により支持された１つ又は複数の中間体構造に物理接触している、１つ又は複数の自立半導体デバイス構成要素を有する電子デバイスを含む。ある実施形態では、本発明は、半導体デバイス構成要素を基板に独立して接続させる、ペデスタル又はペデスタルのアレイなどの１つ又は複数の構造によって支持された又は任意選択で結合された、１つ又は複数の繋留半導体デバイス構成要素を有する電子デバイスを含む。
[0191]「格納室」は、電子デバイス又はデバイス構成要素を包囲又は封入する構造である。一実施形態において、格納室は、基板又は底壁、蓋又は上部壁、及び上部壁を支持する複数の壁を備える、長方形又は正方形の構造として成形される。別の実施形態において、格納室は球形、半球形、ピラミッド状、又は不規則な３次元構造として成形される。一実施形態において、格納室は、中空又は部分的に中空の時に格納室がその形状を保持するよう、自己支持型構造である。一実施形態において、格納室は流体格納室である。一実施形態において、格納室は低弾性固体格納室である。
[0192]「自立」は、デバイス又はデバイス構成要素が、基板によって、又はデバイス若しくはデバイス構成要素と基板との間に設けられた中間体構造によって、支持されているが結合されていない構成を指す。ある実施形態では、例えば、基板を、この基板により支持された自立デバイス又は構成要素に対して移動させることができる。ある実施形態では、例えば、自立デバイス又は構成要素は、自立デバイス又は構成要素を支持する基板に対して移動させることができる。いくつかの実施形態では、例えば、デバイス又はデバイス構成要素の自立構成は、基板の動き及び／又は変形をデバイス又はデバイス構成要素から切り離す。いくつかの実施形態では、例えば、デバイス又はデバイス構成要素の自立構成が、基板の伸び、圧縮、又は変形によって発生した力を、デバイス又はデバイス構成要素から切り離す。いくつかの実施形態では、自立デバイス又は構成要素は、ファンデルワールツ相互作用、双極子間相互作用、又はその他の非共有結合性相互作用など、基板表面又はその上に設けられた中間体構造との、結合性相互作用を受けることによって特徴付けられる。ある実施形態では、自立デバイス又は構成要素は、基板の支持表面に共有結合されていない。
[0193]「繋留」は、デバイス又は構成要素が、ペデスタル又はペデスタルのアレイなどの１つ又は複数の繋留構造を介して、基板に接続された構成を指す。ある実施形態では、例えば、基板は、基板によって支持された繋留デバイス又は構成要素に対して移動することができる。ある実施形態では、例えば、繋留デバイス又は構成要素は、繋留デバイス又は構成要素を支持する基板に対して移動することができる。いくつかの実施形態では、例えば、デバイス又はデバイス構成要素の繋留構成が、基板の動き及び／又は変形をデバイス又はデバイス構成要素から切り離す。いくつかの実施形態では、例えば、デバイス又はデバイス構成要素の繋留構成が、基板の伸び、圧縮、又は変形により発生した力を、デバイス又はデバイス構成要素から切り離す。いくつかの実施形態では、デバイス又は構成要素の底面の面積の２０％未満、任意選択で５％未満、及び任意選択で１％未満が、基板に結合された繋留構造に共有結合される。
[0194]「ナノ構造化表面」及び「ミクロ構造化表面」は、それぞれナノメートルサイズ及びマイクロメートルサイズのレリーフ形体を有するデバイス表面を指す。レリーフ形体は、デバイス表面の実質的に隣接する平面から長さｘを伸びる。構造化表面の定量的記述子は、原子間力顕微鏡法（ＡＦＭ）によってその全てが測定され得るＲｍａｘ、Ｒａ、及び正規化粗さ（Ｒａ／Ｒｍａｘ）などの表面粗さパラメータを含む。Ｒｍａｘは、最高ピークと最低バレーとの間の最大高さである。Ｒａは、粗さ曲線から粗さ曲線までの中心線からの偏差の絶対値の平均である、中心線平均粗さである。基板又は層の表面は、本開示の目的で表面が１００ｎｍ以下のＲａ値を有する場合に「実質的に滑らか」である。表面が、１００ｎｍよりも大きいＲａ値を有する場合、表面は、本開示の目的で「構造化表面」と見なされる。
[0195]「誘電体」は、非導電性又は絶縁性材料を指す。実施形態において、無機誘電体は、実質的に炭素を含まない誘電体材料を含む。無機誘電体材料の特定の例には、窒化ケイ素、二酸化ケイ素、及び非共役ポリマーが含まれるが、これらに限定するものではない。
[0196]「ポリマー」は、共有化学結合によって接続された繰返し構造単位から構成された高分子、又は高分子量によってしばしば特徴付けられる１つ若しくは複数のモノマーの重合生成物を指す。ポリマーという用語は、ホモポリマー、又は単一繰返しモノマーサブ単位から本質的になるポリマーを含む。ポリマーという用語は、コポリマー、又は２つ以上のモノマーサブ単位から本質的になるポリマー、例えばランダム、ブロック、交互、セグメント化、グラフト、テーパー、及びその他のコポリマーも含む。有用なポリマーには、非晶質、半非晶質、結晶質、又は部分結晶質状態にあってもよい有機ポリマー又は無機ポリマーが含まれる。連結されたモノマー鎖を有する架橋ポリマーは、いくつかの適用例で特に有用である。方法、デバイス、及び構成要素で使用可能なポリマーには、プラスチック、エラストマー、熱可塑性エラストマー、弾性プラスチック、熱可塑性樹脂、及びアクリレートが含まれるが、これらに限定するものではない。例示的なポリマーには、アセタールポリマー、生分解性ポリマー、セルロースポリマー、フルオロポリマー、ナイロン、ポリアクリロニトリルポリマー、ポリアミド−イミドポリマー、ポリイミド、ポリアリーレート、ポリベンズイミダゾール、ポリブチレン、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリエーテルイミド、ポリエチレン、ポリエチレンコポリマー及び修飾ポリエチレン、ポリケトン、ポリ（メチルメタクリレート）、ポリメチルペンテン、ポリフェニレンオキシド及びポリフェニレンスルフィド、ポリフタルアミド、ポリプロピレン、ポリウレタン、スチレン系樹脂、スルホン系樹脂、ビニル系樹脂、ゴム（天然ゴム、スチレン−ブタジエン、ポリブタジエン、ネオプレン、エチレン−プロピレン、ブチル、ニトリル、シリコーンを含む。）、アクリル、ナイロン、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、ポリオレフィン、又はこれらの任意の組合せが含まれるが、これらに限定するものではない。
[0197]「エラストマースタンプ」及び「エラストマー転移デバイス」は、同義に使用され、材料を受容すると共に転移させることができる表面を有するエラストマー材料を指す。例示的なエラストマー転移デバイスには、スタンプ、モールド、及びマスクが含まれる。転移デバイスは、供与体材料から受容体材料への材料の転移に対する影響及び／又は促進をもたらす。
[0198]「エラストマー」は、伸長し又は変形することができ且つ実質的な永続的変形なしにその当初の形状に戻ることができる、ポリマー材料を指す。エラストマーは、一般に、実質的に弾性の変形を受ける。有用なエラストマーには、ポリマー、コポリマー、複合材料、又はポリマー及びコポリマーの混合物を含んだものが含まれる。エラストマー層は、少なくとも１種のエラストマーを含む層を指す。エラストマー層は、ドーパント及びその他の非エラストマー材料を含んでいてもよい。有用なエラストマーには、熱可塑性エラストマー、スチレン系材料、オレフィン系材料、ポリオレフィン、ポリウレタン熱可塑性エラストマー、ポリアミド、合成ゴム、ＰＤＭＳ、ポリブタジエン、ポリイソブチレン、ポリ（スチレン−ブタジエン−スチレン）、ポリウレタン、ポリクロロプレン、及びシリコーンが含まれるが、これらに限定するものではない。いくつかの実施形態では、エラストマースタンプはエラストマーを含む。例示的なエラストマーには、シリコン含有ポリマー、例えばポリシロキサンであって、ポリ（ジメチルシロキサン）（即ち、ＰＤＭＳ及びｈ−ＰＤＭＳ）、ポリ（メチルシロキサン）、部分アルキル化ポリ（メチルシロキサン）、ポリ（アルキルメチルシロキサン）、及びポリ（フェニルメチルシロキサン）を含めたもの、シリコン修飾エラストマー、熱可塑性エラストマー、スチレン系材料、オレフィン系材料、ポリオレフィン、ポリウレタン熱可塑性エラストマー、ポリアミド、合成ゴム、ポリイソブチレン、ポリ（スチレン−ブタジエン−スチレン）、ポリウレタン、ポリクロロプレン、及びシリコーンが含まれるが、これらに限定するものではない。ある実施形態では、ポリマーがエラストマーである。
[0199]「共形可能」は、デバイス、材料、又は基板が任意の所望の輪郭プロファイル、例えばレリーフ形体のパターンを有する表面との共形接触を可能にする輪郭プロファイルを採用するように十分低い屈曲剛性を有するデバイス、材料、又は基板を指す。
[0200]「共形接触」は、デバイスと受容表面との間に確立された接触を指す。一態様では、共形接触では、デバイスの１つ又は複数の表面（例えば、接触面）の、表面の全体形状への巨視的適合がなされる。別の態様では、共形接触では、デバイスの１つ又は複数の表面（例えば、接触面）の、空隙を実質的に含まない密接な接触をもたらす表面への微視的適合がなされる。ある実施形態では、共形接触は、密接な接触が実現されるように、例えばデバイスの接触面の表面積の２０％未満が受容面に物理的に接触せず、又は任意選択でデバイスの接触面の１０％未満が受容面に物理的に接触せず、又は任意選択で、デバイスの接触面の５％未満が受容面に物理的に接触しないように、デバイスの（１つ又は複数の）接触面の、（１つ又は複数の）受容面への適合を含む。
[0201]「ヤング率」は、所与の物質に関する応力と歪みとの比を指す、材料、デバイス、又は層の機械的性質である。ヤング率は、方程式：

によって得ることができ、式中、Ｅはヤング率であり、Ｌ０は平衡長であり、ΔＬは印加応力下での長さ変化であり、Ｆは加えられた力であり、Ａは、表面に力が加えられた面積である。ヤング率は、方程式：

