TWI535417B - 使用適形電子器件之活體高速、高解析度電生理學 - Google Patents

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TWI535417B
TWI535417B TW099144263A TW99144263A TWI535417B TW I535417 B TWI535417 B TW I535417B TW 099144263 A TW099144263 A TW 099144263A TW 99144263 A TW99144263 A TW 99144263A TW I535417 B TWI535417 B TW I535417B
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約翰Ａ 羅傑斯
金大亨
布萊恩 利特
強納森 維凡提
約書亞Ｄ 摩斯
大衛Ｊ 科蘭斯
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美國伊利諾大學理事會
賓夕法尼亞大學董事會
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Description

使用適形電子器件之活體高速、高解析度電生理學
本發明係在醫學裝置之領域中。本發明一般而言係關於用於包括對組織之感測及致動的生物醫學應用之撓性且可構形電子裝置。相關申請案交叉參考
本申請案請求對分別於2009年12月16日、2010年3月12日及2010年9月30日提出申請之美國臨時申請案第61/286,921、61/313,397及61/388,529號之權益，該等美國臨時申請案中之每一者在非與本文不一致之情形下藉此以引用方式併入。
關於由聯邦政府發起的研究或開發的聲明
本發明係在來自美國能源部第DEFG02-91ER45439號獎金、國家科學基金授權DMI-0328162、美國能源部第DE-FG02-07ER46471號獎金、美國陸軍研究實驗室及美國陸軍研究辦公室合同號W911 NF-07-1-0618、國家神經疾病與腦中風研究所(NINDS)第RO1-NS041811-04及RO1-NS48598-01號獎金且藉助DARPA-DSO及國家衛生院P41組織工程資源中心獎金號P41 EB002520之美國政府支援下進行。美國政府對本發明具有一定權利。
在發達國家，突然的心跳驟停係死亡之主要原因。具有心律失常死亡風險之諸多患者具有晚期結構性心臟疾病，且先前存在非致命性心室心律失常。在此等及其他情形下，使用心臟電生理學(EP)檢查來幫助診斷並引導治療。用於此用途之習用裝置使用探測心臟組織之表面處之電位之稀疏電極陣列。在映射期間，連續機動感測器以自心臟上之離散位點進行記錄。將此等順序局部記錄與軟體「縫合」在一起以再現一所關心區內心電活動之一完整表示。此方法之反覆性質延長EP程序且阻礙對瞬時反常節律之即時映射。儘管較寬廣電子器件行業中存在爆炸性發展及創新，但EP裝置之關鍵限制在於，其一直保留著~40年以前其最早前身的簡單電子器件-組織介面。感測及刺激電極係個別地連線至使用基於半導體晶圓之傳統電子器件之單獨、遠端處理單元的純粹被動金屬觸點。可藉由直接在組織-電極介面處嵌入基於矽之現代積體電路(IC)技術而最有效地實現快速、高解析度EP映射。遺憾的是，與習用IC相關聯之平坦形狀及剛性、易碎機械性質嚴重地妨礙其與生物組織之曲線、柔軟表面的非破壞性、親密整合。
近來，數個專利及公開案揭示了撓性、彈性且可植入電極陣列。舉例而言，美國專利申請公開案US 2007/0043416揭示一種可植入撓性彈性支撐物，其中複數個電極與一目標組織相接觸地固持。類似地，國際專利申請公開案WO 98/49936揭示一種用於感測相關聯信號(映射)並消融心臟組織之彈性電極陣列。美國專利5,678,737揭示一種用於顯示心外膜及心內膜表面之一3D模型之電生理學映射系統，其中動態顯示電位分佈資料。
美國專利申請公開案US 2003/0149456揭示一種併入有一多工電路之一多電極心臟引線適配器，其允許由一習用單引線心臟起搏脈衝發生器來控制。類似地，美國專利申請公開案US 2006/0173364揭示一種多通道電生理學獲取系統，其利用構建於一習用積體電路上之一數位多工電路。美國專利第6,666,821號揭示一種可植入感測器陣列系統，其具有防止感測器與周圍環境互動直至其被停用之一相關聯保護部件。
國際申請公開案WO 2009/114689揭示用於記錄並調變生理學活動之撓性且可升級感測器陣列，該國際申請公開案藉此以整體引用之方式而併入。在2009年7月7日發行之美國專利申請公開案第US 2008/0157235、US 2008/0108171、US 2010/0002402號及美國專利7,557,367揭示多層可拉伸、可摺疊且可印刷半導體裝置，所有該等公開案及專利藉此以整體引用之方式而併入。
本文中提供生物醫學裝置以及製作及使用用於組織感測及致動應用之生物醫學裝置之方法。舉例而言，提供撓性及/或可拉伸生物醫學裝置，其包括適用於建立與一生物環境中之一組織之原位適形接觸的電子裝置。本發明包括可植入電子裝置及施用至一目標組織之表面之裝置，舉例而言，以用於自一組織(例如，心臟組織、腦組織或皮膚)獲得電生理學資料。亦揭示在一生物環境中感測並進行量測之方法，包括進行活體電生理學量測之方法。
在一個態樣中，本發明提供用於與一生物環境中之一組織介接之裝置，其包括可構形裝置。此態樣之裝置用於(舉例而言)感測及/或致動一生物環境中之一組織。當被置於一生物環境中時，本發明之一態樣之裝置視情況建立與一(或多個)目標組織之適形接觸，藉此提供適用於對組織進行感測或致動之接觸。此外，此態樣之裝置視情況在一組織移動及/或在跨越該組織之一表面移動該裝置時維持與該組織之該表面之適形接觸及/或電接觸及/或光學連通。
在一實施例中，本發明提供一種用於與一生物環境中之一組織介接之裝置，其包含：(1)一撓性或可拉伸基板；(2)一撓性或可拉伸電子電路，其包含由該撓性或可拉伸基板支撐之一個或多個無機半導體電路元件；及(3)一障壁層，其囊封該撓性或可拉伸電子電路之至少一部分。該裝置及其組件之材料、實體尺寸及機械性質在某些實施例中經選擇以提供適用於一範圍之生物醫學應用(包括對組織之感測及致動)之裝置屬性。在一實施例中，舉例而言，該撓性或可拉伸基板、該撓性或可拉伸電子電路及該障壁層具有提供足夠低而使得該裝置建立與該生物環境中之該組織之適形接觸之該裝置之一淨彎曲勁度及/或撓曲剛度的組成、實體尺寸及/或幾何形狀。在某些實施例中，該障壁層係一潮濕障壁、一熱障壁、一電磁輻射障壁、一電障壁、一光學障壁、一磁性障壁、一選擇性可滲透或不可滲透障壁或此等障壁之任一組合。在一實施例中，舉例而言，該基板係一撓性基板且該電子電路係一撓性電子電路。在一實施例中，舉例而言，該基板係一可拉伸基板且該電子電路係一可拉伸電子電路。
在一實施例中，本發明提供一種用於與一生物環境中之一組織介接之裝置，該裝置包含：一撓性或可拉伸基板；一撓性或可拉伸電子電路，其由該撓性或可拉伸基板支撐，其中該撓性或可拉伸電子電路包含複數個感測器、致動器或以一陣列提供之感測器及致動器兩者以及一個或多個無機半導體電路元件；一控制器，其與該撓性或可拉伸電子電路連通，該控制器經組態以自該撓性或可拉伸電子電路接收輸入信號且將輸出信號提供至該撓性或可拉伸電子電路，其中該控制器接收並分析對應於來自該等感測器之一個或多個量測之輸入信號且產生控制一個或多個感測或致動參數並將該一個或多個感測或致動參數提供至該撓性或可拉伸電子電路的輸出信號；及一障壁層，其囊封該撓性或可拉伸電子電路之至少一部分；其中該基板、該電子電路及該障壁層提供足夠低而使得該裝置建立與該生物環境中之該組織之適形接觸之該裝置之一淨彎曲勁度。在一實施例中，該控制器接收對應於該等感測器對組織性質(例如，組成、結構及生理學性質)之量測之輸入信號，且(舉例而言)經由一閉合迴路回饋演算法使用該等輸入信號來控制對該組織之感測及/或致動。在一實施例中，該控制器接收依時間而變的對應於該等感測器對組織性質(例如，組成、結構及生理學性質)之量測之輸入信號，且使用該等依時間而變的輸入信號來調整及/或最佳化對該組織之感測及/或致動。在一實施例中，該控制器接收對應於該等感測器對組織性質(例如，組成、結構及生理學性質)之量測之輸入信號，且使用該等輸入信號(舉例而言)經由組織消融方法來控制對該組織之至少一部分的移除。