を介してラーメ定数を用いて表してもよく、式中、λ及びμは、ラーメ定数である。高ヤング率（又は高モジュラス）及び低ヤング率（又は低モジュラス）は、所与の材料、層、又はデバイスにおけるヤング率の大きさの相対的記述子である。いくつかの実施形態では、高ヤング率は、低ヤング率よりも大きく、好ましくはいくつかの適用例に関して約１０倍大きく、より好ましくはその他の適用例に関して約１００倍大きく、さらにより好ましくはさらにその他の適用例に関して約１０００倍大きい。ある実施形態では、低モジュラス層は、１００ＭＰａ未満のヤング率を有し、任意選択で１０ＭＰａ未満、任意選択で、０．１ＭＰａ〜５０ＭＰａの範囲から選択されたヤング率を有する。ある実施形態では、高モジュラス層は、１００ＭＰａ超のヤング率を有し、任意選択で１０ＧＰａ超であり、任意選択でヤング率は１ＧＰａ〜１００ＧＰａの範囲から選択される。
[0202]「不均質ヤング率」は、空間的に変化する（例えば、表面位置と共に変化する。）ヤング率を有する材料を指す。不均質ヤング率を有する材料は、材料全体に関する「バルク」又は「平均」ヤング率に関して任意選択で記述され得る。
[0203]「低モジュラス」は、１ＭＰａ以下、０．５ＭＰａ以下、又は２００ｋＰａ以下のヤング率を有する材料を指す。低モジュラス材料は、１ＭＰａ〜１ＫＰａ、又は０．５ＭＰａ〜１ＫＰａ、又は２００ＫＰａ〜１ＫＰａ、１００ＫＰａ〜１ＫＰａ、又は５０ＫＰａ〜１ＫＰａの範囲から選択されるヤング率を有していてもよい。
[0204]「超低弾性」とは、ヤング率が１５０ＫＰａ以下であるか、又は１００ＫＰａ以下であるか、又は５０ＫＰａ以下である材料を指す。
[0205]「屈曲剛性」は、印加された屈曲モーメントに対する材料、デバイス、又は層の抵抗を記述する、材料、デバイス、又は層の機械的性質である。一般に、屈曲剛性は、材料、デバイス、又は層の、モジュラスと領域慣性モーメントとの積と定義される。不均質屈曲剛性を有する材料は、任意選択で、材料の層全体に関する「バルク」又は「平均」屈曲剛性として記述されてもよい。
実施例１：自己相似蛇行相互接続及び統合型ワイヤレス再充電システムを持つ伸縮性バッテリ
[0206]エレクトロニクスにおける重要な傾向は、ポリマー被膜、金属箔、紙シート、又はゴムスラブなど、従来とは異なる基板の使用を可能にする、材料の開発、機械設計、及び製造戦略を含む。最後の可能性は、システムが屈曲だけではなく伸張も、場合によっては高レベルの歪み（＞１００％）も吸収しなければならないので、特に難題である。いくつかの手法がエレクトロニクスで利用可能であるが、持続的な難しさは、エレクトロニクスとの同時統合を可能にするために類似する機械的性質を有するエネルギー貯蔵デバイス及び電源に在る。この実施例では、薄型、低弾性のシリコーンエラストマーを基板として活用し、活性材料の分割設計と、独特な「自己相似」相互接続構造を有する、充電式リチウムイオン電池技術向けの、一連の材料及び設計の概念を提示する。結果は、約１．１ｍＡｈ／ｃｍ２の容量密度を維持しながら、３００％までの可逆的レベルの伸縮性を可能にする。伸縮性ワイヤレス電力伝送システムは、直接物理接触することなく、これらのタイプのバッテリを充電する手段を提供する。
[0207]大きな歪み（１％を大幅に超える）変形に対する弾性応答をもたらす、様々な種類の電子技術及び光電子技術の開発が、近年加速してきた１−６。材料、デバイス配置、力学的設計及び製造の複合的アプローチは現在、装着型太陽光発電７から「表皮」健康／ウェルネスモニタ８、高感度ロボット皮膚９−１１、軟質外科手術用具１２及び電子「眼球」画像処理デバイス１３に至るまで、幅広い分野での現実的応用向けに浮上し始めている。多くの場合、伸縮性は、主要な、実現性のある特徴の代表格である。これらの使用及び他の使用の多くについて、類似の物理的特性を有するエネルギー貯蔵デバイスにおいて電子機器との直接且つ自然な統合を可能にすることが大いに必要とされている１４。多数の重要な貯蔵デバイスが、スーパーキャパシタ１５−１７及び電池１７，１８を含め、可撓性を特徴として開発されてきた。本発明では、十分に薄い幾何学的形態が可撓性に繋がるが、これは任意の曲げ半径について厚さに比例して減少する屈曲誘発性歪み（典型的に約１％以下）のおかげである。他方、伸縮性は、より困難な類の力学の代表格であり、システムは、典型的に恣意的形態の、曲げだけでなく撚り、延伸、圧縮及びその他も含む、大きな（１％を大幅に超える）歪み変形に適応しなければならず、また厚さは典型的に、決定的因子ではない。ＣＮＴ１９又はＣＮＴ浸漬型繊維織物２０の座屈型薄膜を使用する伸縮性スーパーキャパシタ、及び導電性繊維に基づく伸縮性非充電式亜鉛炭素極電池２１，２２は、２つの実施例の代表格である。これらの技術はそれぞれ魅力ある特徴を有するが、高貯蔵容量での再充電、大きい変形レベル（＞１００％）への伸長、又は外部電源とのワイヤレス電気インターフェースの確立において、多くの能力を提供しない。この実施例で提供される材料及び統合スキームは、特殊化された「自己相似」幾何形状にある、セグメント化されたレイアウト及び変形可能な電気相互接続を活用するリチウムイオンバッテリのタイプにおいて、これらの特徴を実現する。得られたデバイスは、３００％の歪みまで２軸伸縮性を提供し、このときの容量密度は約１．１ｍＡｈ／ｃｍ２であり、容量の損失は、再充電が２０サイクルまでほとんどない。設計は、伸縮性誘導コイルの統合も可能にし、その結果、物理的な接続を必要とせずに外部電源を通した充電が可能になる。この組の属性は、伸縮性エレクトロニクスに関して企図されている多くの適用例の要件を満たす。
結果
[0208]バッテリ設計。この実施例のデバイスは、小規模貯蔵構成要素のアレイが、並外れた伸縮可能な特徴を持つフレームワークを伝導することによって接続されている、パウチセルを活用する。システムの概略図、単位セルに関する多層構造の分解図、及び「自己相似」相互接続幾何形状の代表例が、補足情報（ＳＩ）における図１のａ、ｂ、ｃ及び図５に記載されている。集電器は、フォトリソグラフィによってパターニングされたアルミニウム（６００ｎｍ）及び銅（６００ｎｍ）の円形ディスクからなる。ポリイミドの層（ＰＩ；１．２μｍ）は、金属を中立機械平面の近くに配置するように、これらのディスク間の相互接続トレースを包封する（図１ｄ及び図１ｅ、左パネル）。薄い（０．２５ｍｍ）低モジュラス（６０ＫＰａ）のシリコーンエラストマーのシートは、これらの構造（図１ｄ及び図１ｅ、中央パネル）及びバッテリのその他の構成要素を支持する上部基板及び底部基板を形成する。全体構成は、平行に電気的に接続された１００個の電極ディスクの正方形アレイからなる。ＬｉＣｏＯ２及びＬｉ４Ｔｉ５Ｏ１２をベースとしたスラリの成型パッドは、それぞれカソード及びアノードの活物質として働く２３、２４（図１ｄ及び図１ｅ、右パネル、及び図６）。２枚のシートは、それらの間の電気不足が回避されるように且つセパレータの必要性がなくなるように、活物質の間に空間オフセットを含むよう一緒に積層される。同じシリコーンエラストマーで作製され且つシステムの周辺を巡って付着されるスペーサは、上部シートと下部シートとの直接接触を防止する。隙間に注入されたゲル電解質は、イオン輸送用の媒体を提供する。外面に結合されたアクリルオキシパーフルオロポリエーテルエラストマーの薄い包封層は、バッテリ内に水分が拡散し且つゲル内の溶媒が漏出するのを防止するのを助ける２５。長期動作は、例えばバッテリの外面に結合するアルミニウム／ポリイミドの座屈２重層シートからなる（図７）、より洗練されたパッケージを必要とする。材料及び製作の詳細は、方法のセクションに見られる。
[0209]デバイスは、２つの競合する設計目標：（１）活性領域の広い被覆を必要とする、高い面積容量を実現すること、及び（２）これらの領域間に大きい距離を必要とする、高い機械的伸縮性を提供することに、適応しなければならない。エラストマー基板上のレリーフの戦略的な形体は、光起電力モジュールで最近実証されたように、この難題に対する部分的な解決策を提供する２６、２７。欠点は、被覆を犠牲にすることなく、約３０％を超える伸縮性のレベルを実現することが、難しくなる可能性があることである。本発明では、先進的設計の可塑性相互接続に焦点を当てる、異なるが補完的なアプローチを取る。特に、我々は、高いシステムレベルの伸縮性と低い相互接続抵抗とを同時に提供する、蛇行型構成の配線からなる「自己相似」構造を使用する配置を紹介する。従来の蛇行は、直線によって接続された円形状の円弧からなる。「自己相似」デザインは、図１ｃの赤色ボックスで概略的に例示されるように、単位セルから開始してこの基本的幾何形状を反復適用することによって得られる。ここで、セルのスケールを縮小し、次いでその多数のコピーを、１つの反復物に該当する当初のセルの幾何形状のレイアウトが再現されるように接続する。図１ｃの黄色ラインは、このように生成された２次蛇行幾何形状を表す。より高次を設計することができ容易に実施することができるが、２次構成は、以下の詳細な実験及び理論的調査で記述されるように、ここで考えられる適用例の要件を満足させる。
[0210]「自己相似」相互接続の機械的特性。３次元（３Ｄ）有限要素解析（ＦＥＡ）（ＳＩ本文）及び実験測定は、本質的なメカニズムを例示する。この目的で製作された試験サンプルは、下に在るエラストマー基板上に成型されたポストに結合する円形パッド間に、バッテリで使用されるものに一致した材料及び多層積層デザイン（ＰＩ（１．２μｍ）／Ｃｕ（０．６μｍ）／ＰＩ（１．２μｍ））を有する、自立多層トレースからなる。自己相似幾何形状は、極端な伸長下にあっても材料中で超低歪みを確実にする、階層座屈物理学をもたらす３、２８。検査した引張り歪みの全範囲、０％〜３００％に関し、ＦＥＡにより予測された構成は、図２に示されるように、実験中に収集された光学画像に極めて十分に一致する。対称的及び非対称的座屈モードが存在する（２つのモードの詳細な例示に関しては、図８参照）。トレースは、２本の水平直線によって接続された、曲がりくねったワイヤの３つのカラムからなる。本発明者らは、第１のレベルとして各カラム内の「短」波長蛇行に該当する構成に言及し；第２のレベルは、「長」波長を有する大規模蛇行形状に該当する。対称的座屈モードの場合（図８（ａ））、左及び右カラムは、垂直方向に沿って主に全体的な屈曲変形を受け、その結果、蛇行ワイヤの全中間カラムの集合的な上向き運動が生じる。この意味において、平面外変位は、図８（ａ）の「正面」の中心線（ｘ＝０）に対して対称的である。非対称的座屈モードの場合（図８（ｂ））、左及び右カラムの蛇行は、垂直方向に沿って全体的な捩れ変形を主に受ける。ここで、中央の蛇行の２つの端部は反対方向に移動する（即ち、一方が上に移動し、他方が下に移動する。）。この場合、平面外変位は、図８（ｂ）の「正面」の中心線（ｘ＝０）に対して非対称的である。対称（０．０７８％）及び非対称（０．０８７％）モードに関してＦＥＡにより得られた臨界的座屈歪みは、その他全ての座屈モードの場合（＞０．１７２％）よりもさらに低い。この結果は、これらの２つのモードのみの実験観察に一致している。両方とも、伸長に関連した物理学では、「規則正しいラベリング」のメカニズムが行われ、これはここで調査された実施例に関して十分に定められた臨界的座屈歪み、約０．０８％での第２のレベルで開始する。次に、第２のレベルは、印加される歪みが０．０８％から約１５０％に増大するにつれ、屈曲及び捩れを介して徐々に「解かれ」、その最中は、第１のレベルにおいてさらなる変形は本質的にない。第１のレベルにある運動は、この場合は約１５０％の印加歪みに該当する第２のレベルがほぼ完全に伸びた場合に開始する。第１のレベルの蛇行の「ラベリング」がその終わりに近付くにつれ、材料の歪みは急速に増大し始め、それによって伸縮性の実用限界が定められる。
[0211]この限界よりも低い印加歪みの場合、規則正しいラベリングプロセスの変形メカニズムは、材料の歪みが低レベルであることを確実にする（図９）。銅に関する１％の代表的な破断歪みの場合、ＦＥＡは、３２１％の伸縮性を予測するが、これは実験観察に良好に一致している（３００％＜ε伸縮性＜３５０％）（シミュレーションは、銅がＰＩ前にその破断点に到達することを示唆する。）。可逆的挙動の場合（即ち、相互接続が、解放後にその初期構成に戻る。）、最大材料歪みは降伏歪みよりも少なくなければならない。銅の代表的な降伏歪み０．３％の場合、ＦＥＡは、約１６８％までの印加歪みに関して可逆的であることを示唆する。この値は実験観察よりも低く、可逆性は、２００％から２５０％の間の歪みに関しても生じる（図２）。この食い違いに関して可能性のある説明は、降伏が最初に相互接続の僅かな部分にのみ生ずることである（例えば、ＦＥＡにおける１つの素子）。この場合、可逆性に対する影響は、実験では容易に観察することができないと考えられる。
[0212]これらのレベルの伸縮性（＞３００％）及び可逆性（＞２００％）は、伸縮性バッテリ及び／又はバッテリ電極における先の報告の場合を著しく超え；従来の金属の、リソグラフィにより画定されたパターンを使用する伸縮性相互接続の、任意のその他の報告の場合よりも大きい。自己相似デザインの重要性は、他の部分が類似しているが従来の蛇行構造であるものと伸縮性を比較することにより評価することができ：ＦＥＡにより決定されたように前者は３２１％の伸長範囲を示しそれに対して後者は１３４％である（図１０）。さらに、同じ全長（ｌ全）、スパン（Ｌ）、振幅（ｈ）、及び断面積（幅ｗ及び厚さｔ）の場合であっても、自己相似デザインはやはり、伸縮性（８０９％対６８２％）及び可逆性（５２８％対２８４％）の両方で従来の蛇行を凌ぐ（図１１）。本発明者らは、１軸伸長の全ての場合に、ポアソン効果が直交方向に圧縮をもたらすことに気付いた。これらの領域における座屈プロファイルは、ＦＥＡに一致した挙動を有する（図１２）。
[0213]バッテリの電気化学的及び機械的挙動。卓越したシステムレベルの伸縮性を、優れた面積容量密度及び適度な相互接続抵抗と併せて提供する一連の寸法を選択した後、我々は、カソードとアノードそれぞれのディスク直径が２．２０ｍｍ及び１．５８ｍｍ、オフセット距離が０．５１ｍｍである配置について、最良の電気的性能を観察した。この構成は、カソードに関する面積カバレッジ３３％、アノードに関して１７％、全バッテリに関して５０％に該当する（変形していない構成で）（図１３）。相互接続は、６００ｎｍの厚さ及び５０μｍの幅を有する。これらのパラメータに関し、隣接するディスク間の抵抗は２４Ωであり、接続リードと最も遠くにあるディスクとの間の抵抗は４５Ωである。外部接続のリードは薄く且つ狭くて、界面での歪みが回避され、外部特徴付け設備に接続する可撓性（しかし伸縮性ではない。）ケーブルへの接続を容易にする。ゲル電解質は、粘性液体の流動性と固体の凝集性とを組み合わせ、それによって、イオン伝導経路を維持しながら大きい歪みを吸収することが可能になる。
[0214]３００％の１軸歪みがない、及びその１軸歪みがある、バッテリ電極の電気化学特性は、図３ａに見られる。結果は、Ｃｏ３＋／４＋及びＴｉ４＋／３＋レドックス対の電位に該当する２．３５Ｖ付近に、２つの十分定められた平坦部を示す２９。各単位でのＬｉＣｏＯ２（比容量１４５ｍＡｈ／ｇ）の厚さは約１２０μｍであり、これは約９５ｍｇの質量に該当し、したがって充電／放電率Ｃ／２での面積容量密度は１．１ｍＡｈ／ｃｍ２である。Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２の質量（比容量１６０ｍＡｈ／ｇ）は約９０ｍｇであり、これはカソードよりも５％〜１０％高いアノード容量に該当する３０。厚さがここに記述されるものよりも大きいスラリディスクは、改善された面積容量密度をもたらすが、ディスクにおける濃度の局在化によって速度能力が低減する３１、３２。バッテリの出力抵抗は約７０Ωであり（図１４）、漏れ電流は１〜１０μＡである。漏れ電流は、３つの主な原因から生ずる：（ｉ）逆バイアスがかけられたショットキーダイオード、（ｉｉ）アノード及びカソードでのスラリディスク間の内部抵抗自己放電、及び（ｉｉｉ）スラリ材料中の不純物、残留酸素及び／又は水分に関連したシャトル反応を含むファラデー効果。ＳＩ及び図１５に記載の実験結果は、分離器及び強化型包装スキームの使用により、容量を１６１μＡ・ｈから２３μＡ・ｈにまで４４時間で低減させることができることを示す。図３ｂは、包封バッテリのクーロン効率（赤）及びサイクリング性能（黒）を示す。クーロン効率は、第１のサイクルの約６０％から、３サイクル後の９０％超まで上昇する。初期損失は、形成サイクルに起因すると考えられ、その最中に、固体−電解質−中間層が形成され、リチウムが、電解質中の不純物との副反応で消費される。徐々に劣化する容量保持は、むしろサイクルフェードから生じ（図１６）、しかしさらに可能性があるのはカレンダフェードから生じることであり、それは包装材料中の残留水との反応、水分の浸透、及びディスクから切り離されたスラリ粒子（ホットプレスされていない）の電気的不連続のいくつかの組合せに起因するものであり、時々、電解質ゲルにおいて観察することができる。放電の深さを１００％から７５％に変化させることで、分解特性に著しい効果はなかった（図１７）。ベーキング温度のさらなる上昇及びスラリ組成の最適化、例えば結合剤の比の上昇は、後者の挙動を低減させることができた。デバイスのアセンブリに関して改善された条件は、前者の効果を低減させる可能性がある。図３ｃは、２軸伸長及び解放中の、抵抗器（２０２０Ω）に接続したときのバッテリの出力電力を示す。歪みによる出力電力の僅かな減少は、これらの大きいレベルでの、歪みによるスラリディスク間の著しく増大した分離から生ずる、高い内部抵抗から生じ易い。バッテリは、商用の発光ダイオード（ＬＥＤ）を動作させるのに十分な電力を提供し、図３ｄに示されるように、電圧１．７Ｖでオンになる（図１８）。バッテリは、ＬＥＤの顕著な減光なしに、３００％まで伸張することができ（図３ｅ）、折り畳むことができ（図３ｆ）、捩ることができ（図３ｇ）、ヒトの皮膚に載置されたときには順応することができる（図３ｈ）。さらにＦＥＡは、バッテリの完全複合構造の有効モジュラス（６６．８ＫＰａ）が、基板材料（Ｅｃｏｆｌｅｘ）のモジュラス（６０．０ＫＰａ）よりもごく僅かしか高くないことを実証する。その結果、バッテリは、伸縮性であるだけでなく例外的に軟質であり且つ順応性あるものである。モジュラスは、実際に、ヒト表皮の場合（１４０〜６００ＫＰａ）よりも低く８、それによって、著しい機械的荷重なしに、皮膚及び生体組織上に統合する潜在性が提供される。
[0215]バッテリ用の伸縮性ワイヤレス充電システム。埋め込み型デバイスなどの多くの実用的な場合には、外部電源への物理的接続を確立することなく、バッテリを充電する能力を価値あるものにすることができる。皮膚載置型デバイスなどの、充電端子がアクセス可能なシステムでは、単に、物理接触を確立するプロセスが薄い伸縮性デバイス（又は下に在る軟組織）にとって機械的に害のあるものになる可能性があるので、ワイヤレス充電には価値がある。物理接触を行う手法には、周囲の材料（例えば、皮膚そのもの）に対して電気ショックの危険性もある。材料及び設計の多様性は、バッテリそのものと一体となるワイヤレス電力伝送システムの統合を可能にする。設計及び実際のデバイスがそれぞれ図４ａ、ｂに見られる。２次コイルは、１次コイルからの電磁束を結合し、ショットキーダイオードは整流をもたらす。ショットキーダイオード（エポキシ内に包装され、モジュラスは約４．０ＧＰａである。）は、基板（Ｅｃｏｆｌｅｘ製、モジュラス約６０ＫＰａ）の場合よりも４桁超大きいモジュラスを有するが、そのサイズ（長さ０．６２ｍｍ、幅０．３２ｍｍ、及び高さ０．３１ｍｍ）はワイヤレスシステムのサイズ全体（約３０ｍｍ×約２０ｍｍ）の数パーセント（約２％）しかない。その結果、全体的な伸縮性に対する影響は、図１９、及び２０に示される有限要素シミュレーションによって実証されるように、依然として無視することができる。キャパシタは、出力電圧における発振を滑らかにし；その小さいサイズ及び厚さは、システム全体への自然な統合を可能にする。より大きいキャパシタは、さらにより大きい程度まで発振を滑らかにすることができる（図２１）。コイル及び整流器は、直列抵抗２．３ＫΩを付加するが（図２２）、これは２次コイルとの並列抵抗として機能するものであり、バッテリから電流を逸らす。蛇行２次コイルの抵抗は１．９２ｋΩ／ｍであり；類似の全体的な幾何形状を持つが曲がりくねった形状を持たないコイルは、１．２２ｋΩ／ｍになるように計算される。充電システムの効率の改善は、ワイヤの幅及び厚さを増大させることによって実現することができるが、低い伸縮性及び高いモジュラスを犠牲にする。特定の適用例の要件は、正しいトレードオフを定めることになる。この場合、１次コイルからの出力電力は１８７ｍＷであった。１次コイルと２次コイルとの間の１ｍｍの作動距離により、２次コイルで受信された電力は９．２ｍＷであり、これは４．９％の効率に相当する。ワイヤレス充電システムの電力結合効率は、蛇行受信器コイルの抵抗に強く依存する。厚さを７μｍに増大させ且つ銅を使用することにより、効率が４．９％から１７．２％に改善される。この厚さでは、コイルは２５％の歪みまで伸縮性を保持する。データ及び画像はＳＩに記載されている。キャパシタは、誘電体としてポリイミドの１．２μｍの厚さの層を使用し且つ底部Ａｕ電極上にチオール分子の層を設けて接着を増強させている構造内に、１．７Ｆのキャパシタンスを有する。図４ｃは、このワイヤレス電力伝送デバイスの入力及び出力を示す。周波数４４．５ＭＨｚでの入力電圧は、２次コイルの自己共鳴周波数に一致し、これはコイル面積、巻き数、ひと巻きごとの距離、及びワイヤ抵抗に依存する。ピーク間入力電圧９．１Ｖ（図４ｃ、黒色曲線）では、ＤＣ出力電圧が３．０Ｖ（図４ｃ、赤色曲線）である。ワイヤレスコイルを使用する小規模バッテリの充電曲線は、図４ｄに見られる。バッテリ電圧（図４ｄ、オレンジ色曲線）は、約６分で２．５Ｖまで上昇する。回路の充電曲線（図４ｄ、青色曲線）は、０．５ｍＡから０．２ｍＡ以下にまで低下する。本発明者らは、偏微分方程式を使用して充電回路をモデル化し、数値プログラムを使用して充電電流曲線を計算した。このプロセスのシミュレーションは、実験データに十分一致する（ＳＩ本文及び図２０）。