該裝置及其組件之材料、實體尺寸及機械性質在某些實施例中經選擇以提供該裝置與該組織及/或生物環境之完全或部分電子、光學、化學及/或熱隔離以用於在使用期間避免對該組織之損壞。在一實施例中，舉例而言，該障壁層及該撓性或可拉伸基板將來自該電子電路之一淨洩漏電流限制至不有害地影響該組織之一量。在一實施例中，舉例而言，該障壁層及該撓性或可拉伸基板將自該電子電路轉移至該生物環境中之該組織之熱量限制至不有害地影響該生物環境中之該組織之一量。
該裝置及其組件之材料、實體尺寸及機械性質在某些實施例中經選擇以提供適用於生物醫學應用之該裝置對該組織及/或生物環境之接達，包括對組織之感測及/或致動。在一實施例中，舉例而言，該障壁層經圖案化以便選擇性地調變該電子電路與該生物環境中之該組織之間的實體接觸、熱接觸、光學連通或電連通。在一實施例中，舉例而言，該障壁層經圖案化以便提供一個或多個可滲透區，該一個或多個可滲透區對一種或多種目標分子係選擇性可滲透以允許該等目標分子自該生物環境輸送至該電子電路或自該電子電路輸送至該生物環境。在一實施例中，舉例而言，該障壁層經圖案化以便提供一個或多個不可滲透區，該一個或多個不可滲透區對一種或多種目標分子係不可滲透以防止該等目標分子自該生物環境輸送至該電子電路或自該電子電路輸送至該生物環境。在一實施例中，舉例而言，該障壁層經圖案化以提供一個或多個透明區，其中該等透明區透射去往或來自該電子電路的具有一預選定波長分佈之紫外、可見或近紅外電磁輻射。在一實施例中，舉例而言，該障壁層經圖案化以提供一個或多個不透明區，該一個或多個不透明區實質防止透射去往或來自該電子電路的具有在電磁光譜之紫外、可見或近紅外區中之一預選定波長分佈之電磁輻射。
如在此背景下所使用，術語「經圖案化」係指一裝置或其組件之物理性質、化學組成、實體尺寸及/或幾何形狀(舉例而言)經由開口、通道、孔、接觸區、可滲透區、不可滲透區、透射區、傳導區及/或不透明區之選擇性變化。在一實施例中，該障壁層經圖案化而具有一個或多個接觸區(例如，開口或通路)，從而允許該電子電路之組件(例如，電極或感測器)與該組織之間的實體接觸。在一實施例中，該障壁層經圖案化而具有一個或多個透射區(例如，窗口)，從而允許該電子電路之組件(例如，感測器、光學源、LED、雷射器、光電二極體等)與該組織之間的光學連通。在一實施例中，該障壁層經圖案化而具有一個或多個化學可滲透區(例如，孔或通道)，從而允許目標分子在電子電路與該組織之間的選擇性輸送。在此背景下之經圖案化可係指經由一微處理技術(例如，光學微影術、軟微影術、蝕刻、e束寫入及/或雷射消融)圖案化之一裝置組件(例如，一障壁層)。
本發明之裝置可應用於一寬廣範圍之組織及生物環境，包括植入環境及曝露的組織環境。在一實施例中，舉例而言，該生物環境係一活體生物環境。在一實施例中，舉例而言，該生物環境包含一傳導離子溶液，例如包括血液之一生物流體、血液之一組份、心包流體、腹膜流體、耳垢及腦脊髓流體。在一實施例中，舉例而言，該生物環境中之組織包含心臟組織、腦組織、肌肉組織、皮膚、神經系統組織、上皮組織、視網膜組織、耳鼓膜、瘤組織、消化系統結構、循環系統結構及/或脈管組織。在一實施例中，當該裝置經放置而與該生物環境中之該組織之實體接觸時，該裝置在原位建立與該組織之適形接觸，其中在該組織或該裝置移動時維持與該生物環境中之該組織之該適形接觸。在一實施例中，該裝置與該生物環境中之該組織電接觸，其中在該組織或該裝置移動時維持與該生物環境中之該組織之該電接觸。在某些實施例中，本發明之該裝置係經由(舉例而言)藉由植入該裝置或使該組織之一表面與該裝置接觸而建立與該組織及/或生物環境之實體接觸來應用的。
本發明提供具有適用於一寬廣範圍之生物醫學應用(包括，心臟監視、對腦組織之感測及致動、脈管及皮膚安裝式感測)之物理及化學性質的裝置。在一實施例中，舉例而言，該基板、該電子電路及該障壁層提供該裝置之小於或等於1×103 GPa μm4、視情況針對某些應用小於或等於1×107 GPa μm4及視情況針對某些應用小於或等於1×106 GPa μm4之一淨彎曲勁度。在一實施例中，舉例而言，該基板、該電子電路及該障壁層提供該裝置之在1×108 GPa μm4至1×105 GPa μm4之範圍內選擇及視情況針對某些應用在1×107 GPa μm4至×105 GPa μm4之範圍內選擇及視情況針對某些應用在1×106 GPa μm4至1×105 GPa μm4之範圍內選擇之一淨彎曲勁度。在一實施例中，舉例而言，該基板、該電子電路及該障壁層提供該裝置之小於或等於1×10-4 Nm及視情況針對某些應用小於或等於1×10-5 Nm之一淨撓曲剛度。在一實施例中，舉例而言，該基板、該電子電路及該障壁層提供該裝置之選自1×10-4 Nm至1×10-7 Nm之範圍及視情況針對某些應用裝置之選自1×10-5 Nm至1×10-7 Nm之範圍的一淨撓曲剛度。對於某些實施例，此態樣之裝置針對該裝置之整體及/或若干部分具有及/或能夠具有100 μm之一彎曲半徑。舉例而言，此態樣之裝置可採用100μm之曲率之一半徑，而不會經受對該裝置或裝置組件之損壞，例如機械斷裂、裝置故障或電互連之中斷。
本發明包括具有一多層幾何形狀之裝置，包括其中該基板、電子電路及障壁層組件(及/或此等之組件)係以一系列堆疊之層(包括在該系列層中彼此直接接觸地提供的層及/或薄膜)或以具有提供於一系列之裝置層之間的一個或多個中間層(例如，黏合層、間隔件層、NMP層等)的該系列提供的一幾何形狀。裝置組件在本發明裝置之多層幾何形狀中之定位可經選擇以提供增強之機械屬性或裝置功能性。在一實施例中，舉例而言，該裝置具有一中性機械平面且該等無機半導體電路元件中之至少一部分接近該中性機械平面而定位。在一實施例中，舉例而言，該障壁層之一厚度及該撓性或可拉伸基板之一厚度經選擇以便接近於該中性機械平面而定位該等無機半導體電路元件中之至少一部分或視情況全部。在某些實施例中，接近於該中性機械平面係指其中一裝置組件(例如，一電子電路組件)係在該總中性機械平面之10微米及視情況針對某些應用在1微米內定位於該裝置之一特定位置處之裝置幾何形狀。
本發明裝置之障壁層可用於完全或部分地囊封一個或多個其他裝置組件(例如，撓性或可拉伸電子電路組件)及或該撓性或可拉伸基板。在某些實施例中，該電子電路組件由該障壁層及/或撓性或可拉伸基板完全地囊封，且與該障壁層及/或撓性或可拉伸基板實體接觸。在一實施例中，舉例而言，該障壁層及/或撓性或可拉伸基板囊封該裝置之該電子電路組件之至少50%，視情況囊封該裝置之該電子電路組件之至少90%，及視情況囊封該裝置之該電子電路組件之全部。在一實施例中，該障壁層部分或完全地囊封該撓性或可拉伸基板。在一實施例中，舉例而言，該障壁層囊封該裝置之該電子電路組件之至少50%，視情況囊封該裝置之該電子電路組件之至少90%，及視情況囊封該裝置之該電子電路組件之全部。