考察
[0216]この実施例に記述される材料及びスキームは、伸縮性電子及び光電子デバイスに電力供給するのに魅力的な形及び性質を持つ、エネルギー貯蔵デバイス及びワイヤレス充電システムへの経路を提供する。スラリ材料そのものは、従来とは異なる材料（低モジュラスシリコーンゴムシート、表面レリーフがエンボス加工されている。）との自然な統合を可能にする方法（ソフトリソグラフィ型キャスティングプロセス）で展開される。伸縮性相互接続は、独自の「ばね内蔵ばね」メカニズムを提供する「自己相似」デザインを活用する。その結果、伸縮性のレベルは先の報告よりも４×超大きくなり、さらになお、同時に、５０％程度に高い活物質の被覆を可能にする。これら２つの態様の組合せは、基礎をなすメカニズムの包括的且つ実験的に検証されたモデルと一緒に、以前より可能性があった何かとは非常に異なる特徴をもたらす技術、即ち伸縮性の再充電可能なバッテリをもたらす。追加の利点として、本発明者らは、バッテリの場合に類似した物理的性質を提供する、統合された伸縮性のワイヤレス充電システムを導入する。
[0217]スラリの化学的性質、セパレータの材料、及び伸縮性の空気不透過性包装材料は、高いデバイス性能が得られるように選択することができる。自己相似蛇行相互接続構造は、空間充填曲線の幾何形状、及び規則正しいラベリングの座屈の物理的性質を保持する。このタイプの相互接続構造は、硬質材料と軟質材料とを組み合わせる任意の種類の伸縮性技術に適した、即時の一般的有用性を有する。トポロジーレベル相互接続幾何形状は、大きい機械的伸縮性と低い電気抵抗とを同時に提供する。ワイヤレス電力伝送効率は、コイル入力抵抗を低減させることよって、１次コイルと２次コイルとの間の相互インダクタンスを最大限にすることによって、且つコイルの自己共鳴周波数を増大させることによって、改善することができる。調整回路は、バッテリの過充電が回避されるように組み込まれてもよい。
方法
[0218]電極の製作及び自己相似相互接続の機械試験：逐次スピンキャスティングは、ポリ（メチルメタクリレート）の２重層（ＰＭＭＡ ４９５ Ａ２、３０００ｒｐｍで３０秒、１８０℃のホットプレート上で２分間ベーク）、次いでポリイミドの層（ＰＩ、ポリ（ピロメリト酸二無水物−ｃｏ−４，４’−オキシジアニリン）アミド酸溶液から；４０００ｒｐｍで３０秒、１５０℃のホットプレート上で４分間ベークし、次いで１０ｍＴ及び２５０℃の真空炉で１時間ベーク）を、シリコンウエハ上に定めた。カソード及びアノードは、それぞれ、ＰＩ上への電子ビーム蒸着によって堆積されたＡｌ又はＣｕの６００ｎｍの厚さの層からなるものであった。フォトリソグラフィ（ＡＺ５２１４Ｅ）及びエッチング（タイプＡアルミニウムエッチング剤、５０℃のホットプレート上で２分間；Ｔｙｐｅ ＣＥ−１００銅エッチング剤、室温で１０秒間；Ｔｒａｎｓｅｎｅ Ｃｏｍｐａｎｙ）は、これらの金属のパターンを画定した。残留フォトレジストを除去した後、スピンコーティングは、ＰＩの追加の層を全構造上に形成した。次に、フォトリソグラフィ（ＡＺ ４６２０、２０００ｒｐｍで３０秒間、１１０℃で４分間ベーク）及び酸素プラズマエッチング（３００ｍＴ、２０ｓｃｃｍ Ｏ２、２００Ｗで１０分間）で、ＰＩの層を、金属トレースに一致する幾何形状にパターニングした。
[0219]高温アセトン中への浸漬は、下に在るＰＭＭＡ層を部分的に除去し、それによって全構造を、シリコンウエハから１辺の水溶性テープ（３Ｍ，Ｉｎｃ．）の表面に取り戻すことが可能になった。シャドーマスクを通したＴｉ（５ｎｍ）／ＳｉＯ２（５０ｎｍ）の電子ビーム蒸着は、金属ディスク３３に位置合わせされた裏面コーティングを形成した。薄型（２５０μｍ）シリコーン基板（Ｅｃｏｆｌｅｘ（Ｓｍｏｏｔｈ−Ｏｎ社（ペンシルベニア州Ｅａｓｔｏｎ）製））を、２つの構成要素を重量比１：１で混合し、結果的な材料を回転成形（３００ｒｐｍで３０秒間）させ、ペトリ皿に入れた後、部分的に硬化（室温で３０分間）させることによって調製した。次に、アリルアミド官能性過フッ素化エーテル（ＤｕＰｏｎｔ）をスピンキャスティングし（３０００ｒｐｍで３０秒間）、次いでこれを紫外（ＵＶ）光の下で３０分間硬化して、上部包封層を形成した。Ｅｃｏｆｌｅｘ基板の他方の面は、ＵＶ光の下で５分間、表面活性化した。この表面への電極構造の積層は、接触によって強力な結合をもたらした３４。水溶性テープは、基板を水道水に一晩浸漬することによって除去した。最終ステップとして、電極を１ｍＭ ＨＣｌに浸漬して、酸化物を金属表面から除去した。
[0220]自己相似相互接続の機械試験は、カスタマイズされた１軸伸張器により行った。相互接続が基板から切り離されたことを確実にするために、各ディスクを、シリコーン基板に成型されたポスト（高さ２５０ｎｍ）の最上部に載置した。変形した相互接続の画像及びビデオを、デジタル一眼レンズ反射カメラで収集した。
[0221]スラリのパターニング成型及びその集電電極への統合：フォトリソグラフィ（ＡＺ ４６２０、７〜８μｍの厚さ）及び誘導結合プラズマ反応性イオンエッチング（ＩＣＰ ＲＩＥ）は、シリコンウエハの表面に円柱状のウェルのアレイを画定した。条件は、引き続き記述されるように、スラリの効果的な移送に重要な傾斜した側壁が得られるように選択した。アセトンでの洗浄で、フォトレジストを除去した。ポリテトラフルオロエチレンの層（約２００ｎｍ）は、ＩＣＰ ＲＩＥツールを使用して共形的に堆積され、接着を防止するコーティングとして働いた。スラリ材料は、リチウムコバルト酸化物又はリチウムチタン酸化物、アセチレンブラック、及びポリフッ化ビニリデンからなるものであり、それぞれカソード及びアノード用のＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）の溶媒中、８：１：１の重量比で混合した。混合物を一晩撹拌し、次いでシリコンウエハのエッチング面全体を機械的に擦った。このようにしてスラリで充填された円柱状ウェルを、９０℃のホットプレート上で一晩ベークし、次いで１片の水溶性テープ上に回収した。ベーキング条件を、スラリを高収率で回収できるように慎重に選択した。テープを金属電極に合わせることにより、成型されたスラリを金属ディスクに位置合わせすることが確実になった。水道水に一晩浸漬することにより、テープが除去された。基板を１７０℃で一晩真空炉内でベークすることにより、水分が除去され、スラリと金属との間の結合強度が改善された。
[0222]バッテリのアセンブリ及び電気化学試験：異方性導電性被膜を、金属電極にホットプレスし、外部電気接続用の点として働いた。基板の周辺へのＳｙｌｇａｒｄ Ｐｒｉｍｅ Ｃｏａｔ（Ｄｏｗ Ｃｏｒｎｉｎｇ，Ｉｎｃ．）の付着により、結合の用意ができた。周辺の薄いシリコーンスペーサ層（５００μｍの厚さ）は、２枚のシートが一緒に積層されるときに直接接触するのを防止した。側方空間オフセットは、能動領域間の電気不足を防止した。縁部を、Ｅｃｏｆｌｅｘの追加の付着によって封止し、その後、ホットプレート上でベークした（９０℃で２時間）。ゲル電解質は、１００ｇの過塩素酸リチウム、５００ｍｌの炭酸エチレン、５００ｍｌのジメチルカーボネート、及び１０ｇのポリエチレンオキシド（４×１０６ｇ／ｍｏｌ）の混合物からなるものであり、均質ゲルとしてアルゴンが充填されたグローブボックス内で調製した。この材料を、縁部を通して、注射器を使用してバッテリ内に注入した。
[0223]室温でカットオフ電圧が２．５〜１．６ＶのＢｉｏＬｏｇｉｃ ＶＭＰ３電気化学ステーションを使用して、製作されたままのバッテリ電極及び伸張されたバッテリ電極を充放電し、完全統合バッテリのサイクリング挙動を評価した。面積容量密度を、能動領域に基づいて計算した。出力電力を、電流計を使用して、２０２０Ω抵抗器に接続されたバッテリと共にモニタした。電流の値を、バッテリに印加された歪みの関数として記録した。
[0224]ワイヤレスコイルの製作及び試験：前述のステップを使用して、ＰＭＭＡ及びＰＩの層でコーティングされたシリコンウエハは、電子ビーム蒸着によってＣｒ（５ｎｍ）／Ａｕ（５００ｎｍ）を堆積するための基板として働いた。フォトリソグラフィ（ＡＺ ５２１４Ｅ）及びエッチング（Ｔｒａｎｓｅｎｅ Ｃｏｍｐａｎｙ）は、キャパシタの底部電極及び関連ある接触ラインの幾何形状のパターンを画定した。アセトンでフォトレジストを除去し、次いで基板を、イソプロパノールに溶かした１ｍＭのポリ（エチレングリコール）メチルエーテルチオール溶液に１５分間浸漬することにより、ＰＩスピンキャスト（４０００ｒｐｍ、３０秒）の第２の層の接着及び被覆が増強されるように働き、電極上で硬化した（１５０℃のホットプレート上で４分間、次いで２５０℃の真空炉内で１時間）。ＰＩのこの層は、キャパシタの誘電体として働いた。フォトリソグラフィ（ＡＺ ４６２０、２０００ｒｐｍで３０秒間、１１０℃で４分間ベーク）は、キャパシタのコイルと底部電極との間の接続点として、ＰＩ層を通してバイアをエッチングするためのマスクを画定した。アセトンに浸漬したフォトレジストを除去した後、スパッタ堆積は、側壁を含む全面上にＣｕ（６００ｎｍ）の共形層を形成した。フォトリソグラフィ（ＡＺ ５２１４Ｅ）及びエッチングは、キャパシタのコイル及びその他の上部電極を画定した。レジストを除去した後、ＰＩの第３のスピンキャスト層は、Ｃｕ電極上のコーティングを形成した。パターニングされた幾何形状にある３つのＰＩ層を通した酸素プラズマエッチングは、最終的なデバイスのレイアウトを画定した。高温アセトンに浸漬することによる解放は、下に在るＰＭＭＡを部分的に除去して、水溶性テープ上への全体構造の解放を可能にした。Ｔｉ（５ｎｍ）／ＳｉＯ２（５０ｎｍ）の堆積、及びエコフレックス基板のＵＶ活性化表面への積層は、強力な結合をもたらした。水溶性テープを除去した後、ショットキーダイオードチップ（Ｄｉｇｉｋｅｙ ＢＡＴ ６２−０２ＬＳ Ｅ６３２７）を、銀エポキシを使用してコイルとキャパシタとの間に結合した。順方向入力抵抗は約５００Ωであり、整流比は、±１Ｖのバイアス電圧で約１×１０４である３５。
[0225]高周波数交流電流信号は、ＫＥＩＴＨＬＥＹ ３３９０ ５０ＭＨｚの任意の波形発生器により発生させた。ワイヤレスコイルの入力及び出力の特徴付けは、Ａｇｉｌｅｎｔ ｉｎｆｉｎｉｉｕｍ ＤＳＯ８１０４Ａオシロスコープ（１ＧＨｚ、４チャンネル）を使用して行った。バッテリへのワイヤレス充電電圧及び電流を、ＢｉｏＬｏｇｉｃ ＶＭＰ３電気化学ステーションを使用してモニタした。
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35 Datasheet for BAT 62-02LS E6327 onwww.digikey.com
補遺情報。
シリコーン基板上のＡｌ／ＰＩの座屈シートからなる、伸縮性包封層の製作。
[0226]第１のステップでは、Ａｌバッテリ電極に用いられたものに類似した手順を使用して、シリコン基板上にＰＭＭＡ／ＰＩ／Ａｌの３層を製作した。ＡＺ５２１４Ｅによるフォトリソグラフィ、及びＡｌの湿式エッチングは、ＰＩ／Ａｌシートの側方寸法を画定した。次に、酸素プラズマエッチング（３００ｍＴ、２０ｓｃｃｍ Ｏ２、２００Ｗで５分間）は、露光領域のＰＩ層を除去した。高温アセトンへの浸漬は、下に在るＰＭＭＡ層を部分的に除去し、それによって、全構造をシリコンウエハから１片の水溶性テープ（３Ｍ，Ｉｎｃ．）に回収することが可能になった。Ｔｉ（５ｎｍ）／ＳｉＯ２（５０ｎｍ）の電子ビーム蒸着は、裏面コーティングを形成した。別の基板上に、５００μｍの厚さのシリコーンシート（Ｅｃｏｆｌｅｘ、Ｓｍｏｏｔｈ−Ｏｎ，Ｉｎｃ．，Ｅａｓｔｏｎ，ＰＡ）を調製し、次いで除去し、約３０％のレベルまで２軸方向を予歪状態にし、次いでスライドガラス上に積層することによって固定した。シリコーン表面は、ＵＶ誘導型オゾンに５分間曝すことによって活性化した。この表面上にＰＩ／Ａｌの２重層を積層することで、接触により強力な結合が得られた。水溶性テープは、基板を水道水に一晩浸漬することによって除去した。スライドガラスから全アセンブリを剥がし取ることにより、予歪状態が解放され、予測された座屈パターンが得られた。この構成では、システム全体を、予歪状態に等しい大きさの歪みまで伸長することができる。
「島−橋」自己相似電極構造の機械解析：ＦＥＡ
[0227]完全３次元（３Ｄ）ＦＥＡを、伸長及び圧縮下で「島−橋」自己相似電極構造の座屈後の挙動を解析するのに採用した。電極の構造の周期性により、代表的な単位セルを調査したが、その詳細な幾何形状を図５に示す。電極の円形の島を、シリコーン基板（エコフレックス；厚さ５００μｍ）の表面に成型されたポスト（高さ２５０μｍ）に載置する。金属相互接続（厚さ０．６μｍ）を、その上部及び底部をポリイミドの薄層（ＰＩ、厚さ１．２μｍ、各層ごとに）により包封する。弾性率（Ｅ）及びポアソン比（ｖ）は、エコフレックスに関してＥエコフレックス＝０．０６ＭＰａ及びｖエコフレックス＝０．４９であり；銅に関してＥＣｕ＝１１９ＧＰａ及びｖＣｕ＝０．３４であり；アルミニウムに関してＥＡｌ＝７０ＧＰａ及びｖＡｌ＝０．３５であり；ＰＩに関してＥＰＩ＝２．５ＧＰａ及びｖＰＩ＝０．３４である。８ノード３Ｄ（３次元）素子及び４ノードシェル素子を、エコフレックス及び自己相似電極にそれぞれ使用し、精製されたメッシュを採用して精度を確実なものにした。印加された歪みによる変形構成の発生は、図２及び図１２にそれぞれ示されるように、伸長及び圧縮の両方に関してＦＥＡから得られる。ＦＥＡ及び実験結果の間の良好な一致を見出すことができる。ここで本発明者らは、座屈プロファイルの実証として銅の場合を取り上げる。アルミニウム層に関する結果は類似している。自己相似相互接続と曲がりくねった相互接続（図１１）との間での、伸縮性及び可逆性の比較では、重要な幾何学パラメータは同じに保たれ、全長（ｌ全＝１６．７７ｍｍ）、スパン（Ｌ＝１．６ｍｍ）、振幅（ｈ＝０．４ｍｍ）、幅（ｗ＝３０μｍ）、及び厚さ（ｔ＝３．０μｍ）が含まれる。アルミニウム相互接続（厚さ０．６μｍ）は、ポリイミドの２つの薄層（各層ごとに、厚さ１．２μｍ）によって包封される。図１１は、０％〜約８００％の伸長の全範囲にわたり、自己相似相互接続の歪みレベルが、曲がりくねったものよりも常に低いことを実証する。自己相似デザインの伸縮性（８０９％）及び可逆性（５２８％）は、単純な曲がりくねったデザインの場合（ε伸縮性＝６８２％、ε可逆性＝２８４％）よりも高い。
バッテリの漏れ電流の解析
[0228]漏れ電流は、３つのソースから生ずる。第１のソースは、可逆バイアスショットキーダイオードを経た電流である。この電流は約０．２μＡであり、バッテリの寿命全体を通して比較的一定である。より小さい可逆電流を持つショットキーダイオードが利用可能であり；そのようなデバイスは、漏れに対するこの寄与を低減させることができる。
[0229]第２のソースは、アノード及びカソードのスラリディスク間の、内部オーミック自己放電電流である。この寄与は、電解質の有限素子導電率と、カソード及びアノードのスラリディスク間の任意の寄生物理接触から生ずる。これらの損失は、高純度の電解質材料によって、且つセパレータを実装することによって、劇的に低減させることができる。新しい実験は、後者の効果を定量的に明らかにする。図１５ａ及びｂは、商用セパレータ（Ｃｅｌｇａｒｄ）を備えた、及び備えていない、その他の点では類似しているバッテリの、電圧減衰及び漏れ電流曲線を示す。この構成要素は、容量損失を４４時間で１６１μＡ・ｈから８８μＡ・ｈに低減させる。
[0230]第３のソースは、スラリ材料中の不純物、残留酸素、及び／又は水分に関連したシャトル反応を含む、ファラデー効果により生成された電流からである。包装材料の空気不透過性の改善は、そのような反応から生じる電流を低減させることができる。新しい実験は、Ａｌパウチ（伸長が可能になるように、皺が寄った構成として構成することができる。）内へのバッテリの封止が、容量損失を１６１μＡ・ｈから６２μＡ・ｈに低減させることを示す。セパレータとＡｌパウチ包装との組合せは、容量損失を２３μＡ・ｈに抑制する。図１５は、これらの知見の全てをまとめる。
個別のショットキーダイオードの伸長挙動解析
[0231]
実用的な見地から、本発明者らは、ダイオードの比較的小さいサイズに起因して、統合システムの機械的性質全体に対する有意な拘束を観察していない。特に、約４．０ＧＰａのモジュラスを有するエポキシに包封されたショットキーダイオードは、基板（Ｅｃｏｆｌｅｘ製、モジュラスは約６０ＫＰａ）の場合よりも有効に４桁超大きいが、その寸法（長さ０．６２ｍｍ、幅０．３２ｍｍ、及び高さ０．３１ｍｍ）は、ワイヤレスシステムのサイズ全体（約３０ｍｍ×約２０ｍｍ）の数パーセント（約２％）でしかないことを表す。実験により、本発明者らは、約３０％まで及びそれを超えて伸長するのにシステムが堅牢であることを観察している。
[0232]これらの効果を定量的に調査するために、本発明者らは、図１９ａのように、統合システムにおけるコイルの伸縮性に対するダイオードの影響を検査する、完全３次元有限素子シミュレーションを実施する。図１９ｂ及び１９ｃの結果は：（１）ダイオードが含まれる場合、伸縮性の低下が３２．６％〜３２．３％の中程度であり、（２）システム全体が３２．３％伸長された場合であっても、ダイオードの歪み（即ち、エポキシ）が非常に小さい（＜０．１５％、破断を引き起こすのに必要な歪みよりもさらに小さい。）ことを示す。
[0233]直交する界面歪みも重要である。図２０ａは、３０％の伸長に関する、その中心にダイオードが載置されている広いＥｃｏｆｌｅｘ基板の最大主歪みの分布を示す。図２０ｂは、ダイオード／基板の界面にある、基板の直交歪みの分布を示す。この場合の直交界面歪みは負であり、界面の圧縮歪みに該当する。界面亀裂でのエネルギー放出率に基づく理論的予測に一致したこの結果は、層間剥離の傾向を最小限に抑える。
ワイヤレス電力伝送効率に対するコイル抵抗の効果
[0234]
コイルの抵抗／Ｑ値は、効率を支配する極めて重要なパラメータである。この効果を例示する追加の実験では、本発明者らは、６００ｎｍの厚さの金蛇行コイルを、厚さが増大した銅で製作された、その他の点では類似しているものと置き換えた。結果は、７μｍの厚さの銅被膜（Ｄｕｐｏｎｔ）を使用して形成されたコイルが、全抵抗１８５Ωを有し、受信電力３０．８ｍＷを発生させ、入力電力が１７９ｍＷ（１ｍｍの距離で、先に報告された結果に類似）であることを示す。対応する効率は１７．２％であり、これは当初の金コイル（４．９％）よりも３倍以上も改善されたことを表す。１８μｍの厚さの銅箔（ＭＴＩ Ｃｏｒｐ．）を使用することによる、３８Ωまでのコイル抵抗のさらなる低減は、受信電力を３６．２ｍＷまで改善し、効率を２０．２％まで改善する。図２３ａを参照されたい。
[0235]厚さのこれらの増加、したがって電力伝送効率は、伸長に関連した本質的なメカニズムに変化をもたらす。特に、厚さが増大するにつれ、伸縮性は減少する。厚さが７μｍのコイルは、効率と機械的変形性との間に良好なバランスを提供し、歪みに順応する能力は約２５％である。様々なレベルの歪みの画像が図２３ｂに見られ、最大１軸歪み及びコイル蛇行の幾何形状の両方に関しては有限要素解析結果に十分一致している（図２３ｃ）。
ワイヤレス電力伝送回路における充電電流のモデリング
[0236]充電回路は、下記のモデルを使用して記述することができる：

式中、Ｕ０は、３ボルトの電圧の充電源である。Ｌ及びＲは、回路に関連するインダクタンス及び抵抗である。Ｕ（ｔ）は、電圧計の時間依存性読出しであり、Ｉ（ｔ）は、電流計の時間依存性読出しである。
[0237]プログラムは、偏微分方程式（１）に基づいてＩ−Ｖ曲線をシミュレートするように開発された。Ｕ（ｔ）に基づいてシミュレートされた時間依存性電流Ｉｓ（ｔ）を、測定されたＩ（ｔ）と比較し、その結果を図２０に示す。
電流をシミュレートするのに使用したプログラム：
#include<iostream.h>
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<math.h>
#include<time.h>
#define tim 3500
#define start 265
float curre[tim];
float nihe[tim];
float test[tim];
float voll[tim];

FILE *fp;

int main()
{
inti,j,k;

fp=fopen("Cur.txt","r");
for(i=0;i<tim;i++)
{
fscanf(fp,"%f",&curre[i]);
curre[i]=-curre[i];
cout<<curre[i]<<endl;
}
fclose(fp);

fp=fopen("Vol.txt","r");
for(i=0;i<tim;i++)
{
fscanf(fp,"%f",&voll[i]);
cout<<voll[i]<<endl;
}
fclose(fp);

double coef1;
double coef2;

coef2=curre[1]/(voll[1]-voll[0]);

cout<<coef2<<endl;
test[0]=curre[0];
test[start]=curre[start];

double coef1th;
double maxh=1000000000;
double coef2th;
for(coef2=0;coef2<0.04; coef2=coef2+0.0001)
{
cout<<coef2<<endl;
for(coef1=0.94; coef1<=0.96; coef1=coef1+0.0001)
{
// cout<<coef1<<endl;
for(i=start+1;i<tim;i++)
{
test[i]=coef1*test[i-1]+(3-(voll[i]+voll[i-1])*0.5)*coef2;
}
double poi=0;
for(i=start;i<tim;i++)
{
poi+=(test[i]-curre[i])*(test[i]-curre[i]);
}
if(poi<maxh)
{
coef1th=coef1;
coef2th=coef2;

maxh=poi;
for(int j=0;j<tim;j++)
{
nihe[j]=test[j];
}
}
}
}
cout<<coef1th<<endl;
cout<<coef2th<<endl;
cout<<maxh<<endl;

fp=fopen("nihe.txt","w");
for(i=0;i<tim;i++)
{
fprintf(fp, "%f", -nihe[i]);
fprintf(fp, "\n");
}
fclose(fp);

fp=fopen("canshu.txt","w");

fprintf(fp,"%f", coef1th);
fprintf(fp,"\n");

fprintf(fp,"%f", coef2th);
fprintf(fp,"\n");