對該障壁層之組成及物理性質之選擇係本發明之一重要態樣，以用於控制及/或選擇性地調變該裝置與該組織及/或生物環境之介面。在一實施例中，舉例而言，該障壁層在該電子電路之至少一部分上方具有小於或等於1000 μm、視情況針對某些應用小於或等於100 μm、視情況針對某些應用小於或等於10 μm及視情況針對某些實施例應用小於或等於1 μm之一平均厚度。在一實施例中，舉例而言，該障壁層在該電子電路之至少一部分上方具有在0.25 μm至1000 μm之範圍內選擇及視情況針對某些應用在0.5 μm至500 μm之範圍內選擇及視情況針對某些應用在1 μm至25 μm之範圍內選擇之一厚度。在一實施例中，該障壁層之該平均厚度對該撓性或可拉伸基板之該平均厚度之比率係在0.1至10及視情況針對某些應用在0.5至2之範圍內選擇。
在某些實施例中，該障壁層包含一低模數材料。本發明包括(舉例而言)其中該障壁層具有小於或等於10 GPa之一平均模數、小於或等於1 GPa之一平均模數、視情況針對某些實施例小於或等於100 MPa、視情況針對某些實施例小於或等於10 MPa及視情況針對某些實施例小於或等於1 MPa之一平均模數的裝置。在一實施例中，舉例而言，該障壁層具有在0.5 KPa至10 GPa之範圍內選擇、視情況針對某應用在1KPa至1 GPa之範圍內選擇及視情況針對某應用在1 KPa至100 MPa之範圍內選擇之一平均模數。在一實施例中，舉例而言，該障壁層具有等於或小於組織介面處受實驗者之皮膚之平均模數的50倍的一平均模數。如熟習此項技術者將一般理解，在某些實施例中使用具有一相對高模數(例如，大於1 GPa)之一障壁層可需要一小厚度(例如，小於100微米或視情況小於10微米)來提供淨裝置機械性質(例如，彎曲勁度或撓曲剛度)，以用於建立與該組織之適形接觸。
一範圍之材料適用於本發明之該裝置之障壁層。在一實施例中，舉例而言，該障壁層包含選自由以下各項組成之群組之一材料：聚合物、無機聚合物、有機聚合物、彈性體、生物聚合物(例如，多肽、蛋白質、多核苷酸、低核苷酸、碳水化合物等)、陶瓷及此等之任一組合。本發明之障壁層包括複合材料。在一實施例中，舉例而言，該障壁層包含彈性體。在一實施例中，舉例而言，該障壁層包含PDMS、SU-8、Si3N4、SiO2、聚亞安酯、聚醯亞胺、聚對二甲苯、聚對二甲苯C、碳化矽(SiC)、BCB、NOA及此等之任一組合。在一實施例中，舉例而言，該障壁層係一生物相容材料及/或一生物惰性材料。
在一實施例中，舉例而言，該障壁層經圖案化而具有一個或多個奈米結構化或微結構化的光學透射區、光學不透明區或對一種或多種目標分子係可滲透之選擇性可滲透區，(舉例而言)以提供1至1000個此類奈米結構化或微結構化的區及視情況10至50個此類奈米結構化或微結構化的區。如本文中所使用，術語「微結構化的」係指具有在1微米至1000微米之範圍內選擇、在1微米至1000微米之範圍內選擇之至少一個實體尺寸(例如，一個或多個橫向尺寸，例如長度或寬度)之一結構。如本文中所使用，術語「奈米結構化的」係指具有在10奈米至1000奈米之範圍內選擇、在10奈米至1000奈米之範圍內選擇之至少一個實體尺寸(例如，一個或多個橫向尺寸，例如長度或寬度)之一結構。該障壁層之微結構化及/或奈米結構化的區包括各種結構，包括通道、孔、開口、窗口、電極、可滲透區、凹陷特徵、浮凸特徵(例如，凸起特徵)、透明區、不透明區及諸如此類。在一實施例中，該障壁層之該(等)微結構化或奈米結構化的區係該障壁層中之一個或多個開口、孔或通道，以便提供該電子電路之選定區與該組織或生物環境之間的實體接觸。在一實施例中，該障壁層之該(等)微結構化或奈米結構化的區係該障壁層中之一個或多個光學透明窗口，以便提供該電子電路之選定區與該組織及/或生物環境之間的光學連通，(舉例而言)以允許透射具有一預選定波長分佈之電磁輻射(例如，電磁光譜之可見、紫外及/或近紅外區中之光)。在一實施例中，該障壁層之該(等)微結構化或奈米結構化的區係該障壁層中之一個或多個電極，以便提供該電子電路之選定區與該組織及/或生物環境之間的電接觸。
在一實施例中，該障壁層包含一多層結構，舉例而言，其包含2至50個個別層及視情況2至20個個別層。在某些實施例中，舉例而言，本發明之一障壁層包含一層序列，其中該序列中之層選自由以下各項組成之群組：金屬層、無機層(例如，無機電介質，例如氧化物、碳化物或氮化物等)及聚合物層。在一實施例中，該序列之該等層係具有自10奈米至10微米之厚度範圍之薄膜層。本發明之此態樣有益於提供具有適用化學、電子或熱性質之障壁層，例如長時間週期提供低洩漏電流。在一實施例中，舉例而言，該障壁層係一多層結構，其包含由一個或多個無機層或聚合物層分離之一個或多個金屬層。在一實施例中，舉例而言，該障壁層係一多層結構，其包含由一個或多個金屬層或聚合物層分離之一個或多個無機層。在一實施例中，舉例而言，該障壁層係一多層結構，其包含由一個或多個金屬層或無機層分離之一個或多個聚合物層。在包含多層結構之障壁層中使用聚合物層在某些實施例中適用於填充金屬及/或無機層中之裂縫及/或小孔。在一實施例中，本發明之一障壁層包含具有小於500微米、視情況針對某些應用小於100微米及視情況針對某些應用小於10微米之一總厚度之一多層結構。
對該撓性或可拉伸基板之組成及物理性質之選擇係本發明之一重要態樣以用於提供適用裝置性質。在一實施例中，舉例而言，該撓性或可拉伸基板具有小於或等於1000 μm、視情況針對某些應用小於或等於100 μm及視情況針對某些應用小於或等於10 μm之一平均厚度。在一實施例中，舉例而言，該撓性或可拉伸基板具有在0.25 μm至1000 μm之範圍內選擇、視情況針對某些實施例在10 μm至500 μm之範圍內選擇及視情況針對某些實施例在10 μm至100 μm之範圍內選擇之一平均厚度。本發明之某些裝置之基板具有一實質均勻厚度(例如，自一平均厚度偏離小於10%及視情況小於5%及視情況小於1%)。或者，本發明包括在該電子電路上方具有沿一個或多個橫向尺寸(例如，長度或寬度)選擇性變化的一厚度之基板。在某些實施例中，舉例而言，該基板在某些區(例如，支撐該電子電路之組件或與其實體接觸之區)中比在該基板之不支撐該電子電路之組件或與其實體接觸之其他區中厚。在某些實施例中，舉例而言，該基板在某些區(例如，該基板之不支撐該電子電路之組件或與其實體接觸之區)中不存在。
在某些實施例中，本發明之該裝置包含具有一個或多個微結構化及/或奈米結構化的特徵(包括凹陷特徵、浮凸(例如，凸起)特徵、開口、通路及/或通道)之一基板。在一實施例中，該裝置之該電子電路組件之至少一部分及視情況其全部由具有一網狀結構之一撓性或可拉伸基板支撐。使用具有一網狀結構之一基板在本發明中有益於提供一結構性支撐層，從而允許對該裝置之高效處置及施用，同時提供機械性質(例如，撓性、可變形性、可彎曲性、可拉伸性等)，以用於建立與該目標組織之適形接觸。在一實施例中，舉例而言，一網狀結構係指佔據該裝置之佔用區域之一部分但非全部(舉例而言，佔據該裝置之介接該目標組織之區域之一部分但非全部)之一層或其他結構性組件。在一實施例中，舉例而言，該裝置之佔用區域係對應於該裝置之建立與一目標組織之介面之周長的一區域，且該基板之該網狀結構佔據該佔地區域之一部分但非全部。某些實施例中之網狀結構佔據該裝置之該佔用區域及/或組織介面區域的75%或少於75%，及視情況佔據佔用區域及/或組織介面區域的50%或少於50%；及視情況佔據該裝置之佔用區域及/或組織介面區域的25%或少於25%。在一實施例中，舉例而言，該基板具有係一晶格結構、一經穿孔結構或一觸手結構之一網狀結構。在一實施例中，舉例而言，該基板係具有至少部分地支撐該電子電路之組件(例如，無機半導體組件或電極)中之一者或多者或視情況與其實體接觸之結構性區之一網狀結構，其中該基板之結構性區藉由孔隙、切口或不存在基板之其他開口彼此分離。在此等實施例中，因此，孔隙區、切口或其他開口之存在提供佔據小於該裝置之佔用區域之一網狀結構化基板。在一實施例中，舉例而言，具有一網狀結構之該基板係一不連續層，此與一連續層(例如，一連續膜或片)相對。
在一實施例中，舉例而言，該撓性或可拉伸基板包含一低模數材料。舉例而言，本發明包括具有一撓性或可拉伸基板之裝置，該撓性或可拉伸基板具有小於或等於10 GPa、視情況針對某些實施例小於或等於100 MPa、視情況針對某些實施例小於或等於10 MPa及視情況針對某些實施例小於或等於1 MPa及視情況小於0.1 MPa之一平均模數。在一實施例中，舉例而言，該撓性或可拉伸基板具有在0.5 KPa至5 GPa之範圍內選擇、視情況針對某應用在1K至1 GPa之範圍內選擇及視情況針對某應用在1 KPa至100 MPa之範圍內選擇之一平均模數。在一實施例中，舉例而言，該撓性或可拉伸基板具有等於或小於組織介面處受實驗者之皮膚之平均模數的50倍的一平均模數。如熟習此項技術者將一般理解，在某些實施例中使用具有一相對高模數(例如，大於1 GPa)之一撓性或可拉伸基板層可需要一小厚度(例如，小於100微米或視情況小於10微米)來提供淨裝置機械性質(例如，彎曲勁度或撓曲剛度)，以用於建立與該組織之適形接觸。
一範圍之材料適用於本發明之該等裝置之撓性或可拉伸基板。在一實施例中，舉例而言，該撓性或可拉伸基板包含選自由以下各項組成之群組之一材料：聚合物、無機聚合物、有機聚合物、生物高聚物(例如，多肽、蛋白質、多核苷酸、低核苷酸、碳水化合物等)、塑膠、彈性體、熱固性樹脂、橡膠、織物、紙、一複合材料及此等之任一組合。在一實施例中，舉例而言，該撓性或可拉伸基板包含PDMS、聚對二甲苯或聚醯亞胺。在一實施例中，舉例而言，該撓性或可拉伸基板包含一低模數橡膠或一低模數聚矽氧材料，例如Ecoflex。在一實施例中，舉例而言，該撓性或可拉伸基板係一生物相容材料或一生物惰性材料。在一實施例中，舉例而言，該撓性或可拉伸基板及該障壁各自包含相同材料，例如相同聚合物或彈性體材料。
本發明之撓性或可拉伸電子電路組件包括一範圍之電子裝置或其組件，包括半導體裝置、主動電子裝置、被動電子裝置、光電子裝置、光學裝置及電子裝置陣列。本發明之電子電路包括(舉例而言)一無機半導體組件，例如一單晶無機半導體結構、經摻雜單晶無機半導體結構、高純度單晶無機半導體結構。本發明之此態樣尤其適用於展現極高電子裝置效能之接達裝置，例如具有展現適用場效遷移率及/或接通/關斷比率之電晶體組件之裝置。
在一實施例中，舉例而言，該撓性或可拉伸電子電路包含一個或多個撓性或可拉伸無機半導體結構。在一實施例中，舉例而言，該電子電路組件之該等撓性或可拉伸無機半導體結構包含一單晶無機半導體，例如單晶矽或單晶iii-v半導體結構。在某些實施例中為提供適用撓性，本發明之該電子電路之該等半導體結構係薄半導體結構。在一實施例中，舉例而言，該等撓性或可拉伸無機半導體結構具有小於或等於500微米、視情況針對某些應用小於或等於100微米、視情況針對某些應用小於或等於10微米、視情況針對某些應用小於或等於1微米及視情況針對某些應用小於或等於500奈米之一平均厚度。在一實施例中，舉例而言，該等撓性或可拉伸基板具有選自100奈米至1000微米之範圍、視情況針對某些實施例選自500 nm至500微米之範圍及視情況針對某些實施例選自1微米至100微米之範圍之一平均厚度。在一實施例中，舉例而言，該等撓性或可拉伸無機半導體結構具有選自250奈米至100微米之範圍之一平均厚度。在一實施例中，舉例而言，該等撓性或可拉伸無機半導體結構係超薄結構。在一實施例中，舉例而言，該等撓性或可拉伸無機半導體結構中之每一者具有小於或等於1×10-4 Nm之一淨撓曲剛度。在一實施例中，舉例而言，該等撓性或可拉伸無機半導體結構中之每一者具有小於或等於1×108 GPa μm4、視情況針對某些應用小於或等於1×107 GPa μm4及視情況針對某些應用小於或等於1×106 GPa μm4之一淨彎曲勁度。在一實施例中，舉例而言，該等撓性或可拉伸無機半導體結構中之每一者獨立地係一撓性或可拉伸半導體奈米帶、半導體隔膜、半導體奈米線或此等之任一組合。在一實施例中，舉例而言，該等撓性或可拉伸無機半導體結構係經由一轉印印刷技術(例如，使用一彈性體轉印裝置之乾式轉印接觸印刷及/或轉印印刷製程)組裝於該撓性或可拉伸基板上。
在一實施例中，該撓性或可拉伸電子電路進一步包含與該等無機半導體結構實體接觸或電子接觸之一個或多個額外裝置組件。在一實施例中，舉例而言，該撓性或可拉伸電子電路進一步包含一個或多個撓性或可拉伸電介質結構，其中該等撓性或可拉伸無機半導體結構之至少一部分與該等電介質結構中之一者或多者實體接觸。一範圍之電介質結構用於本發明之此態樣中，包括具有等於或小於100微米之一厚度之撓性或可拉伸電介質結構。在一實施例中，舉例而言，該撓性或可拉伸電子電路進一步包含一個或多個撓性或可拉伸電極，其中該等撓性或可拉伸無機半導體結構之至少一部分或該等電介質結構的一部分與該等電極中之一者或多者電接觸。一範圍之電極用於本發明之此態樣中，包括具有等於或小於500微米之一厚度之撓性或可拉伸電極。
本發明包括其中該撓性或可拉伸電子電路包含複數個以電子方式互連之島及橋結構之裝置。本發明之此態樣適用於提供高度適形且視情況可拉伸之裝置。在一實施例中，舉例而言，該等島結構包含一個或多個半導體，包括撓性或剛性半導體結構及/或半導體電子裝置、半導體及電介質結構、半導體及電極結構、電晶體、光電二極體、發光二極體、雷射器、二極體、積體電路、多工器電路及放大器電路。在一實施例中，舉例而言，該等橋結構包含一個或多個撓性或可拉伸電互連件，例如具有一蛇形、波紋或彎曲幾何形狀之電互連件。在一實施例中，舉例而言，該等撓性或可拉伸電互連件係經囊封結構(例如，囊封於聚合物或彈性體中)。在某些實施例中，包含半導體結構之島結構之至少一部分與一個或多個撓性或可拉伸互連件電接觸。
本發明包括其中該撓性或可拉伸電子電路係選自由以下各項組成之群組之裝置：一撓性或可拉伸電晶體、一撓性或可拉伸二極體、一撓性或可拉伸放大器、一撓性或可拉伸多工器、一撓性或可拉伸發光二極體、一撓性或可拉伸雷射器、一撓性或可拉伸光電二極體、一撓性或可拉伸積體電路及此等之任一組合。在某些實施例中，舉例而言，該撓性或可拉伸電子電路係一CMOS積體電路或一邏輯閘電路。在一實施例中，該撓性或可拉伸電子電路進一步包含在在空間上配置於該撓性或可拉伸基板上方之複數個感測或致動元件，其中每一感測或致動元件與該複數個撓性半導體電路元件中之至少一者電連通，舉例而言，其中當該裝置與該生物環境中之該組織適形接觸時該複數個感測或致動元件中之至少一者與該組織電連通。在一實施例中，舉例而言，該等致動元件包含選自由以下各項組成之群組之電路元件：電極元件、電磁輻射發射元件、加熱元件、消融元件及此等之任一組合。在一實施例中，舉例而言，該撓性或可拉伸電子電路包括一個或多個感測電極元件、化學或生物感測器元件、pH感測器、光學感測器、溫度感測器、電容感測器、應變感測器、加速度感測器、移動感測器、位移感測器及此等之任一組合。在一實施例中，舉例而言，該撓性或可拉伸電子電路包含使用一電容式電路之一個或多個感測器。在一實施例中，舉例而言，該等感測或致動元件之至少一部分由該障壁層及/或該撓性或可拉伸基板囊封。在某些實施例中，至少一個感測元件定位於該障壁層之表面處、與一生物環境中之一組織電連通、與一生物環境中之一組織光學連通及/或與一生物環境中之一組織實體接觸。
在一實施例中，該撓性或可拉伸電子電路包含一主動電路，例如一放大器電路、多工電路或一邏輯閘。在一實施例中，舉例而言，該撓性或可拉伸電子裝置之該多工電路經組態以個別地定址在空間上配置於該撓性或可拉伸基板上方之複數個感測或致動電路元件(例如，一陣列中之複數個電極)中之每一者。在一實施例中，該撓性或可拉伸電子電路包含一電流限制電路，舉例而言，將來自該電子裝置之淨洩漏電流限制至10 μA或更小、視情況針對某些應用限制至5 μA或更小或視情況針對某些應用限制至1 μA或更小之一電流限制電路。