fclose(fp);
return(1);
}
実施例２：伸縮性電子システムのデバイス幾何形状及び材料戦略。
[0238]図２５及び２７は、本発明の一部の電子システム製造に関する製造プロセスフローの例を示す図である。図２５は、総体的製造フローチャートを示す図である。図２６は、蛇行型相互接続とＣＯＴＳチップとの間に電気的接触を作り出すための銀エポキシ剥離を示す図である。図２７は、液体室製造を示す図である。空隙又は袋は、エラストマー薄膜１枚を基板上に積層することによって形成され、周辺部分の密閉は、未硬化エラストマーを接着剤として使用して、加熱と加圧によって達成される。流体は、形成された状態の空隙へ、空隙の側方端部経由で注射器を使用して注入される。
[0239]図２８は、本発明の電池１個を示す図である。図２９は、約１００％の一軸延伸を受けている状態の電池を示す図である。
[0240]図３０は、無線電源方式の遠隔通信用ＥＣＧ回路を示す図である。図３１は、有線型発振器、及び無線遠隔通信による周波数カウンタに関するＥＣＧデータの例を示す図であり、データの忠実度が非常に高く、ＱＲＳ群を明確に区別することができる。
[0241]図３２は、図３０に記載の回路の伸縮性形式を示す図であり、赤い円形は基板への選択的結合場所を示す。図３３は、エッチング処置されたＳｉウエハ又はパターンを施された厚手のＳＵ８に装着されたＥｃｏｆｌｅｘペデスタルからなるアレイを示す図である。図３４は、図３２と同じであるが、より薄いバージョンのＣＯＴＳチップ（１ｍｍ未満）を使用する回路を示す図である。図３５は、図３４と同じであるが液体室を使用する回路において、流体の存在を示すため気泡が意図的に残された状態を示す図である。図３６は、延伸の実証画像を示す図である。図３７は、半径約２ｃｍでの屈曲の実証画像を示す図である。
[0242]図３８は、液体室界面での完全封入条件下における相互接続の様々な幾何形状における歪み分布を例示する、力学的シミュレーションを示す図である。
[0243]図３９は、剛性島状構造間の相互接続における横方向のシステムレベル歪み分布を例示する概略図を示す図である。図４０は、剛性島状構造間の相互接続における縦方向のシステムレベル歪み分布を例示する概略図を示す図である。
[0244]図４１は、液体室を有する多機能回路の総体的配置を示す図である。この回路の基本的機能の例として無線周波数電力獲得、二端子電気生理学センサ（心電図、筋電図、脳波図及び眼電図）、温度センサ、加速度センサ、及び無線データ送信が挙げられる。図４２は、民生用（ＣＯＴＳ）チップを機械研磨し、電気的機能性はそのままで厚さを０．５ｍｍ未満にしたものを示す図である。図４３は回路機能の例のリストである。
[0245]図４４は多層構造の第１データ送信系統を示す図であり、図４５は多層構造の第２電力供給系統を示す図であり、図４６は多層構造の第３接地系統を示す図である。これらの系統は交点において、ポリイミド、パリレンＣ又はＳＵ８などポリマーによって相互に絶縁される。
[0246]図４７は、島状構造及び相互接続の精密選択的結合の位置を示す図である（１）。図４８は、精密選択的結合を達成するための製造プロセスを示す図である（２）。図４９は、相互接続の頑健性を高めるために鋭利な角を減らした状態を示す図である。図５０は、自己相似相互接続及び従来の蛇行型相互接続の混成使用を示す図である。図５１は、導体パッドから皮膚への自己相似相互接続を示す図である（２）。
[0247]図５２及び５３は、図２５及び２６と似た、基本的製造スキームの一例を示す図である。
[0248]図５４は、共振誘導コイルを使用する無線電源回路の一例を示す図である。図５５は、１００％に一軸延伸中の無線回路の実証を示す図である。
[0249]図５６は、図３０に記載の回路と似たＥＣＧ回路の一例を示す図である。
[0250]図５７、５８及び５９は、各剛性島状構造の下での配置、選択的結合位置、及び相互接続の幾何形状設計検討事項を示す図である。図６０は、データ系統、電源系統及び接地系統をそれぞれ受け持つ３つの金属層を有する、既製の相互接続の例を示す図である。この場合、これらの金属層はポリイミドによって分離される。金属層内からＣＯＴＳチップへ至る導体パッドは露出している。
[0251]図６１は、非従来的な製造プロセスを使用する選択的結合を、選択的結合の各部を示す顕微鏡写真と併せて示す図である。図６２は、伸縮性電気相互接続を備え、ペデスタルへ結合された、繋留型デバイス構成要素の走査型電子顕微鏡写真を示す図である。図示の通り、相互接続は、デバイス構成要素の表面積の５％以下が繋留構造と物理的に接触している状態か、又はデバイス構成要素の表面積の２％以下が繋留構造と物理的に接触している状態か、又はデバイス構成要素の表面積の１％以下が繋留構造と物理的に接触している状態となるよう、基板へ離散的配置で選択的に結合される。相互接続及び／又は他のデバイス構成要素の１箇所又は複数箇所での選択的結合を介した繋留は、相互接続、デバイス構成要素又はデバイスの配線の絡みの低減又は防止を目的に使用され得る。
[0252]図６３は、純粋に機械的研磨及び高温発煙硝酸エッチングによるチップ包装剥離を示す図である。
[0253]図６４は、納入時の状態のまま及び機械研磨後のＣＯＴＳチップを屈曲円筒形表面上の液体室に収容した、既製の多機能デバイスを示す図である。図６５は、図６４のデバイスの延伸及び屈曲を示す図である。図６６は、多層構造相互接続の力学的解析の例を示す図である。図６７は、３０％の縦方向一軸歪み条件下の多層型相互接続における歪み分布を示す図である。図６８及び６９は、延伸シミュレーションビデオの概略図である。
実施例３：流体格納を有する電子システム
[0254]次に、流体格納を有する電子デバイスを、複数の図を参考に記述するが、図７０の記述に使用される参照番号は、複数の実施形態における同じ形体を示し、１つの図における複数の項目に表示が施されていない場合があり、また複数の図が同じ縮尺で作成されているとは限らない。
[0255]図７０Ａ及び７０Ｌは、基板１００を備えるシステム１０２における、１つ又は複数の電子デバイス又はデバイス構成要素１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃが基板の表面１０５によって支持されている状態の側面図である。記載の実施形態において、デバイス又はデバイス構成要素１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃは自立型であり、格納室１３５は上部壁１３５Ｂ及び側壁１３５Ａ、１３５Ｃなど複数の包囲構造によって形成される。格納室１３５は、少なくとも部分的に格納流体１４０が充填される室の空隙１３０内で、デバイス／構成要素１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃを少なくとも部分的に包囲する。図７０Ａの実施形態において、デバイス／構成要素１１０Ａ、１１０Ｂは、電気相互接続１２０によって互いに接続される。
[0256]図７０Ｂ及び７０Ｍは、図７０Ａ及び７０Ｌと似た実施形態を示す図であるが、例外として格納室１３５は部分的に、上部壁１３５Ｂ及び側壁１３５Ａ、１３５Ｃに加え、底壁１３５Ｄによって形成される。この実施形態において、デバイス／構成要素１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃ及び格納流体１４０は基板１００と接触しない。代わりに、デバイス／構成要素１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃは底壁１３５Ｄ上で自立する状態である。
[0257]図７０Ｃは、格納室１３５が、複数の空隙１５０、１６０を形成する内壁１３５Ｅを格納する、一実施形態を示す図である。記載の実施形態において、デバイス／構成要素１１０Ａ及び１１０Ｂは別々の空隙１５０、１６０内に位置するが、内壁１３５Ｅ内に埋め込まれた電気相互接続１２０を介して互いに電気的に接触している状態である。格納流体１４０は各空隙１５０、１６０を少なくとも部分的に満たす。
[0258]図７０Ｄは、上部壁１３５Ｂ、底壁１３５Ｄ、側壁１３５Ａ、１３５Ｃ及び内壁１３５Ｅを有する格納室１３５によって形成される複数の空隙１５０、１６０を備えるシステム１２０の一実施形態を示す図である。格納流体１４０は各空隙１５０、１６０を少なくとも部分的に満たす。デバイス又はデバイス構成要素は別々の空隙１５０、１６０内に位置するが、内壁１３５Ｅ内に埋め込まれた電気相互接続１２０によって互いに接続された状態である。システムは全体的に基板１００によって支持される。
[0259]図７０Ｅ及び７０Ｎは、レリーフ形体１７０Ａ、１７０Ｂ、１７０Ｄによって基板１００へ繋留される１つ又は複数のデバイス又はデバイス構成要素１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｄを備えるシステム１０２の実施形態を示す図である。例えば、一部の実施形態において、レリーフ形体１７０Ａ、１７０Ｂ、１７０Ｄはペデスタルであってもよい。図７０Ｅの実施形態において、デバイス／構成要素１１０Ａ、１１０Ｂは、電気相互接続１２０によって互いに接続され、電気相互接続１２０は伸縮性又は蛇行型の電気相互接続であってもよい。デバイス／構成要素１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｄ、レリーフ形体１７０Ａ、１７０Ｂ、１７０Ｄ及び任意選択で電気相互接続１２０は、上部壁１３５Ｂ及び基板１００へ積層される側壁１３５Ａ、１３５Ｃによって形成される格納室１３５の空隙１３０内で包囲される。空隙１３０は少なくとも部分的に、格納流体１４０が充填される。
[0260]図７０Ｆは、レリーフ形体１７０Ａ、１７０Ｂによって基板１００へ繋留されるデバイス又はデバイス構成要素１１０Ａ、１１０Ｂが、上部壁１３５Ｂ、側壁１３５Ａ、１３５Ｃ及び内壁１３５Ｅによって形成される格納室１３５における別々の空隙１５０、１６０に位置する、一実施形態を示す図である。繋留されたデバイス／構成要素は、内壁１３５Ｅを通過する電気相互接続１２０によって互いに接続される。
[0261]図７０Ｇは、各デバイス又はデバイス構成要素１１０Ａ、１１０Ｂを支持するレリーフ形体からなるアレイを備える、一実施形態を示す図である。例えば、デバイス／構成要素１１０Ａはレリーフ形体１７０Ａ１、１７０Ａ２及び１７０Ａ３によって支持され、デバイス／構成要素１１０Ｂはレリーフ形体１７０Ｂ１、１７０Ｂ２及び１７０Ｂ３によって支持される。この実施形態では、格納流体１４０はレリーフ形体１７０Ａ１〜Ａ３と１７０Ｂ１〜Ｂ３との間に浸透することができる。
[0262]図７０Ｈは、レリーフ形体１７０Ａ１〜Ａ３及び１７０Ｂ１〜Ｂ３からなるアレイによってそれぞれ支持されるデバイス又はデバイス構成要素１１０Ａ、１１０Ｂを備えるシステム１０２において、各デバイス／構成要素１１０Ａ、１１０Ｂが、上部壁１３５Ｂ、側壁１３５Ａ、１３５Ｃ及び内壁１３５Ｅによって形成される格納室１３５における独立的空隙１５０、１６０に配置される、一実施形態を示す図である。記載の実施形態では、格納室１３５が基板１００の表面１０５へ積層されるが、別の実施形態において、格納室の底壁１３５Ｄ（不記載）を含めてもよい。
[0263]図７０Ｉ１及び７０Ｉ２は、基板１００の延伸結果を示す図である。図７０Ｉ１はシステム１０２に外部の力が一切加わらない状態を示す図である。図７０Ｉ２は、基板１００に対する矢印Ａの方向の力を示す図である。加えられる力は、レリーフ形体１７０Ｂが基板へ結合される点を、矢印Ａの方向へ引っ張る。デバイス／構成要素１１０Ｂにおいてレリーフ形体１７０Ｂが関係する繋留幾何形状は、基板の運動及び／又は変形をデバイス／構成要素１１０Ｂから分断する役割を果たす。格納室１３５の空隙１３０内の格納流体１４０は、デバイス／構成要素１１０Ｂを緩衝する。
[0264]図７０Ｊ１及び７０Ｊ２は、システム１０２の基板１００の収縮結果を示す図である。図７０Ｊ１はシステム１０２に外部の力が一切加わらない状態を示す図である。図７０Ｊ２は、基板１００が収縮又は狭窄された状態となる、矢印Ｂ１及びＢ２の方向の力を示す図である。加えられる力は、レリーフ形体１７０Ｂ及び１７０Ａと基板との結合点を、それぞれ矢印Ｂ１及びＢ２の方向へ動かす。デバイス／構成要素１１０Ｂ及び１１０Ａにおいてレリーフ形体１７０Ｂ及び１７０Ａが関係する繋留幾何形状は、基板の運動及び／又は変形をデバイス／構成要素１１０Ｂ及び１１０Ａから分断する役割を果たす。
[0265]図７０Ｋは、デバイス又はデバイス構成要素１１０Ａ、１１０Ｂを接続する伸縮性蛇行型電気相互接続１２０を備えるシステム１０２の一実施形態の上面図である。システムは、少なくとも部分的に格納流体１４０が充填される空隙１３０を有する格納室１３５をもさらに含む。格納室１３５は、上部壁（不記載）及び／又は底壁（不記載）を含んでいてもよい。システムは全体的に基板１００によって支持される。
[0266]図７０Ｏは、デバイス又はデバイス構成要素１１０Ａ、１１０Ｂを接続する伸縮性蛇行型電気相互接続１２０を備える典型的システム１０２の一実施形態の上面図である。システムは、少なくとも部分的に格納流体１４０が充填される空隙１３０を有する格納室１３５をもさらに含む。格納室１３５は、上部壁（不記載）及び／又は底壁（不記載）を含んでいてもよい。システムは全体的に基板１００によって支持される。図７０Ｏに記載の実施形態は、自立型のデバイス又はデバイス構成要素の運動を制限する、囲いの形態のバリア構造７００をも含む。囲い７００は単一構造であり、高さｈが格納室１３５の全高より低く、且つデバイス又はデバイス構成要素１１０Ａ、１１０Ｂへ相互接続１２０がアクセスするための開口を有する。図７０Ｐは、バリア構造が側壁７１０（１）、後壁７１０（２）及び前壁７１０（３）を含む複数のバンパ７１０として形成される、類似の実施形態を示す図である。各バンパ７１０は、デバイス又はデバイス構成要素の端部と実質的に平行に配置され、バンパ７１０はデバイス又はデバイス構成要素の端部より短いが、格納流体１４０の運動を妨げることなく、デバイス又はデバイス構成要素の運動を十分に制約できる長さである。２つの前壁７１０（３）は、デバイス又はデバイス構成要素１１０Ａ、１１０Ｂへ相互接続１２０がアクセスするための開口を形成する。図７０Ｑは、図７０Ｐの実施形態において、自立型デバイス又はデバイス構成要素１１０Ａ、１１０Ｂの対応する端部より幅ｗが狭く、且つデバイス又はデバイス構成要素１１０Ａ、１１０Ｂの縦方向の運動及びバンパ７１０と格納室１３５の上部壁１３５Ｂとの間の隙間ｇを通る脱出を少なくとも十分に防ぐことができる高さｈを有するバンパ７１０によって、デバイス又はデバイス構成要素１１０Ａ、１１０Ｂが側方から制約される状態の側面図である。
[0267]図７０Ｒは、デバイス又はデバイス構成要素１１０Ａ〜１１０Ｄを接続する複数の伸縮性蛇行型電気相互接続１２０を備えるシステム１０２の一実施形態の上面図である。システムは、少なくとも部分的に格納流体（不記載）が充填される空隙１３０を有する格納室１３５をもさらに含む。格納室１３５は、上部壁（不記載）及び／又は底壁（不記載）を含んでいてもよい。システムは全体的に、基板の他の部分より弾性率が高い離散的区域８００を備える基板１００によって支持される。一実施形態において、より弾性率が高い区域は、相互接続１２０とデバイス又はデバイス構成要素１１０Ａ〜１１０Ｄとの接合部での歪みを最小化するよう、デバイス又はデバイス構成要素１１０Ａ〜１１０Ｄの下方又は付近に局在し得る。一実施形態において、基板は弾性率が高めの区域と低めの区域が交互に存在することによって形成され得る（例えば離散的な材料の帯によって形成）。弾性率が高めの区域は、基板の材料を弾性率が高めの材料に差し替え、弾性率が高めの材料（例えばメッシュ又はグラスウール）を基板の離散的位置に組み入れ、弾性率が高めの材料を基板の材料と離散的位置で重ね合わせ、基板の材料を離散的位置で厚くする、及びその他、当業者に既知の技法によって提供され得る。
[0268]図７０Ｓは、デバイス又はデバイス構成要素１１０Ａ〜１１０Ｄを接続する複数の伸縮性蛇行型電気相互接続１２０を備えるシステム１０２の一実施形態の上面図である。システムは、少なくとも部分的に格納流体（不記載）が充填される空隙１３０を有する格納室１３５をもさらに含む。格納室１３５は、上部壁（不記載）及び／又は底壁（不記載）を含んでいてもよい。システムは全体的に、弾性率が連続的に変動する基板１００によって支持され（平行線模様で概略的に表現）、弾性率は基板の面内で空間的に変動する。一実施形態において、基板の弾性率は、連続関数又は平滑線形関数、放物線関数又は正弦波関数に従って空間的に変動し得る。一実施形態において、基板の弾性係数は、基板の１つの端部又は角から基板の反対側の端部又は角にかけて、又は基板の中心から基板の外側周囲にかけて、又は設定周波数又はパターンに従って、空間的に変動し得る。平滑又は連続的な空間変動は、密度が空間的に変動する、弾性率が高めの材料（例えばメッシュ又はグラスウール）を基板へ組み入れ、基板の厚さを空間的に変動させる（例えば成形又は縮小加工）、及びその他、当業者に既知の技法によって提供され得る。
[0269]図７１は、デバイス又はデバイス構成要素１１０を接続し、浮遊性又は繋留型となり得る、また任意選択でバリア構造（不記載）内で制約され得る、伸縮性蛇行型電気相互接続１２０を備える典型的システム７７０の一実施形態の上面図である。システムは、少なくとも部分的に格納流体１４０が充填される空隙１３０を有する格納室１３５をもさらに含む。格納室１３５は、上部壁（不記載）及び／又は底壁（不記載）を含んでいてもよい。システムは全体的に基板１００によって支持される。配線の絡みを低減又は防止するため、相互接続１２０は底壁又は基板１００へ結合パッド７５０により選択的に結合され、結合パッド７５０はペデスタル、粘着性ビード又はその他、デバイス又はデバイス構成要素を底壁又は基板１００へ固定するための材料であってもよい。
実施例４：皮膚用のセンサ、回路及び無線装置からなる軟質システム
[0270]皮膚に装着する場合、現代のセンサ、回路、無線装置及び電源システムは、臨床品質の健康モニタリング能力を、伝統的な病院又は試験所施設に限らず、継続的に使用する潜在性を有する。しかし、十分に開発が進んだ構成要素技術は概して、硬質の平面上形式のものしか出回っていない。結果として、システム設計における既存の選択肢では、軟質で凹凸のある、曲線状の、時間によって変動する皮膚の表面との一体化に効果的に適応することができない。本発明では、高弾性、剛性、最新式の機能的要素の集合体を組み入れる、低弾性、伸縮性のシステム向けの材料、マイクロ流体システム、構造設計及び力学における複合的戦略を提示する。その成果が、薄型で適合性のある、皮膚表面へ柔軟に積層することができ、生理学的モニタリング向けの先進的な多機能動作を無線モードで可能にする、デバイス技術である。これらの発想の多用途性及び可撓性／伸縮性電子機器に対する他のアプローチとの両立性は、人体との親密な統合を活用する装着型デバイスの急速な進歩の基礎を示唆するものである。
[0271]継続的な生理学的モニタリング、介入及び治療における精密な能力を有する電子システムの開発及び展開に成功すれば、スポーツにおける安全性の増進から、先進的医療における費用構造及び成果の向上に至るまで、多くの重要な結果をもたらし得る。身体への多面的な非侵襲性のアクセスは、経皮的に確立された電子的／光学的／流体力学的インターフェースを通じて達成し得る。従来の硬質な電子機器構成要素及びセンサは、ストラップ、ピン又はテープの使用によって皮膚に固定されることにより、不快感を生じ、強固な固着を阻害し、安定した生物／非生物インターフェースを妨げる形で、自然な動きを制約してしまう。「皮膚様」のデバイスは、「表皮」電子システムと呼ばれる場合もあり（１、２）、これらの制限を厚さ（３〜５）、弾性、様々なレベルの弾性伸縮性及びその他、皮膚自体の特性に適合する基本的な物理的特性を採用することによって回避して、柔軟で適合性のある種類の統合を可能にしている。これらの理想的な特徴は、シリコンなど、それ自体が硬質で脆性の、確立された高性能半導体材料を組み入れる構成要素においてさえ、達成することができる（１、６、７）。しかし、要求される特殊な、超薄型のデバイス幾何形状は、素早い設計の反復と迅速な開発に対する、工学的阻害要因を生み出し得る。軟質活性材料（３、４、８〜１３）及び／又は液体金属（１４〜１６）を使用する代替的アプローチは、一部のセンサ及び個別の構成要素については有用であるが、現状、実務的用途に必要とされる全範囲に及ぶ機能に対応することができないうえ、微細加工及びデバイス統合向けに確立された方法と即座に両立性があるわけでもない。本発明では、これら及び他の最近探究されている材料及びデバイスだけでなく、市販の、集積回路、無線周波数ハードウェア、マイクロ電気化学構造、物理的／化学的センサ及び電源を含む、チップスケールの構成要素も組み入れることができる、適合性のある皮膚装着型システムの発想を実証する。弾性膜によって定義される薄型マイクロ流体筐体内で浮遊するようなチップの相互接続型集合体は、柔軟な、低弾性の力学を、システムレベルで提供する。本発明では、高弾性構成要素が総体的力学に及ぼす影響を、たとえそれら構成要素が広い面積にわたり存在する場合であっても、無視することができる。そうした力学的特性は、以前探究された一体構造で達成可能なものと質的に異なる（１７〜２０）。結果的なシステムは皮膚へ柔軟且つ非侵襲的に積層することにより、独特のデバイスを標準的な部品と組み合わせる能力との、機能性の高いインターフェースを定義することができる。これらの概念は、本発明において無線電源動作、生体電位、加速度及び／又は温度の精密測定を、無線周波数（ＲＦ）データ送信と併せて提供するシステムを通じて例示される通り、幅広い種類に及ぶ高度な生体融和型電子デバイスの迅速な試作を可能にする。
[0272]配置には、構成デバイス及び付帯する相互接続ネットワークの力学を、支持表面（即ち基板）及び封入層（即ちスーパーストレート）を同時に提供する薄型の弾性筐体から分断するよう設計された、マトリクス状のマイクロ流体空間が関係する。各構成要素はこの筐体の底面へ選択的に、薄型弾性基板へ成形されるレリーフの、細い局在型の円筒形体（即ち支柱）の部分で結合する。これらの支柱を除き、デバイスは周囲の流体中で吊下げられ、その結果、機械的に分離される。薄い、蛇行型の形状における浮遊性の相互接続ネットワーク及び多層構造の中立的な力学的面配置は、デバイスを、システムレベルの機能を提供する回路構成へと繋ぐ。図７２Ａは、心電図（ＥＣＧ）、筋電図（ＥＭＧ）、眼電図（ＥＯＧ）及び脳波図（ＥＥＧ）の精密測定向けに電気生理学的（ＥＰ）データの無線取得、フィルタリング、増幅及びＲＦ送信を行う能力のある集積デバイスの概要を示す分解図である。
[0273]スーパーストレートと基板をそれぞれの端部で結合させると、第２段階で注射針を使用して誘電性流体を充填される、マイクロ流体構造が定義される（図７２Ｂ）。注射針の除去後、エラストマーは自己密閉し（図７３）、この密閉の頑健性を増進するためのエラストマーが追加され得る。流体の選定基準の例として（１）電子構成要素及び基板／スーパーストレートに対する、充填プロセスを円滑化するための湿潤性、（２）電気的クロストークを排除するための大きい体積抵抗率（１×１０１４Ｏｈｍ＊ｃｍ超）、（３）電気的絶縁破壊を防ぐための高い誘電強度（１０ｋＶ／ｍｍ超）、（４）衝撃抵抗性を増進するための適度な粘度（約５Ｐａ・ｓ）、（５）信頼性のある長期動作を可能にするための良好な熱安定性（１００℃で４時間にわたる重量損失が０．１％未満）（図７４）、（７）ＲＦ動作に対する影響を最小化するための、低損失ＲＦ特性及び小さい絶縁定数（３未満）、（８）腐食又は他の形態の化学的劣化を防ぐための、低反応性及び化学的安定性、（９）包装から水分を放出するための疎水性、及び（１０）構成要素の迅速な検査を可能にする光学的透明性、が挙げられる。多数の材料が検討対象になり得るが、本発明で報告されるデバイスは、基板／スーパーストレート用に軟質のシリコーンエラストマー（Ｅｃｏｆｌｅｘ（Ｓｍｏｏｔｈ−Ｏｎ社（ペンシルベニア州Ｅａｓｔｏｎ）製））を使用し、流体用にポリマー量シリコーンオリゴマー（Ｓｙｌｇａｒｄ１８４、硬化剤不使用）を使用する。
[0274]浮遊性相互接続は、面内及び面外の両方で座屈、撚り及び変形することができ、システム全体に外部から賦課される変形への反応時の制約がほとんどない。同様に、流体ベースの歪み分離戦略は、デバイス構成要素への連結を最小限に留めながら、基板／スーパーストレートの広範囲に及ぶ運動を可能にする。この物理学は図７２Ｃに記載の３次元有限要素解析（ＦＥＡ）結果から明らかである。相互接続が自由に運動する能力は、固体又は多孔質のエラストマーへの結合又は埋め込みが関係する設計に比べ、伸縮性の範囲を増加させる（１７〜２３）。図７２Ｃに記載の相互接続の場合、これは結合又は埋め込みの場合と比べ、それぞれ約１０倍及び約２０倍に相当する伸縮性増加に繋がる（図７５）。相互接続金属（図７２Ｃ）における最大主歪みは、システム全体における５０％の二軸延伸の場合、０．２％未満である。支柱は、硬質構成要素と直下のエラストマーとの間において、同一レベル（５０％）の二軸延伸の場合、絶対値で約６４％もの歪みの差に繋がり得る。