此態樣之裝置視情況具有一中性機械平面，其中該撓性或可拉伸電子電路之至少一部分或其組件接近於該中性機械平面而定位，或其中視情況該撓性或可拉伸電子電路之所有組件接近於該中性機械平面而定位。在某些實施例中，接近於該中性機械平面而提供之裝置組件(例如，撓性半導體電路組件)係在該中性機械平面之100微米內、視情況針對某些實施例在該中性機械平面之10微米內、視情況針對某些實施例在該中性機械平面之5微米內及視情況針對某些實施例在該中性機械平面之1微米內。該等裝置組件(例如，該撓性基板及該障壁層)之厚度視情況在某些實施例中經選擇以便接近於一個或多個撓性半導體電路元件而定位該裝置之該中性機械平面。
在一態樣中，本發明提供一種用於生物醫學感測應用之可構形裝置。在此態樣之一裝置中，該撓性或可拉伸電子電路係包含複數個可個別地定址之電極、多工電路及放大電路之一可拉伸或撓性電極陣列。此態樣之裝置包括用於(舉例而言)在心臟組織、腦組織及皮膚環境中進行高速且高解析度電生理學量測之可構形高密度電極陣列。在一實施例中，該可拉伸或撓性電極陣列包含2至500,000個電極、視情況針對某些應用包含2至50,000個電極及視情況針對某些應用包含2至5,000個電極，其中該陣列之該等電極各自係視情況可個別地定址之電極。
在一實施例中，舉例而言，該可拉伸或撓性電極陣列包含20個或更多個電極單元胞、視情況50個或更多個電極單元胞及視情況100個或更多個電極單元胞。在一實施例中，舉例而言，該電極陣列之毗鄰電極彼此分離小於或等於50 μm之一距離、視情況針對某些應用小於或等於500 μm之一距離及視情況針對某些應用小於或等於2000 μm之一距離。在一實施例中，舉例而言，該電極陣列之該等電極單元胞安置於該撓性或可拉伸基板之自10 mm2至10000 mm2範圍內、視情況針對某些應用自10 mm2至1000 mm2範圍內及視情況針對某些應用自100 mm2至1000 mm2範圍內之一區域上。在某些實施例中，該可拉伸或撓性電極陣列中之電極之密度係在0.1電極mm-2至50電極mm-2之範圍內選擇及視情況針對某應用在1電極mm-2至20電極mm-2之範圍內選擇。
在一實施例中，舉例而言，該可拉伸或撓性電極陣列包含複數個電極單元胞，舉例而言，包含一接觸墊、放大器及多工器之複數個電極單元胞，其中該接觸墊提供與該組織之一電介面且與該放大器及多工器電連通。在一實施例中，舉例而言，該單元胞之該放大器及多工器包含複數個電晶體，舉例而言，2至50個電晶體及視情況針對某些應用2至10個電晶體。在一實施例中，舉例而言，該撓性或可拉伸電極陣列之單元胞中之每一者包含一多層結構，該多層結構包含以一多層堆疊之幾何形狀提供之一個或多個半導體層、一個或多個電介質層及一個或多個金屬層，舉例而言，其中該等半導體層、電介質層及金屬層係以系列提供之一堆疊之幾何形狀，其中毗鄰層彼此實體接觸或藉由中間層(例如，黏合劑、間隔件及/或邊界層)分離。在一實施例中，舉例而言，該多層結構之該等半導體層接近於該撓性或可拉伸電子電路之該中性機械平面而定位。
在一態樣中，本發明提供一種用於光學應用之裝置，包括感測並提供該組織位點處之電磁輻射之一本端源。在此態樣之一裝置中，該撓性或可拉伸電子電路係一可拉伸或撓性發光二極體陣列，其包含與複數個可拉伸或撓性電互連件電連通之複數個發光二極體。此態樣之裝置包括高密度LED陣列，包括可植入LED陣列、可拉伸LED陣列及LED陣列，以用於與包括上皮組織之組織介接。此態樣之裝置包括大面積發光二極體陣列，舉例而言，其中該陣列之LED安置於該撓性或可拉伸基板之自100 mm2至10,000 mm2之範圍內及視情況針對某些實施例自1000 mm2至10,000 mm2之範圍內之一區域上。
在此態樣之一實施例中，該可拉伸或撓性發光二極體陣列係一島-橋結構，其中該等發光二極體提供該島-橋結構之島且該等可拉伸或撓性電互連件提供該島-橋結構之橋結構。在一實施例中，該等電互連件及該等發光二極體由該障壁層、該撓性或可拉伸基板或該障壁層與該撓性或可拉伸基板兩者完全地囊封。在一實施例中，舉例而言，該等發光二極體包含該撓性或可拉伸電子電路之該一個或多個無機半導體電路元件。在一實施例中，舉例而言，該等可拉伸或撓性電互連件中之每一者包含囊封於聚合物層中之一金屬膜，舉例而言，囊封於PDMS中之一薄金屬膜(例如，厚度等於或小於500微米)。在一實施例中，舉例而言，該金屬膜接近於該可拉伸互連件之該中性機械平面而定位。在一實施例中，舉例而言，該裝置進一步包含以實體方式連接該陣列之發光二極體之額外橋結構，其中該等額外橋結構包含聚合物層。在一實施例中，舉例而言，該等可拉伸或撓性電互連件之至少一部分具有一蛇形、彎曲或波紋幾何形狀。在一實施例中，本發明之電互連件或電極包含一傳導金屬，例如銅、銀、金、鋁及諸如此類以及其合金。
在此態樣之一裝置中，此態樣之該可拉伸或撓性發光二極體陣列包含一多層結構，該多層結構包含以一多層堆疊之幾何形狀提供之複數個個別地囊封的LED陣列層。在一實施例中，舉例而言，該可拉伸或撓性發光二極體陣列包含以一多層堆疊之幾何形狀提供之2至1000個個別地囊封的LED陣列層、視情況以一多層堆疊之幾何形狀提供之10至1000個個別地囊封的LED陣列層。本發明之此態樣之該多層幾何形狀有益於提供高LED密度及填充因子，此維持一適用程度之可構形及可拉伸性。在一實施例中，舉例而言，該等個別地囊封的LED陣列層經組合以提供等於或大於1 LED mm-2及視情況等於或大於100 LED mm-2之一密度。在一實施例中，舉例而言，該等個別地囊封的LED陣列層提供選自1 LED mm-2至1000 LED mm-2之範圍之一密度。在一實施例中，舉例而言，該等個別地囊封的LED陣列層係橫向偏移以便提供大於或等於1×10-6之一填充因子，或視情況提供在1×10-6至1×10-3之範圍內選擇之一填充因數。如本文中所使用，用語「橫向偏移」係指其中該裝置之不同層中之LED的至少一部分經定位而使得其不駐留於彼此頂部上之一多層幾何形狀。如在此背景下所使用，術語「填充因子」係指該裝置之佔用區域由該等LED結構佔據之分率。
在某些實施例中，障壁層及撓性或可拉伸基板將來自該電子裝置之一淨泄流電流限制至不有害地影響一生物環境中之一組織之一量。本發明之障壁層包括潮濕障壁。在一個實施例中，該障壁層經組態以將自該電子裝置至該生物環境之一淨洩漏電流限制至小於10 μA、視情況針對某些應用小於5 μA及視情況針對某些應用小於1 μA及視情況針對某些應用小於0.1 μA。在某些實施例中，該障壁層防止洩漏電流集中至小區域，以便防止由來自該裝置之電流洩漏引起之組織損壞。在一實施例中，舉例而言，該障壁層經組態以將自該裝置至該生物環境之洩漏電流限制至0.1 μA/cm2或更小及針對某些應用0.01 μA/cm2或更小及針對某些應用0.001 μA/cm2或更小。在某些實施例中，本發明之障壁層具有1014 Ω‧m或更大之一電阻率，舉例而言，在1015至1017 Ω‧m之範圍內選擇之一電阻率。在某些實施例中，該障壁層防止電荷自該電子裝置洩漏之速率；舉例而言，一個障壁層實施例在1秒之一週期內將來自一裝置之電放電限制至10 μC或更小。在某些實施例中，該障壁層在一長時間週期內(例如，3小時或更長或者5小時或更長)將來自該裝置之洩漏電流或平均洩漏電流限制至10 μA或更小或者5 μA或更小。
在某些實施例中，一障壁層經組態以防止潮濕到達該撓性或可拉伸電子電路且將來自其之洩漏電流限制至(舉例而言)小於10 μA、視情況針對某些應用小於5 μA及視情況針對某些應用小於1 μA。舉例而言，適用潮濕障壁包括彼等經組態以用於保護與電子裝置實施例接觸之組織免受由於洩漏電流而產生之損壞之障壁。此外，適用潮濕障壁包括彼等經組態以用於保護電子裝置免受由於洩漏電流而產生之損壞之障壁。
在一實施例中，該障壁層經圖案化以便選擇性地調變撓性半導體電路元件與該生物環境中之該組織之間的實體、熱、光學、電磁及/或電接觸及/或連通。視情況，一障壁層包含多個層。舉例而言，一障壁層包含至少一個有機聚合物層及至少一個無機電介質層。在特定實施例中，包含多個層之一障壁層之淨厚度係在1 μm至25 μm之範圍內或在1 μm至100 μm之範圍內選擇。
在某些實施例中，該障壁層包括一個或多個通孔結構。如本文中所使用，一通孔結構係指至少部分地填充有一傳導材料之一凹陷區。通孔結構在一障壁層中用於提供由一障壁層囊封之電子電路組件(例如，半導體裝置，例如一電晶體、放大器或多工器)與不由一障壁層囊封且與該組織或流體(其與該組織接觸)接觸之電子電路組件(例如，一電極)之間的電連通。在一特定實施例中，該障壁層包含多個層且包括多個偏移的通孔結構；舉例而言，一個通孔結構在一下部障壁層中且一個通孔結構在一上部障壁層中，其與該第一通孔結構電連通。在實施例中，具有偏移的通孔結構的包括多個層之障壁層用作潮濕障壁。
依據應用，該障壁層可具有一可變厚度；亦即，對於某些應用，該障壁層具有在空間上可變之一厚度(即，在某些區中相對較厚且在其他區中相對較薄)。在其中一感測元件不需要曝露及/或與一生物環境中之一組織直接接觸或電連通之實施例中，具有在空間上變化之厚度之障壁層在(舉例而言)一感測元件靠近於該障壁層之表面(例如，在5 μm或更小內)定位但仍由該障壁層囊封時係適用的。
在實施例中，此態樣之一電子裝置進一步包含在空間上配置於該撓性基板上方之複數個致動元件。視情況，每一致動元件經定位而與至少一個撓性半導體電路元件電連通。視情況，一個或多個通孔結構經組態及/或定位於該障壁層中以提供一致動元件與一撓性半導體電路元件之間的電連通。在某些實施例中，一個或多個致動元件由該障壁層囊封。適用致動元件包括但不限於電極元件、電磁輻射發射元件、發光二極體、雷射器及加熱元件。在某些實施例中，至少一個致動元件定位於該障壁層之表面處、與一生物環境中之一組織電連通、與一生物環境中之一組織光學連通及/或與一生物環境中之一組織實體接觸。在某些實施例中，一致動元件係一感測元件。
如本文中所使用之「在空間上配置於該撓性基板上方」係指元件在一撓性基板之表面區域上方之一分佈，使得每一元件位於一不同位置。元件間間距可均勻或可變。在某些實施例中，該等元件在空間上配置成具有相等元件間間距之一規則陣列圖案，舉例而言，配置成一2D陣列或3D陣列。在某些實施例中，該等元件在空間上配置成一線(例如，一1D陣列)。適用空間配置包括元件之規則及不規則分佈。
在某些實施例中藉由對該障壁層之實體尺寸(例如，厚度等)、形狀及/或組成之選擇性變化來達成對實體、光學、熱及/或電接觸及/或連通之調變。在某些實施例中，舉例而言，該障壁層之該等實體尺寸及/或形狀提供該障壁層中將預選定電路元件曝露至該組織及/或生物環境之一預選定開口圖案(尤其當將該裝置經提供而與該組織適形接觸時)。在某些實施例中，舉例而言，該障壁層之該等實體尺寸、形狀或組成提供該障壁之一預選定導電及/或光學或電磁透明區圖案(尤其當將該裝置經提供而與該組織適形接觸時)。障壁層包括但不限於具有將該電子電路之組件(例如，電極、感測器等)曝露至該組織及/或生物環境之複數個接觸區之障壁層。此態樣之某些實施例之障壁層提供預選定電路元件(例如，電極及/或感測器組件)與該組織及/或生物環境之間的經圖案化實體接觸。障壁層包括但不限於具有以電子方式耦合撓性半導體電路元件之一預選定子組與該組織及/或生物環境之複數個接觸區之障壁層。此態樣之某些實施例之障壁層提供預選定電路元件(例如，電極及/或感測器組件)與該組織及/或生物環境之間的經圖案化電接觸。障壁層包括但不限於具有以光學方式耦合撓性半導體電路元件之一預選定子組與該組織及/或生物環境之複數個接觸區之障壁層。此態樣之某些實施例之障壁層提供預選定電路元件(例如，光學源(例如，雷射器、LED、光纖等)組件及光電偵測器(例如，光電二極體、二極體陣列等)組件)與該組織及/或生物環境之間的經圖案化光學連通(例如，光學透射區及光學不透明區之一圖案)。在一實施例中，舉例而言，該障壁層之至少一部分係不透明的且實質阻擋具有一預選定範圍之波長之電磁輻射。
在一實施例中，一障壁層將自該電子裝置至該生物環境中之該組織之熱量轉移限制至不有害地影響該組織之一量。在一實施例中，該障壁層或其組件具有在0.001 W/m‧K至0.3 W/m‧K之範圍內選擇之0.3 W/m‧K或更小、0.1 W/m‧K或更小、0.01 W/m‧K或更小、0.001 W/m‧K或更小之一導熱率及/或具有在1至1000 m‧K/W之範圍內選擇之3 m‧K/W或更大、10 m‧K/W或更大、100 m‧K/W或更大、1000 m‧K/W或更大之一熱電阻率之部分。某些裝置實施例進一步包括主動冷卻組件；舉例而言，與該障壁層熱連通及/或與一個或多個撓性半導體電路元件熱連通定位之主動冷卻組件。在某些實施例中，該障壁層包含主動冷卻組件，例如熱電冷卻裝置。
在一實施例中，一障壁層包括對電磁輻射至少部分地透明之部分。在一實施例中，一裝置包含經圖案化以提供一個或多個透明區及一個或多個非透明區之一障壁層，其中該等透明區透射具有一預選定波長分佈之具有在電磁光譜之紫外、可見或近紅外區中之波長之電磁輻射，其中該等非透明區實質防止該電磁光譜之該等紫外、可見或近紅外區中之電磁輻射之透射。在一實施例中，一障壁層包括對電磁輻射不透明或阻擋電磁輻射之部分。在另一實施例中，一障壁層包括對電磁輻射至少部分地透明之部分及對電磁輻射不透明或阻擋電磁輻射之部分。舉例而言，該障壁層之部分可對具有一選定波長或在該電磁光譜之一選定區內之電磁輻射部分或完全地透明。舉例而言，在100 nm至2000 nm、1 μm至2000 μm、400 nm至2000 nm之範圍內選擇或者在光譜之UV、可見、IR、近IR或微波部分中選擇。在實施例中，一障壁層經選擇性圖案化以提供一個或多個透明區及一個或多個不透明區。在實施例中，一障壁層經選擇性圖案化以提供一個或多個光學組件或結構，例如透鏡、微透鏡、透鏡陣列、光學濾波器、反射器、反射性塗層及抗反射性塗層。
透明或部分地透明的障壁層在(舉例而言)一光學感測器(例如，一光電二極體)囊封於該障壁層中及/或期望其偵測電磁輻射時係適用的。一透明或部分地透明的障壁層在(舉例而言)一電磁輻射源(例如，一發光二極體及/或一雷射器)囊封於該障壁層內及/或期望其准許電磁輻射穿過該障壁層時亦可係適用的。
在一實施例中，一障壁層包括用作電、靜電及/或磁性障壁之部分。在特定實施例中，一障壁層阻擋電場及/或磁場，舉例而言，阻擋該電子電路外部之場與該電子電路互動或阻擋由該電子電路產生之場與該組織及/或生物環境互動。在此態樣之各種實施例中，該障壁層包含一法拉第籠、一電絕緣體及/或磁性屏蔽。在一特定實施例中，一障壁層包含具有1014 Ω‧m或更大或在1015至1017 Ω‧m之範圍內選擇之一電阻率。
在一實施例中，一障壁層經圖案化以便提供對一種或多種目標分析係選擇性可滲透之一個或多個選擇性可滲透區。在某些實施例中，該障壁層提供複數個空間上經圖案化區，該複數個空間上經圖案化區對包含生物分子、被分析物、液體或氣體之一種或多種目標分子係選擇性可滲透。在某些實施例中，該障壁層包含複數個空間上經圖案化不可滲透區，該複數個空間上經圖案化不可滲透區對一種或多種目標分子(例如，一種或多種生物分子、被分析物、液體或氣體)係選擇性不可滲透。舉例而言，該障壁層之部分可對一個或多種目標化學物質、分子或生物分子係選擇性可滲透，而對其他化學物質、分子或生物分子(例如，溶劑或水溶液)係不可滲透。視情況，該障壁層對水及其中溶解之鹽係不可滲透且對一種或多種蛋白質、有機複合物或生物分子(例如，核酸)係選擇性可滲透。一選擇性可滲透障壁層在(舉例而言)一化學或生物化學感測器囊封於該障壁層中且期望其偵測及/或收集一目標化學物質、分子或生物分子時係適用的。適用於本發明裝置及方法之實施例中之目標分子包括但不限於：多肽、多核苷酸、碳水化合物、蛋白質、類固醇、糖肽、脂質、代謝物、藥物或藥物前體。