[0275]鋭利なピラミッド状形体からなる密集したアレイをスーパーストレート／基板へ成形したものは、相互接続及びデバイスへの非特異的付着を防ぐことにより、低摩擦の潤滑された相対的運動を可能にする。このレリーフは、構成要素チップの歪み分離を可能にする支柱及び隣接する相互接続の配線の絡みを防ぐ物理的バリアに関連するもの同様、図７２Ｄ及び図７６に記載の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）による断面画像に現れている。図７２、Ｅ及びＦは、相互接続ネットワークを転写により統合した後の同じ領域を、拡大図を含め、示す図である。相互接続ネットワークにおける交差は、層間誘導体又はチップスケール交差のいずれかによって適応され得る。全てのチップ（全て機械研磨によって厚さは１ｍｍ未満である（図７７））がこのネットワークへ電気的及び機械的に、適合する接点を有する一体型パッドの金属化（無電解析出Ｓｎ（図７８））領域へのスクリーン印刷によって施される低温はんだ（Ｓｎ４２Ｂｉ５８）を介して結合する。基板への付着（厚さ約０．４ｍｍ）は、支柱（直径約１ｍｍ）の位置に限り選択的に発生する。これらのパッドは、相互接続との接合部で応力集中を最小化するための、テーパー型形状を組み入れる（図７９）。太い直線状の配線（図８０）が、マイクロ流体筐体の反対側の端部を通過し（マイクロ流体の厚さは約１ｍｍ、スーパーストレートの厚さは約０．１ｍｍ）、表皮電極の積層位置を提供する外部導体パッドで終了して（図８１）、皮膚へのインターフェースの役割を果たす。完成したシステム（図７２Ｇ）は、（１）共振誘導エネルギー変換による無線電源用、（２）ＥＰ信号の低ノイズ増幅及びフィルタリング用、及び（３）測定データの周波数変調（ＦＭ）ＲＦ送信用のモジュールを含む。表１及び図８２は、構成要素及び設計論拠の要約である。図７２、Ｈ及びＩに記載の画像は、デバイスにおける延伸（記載の画像は約３０％の一軸歪み）及び撚り（記載の画像は約７５度）の能力をそれぞれ示す画像である。材料及び製造手順に関する詳細情報は、補足情報のセクションに記載されている。
[0276]表１。ＥＣＧシステムのチップ情報。
[0277]システムレベルでの力学的挙動は、総体的設計に対し極めて重要である。図８３は、画像処理しやすいようスーパーストレート膜を外した状態の図７２のデバイスに関する、体系的なコンピュータ計算研究及び実験研究の要約である。３次元有限要素解析（ＦＥＡ）結果（図８３Ａ）及び実験写真（図８３Ｂ）は、様々なレベルの均等二軸延伸時におけるチップ及び相互接続の構成を明らかにする。ここで観察される良好な一致は、モデルの妥当性を確認するものであり、またチップの配置及び相互接続の形状を最適化するための設計ツールとしての有用性を確立するものである。特に、システム幾何形状の如何なる選択についても、計算結果は（１）高い主歪み、（２）相互接続の配線の絡み及び（３）チップ間の衝突、これらの位置の迅速な特定を可能にする。回路及び力学設計において連結された検討事項が関係する反復的プロセスは、３次元ＦＥＡモデリングを指針として、望ましいデバイスサイズ、伸縮性の度合い及び実効弾性率について関連する全てのパラメータ（成形バリアの位置を含む）の最適化を可能にする。ここに記載のシステムは、チップの配置及び非周期的相互接続ネットワークを形成する自己相似蛇行型形状の幾何形状を何度も繰り返した結果である。蛇行型形状における面内及び面外の屈曲及び撚りの階層的力学と、幾何学に対する係る力学の依存性に留意することが、それらの電気的特性に対する要件によって設定される制約を前提に、最も重要である。図８３Ｃ及び図８４は、発生し得る微妙な効果を示す図である。理論からの指針と併せて紹介される多数の改良の一例は、力学における可逆性の確保及び配線の絡みの回避を目的に、基部の端部で長い相互接続の中間点に追加される、小さい結合箇所である（図７９）。最終設計は、ベア弾性基板に関連する内在的値よりほんのわずか大きい（３〜５％）、システムレベルでの実効弾性率を提供する（表２）。事実、基板についてチップ、相互接続ネットワーク及び周囲流体を有する場合と有さない場合における一軸試験は、図８３Ｂの最下段の枠に記載の通り、ほぼ同一の応力／歪み応答を明らかにする。この成果は、電子材料（約１００ＧＰａ）とエラストマー（約１８０ｋＰａ）との間の大きな弾性率の差を踏まえると、注目に値する。
[0278]表２。実効ヤング率に関するコンピュータ計算モデル。実験データにおける弾性率は、［０％、５０％］の範囲における応力・歪み曲線の線形適合を使用することによって判定される。
[0279]低弾性に加え、システムは広範囲に及ぶ伸縮性を提供する。例えば、１００％の均等二軸歪みは、図８３Ａの最下段の枠に記載の相互接続ネットワークの一区間によって強調される通り、活性材料（相互接続のＣｕ）において誘発する最大主歪みは、わずか２％である。３次元ＦＥＡによって予測される最大二軸伸縮性は１２５％で、これは相互接続ネットワークにおけるＣｕの局所破壊（破壊歪みは約５％）によって制限され、実験観察（約１００％）と整合的である。可逆性、弾性挙動は、約４９％の二軸歪みについて（図８５）、たとえこのデバイス配置におけるチップの累積的面積占有率が高い（約４６％）場合であっても、取得することができる（Ｃｕの降伏歪みは約０．３％）。一軸延伸における実際的限度は約４０％で、これはポアソン効果から生じる直交収縮によって引き起こされる隣接チップ同士の衝突によって定義される（図８６及び８７）。あらゆる場合において、基板の変形は、チップ又は相互接続ネットワークに関連する運動制約の証拠を全く示さず、これは図８３の画像で視認可能な、基板の後面の正方形アレイに蒸着させた基準ドット（Ｃｒ、厚さ１００ｎｍ）間の均一な分離によって例証される通りである。定量解析については図８８を参照のこと。この低弾性（約１８０ｋＰａ、皮膚と同程度に柔軟（１））の場合、等方性伸縮性応答は特異的に、本発明で導入されるマイクロ流体歪み分離アプローチから得られる。そうした特性は、最新式の市販の電子構成要素を柔軟に、信頼できる形で、非侵襲的に皮膚へ一体化するうえで、極めて重要である。チップの歪み分離を活用しない類似のシステムは、基板における高度に不均一な変形を示し（図８９）、マイクロ流体を固体エラストマーに置き換える類似のシステムはわずか６％の弾性伸縮性、及びチップ自体の値（１００ＧＰａ超）に匹敵する値から結合相互接続により制約されるエラストマーの値（約２５０ｋＰａ）に至る範囲で変動する局所実効弾性率を示す。そうした特性は、皮膚装着に関する要件との合致度が低い。
[0280]図９０、Ａ及びＢは、１対の表皮電極（それぞれ約０．８×１ｃｍ２、フィラメント状、自己相似蛇行型メッシュ設計、図９１）を前腕の皮膚に積層したものを、それぞれ未変形の状態及び変形した状態で含む、完成デバイス（約１．７×１．８ｃｍ２）を示す図である。ここでは、デバイスの低い実効弾性率に関連する低い界面応力が、基板の底面における超低弾性薄膜エラストマー被覆によって促されるファンデルワールス力のみを通じ、皮膚への強固な付着を可能にする。デバイス付近（数ｍｍ以内）の一次コイルに印加される交流電圧（１５０ｋＨｚの時に１０Ｖｐ−ｐ）は、ＬＣ発振器、ショットキーダイオード整流器及び積分キャパシタ（１０μＦ）からなる誘導電力モジュールから直流電流出力を生み出すことにより、デバイスを起動する。総電力消費量は約３５ｍＷで、これは現代の多数の携帯電話機で使用されている近距離無線通信（ＮＦＣ）能力へアクセス可能な範囲に該当する。計装用増幅器は約８００の増幅率を提供する。キャパシタは、浮遊式接地を有する表皮作用電極及び参照電極によって集められたＥＰ信号の高周波及びＤＣ成分を除去する。電圧制御型ＲＦ発振器は、増幅されたデータを約２．４ＧＨｚのＦＭ ＲＦ信号へ変換し、この信号は小型３次元アンテナ経由でデバイスへ渡される。別体式パッチアンテナ、ＲＦ増幅器及び周波数カウンタは、バックグラウンド電気ノイズを排除するよう設計された室内で使用すれば、送信されたＲＦ信号を最長１ｍ（図９２）の距離で確実に受信できる。胸骨を横断する形でデバイスを両側第４肋間間隔に電極と併せて積層すると、ＥＣＧの収集が可能となる。代表的測定結果が、明確に特定可能なＱＲＳ群と併せて、図９０Ｃに記載されている。このシステムの忠実度は、従来型の市販の有線接続方式ハードウェア（Ｂｒａｉｎ Ｖｉｓｉｏｎ Ｖ−Ａｍｐ）の忠実度と同等である。表皮電極の隣に配置された標準的な粘着性電極からのＥＣＧ測定結果（左前腕の遠位位置付近に接地電極を装着）が図９３に記載されている。
[0281]図９０Ｄは、左眼の前方と後方（且つ左外側眼角から少し側方）の位置で１秒に１回被検者が瞬く時に記録された、呼応するＥＯＧを示す図である。ＥＭＧ及びＥＥＧでも同等レベルの一致が発生し、この場合、市販システムにおいて１対のＡｕめっきＡｇ電極を使用し、粘着ステッカー及び導電性電極ゲルを使用して頭部に保持させ、付近に接地電極を装着した。拳を握り締めている間の橈側手根屈筋上方の近位左前腕から測定したＥＭＧが図９０Ｅに記載され、図９０ＦではＡＦ７の位置の側方電極を基準とする位置Ｆｐｚでの毛髪生え際後方に市販電極を装着して、前頭部で測定されたＥＥＧを示している。表皮電極の位置は真後ろ、平行及び等間隔であった。ここでは、被検者が暗算（２００から７刻みでの逆算）を１分間、目を閉じて行った後、１分間休憩した。目を閉じた状態からのＥＯＧ活性は、これら２つの作業を分ける。データは予想通り、暗算実行中の強い高周波活性と、安静時の強い低周波活性を明らかにした（図９４）。
[0282]材料、力学及びデバイス統合における中核的概念は、一般的適用性を有する。多面的測定システムは、ＥＰ検出能力があるだけでなく、３軸加速度計による運動記録及びホイートストンブリッジ構成のサーミスタによる温度記録能力もあり（図９５Ａ及び図９６）、一例を提供する。この一連の測定能力は、スポーツでのトレーニングから睡眠時無呼吸の追跡、新生児医療におけるモニタリング、認識状態及び覚醒の評価に至るまで、多数の用途に重要である。マルチプレクサは３つのセンサチャンネルの出力を逐次切り替えることにより、１台の電圧制御型発振器でのデータ送信を可能にする。特に、ＥＰ、加速度及び温度のチャンネルからのデータは、１：２の振動周波数比のチューニングによって２ビットの制御ロジックを生成する２台の発振器によって決定付けられる通り、それぞれ１８秒間、９秒間及び９秒間にわたり送信される。デバイスは３１の構成要素チップ、及び総体的サイズが１．９×２．９ｃｍ２の、４つの交差を有する相互接続ネットワークを含む。表３及び図９６は、構成要素及び設計論拠の要約である。パルス幅変調発振器は周期的に電圧制御型発振器の動作と停止を切り替え、周波数１０００Ｈｚ時の負荷サイクルが約７％の場合（図９８）、平均電力消費量を約４０ｍＷ（連続動作モード）から約６．３ｍＷにまで低減させる。この電力レベルは、ＮＦＣで対処できるだけでなく、小型コイン電池でも、或いは潜在的に、遠距離ＲＦ電力伝達でも対処できる範囲に該当する。１対の導体パッドは、これら又は他の選択肢を電源装置に統合することを可能にする（図９５Ａ）。誘導電源及び電池電源の例が図９９に記載されている。回路と力学を組み合わせた反復的設計プロセスは、単一チャンネルデバイス向けに記述されるプロセス同様、高レベルの伸縮性及び低い実効弾性を可能にする。結果として、システム（図９５Ｂ）は必然的に皮膚と一体化することができ、また撚り、延伸及び圧迫を受けている間でもファンデルワールス力によって付着を維持することができる（図９５、Ｃ及びＤ）。図９５Ｅは、拳の握り締めと弛緩を繰り返す過程で前腕から記録されたＥＭＧを示す図である。歩行時及び転倒時の加速度計の出力が図９５Ｆに記載されている。デバイスへの呼吸（図９５Ｇ）及び身体運動によって誘発される温度応答は、市販のＩＲカメラを使用して観察される応答と整合的である（図１００及び１０１）。
[0283]表３。多機能システム用チップ情報。
[0284]本発明で例示される発想は、センサ、回路、無線装置及び電源装置からなる組立品を、一様に柔軟な弾性力学応答を示すシステムへ統合するための、多目的な経路を提供する。これらの物理的特徴は、他のアプローチにおける能力を補完及び拡大する能力のある、装着型電子デバイスにおける先進的動作モードを実現する、皮膚への直接積層を可能にする。他の実施形態は、例えば、軟質センサからなる分散型アレイからの信号を増幅及び多重化により処理するための表皮トランジスタを、データの保存、処理及びＲＦ送信用のチップスケール構成要素からなる小型の伸縮性集合体と組み合わせることができる。そうした機会は、電力効率の良い無線装置（２４〜２６）、無線エネルギー変換（２７〜２９）及び機能性マイクロ流体（１４〜１６）の進歩と共に、有望な身体融和型電子機器を示唆するものである。
補足情報
材料及び方法
[0285]回路設計の論拠。誘導型ＥＣＧシステムの場合、チップ１０５（１０μＦのキャパシタ）が、入力ＥＣＧ信号のＤＣオフセットの防止に使用される。チップ１０７（０．１μＦのキャパシタ）及びチップ１３（２００ｋΩ）は、入力ＥＣＧ信号から低周波ノイズを除去するためのハイパスＲＣフィルタを形成する。計装用増幅器（ＡＤ６２７ｂ、チップ１）は、ＥＣＧ信号を８００倍に増幅する。チップ１０７（０．１μＦのキャパシタ）及びチップ１０（１０ｋΩ）は、増幅後のＥＣＧ信号から高周波ノイズを除去するためのローパスＲＣフィルタを形成する。電圧制御型発振器（ＭＡＸ２７５０、チップ３）は、ＥＣＧ信号電圧を表わす高周波信号を生成する。このチップの出力は小型アンテナを通過する（チップ１８）。誘導電力モジュールは共振誘導結合を基本とし、１０μＨの誘導コイル（２７Ｔ１０３Ｃ、チップ１０１）及び０．１μＦのキャパシタ（チップ１０７）がＬＣループを形成する。
[0286]多機能デバイスの場合、ＥＰ増幅サブユニットはＥＣＧシステムのものと同様である。加速度検知モジュールは、加速度をアナログ電圧出力へ変換するチップ６（ＫＸＴＨ９）で構成される。温度検知モジュールは、温度をアナログ電圧出力へ変換する架橋回路を使用する。チップ５（ＰＴＳ０８０５０１Ｂ５００ＲＰ１００）はＲＴＤセンサである。チップ１６及び１７は、架橋ループを形成するペア抵抗器である。多重化モジュールにおいて、チップ２１（ＬＴＣ６９９１）は、ＥＰ、温度及び加速度の検知を切り替えるマルチプレクサ（ＭＡＸ４７３４、チップ２）を制御する発振信号を生成する。無線データ送信サブユニットは、ＥＣＧシステムのものと同様である。
[0287]弾性デバイス基板上の表面レリーフの成形構造。プロセスは、１個の清浄な（１００）Ｓｉウエハをプラズマ化学気相堆積法（ＳＴＳ ＰＥＣＶＤ）により形成された厚さ１００ｎｍのＳｉ３Ｎ４膜で被覆したものから始まった。フォトリソグラフィ（ＡＺ Ｐ４６２０、３０００ｒｐｍ、３０秒、１１０℃で３分間の軟焼成、３００ｍＪ／ｃｍ２、容積比１：２のＡＺ４００Ｋ及び１分間のＤＩ水）及び反応性イオンエッチング（ＲＩＥ、２２．５ｓｃｃｍ ＣＦ４、４０ｍＴ、１５０Ｗ、８分間）により、複数の円（直径２０μｍ）からなるアレイをＳｉ３Ｎ４中で定義した。ＫＯＨによるシリコンの湿式化学異方性エッチング（１００ｍｌ、３３重量％の水溶液、２０ｍｌのイソプロパノールアルコール、１３０℃、４５分間、強磁気攪拌）により、ウエハの表面に複数のピラミッド状凹型領域からなるアレイを生成した。残りのＳｉ３Ｎ４を除去した後、第２のフォトリソグラフィ手順（ＡＺ Ｐ４６２０）及び誘電結合プラズマ反応性イオンエッチングプロセス（ＩＣＰ ＲＩＥ、ボッシュプロセス）により、チップの支柱用の溝（深さ３０μｍ）を定義した。第３のフォトリソグラフィ手順（ＡＺ Ｐ４６２０）及びＲＩＥプロセス（ＳＴＳ ＩＣＰ ＲＩＥ、ボッシュプロセス）により、分離バリア用の溝（深さ１００μｍ）を定義した。ポリテトラフルオロエチレン層（約２００ｎｍ）の共形蒸着（ＳＴＳ ＩＣＰ ＲＩＥ）により、全ての露出表面の付着が最小限となるようにした。薄型（３００μｍ）シリコーン基板（Ｅｃｏｆｌｅｘ（Ｓｍｏｏｔｈ−Ｏｎ社（ペンシルベニア州Ｅａｓｔｏｎ）製））を、市販キットの２つの構成要素を重量比１：１で混合し、結果的な材料を回転成形（３００ｒｐｍで３０秒間）させ、加工済みＳｉウエハへ載せた後、固形に硬化（室温で２時間）させることによって調製した。
[0288]相互接続ネットワークの製造。プロセスは、基剤と硬化剤を１０：１の比率で混合して清浄なガラススライドに載せたポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ、Ｓｙｌｇａｒｄ１８４）の、３０００ｒｐｍ、３０秒間の回転成形から始まった。７０℃のオーブンで２時間かけて硬化させた後、ＰＤＭＳを酸素プラズマに曝露させた（２０ｓｃｃｍ Ｏ２、３００ｍＴ、２００Ｗ、３０秒）。その後、厚さ２．４μｍのポリイミド層（ＰＩ、ポリ（ピロメリト酸二無水物−ｃｏ−４，４’−オキシジアニリン）アミド酸溶液を回転成形（２０００ｒｐｍ、６０秒）により加え、１５０℃のホットプレートで４分間、及び１０ｍＴ、２５０℃の真空オーブンで１時間、焼成した。相互接続及び金属電極は、厚さ４００ｎｍのＣｕ層をＰＩへ電子ビーム蒸着させたもので構成された。フォトリソグラフィ（ＡＺ Ｐ４６２０）及びエッチング（ＣＥ−１００銅エッチング液、Ｔｒａｎｓｅｎｅ社製）により、Ｃｕ内のパターンを定義した。次に、回転塗布により構造全体の上方に厚さ２．４μｍの第２のＰＩ層を形成した。次いで厚さ５０ｎｍのＳｉＯ２層を電子ビーム蒸着させ、ＰＩ用のエッチングマスクの役割を果たすようにした。次に、フォトリソグラフィ（ＡＺ Ｐ４６２０）、ＲＩＥエッチング（５０ｍＴ、４０ｓｃｃｍ ＣＦ４、１００Ｗ、２０分）及び酸素プラズマエッチング（２０ｓｃｃｍ Ｏ２、３００ｍＴ、２００Ｗで２１分間）により、金属配線に適合する幾何形状のＰＩ層をパターン化した。残りのＳｉＯ２マスクを緩衝酸化物エッチング液を使用して除去し、回路全体の電極を８０℃の無電解Ｓｎめっき溶液（Ｔｒａｎｓｅｎｅ社製）に最長１０秒間浸漬した。Ｓｎは、結合パッド上でのはんだの良好な湿潤性を確保する目的で、露出したＣｕ表面に限り蒸着させた。最後に、回路電極を水溶性テープ（３Ｍ社製）を使用して回収し、デバイス基板への移送位置を合わせた。
[0289]チップ構成要素の組み立て。相互接続のパッド（チップの装着箇所）上でのＴｉ（５ｎｍ）／ＳｉＯ２（５０ｎｍ）の電子ビーム蒸着により、裏面被覆を形成した（３０）。支柱とパターンが合致するＰＩ製シャドーマスク（Ｓｔｅｎｃｉｌｕｎｌｉｍｉｔｅｄ社製）の位置を合わせ、成形シリコーン基板に積層した。次いで基板を、紫外線誘発性オゾンへの５分間の曝露によって活性化した。相互接続ネットワークをこの表面に合わせて積層した結果、接触後、支柱の位置に限り、不可逆性の強固な結合がもたらされた。１０分間養生させた後、水道水に１時間浸け置きして水溶性テープを除去した。次いで無電解Ｓｎめっき用のものと同じ、別のシャドーマスクを位置合わせして電極に積層して、構成要素チップそれぞれに関連するピン接点用の導体パッドを選択的に露出させた。Ｓｎ４２Ｂｉ５８合金はんだペースト（Ｃｈｉｐ Ｑｕｉｋ社製、ＳＭＤＬＴＦＰ２５０Ｔ３）を導体パッドにスクリーン印刷した。三脚付き研磨装置による擦り合わせ及び研磨の複合プロセスを使用して、最も厚いチップを薄くし、全てのチップが厚さ１ｍｍ未満となるようにした。擦り合わせプロセスには高速逆回転研削手順に続いて、残った粗い表面を除去する研磨プロセスが関係した。各チップ構成要素を、光学顕微鏡下で電極上に手作業で配置した。全てのチップを所定の位置に配置した後、最高１８０℃のオーブンで５分間、はんだペーストのリフローを行った。良好なはんだ付けは外観が平滑で艶があり、導体パッドを完全に湿潤させた。薄いシリコーンスーパーストレート（厚さ約１００μｍ）で、デバイスのチップ領域全体を封入した。部分的に硬化したシリコーンを追加塗布して端部を密閉した後、１２０℃のホットプレートで１０分間焼成した。液体ＰＤＭＳベース（Ｓｙｌｇａｒｄ１８４、硬化剤不使用）を端部経由で蓋付きの空隙へ注入し、毛管力を介して全てのチップ及び相互接続を被覆した。
[0290]デバイスの機械的試験及びシミュレーション。金属製ドットからなるアレイ（１００ｎｍのＣｒ、各ドットの直径０．４ｍｍ、１ｍｍ間隔）を、レリーフ基板の裏面に装着したポリイミドシャドーマスクを介して蒸着させた。相互接続ネットワークとチップを統合し、ＰＤＭＳベースの薄層を追加した後、特別製のステージを使用してデバイスに均等二軸延伸を加えた。両方の方向で徐々に、且つ同時に、歪みを添加／除去した。変形の様々な段階でのデバイスの画像を、金属製ドットがはっきり見えるよう、デバイスの後ろ側からデジタル一眼レフカメラで撮影して収集した。デバイスにおけるチップ及び相互接続を有する状態と有さない状態でのヤング率を、ＩＮＳＴＲＯＮ ＭＩＮＩ４４を使用して直交方向で測定した。歪み・応力曲線を、少なくとも３回の個別測定を対象に平均化した。ＦＥＡ技法を使用して機械的シミュレーションを実施した。
[0291]完全３次元ＦＥＡを採用して、デバイスの全体における一軸及び二軸の延伸条件下での座屈後挙動を解析した。チップを、小型円形（直径１ｍｍ）及び長方形（０．５ｍｍ×１．０ｍｍ）のペデスタルを介してシリコーン基板（Ｅｃｏｆｌｅｘ、厚さ０．５ｍｍ）へ選択的に結合した。金属製相互接続配線（Ｃｕ、太さ４００ｎｍ）をそれぞれ、ポリイミド薄層（ＰＩ、各層の厚さ２．４μｍ）で上下から包囲した。弾性率（Ｅ）及びポアソン比（ｖ）は、ＥｃｏｆｌｅｘについてはＥＥｃｏｆｌｅｘ＝０．０６２３ＭＰａ及びｖＥｃｏｆｌｅｘ＝０．４９、銅についてはＥＣｕ＝１１９ＧＰａ及びｖＣｕ＝０．３４、ＰＩについてはＥＰＩ＝２．５ＧＰａ及びｖＰＩ＝０．３４である。８ノード３次元固体要素及び４ノードシェル要素をそれぞれｅｃｏｆｌｅｘ及び自己相似電極向けに使用し、正確性を確保するため精密メッシュを採用した。個々の相互接続について臨界座屈歪み及び最低座屈モードを判定するための線形座屈解析を実施し、次いでこれを座屈後シミュレーションにおける初期の幾何学的欠陥として実装した。歪みを加えた状態での変形構成の進化を、図８３、８４、８６及び８７に記載の通り、一軸延伸と二軸延伸両方の条件下でのデバイス全体について、ＦＥＡから取得した。ＦＥＡ結果と実験結果との間に良好な一致が認められ得る。
[0292]ヒト被験者でのデバイスの機能試験。デバイスの統合に先立ち、毛髪を除去し、皮膚を軽い研磨剤で洗浄し、スコッチテープを使用して角質層の一部を剥離及び皮脂を除去した（３１）。その後、デバイスを、皮膚においてＥＰ信号記録に望ましい部分に装着した。ＮＦＣの電源用として、ＫＥＩＴＨＬＥＹ ３３９０の５０ＭＨｚ任意波形発生装置を使用して一次コイルへの高周波交流電流源を生成した。無線コイルの入出力特性を、Ａｇｉｌｅｎｔ ｉｎｆｉｎｉｉｕｍ ＤＳＯ８１０４Ａ型オシロスコープ（１ＧＨｚ、４チャンネル）を使用して測定した。ＥＣＧデータを後部アンテナで受信した後、２．２〜２．７ＧＨｚ帯のパスフィルタ（ＲＦ−ｌａｍｂｄａ、ＲＢＰＦ２４５０、製造番号１２０４１９０２２２７）経由でフィルタリング処理し、２．２〜２．７ＧＨｚの低ノイズ増幅器（ＺＱＬ−２７００ＭＬＮＷ＋）で増幅し、周波数カウンタで読み取り、周波数変調信号を処理及び解析した。市販機器での記録用に、１対のＡｕ／Ａｇリング電極を使用し、導電性電極ゲルと併せて粘着ステッカーで皮膚に固定した。右腕の、より近位の部分に接地電極を取り付けた。無線システムを、市販システムでの測定に使用する電極のすぐ隣に配置し、浮遊式接地を活用した。記録されたデータを、ラインノイズ及び他の高周波の人為的影響はもとより、信号の低速ドリフトも排除するよう、バンドパスフィルタに通した。各信号の平均電圧を差し引いてＤＣオフセットを排除した。次いでデータをピーク値に対して正規化し、比較しやすいようにした。
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実施例５：低弾性固体材料と併せて格納室を使用するシステムの力学的モデリング
[0293]図１０２ａは、格納室内に封入された電子システムの高い伸縮性を達成するための設計配置の概略図である。記載の実施形態において、電子システムは、基板１００２及びスーパーストレート１００４によって形成される格納室内に封入された電子デバイス又は構成要素１０００を備える。電子デバイス又は構成要素１０００は、基板１００２及び第１の充填材又は低弾性固体１００６によって支持される。第２の充填材又は低弾性固体１００８は、電子デバイス又は構成要素１０００の上面及び側面と接触する。一実施形態において、第１の充填材の厚さは１０００μｍ以下であるか、又は５００μｍ以下であるか、又は２５０μｍ以下であるか、又は１００μｍ以下である。一実施形態において、第１及び第２の充填材は、同じであるか又は異なる低弾性固体材料であってもよい。一実施形態において第１の充填材及び第２の充填材のヤング率は、同じであるか又は異なっていてもよい。一実施形態において、格納室内に２種類を超える充填材（例えば３種類、４種類、５種類、６種類の充填材）が（例えば混合又は層状に）存在していてもよい。
[0294]一実施形態において、電子デバイス又は構成要素１０００は、第１の充填材へ完全に結合されるか、部分的に結合されるか、又は繋留され得る。一実施形態において、電子デバイス又は構成要素１０００は、第１の充填材上で自立している。
[0295]一実施形態において、電子デバイス又は構成要素１０００は基板１００２へ繋留されるが、少なくとも部分的に第１の充填材１００６によって支持される。例えば、一実施形態において、第１の充填材１００６は必然的に、ペデスタルによって少なくとも部分的に支持される電子デバイス又は構成要素の下方の空間を埋める。
[0296]重要な力学的概念の１つは、電子機器の変形を基板の変形から分断することであり、これは一部の実施形態において、電子機器と基板との間を軟質材料で埋めることによって達成され得る。我々は様々な低弾性固体充填材の使用による力学的性能を解析するため、完全３次元ＦＥＡを採用した。我々は蛇行型配置（図１０２ｂに記載の通り）における、超薄型銅層（０．３μｍ）を２つのポリイミド（ＰＩ、１．２μｍ）層で挟んだものを使用する電気相互接続を研究した。この相互接続は、軟質エラストマー（即ち図１０２ａに記載の充填材、厚さはｔｆｉｌｌｅｒ−１＝１００μｍ、ｔｆｉｌｌｅｒ−２＝４００μｍ）に封入され、基板（Ｅｃｏｆｌｅｘ、２００μｍ）へ積層される。スーパーストレートが電子機器の変形に及ぼす効果は無視してよい程度であるため、ＦＥＡでは考慮されていない。ＦＥＡで採用された材料パラメータが表４に記載されている。８ノード３次元固体要素が基板及び充填材向けに、また４ノードシェル要素が蛇行型相互接続向けに、正確性を確保するための精密メッシュと併せて使用された。
[0297]計算上の弾性伸縮性が表５に、弾性率が０〜１．０ＭＰａの範囲の様々な典型的充填材について要約されている。弾性伸縮性は、充填材のヤング率が低下するにつれ高くなる。シルビオン（Ｓｉｌｂｉｏｎｅ（登録商標）ＲＴ Ｇｅｌ ４７１７ Ａ／Ｂ（Ｂｌｕｅｓｔａｒ Ｓｉｌｉｃｏｎｅｓ社製）及びＰＤＭＳ（１：５０）など超低弾性エラストマーが採用され、予測される弾性伸縮性（１１５．６％及び１０８．４％）は、２つの端部から延伸される自立型相互接続の限度（１２０．０％）に非常に近い（流体システムによって提供される環境と同等である）。この一連のシミュレーションは、低弾性固体充填材を使用する伸縮性設計の力学的優位性を示すものである。

実施例６：低弾性固体材料と併せて格納室を使用するシステムの製造
[0298]一実施形態において、低弾性固体を備える格納システムは、空隙を形成するスーパーストレート及び基板の結合によって製造され得る。スーパーストレートは、例えば、複数の側壁及び上部壁を備えるものであってもよい。次いで、シルビオンなど低弾性固体は、針を使用して、例えばスーパーストレートと基板との間の端部を介して、空隙へ注入され得る。一般的に、注入穴は針の除去後に自己密閉するが、この密閉の頑健性を増進するためのエラストマーが注入箇所で追加され得る。
[0299]代替的実施形態において、低弾性固体を備える格納システムは、複数の側壁の基板への結合による開いた空隙形成によって製造され得る。次いで開口を介して低弾性固体が空隙へ追加される。最後に、上部壁が側壁の上に配置されて密閉されることにより、低弾性固体を包囲する。
実施例７：流体及び／又は低弾性固体材料が充填される格納室におけるシステムの製造
[0300]自己相似構造を有する相互接続を、従来的なフォトリソグラフィにより、ＰＩ（１．２ミクロン）被覆Ｃｕ箔（５ミクロン）を使用して製造する。次いで相互接続を水溶性テープを使用して取り出し、電子ビーム蒸着によりＣｒ（５ｍｍ）／ＳｉＯｘ（６０ｍｍ）層を蒸着させる。最後に、相互接続を所望の基板へ移し、個々の太陽電池、電池又は他の電子デバイス又は構成要素を相互接続へ、Ｉｎベースのはんだを使用して取り付ける。
[0301]一実施形態において、基板（例えばＥｃｏｆｌｅｘ）は、相互接続を受容する基板の表面に、低弾性固体（例えばＳｉｌｂｉｏｎｅ）の層を有する。この構造を形成する一方法において、Ｓｉｌｂｉｏｎｅは基剤と硬化剤の比率２：１で混合され、次いで厚さ０．５ｍｍのＥｃｏｆｌｅｘ層へ回転塗布され、室温で２日間にわたり硬化された後、相互接続及び他の構成要素は低弾性固体と接触している状態となる。Ｅｃｏｆｌｅｘ製のスーパーストレート又はキャップが基板へ結合され、流体又は低弾性固体が格納室の空隙へ注入される。
[0302]一実施形態において、相互接続は基板へ直接結合される。この構造を形成する一方法において、相互接続は厚さ０．５ｍｍのＥｃｏｆｌｅｘ層へ移される。電子デバイス（複数可）の組み立て後、基板はシリコーンキャップで被覆され、Ｅｃｏｆｌｅｘで密閉される。密閉完了後、ＰＤＭＳ基剤がキャップへ注入される。
[0303]図１０３Ａは、第１の低弾性材料及び流体又は第２の低弾性材料を備える設計配置の概略図である。図１０３Ｂは、流体又は低弾性固体を充填された格納室が、基板と接触している状態の誘電材料上の２つの電子デバイス又は構成要素にはんだ付けされた太陽電池を収容する設計配置の概略図である。図１０４は、図１０３Ｂのデバイスの写真及び分解図である。
参照による組込み及び変形例の記載
[0304]本出願全体を通した全ての参考文献、例えば発行された又は付与された特許又は均等物を含む特許文書；特許出願公開；及び非特許文献文書又はその他の出典資料は、あたかも参照により個々に組み込まれるように、各参考文献が少なくとも部分的に本出願の開示と矛盾しなくなる程度まで、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる（例えば、部分的に矛盾している参考文献は、参考文献の部分的に矛盾している部分を除き、参照により組み込まれる。）。
[0305]本明細書で用いられてきた用語及び表現は、記述する用語として且つ限定することなく使用され、そのような用語及び表現の使用において、図示され記述される特徴又はその部分のいかなる均等物も排除するものではなく、特許請求の範囲に記載される本発明の範囲内で様々な修正が可能であることが理解される。したがって、本発明を好ましい実施形態、例示的な実施形態、及び任意選択の特徴により特に開示してきたが、本明細書に開示された概念の修正例及び変形例を当業者が利用することができ、そのような修正例及び変形例は、添付される特許請求の範囲により定義されるように本発明の範囲内にあると見なされることを理解すべきである。本明細書で提供された特定の実施形態は、本発明の有用な実施形態の例であり、本発明は、本発明の記述で述べたデバイス、デバイス構成要素、及び方法ステップの多数の変形例を使用して実施できることが当業者に理解されよう。当業者に明らかにされるように、本発明の方法で有用な方法及びデバイスは、多数の任意選択の組成物と加工要素及びステップを含むことができる。
[0306]置換基の群が本明細書に開示される場合、その群の全ての個々のメンバ及び全てのサブグループであって、群のメンバの任意の異性体、鏡像異性体、及びジアステレオマーを含めたものが、個々に開示されることが理解される。マーカッシュ群又はその他のグループ分けを本明細書で使用する場合、この群の全ての個々のメンバと、この群の可能性ある全ての組合せ及び部分組合せは、本開示に個々に含まれるものとする。化合物の特定の異性体、鏡像異性体、又はジアステレオマーが例えば式において又は化学名において特定されないように、化合物が本明細書で記述される場合、その記述は、個々に又は任意の組合せで記述された化合物の各異性体及び鏡像異性体を含むものとする。さらに、他に指示しない限り、本明細書に記述される化合物の全ての同位体変種は、本開示により包含されるものとする。例えば、開示される分子中のいずれか１つ又は複数の水素は、重水素又はトリチウムで置き換えることができることが理解されよう。分子の同位体変種は、分子用のアッセイにおいて、且つ分子又はその使用に関係した化学的及び生物学的研究において、標準として一般に有用である。そのような同位体変種を作製するための方法は、当技術分野で公知である。化合物の特定の名称は、当業者が同じ化合物を異ならせて呼ぶことができることが公知である場合、例示的なものであるとする。
[0307]本明細書において、例えば整数の範囲、温度範囲、時間範囲、組成範囲、又は濃度範囲など、範囲が示されている場合、全ての中間範囲及び部分範囲はもとより、示された範囲に含まれる個別の値も、開示に含まれると意図される。本明細書で使用される範囲は、特に、範囲のエンドポイント値として提供される値を含む。本明細書では、範囲は、特に、範囲の整数値を全て含む。例えば、１〜１００の範囲は特に、エンドポイント値である１及び１００を含む。本発明の記述に含まれる範囲又は部分範囲における如何なる部分範囲又は個別の値も、本発明の請求項から除外され得ると理解されることになる。
[0308]本明細書に開示された分子の多くは、１つ又は複数のイオン化可能な基を含有する［そこからプロトンを除去することができる基（例えば、−ＣＯＯＨ）若しくは付加することができる基（例えば、アミン）、又は４級化することができる基（例えば、アミン）］。そのような分子の全ての可能性あるイオン形態及びそれらの塩は、本明細書の開示に個々に含まれるものとする。本明細書の化合物の塩に関し、当業者は、所与の適用例に関する本明細書の塩の調製に適切な、広く様々な利用可能な対イオンの中から選択することができる。特定の適用例において、塩を調製するための所与のアニオン又はカチオンの選択は、塩の高い又は低い溶解性をもたらしてもよい。
[0309]本明細書に記述され又は例示される構成要素の全ての配合物又は組合せは、他に指示しない限り本発明を実施するのに使用することができる。
[0310]本明細書において、例えば温度範囲、時間範囲、又は組成又は濃度範囲など、範囲が示されている場合、全ての中間範囲及び部分範囲はもとより、示された範囲に含まれる個別の値も、開示に含まれると意図される。本発明の記述に含まれる範囲又は部分範囲における如何なる部分範囲又は個別の値も、本発明の請求項から除外され得ると理解されることになる。
[0311]本明細書において言及される特許及び刊行物は全て、本発明が関係する分野の当業者の技量水準を示すものである。本明細書において引用される参考文献は、それらの刊行日又は提出日時点での最先端を示すものとしてその全体が参照により本明細書に組み込まれ、この情報は、必要であれば、先行技術に該当する特定の実施形態を除外するために、本明細書において採用され得ると意図される。例えば、物質組成が特許請求される場合、出願人による発明に先立ち当該技術分野で既知且つ入手可能である化合物は、本発明で引用される参考文献に実施可能な程度の開示が記載されている化合物を含め、本発明における物質組成特許請求に含まれることを意図されないことが理解されるべきである。
[0312]本明細書で使用され且つ添付される特許請求の範囲で使用されるとき、単数形「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」は、文脈が他に明らかに指示しない限り、複数形を含むことに留意されたい。したがって、例えば、「セル」と言った場合は当業者に公知の複数のそのようなセル及びそれらの均等物、及び同様のものが含まれる。同様に、「ａ」（又は「ａｎ」）、「１つ又は複数」、及び「少なくとも１つ」という用語は、本明細書では同義に使用することができる。「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、及び「有する」という用語を同義に使用できることにも留意されたい。「請求項ＸＸ〜ＹＹのいずれかの」という表現（ＸＸ及びＹＹは、請求項の番号を指す。）は、代替形態で多数の従属クレームを提示するものとし、いくつかの実施形態では、「請求項ＸＸ〜ＹＹのいずれか一項」という表現と同義である。
[0313]本明細書で使用される「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」は、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「含有する」、又は「〜によって特徴付けられる」と同義であり、包括的又は非制限的であり、追加の引用されていない要素又は方法ステップを除外しない。本明細書で使用される「〜からなる」は、特許請求の範囲の要素に指定されていない任意の要素、ステップ、又は成分を除外する。本明細書で使用される「〜から本質的になる」は、特許請求の範囲の基本的及び新規な特徴に実質的に影響を及ぼさない材料又はステップを除外しない。本明細書の各場合において、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「〜から本質的になる」、及び「〜からなる」という用語のいずれかは、他の２つの用語のいずれかによって置き換えられてもよい。本明細書で例示的に記述された本発明は、本明細書で特に開示されていない任意の要素又は複数の要素、１つ又は複数の制限が存在しない状態で、適切に実施することができる。
[0314]当業者なら、特に例示されたもの以外の出発材料、生物材料、試薬、合成方法、精製方法、解析方法、アッセイ方法、及び生物学的方法を、過度な実験に頼ることなく本発明の実施の際に用いることができることが理解されよう。任意のそのような材料及び方法の、全ての当技術分野で公知の機能的均等物は、本発明に含まれるものとする。用いられてきた用語及び表現は、記述する用語として且つ限定することなく使用され、そのような用語及び表現の使用において、図示され記述される特徴又はその部分のいかなる均等物も排除するものではなく、特許請求の範囲に記載される本発明の範囲内で様々な修正が可能であることが理解される。したがって、本発明を好ましい実施形態及び任意選択の特徴により特に開示してきたが、本明細書に開示された概念の修正例及び変形例を当業者が利用することができ、そのような修正例及び変形例は、添付される特許請求の範囲により定義されるように本発明の範囲内にあると見なされることを理解すべきである。