在一實施例中，本發明之一裝置進一步包含與該撓性或可拉伸電子電路連通之一控制器。本發明之此態樣之控制器適用於提供裝置控制、信號處理及量測分析功能性。在一實施例中，該控制器自用作對該電子裝置之閉迴路控制之基礎之該撓性或可拉伸電子電路接收輸入信號，(舉例而言)從而提供對該組織之感測及致動之即時調整。在一實施例中，舉例而言，該控制器基於自該電子電路接收之對應於對組織性質之量測之信號來提供對感測及/或致動之閉迴路控制。
舉例而言，本發明包括一控制器，該控制器經組態以將一輸出信號提供至該撓性或可拉伸電子電路，自該撓性或可拉伸電子電路接收一輸入信號，或者將一輸出信號提供至該撓性或可拉伸電子電路且將一輸入信號接收至該撓性或可拉伸電子電路。如在此背景下所使用，用語「連通」係指裝置或裝置組件之使得可交換一信號之一組態，且包括該控制器與該撓性或可拉伸電子電路之間的單向連通及雙向連通。在一實施例中，舉例而言，該控制器與該撓性或可拉伸電子電路電連通或無線連通。在一實施例中，舉例而言，該輸出信號將一輸入提供至該撓性或可拉伸電子電路以便控制對該生物環境中之該組織之致動或感測。在一實施例中，舉例而言，該輸出信號將一感測或致動參數自該控制器提供至該撓性或可拉伸電子電路，舉例而言，與一量測或致動之時序、一感測或致動變量(例如，電壓、電流、功率、強度、溫度等)之量值相關之一參數。在一實施例中，舉例而言該輸入信號將以量測參數自該撓性或可拉伸電子電路提供至該控制器，舉例而言，對應於一時間、電壓、電流、強度、功率或溫度之一量測參數。在一實施例中，舉例而言，該輸入信號提供對應於複數個電壓量測、電流量測、電磁輻射強度或功率量測、溫度量測、壓力量測、組織加速度量測、組織移動量測、目標分子濃度量測、時間量測、位置量測、聲音量測或此等之任一組合之一量測參數。在一實施例中，舉例而言，該控制器接收並分析來自該撓性或可拉伸電子電路之該輸入信號且產生控制或將一(或多個)感測或致動參數提供至該撓性或可拉伸電子電路之一輸出信號，舉例而言，經由基於一個或多個組織量測來調整該(等)感測或致動參數之一閉迴路控制演算法。一寬廣範圍之控制器用於本發明裝置及方法中，包括一微處理器、微控制器、數位信號處理器、電腦或固定邏輯裝置。此態樣之控制器包括可植入控制器、連同該撓性或可拉伸電子電路一同施用至組織位點之控制器及在活體外部之控制器。
在一態樣中，本發明之一裝置進一步包含支撐該撓性或可拉伸基板、該撓性或可拉伸電子電路或兩者之一轉印基板。本發明之某些裝置之轉印基板用於(舉例而言)藉由提供裝置之淨機械性質及/或實體尺寸以允許以不損壞或修改裝置之其他組件(例如，基板、障壁層或電子電路組件)之性質之一方式有效地處置、轉印及/或部署至組織介面來促進裝置至一組織位點之施用。某些實施例之轉印層亦用作犧牲層，該等犧牲層係在施用至該組織後至少部分地被移除，舉例而言，經由溶解或脫層(例如，脫殼)製程。在一實施例中，本發明提供一種施用或以其他方式使用本發明之具有一轉印層之一裝置之方法，該方法進一步包含(舉例而言)經由溶解該轉印基板或將該轉印基板與該撓性或可拉伸基板(例如，經由一脫層製程)分離而至少部分地移除該轉印基板之步驟。在本發明之一方法中，舉例而言，該轉印基板之部分或完全移除致使該裝置建立與該生物環境中之該組織之適形接觸。
在某些實施例中，該轉印基板與該撓性或可拉伸基板實體接觸及/或視情況接合至該撓性或可拉伸基板。在一實施例中，該轉印基板經由一個或多個黏合層結合至該撓性或可拉伸基板。在一實施例中，該轉印基板係一可移除基板，其中該轉印基板係在該裝置建立與該生物環境中之該組織之適形接觸後被部分或完全地移除。在一實施例中，舉例而言，該可移除基板係一可溶解基板，其中該可移除基板係在該裝置經提供而與該生物環境中之該組織接觸之後(舉例而言)經由用一種或多種溶劑(例如，水)進行沖洗或漂洗而部分或完全地溶解。在一實施例中，舉例而言，該可移除基板經組態以便能夠在施用之後(舉例而言)經由一脫層製程與該撓性或可拉伸基板分離。
在某些實施例中，該轉印基板包含一生物惰性或生物相容材料(舉例而言)以最小化或避免將該裝置施用至一生物環境中之一組織後的炎症或不期望免疫回應。在一實施例中，舉例而言，該轉印基板係聚合物層，例如聚醋酸乙烯酯層。在一實施例中，舉例而言，該轉印基板具有選自100 μm至100 mm之範圍之一厚度。在一實施例中，舉例而言，該轉印基板具有允許(舉例而言)在一外科程序期間用手處置及/或施用該裝置之一組成及實體尺寸。
在一態樣中，本發明提供一種用於自一生物環境中之一組織收集電生理學資料之裝置，該裝置包含：(1)一撓性或可拉伸基板；(2)一撓性或可拉伸電極陣列，其包含一個或多個無機半導體電路元件及經定位而與該等半導體電路元件之至少一部分電連通之複數個電極元件，其中該一個或多個無機半導體電路元件包括多工電路及放大電路，且其中該電極陣列由該撓性或可拉伸基板支撐；(3)一障壁層，其囊封該撓性或可拉伸電極陣列之至少一部分以將來自該撓性或可拉伸電極陣列之一淨洩漏電流限制至不有害地影響該組織之一量；其中該撓性或可拉伸基板、該撓性或可拉伸電極陣列及該障壁層提供足夠低而使得該裝置建立與該生物環境中之該組織之適形接觸之該裝置之一淨彎曲勁度，藉此將該複數個電極元件中之至少一者定位成與該生物環境中之該組織電連通。在一實施例中，舉例而言，該電極陣列包含複數個電極單元胞，其中每一單元胞包含一接觸墊、放大器及多工器。在某些實施例中，該接觸墊提供至該組織之一電介面且與該放大器及多工器電接觸。在一實施例中，舉例而言，該撓性或可拉伸電極陣列之單元胞中之每一者包含一多層結構，該多層結構包含以一多層堆疊的幾何形狀提供之一個或多個半導體層、一個或多個電介質層及一個或多個金屬層。在一實施例中，舉例而言，該多層結構之該等半導體層接近於該撓性或可拉伸電子電路之該中性機械平面而定位。
在一態樣中，本發明提供一種自一生物環境中之一組織收集電生理學資料之方法，該方法包含以下步驟：(1)提供一可構形電子裝置，其包含：(i)一撓性或可拉伸基板；(ii)一撓性或可拉伸電極陣列，其包含一個或多個無機半導體電路元件及經定位而與該等半導體電路元件之至少一部分電連通之複數個電極元件，其中該一個或多個無機半導體電路元件包括多工電路及放大電路，且其中該電極陣列由該撓性或可拉伸基板支撐；(iii)一障壁層，其囊封該撓性或可拉伸電極陣列之至少一部分以將來自該撓性或可拉伸電極陣列之一淨洩漏電流限制至不有害地影響該組織之一量；其中該撓性或可拉伸基板、該撓性或可拉伸電極陣列及該障壁層提供足夠低而使得該裝置建立與該生物環境中之該組織之適形接觸之該裝置之一淨彎曲勁度；(2)使該組織與該可構形電子裝置接觸，藉此建立該適形接觸以使得該複數個電極元件中之至少一者經定位而與該生物環境中之該組織電連通；及(3)在該複數個電極元件之至少一部分上量測與該生物環境中之該組織相關聯之一個或多個電壓。在一實施例中，舉例而言，與該組織相關聯之該等電壓具有對應於該等電極元件之一空間配置之一空間配置。本發明之方法可包括將該可構形裝置施用至一標的(例如，一患者)及/或自該標的(例如，一患者)移除該可構形裝置之步驟。在一實施例中，該使該可構形裝置與該受實驗者之該組織接觸之步驟係藉由使該組織之一個或多個表面與該可構形裝置之一接觸表面實體接觸來實施。
在一態樣中，本發明提供一種用於與一生物環境中之一組織介接之裝置，該裝置包含：(1)一撓性或可拉伸基板；(2)一可拉伸或撓性發光二極體陣列，其包含與複數個可拉伸或撓性電互連件電連通之複數個發光二極體，該可拉伸或撓性發光二極體陣列由該撓性或可拉伸基板支撐；及(3)一障壁層，其囊封該可拉伸或撓性發光二極體陣列之至少一部分以將自該可拉伸或撓性發光二極體陣列至該組織之一淨洩漏電流限制至不有害地影響該組織之一量；其中該撓性或可拉伸基板、可拉伸或撓性發光二極體陣列及該障壁層提供足夠低而使得該裝置建立與該生物環境中之該組織之適形接觸之該裝置之一淨彎曲勁度。在一實施例中，此態樣之該裝置係一可植入或皮膚安裝式發光二極體陣列。在一實施例中，舉例而言，該可拉伸或撓性發光二極體陣列包含一多層結構，該多層結構包含以一多層堆疊的幾何形狀提供之複數個個別地囊封的LED陣列層，舉例而言，其中以一多層堆疊的幾何形狀提供2至50個個別地囊封的LED陣列層。