Claims (81)

  1. ｉ．基板と、
    ｉｉ．前記基板によって支持され、自立型であるか又は前記基板へ繋留される電子デバイス又はデバイス構成要素と、
    ｉｉｉ．少なくとも部分的に前記電子デバイス又はデバイス構成要素を包囲し、少なくとも部分的に格納流体又は低弾性固体が充填される格納室と、
    を備える電子システム。
  2. ｉ．超低弾性層と、
    ｉｉ．前記超低弾性層によって支持される基板と、
    ｉｉｉ．前記基板によって支持され、自立型であるか又は前記基板へ繋留される電子デバイス又はデバイス構成要素と、
    ｉｖ．複数の側壁及び上部壁を備え、少なくとも部分的に前記電子デバイス又はデバイス構成要素を包囲し、少なくとも部分的に格納流体又は低弾性固体が充填される格納室と、
    を備え、
    ｖ．前記基板のヤング率が前記超低弾性層のヤング率より高く、前記上部壁のヤング率が前記格納流体又は前記低弾性固体のヤング率より高いことにより、前記システムのヤング率プロファイルが前記超低弾性層に対し実質的に直角の軸に沿って空間的に変動する
    電子システム。
  3. 前記超低弾性層がｅｃｏｆｌｅｘ（登録商標）を備える、請求項２に記載のシステム。
  4. 前記超低弾性層のヤング率が１５０ＫＰａ以下である、請求項２に記載のシステム。
  5. 前記超低弾性層のヤング率が５０ＫＰａ〜１５０Ｐａの範囲から選択される、請求項２に記載のシステム。
  6. 前記電子デバイス又はデバイス構成要素における前記自立型又は繋留型の構成が少なくとも部分的に、前記基板の運動又は変形を前記電子デバイス又はデバイス構成要素から分断する、請求項１又は２に記載のシステム。
  7. 前記電子デバイス又はデバイス構成要素における前記自立型又は繋留型の構成が少なくとも部分的に、前記基板の伸長、圧縮又は変形によって生じる力を前記電子デバイス又はデバイス構成要素から分断する、請求項１又は２に記載のシステム。
  8. 前記電子デバイス又はデバイス構成要素が、前記基板の受容表面に、又は前記基板と前記電子デバイス若しくはデバイス構成要素との間に設けられた中間構造上に設けられる、請求項１又は２に記載のシステム。
  9. 前記格納室が、前記電子デバイス又はデバイス構成要素の外側部分を包囲するよう配置された、１つ又は複数の包囲構造を備える、請求項８に記載のシステム。
  10. 前記格納室における前記１つ又は複数の包囲構造が、前記受容表面へ、又は前記受容表面と前記１つ若しくは複数の包囲構造との間に設けられた中間構造へ動作的に連結された、請求項９に記載のシステム。
  11. 前記格納室の前記１つ又は複数の包囲構造が、前記電子デバイス又はデバイス構成要素と物理的に接触していない状態である、請求項９に記載のシステム。
  12. 前記包囲構造が、前記電子デバイス又はデバイス構成要素の側面から少なくとも１０ミクロンの位置にそれぞれ配置される、１つ又は複数の格納室隔壁又はバリア構造を備える、請求項９に記載のシステム。
  13. 前記格納室が、前記電子デバイス又はデバイス構成要素を部分的に包囲する前記基板に設けられた１つ又は複数の凹型形体をさらに備え、前記１つ又は複数の包囲構造が前記凹型形体を包囲するように設けられる、請求項９に記載のシステム。
  14. 前記格納室の前記凹型形体が、前記電子デバイス又はデバイス構成要素の側面から少なくとも１０ミクロンの位置にそれぞれ配置される、１つ又は複数の格納室隔壁又はバリア構造を備える、請求項１３に記載のシステム。
  15. 前記格納室における前記包囲構造の少なくとも一部が、前記基板又は前記基板と前記包囲構造との間に設けられた中間構造へ積層される、請求項９に記載のシステム。
  16. 前記電子デバイス又はデバイス構成要素と電気的に接触している状態の１つ又は複数の伸縮性電気相互接続をさらに備える、請求項９に記載のシステム。
  17. 前記格納室の前記包囲構造のヤング率が１ＫＰａ〜１ＧＰａの範囲から選択される、請求項９に記載のシステム。
  18. 前記格納室が、前記格納流体に対し透過性でない材料を備える、請求項１又は２に記載のシステム。
  19. 前記格納室がエラストマーを備える、請求項１又は２に記載のシステム。
  20. 前記格納室が、ＰＤＭＳ、ｅｃｏｆｌｅｘ（登録商標）、又はシリコーンからなる群から選択される材料を備える、請求項１又は２に記載のシステム。
  21. 前記格納室の高さが１０μｍ〜１０ｃｍの範囲から選択される、請求項１又は２に記載のシステム。
  22. 前記格納室の容積の少なくとも５０％が前記格納流体によって占有される、請求項１又は２に記載のシステム。
  23. 前記格納室の容積の少なくとも０．１％が前記電子デバイス又はデバイス構成要素によって占有される、請求項１又は２に記載のシステム。
  24. 前記格納室が構造的に自己支持型である、請求項１又は２に記載のシステム。
  25. 前記格納室に前記格納流体が充填される、請求項１又は２に記載のシステム。
  26. 前記格納流体が前記電子デバイス又はデバイス構成要素と物理的に接触している状態である、請求項２５に記載のシステム。
  27. 前記電子デバイス又はデバイス構成要素が前記流体に完全に浸漬している状態である、請求項２５に記載のシステム。
  28. 前記格納流体が潤滑剤である、請求項２５に記載のシステム。
  29. 前記格納流体の粘度が０．１ｃＰ〜１００００ｃＰの範囲から選択される、請求項２５に記載のシステム。
  30. 前記格納流体が電解液である、請求項２５に記載のシステム。
  31. 前記格納流体のイオン伝導率が０．００１Ｓｃｍ−１以上である、請求項２５に記載のシステム。
  32. 前記格納流体が高いイオン抵抗性を有する、請求項２５に記載のシステム。
  33. 前記格納流体の蒸気圧力が２９８Ｋにて７６０Ｔｏｒｒ以下である、請求項２５に記載のシステム。
  34. 前記格納流体が液体、コロイド、ゲル又は気体である、請求項２５に記載のシステム。
  35. 前記格納流体が、プレポリマー、溶媒、非水電解液、シリコーン、天然油脂、合成油脂、ポリオレフィン及びフルオロカーボンからなる群から選択される材料である、請求項２５に記載のシステム。
  36. 前記格納室に低弾性固体が充填される、請求項１又は２に記載のシステム。
  37. 前記低弾性固体が、ゲル、プレポリマー、シリコーン、シリコーンゴム、天然油脂、合成油脂、ポリオレフィン又はフルオロカーボンである、請求項３６に記載のシステム。
  38. 前記低弾性固体のヤング率が２００ＫＰａ以下である、請求項３６に記載のシステム。
  39. 前記低弾性固体のヤング率が２ＫＰａ〜２００ＫＰａの範囲から選択される、請求項３６に記載のシステム。
  40. 前記低弾性固体のヤング率が、前記基板又は前記上部壁のヤング率の１０分の１以下である、請求項３６に記載のシステム。
  41. 前記電子デバイス又はデバイス構成要素が、前記基板又は前記低弾性固体によって支持される自立型構造であるか、又は前記基板又は前記低弾性固体と物理的に接触している状態である、請求項１又は２に記載のシステム。
  42. 前記自立型構造が、前記基板若しくは前記基板と前記自立型構造との間に設けられる中間構造との結合性相互作用を受け、前記結合性相互作用は双極子間相互作用又はファンデルワールス相互作用である、請求項４１に記載のシステム。
  43. 前記電子デバイス又はデバイス構成要素が、前記基板の１つ若しくは複数のレリーフ形体、又は前記基板によって支持される１つ若しくは複数のレリーフ形体によって支持される繋留型構造である、請求項１又は２に記載のシステム。
  44. 前記１つ又は複数のレリーフ形体が１つ又は複数のペデスタルを備える、請求項４３に記載のシステム。
  45. 前記１つ又は複数のレリーフ形体が少なくとも１０のペデスタルからなるアレイを備える、請求項４３に記載のシステム。
  46. 前記繋留型構造が前記１つ又は複数のレリーフ形体へ結合される、請求項４３に記載のシステム。
  47. 前記１つ又は複数のレリーフ形体がエラストマー、ＰＤＭＳ、ｅｃｏｆｌｅｘ（登録商標）、又はシリコーンを備える、請求項４３に記載のシステム。
  48. 前記１つ又は複数のレリーフ構造がそれぞれ独立的に１００ｎｍ〜１ｍｍの範囲にわたり選択される長さに延び、独立的に１００ｎｍ〜１ｍｍの範囲にわたり選択される１つ又は複数の物理的断面寸法を有する、請求項４３に記載のシステム。
  49. 前記電子デバイス又はデバイス構成要素が単結晶無機半導体構造を備える、請求項１又は２に記載のシステム。
  50. 前記電子デバイス又はデバイス構成要素が、導電構造、誘電構造、電極、カソード、アノード、及び付加的半導体構造からなる群から選択される少なくとも１つの付加的デバイス構成要素又は構造へ動作的に接続される、単結晶無機半導体構造を備える、請求項１又は２に記載のシステム。
  51. 前記電子デバイス又はデバイス構成要素が、１０ナノメートル〜約１００ミクロンの範囲から選択される厚さと、１００ナノメートル〜約１ミリメートルの範囲から選択される幅と、１ミクロン〜１ミリメートルの範囲から選択される長さとを有する、請求項１又は２に記載のシステム。
  52. 前記電子デバイス又はデバイス構成要素が単結晶半導体電子デバイスを備える、請求項１又は２に記載のシステム。
  53. 前記単結晶半導体電子デバイス又はデバイス構成要素が、トランジスタ、電気化学電池、燃料電池、集積回路、太陽電池、レーザ、発光ダイオード、ナノ電気機械デバイス、ミクロ電気機械デバイス、フォトダイオード、ＰＮ接合、センサ、記憶デバイス、集積回路、補助的論理回路からなる群から選択される１つ又は複数の電子デバイスを備える、請求項５２に記載のシステム。
  54. 少なくとも部分的に前記格納室に包囲された、又は少なくとも部分的に１つ又は複数の付加的格納室に包囲された、１つ又は複数の付加的電子デバイス又はデバイス構成要素をさらに備える、請求項１又は２に記載のシステム。
  55. 前記基板が可撓性基板又は伸縮性基板である、請求項１又は２に記載のシステム。
  56. 前記基板がポリマー基板である、請求項１又は２に記載のシステム。
  57. 前記基板が、エラストマー、ＰＤＭＳ、ｅｃｏｆｌｅｘ（登録商標）、及びシリコーンからなる群から選択される１つ又は複数の材料を備える、請求項１又は２に記載のシステム。
  58. 前記基板のヤング率が２０ＫＰａ〜１ＭＰａの範囲から選択される、請求項１又は２に記載のシステム。
  59. 前記基板の厚さが１００ミクロン〜１００ｍｍの範囲から選択される、請求項１又は２に記載のシステム。
  60. 前記電子デバイス又はデバイス構成要素と電気的に接触している状態の１つ又は複数の電気相互接続をさらに備える、請求項１又は２に記載のシステム。
  61. 前記１つ又は複数の電気相互接続が、前記電子デバイス又はデバイス構成要素と１つ又は複数の付加的な電子デバイス又はデバイス構成要素との間の電気的接触を確立する、請求項６０に記載のシステム。
  62. 前記電子デバイス又はデバイス構成要素、前記１つ又は複数の付加的電子デバイス又はデバイス構成要素及び前記１つ又は複数の電気相互接続が島状架橋形状で設けられ、前記電子デバイス又はデバイス構成要素が前記島状構造を備え、前記電気相互接続が前記架橋を備える、請求項６１に記載のシステム。
  63. 前記１つ又は複数の電気相互接続が前記基板へ個別に少なくとも１箇所で接続される、請求項６０に記載のシステム。
  64. 前記１つ又は複数の電気相互接続が伸縮性電気相互接続である、請求項６０に記載のシステム。
  65. 前記１つ又は複数の伸縮性電気相互接続が、前記電子システムの弾性、屈曲性又は両方をもたらすよう構成された伸縮性電気相互接続である、請求項６４に記載のシステム。
  66. 前記１つ又は複数の伸縮性電気相互接続のうち少なくとも１つが屈曲型、座屈型、折り畳み型、湾曲側、又は蛇行型の幾何形状を有する、請求項６４に記載のシステム。
  67. 前記１つ又は複数の伸縮性電気相互接続の少なくとも一部が、面内、面外又は面内と面外両方に、前記基板の支持面によって定義される面と相対する幾何形状を有する、請求項６４に記載のシステム。
  68. 前記支持表面が湾曲型である、請求項６７に記載のシステム。
  69. 前記支持表面が実質的に平坦である、請求項６７に記載のシステム。
  70. 前記１つ又は複数の電気相互接続の少なくとも一部が面内蛇行型幾何形状を有する、請求項６７に記載のシステム。
  71. 前記電気相互接続のうち少なくとも１つが、第１の剛性島状デバイスを備える前記デバイス構成要素を、第２の剛性島状デバイスを備える第２のデバイス構成要素と電気的に接続する、請求項６０に記載のシステム。
  72. 剛性島状デバイスを備えるデバイス構成要素からなるアレイをさらに備え、前記１つ又は複数の電気相互接続が、隣接する剛性島状デバイスを電気的に接続する、請求項７１に記載のシステム。
  73. 複数のデバイス構成要素をさらに備え、前記剛性島状のそれぞれが１つのデバイス構成要素に対応する、請求項７２に記載のシステム。
  74. 前記電子デバイス又はデバイス構成要素が自立型又は繋留型の完全に形成された集積回路である、請求項１又は２に記載のシステム。
  75. トランジスタ、電気化学電池、燃料電池、集積回路、太陽電池、レーザ、発光ダイオード、ナノ電気機械デバイス、ミクロ電気機械デバイス、フォトダイオード、ＰＮ接合、センサ、記憶デバイス、補助的論理回路又はこれらのいずれかからなるアレイを備える、請求項１又は２に記載のシステム。
  76. 請求項１又は２に記載の電気的に相互接続された複数のデバイスからなるアレイ。
  77. ｉ．基板と、
    ｉｉ．前記基板によって支持され、自立型であるか又は前記基板へ繋留される第１の電子デバイス構成要素の少なくとも一部を形成するアノードと、
    ｉｉｉ．前記基板によって支持され、自立型であるか又は前記基板へ繋留される第２の電子デバイス構成要素の少なくとも一部を形成するカソードと、
    ｉｖ．少なくとも部分的に前記アノード、前記カソード又は前記アノードと前記カソードの両方を包囲し、少なくとも部分的に、前記アノードと前記カソードとの間でのイオン輸送を可能にする電解液が充填される格納室と
    を備える電気化学電池。
  78. 前記アノード、前記カソード又は前記アノードと前記カソードの両方と電気的に接触している状態の１つ又は複数の伸縮性電気相互接続をさらに備える、請求項７７に記載の電気化学電池。
  79. 前記１つ又は複数の伸縮性電気相互接続がそれぞれ独立的に、自己相似蛇行型幾何形状を有する、請求項７８に記載の電気化学電池。
  80. 請求項７７に記載の、電気的に相互接続された複数の電気化学電池を備えるアレイ。
  81. 基板の準備と、
    自立型又は前記基板上の格納室内の前記基板に繋留される電子デバイス又はデバイス構成要素を設けることにより、前記格納室が少なくとも部分的に前記電子デバイス又はデバイス構成要素を包囲するようにすることと、
    少なくとも部分的に前記格納室に格納流体又は低弾性固体を充填すること
    を備える電子システム製造方法。
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