在一實施例中，本發明提供一種使一發光二極體陣列與一標的之一組織介接之方法，該方法包含以下步驟：(1)提供用於與一生物環境中之一組織介接之一可構形裝置，該裝置包含：(i)一撓性或可拉伸基板；(ii)一可拉伸或撓性發光二極體陣列，其包含與複數個可拉伸或撓性電互連件電連通之複數個發光二極體，該可拉伸或撓性發光二極體陣列由該撓性或可拉伸基板支撐；(iii)一障壁層，其囊封該可拉伸或撓性發光二極體陣列之至少一部分以將自該可拉伸或撓性發光二極體陣列至該組織之一淨洩漏電流限制至不有害地影響該組織之一量；其中該撓性或可拉伸基板、可拉伸或撓性發光二極體陣列及該障壁層提供足夠低而使得該裝置建立與該生物環境中之該組織之適形接觸之該裝置之一淨彎曲勁度；及(2)使該可構形裝置與該受實驗者之該組織接觸，藉此建立與該生物環境中之該組織之該適形接觸。本發明之方法可包括將該可構形裝置施用至一標的(例如，一患者)及/或自該標的(例如，一患者)移除該可構形裝置之步驟。在一實施例中，該使該可構形裝置與該受實驗者之該組織接觸之步驟係藉由使該組織之一個或多個表面與該可構形裝置之一接觸表面實體接觸來實施。
本發明提供一範圍之生物分析及治療方法，包括診斷及治療方法。如熟習此項技術者將瞭解，本發明之方法可利用本文中所揭示裝置態樣中之任一者。此態樣之裝置用於(舉例而言)進行對一生物環境中之一組織之電生理學量測。在實施例中，該生物環境係一活體生物環境。在某些實施例中，該生物環境包含一離子溶液，例如鹽。此態樣之裝置適用於進行量測及/或致動組織，包括但不限於心臟組織、腦組織、肌肉組織、皮膚、神經系統組織、脈管組織、上皮組織、視網膜組織、耳鼓膜、瘤組織、消化系統結構及此等之任一組合。
在一實施例中，本發明提供一種感測或致動一生物環境中之一組織之方法，該方法包含：(1)提供具有該生物環境中之該組織之一標的；(2)提供一可構形裝置，該裝置包含：(i)一撓性或可拉伸基板；(ii)一撓性或可拉伸電子電路，其由該撓性或可拉伸基板支撐，其中該撓性或可拉伸電子電路包含複數個感測器、致動器或以一陣列提供之感測器及致動器兩者，其中該等感測器及致動器包含一個或多個無機半導體電路元件；及(iii)一障壁層，其囊封該撓性或可拉伸電子電路之至少一部分；其中該障壁層及該撓性或可拉伸基板將來自該撓性或可拉伸電子電路之一淨洩漏電流限制至不有害地影響該組織之一量或該障壁層經圖案化以便選擇性地調變該撓性或可拉伸電子電路與該生物環境中之該組織之間的實體接觸、熱接觸、光學連通或電連通；其中該撓性或可拉伸基板、該撓性或可拉伸電子電路及該障壁層提供足夠低而使得該可構形裝置建立與該生物環境中之該組織之適形接觸之該裝置之一淨彎曲勁度；(3)使該組織與該可構形裝置接觸，藉此建立該適形接觸以使得該複數個感測器、致動器或該陣列之感測器及致動器兩者之至少一部分經提供而與該生物環境中之該組織實體接觸、電連通、光學連通、流體連通或熱連通；及(4)感測或致動與該可構形裝置接觸之該組織。在一實施例中，舉例而言，該生物環境係一活體生物環境。在一實施例中，舉例而言，該生物環境中之該組織包含心臟組織、腦組織、肌肉組織、皮膚、神經系統組織、脈管組織、上皮組織、視網膜組織、耳鼓膜、瘤組織、一消化系統結構或脈管組織。在一實施例中，舉例而言，該使該組織與該可構形裝置接觸之步驟建立該可構形裝置之一個或多個接觸表面與該組織之選自10 mm2至10,000 mm2之範圍之一區域之間的適形接觸。在一實施例中，舉例而言，該方法進一步包含沿該生物環境中之該組織之一表面移動該可構形裝置之步驟。
在一實施例中，該感測或致動與該可構形裝置接觸之該組織之步驟包含：在該組織之一表面上之複數個不同區處產生一個或多個電壓；在該組織之一表面上之複數個不同區處感測一個或多個電壓；或在該組織之一表面上之複數個不同區處感測一個或多個電壓且在該組織之該表面上之複數個不同區處產生一個或多個電壓。在(舉例而言)用於感測應用之一方法中，該等電壓選自-100 mV至100 mV之範圍、視情況針對某些應用選自-50 mV至50 mV之範圍及視情況針對某些應用選自-20 mV至20 mV之範圍。在(舉例而言)用於刺激及致動應用之一方法中，該等電壓選自-100 V至100 V之範圍、視情況針對某些應用選自-5 V至5 V之範圍及視情況針對某些應用選自-1 V至1 V之範圍。
在一實施例中，該感測或致動與該可構形裝置接觸之該組織之步驟包含：在該組織之一表面上之複數個不同區處產生一個或多個電流；在該組織之一表面上之複數個不同區處感測一個或多個電流；或在該組織之一表面上之複數個不同區處感測一個或多個電流且在該組織之該表面上之複數個不同區處產生一個或多個電流。
在一實施例中，該感測或致動與該可構形裝置接觸之該組織之步驟包含：感測該組織之一表面處之電磁輻射；產生該組織之一表面處之電磁輻射；或感測該組織之一表面處之電磁輻射且產生該組織之該表面處之電磁輻射。在一方法中，舉例而言，該電磁輻射具有在電磁光譜之紫外、可見、近紅外、微波及/或無線電波區中之一波長分佈。在一方法中，舉例而言，該感測或致動與該可構形裝置接觸之該組織之步驟包含消融該組織之至少一部分，例如，該組織之包含一損傷或瘤之一部分。
在一實施例中，該感測或致動與該可構形裝置接觸之該組織之步驟包含：將一目標分子自該組織之一表面輸送至該撓性或可拉伸電子電路；將一目標分子自該撓性或可拉伸電子電路輸送至該組織之一表面；或將一目標分子自該組織之一表面輸送至該撓性或可拉伸電子電路且將一目標分子自該撓性或可拉伸電子電路輸送至該組織之一表面。在一方法中，舉例而言，該目標分子選自由以下各項組成之群組：多肽、多核苷酸、碳水化合物、蛋白質、類固醇、糖肽、脂質、代謝物及藥物，包括光活藥物，例如類型1或類型2光線療法劑。
在一實施例中，該感測或致動與該可構形裝置接觸之該組織之步驟包含：感測或改變該組織之一區之一溫度；感測或改變該組織之一區之一壓力；感測或改變該組織之一位置；感測或產生該組織之一區處之一電場；或感測或產生該組織之一區處之一磁場。
在一實施例中，此態樣之一方法進一步包含將一治療劑施用至該標的，其中該治療劑局部化於該組織處，其中該感測或致動與該可構形裝置接觸之該組織之步驟包含激活該組織或其特定區(例如，一瘤或損傷)處之治療劑。本發明之方法及裝置能夠使用一範圍之激活技術，包括光學激活、電子激活、聲音激活或熱激活。
在一實施例中，該感測或致動與該可構形裝置接觸之該組織之步驟包含自該組織量測一電生理學信號，自該組織量測電磁輻射之一強度，在該目標組織處量測一目標分子之濃度之一改變，量測該組織之一加速度，量測該組織之一移動，量測該組織或其區之一位置或量測該組織之一溫度。在一方法中，舉例而言，該組織係心臟組織，且其中該感測或致動與該可構形裝置接觸之該組織之步驟包含同時施加多個起搏刺激至該心臟組織，例如在相同時間或在不同時間施加複數個電壓至該組織之不同區域。在此態樣之一實施例中，該組織係心外膜組織。
在一實施例中，經由一外科技術來實施該使該組織與該可構形裝置接觸之步驟。在一方法中，舉例而言，使用一導管來實施該使該組織與該可構形裝置接觸之步驟。在一方法中，舉例而言，將該可構形裝置本身收合、捲起或纏繞且插入至該導管中，且其中隨後將該導管定位於該組織處且將該可構形裝置自該導管釋放，藉此將該可構形裝置遞送至該組織之一表面。在一方法中，舉例而言，該可構形裝置在自該導管釋放後(舉例而言)藉由解開或展開改變構形以便建立與該組織之一個或多個表面之適形接觸。
在一實施例中，本發明之一方法包含一診斷或治療程序，舉例而言，一外科診斷或治療程序。在一方法中，舉例而言，該.診斷或治療程序選自由以下各項組成之群組：解剖學映射、生理學映射及再同步化治療。在一方法中，舉例而言，該診斷或治療程序包含量測心臟收縮性、心肌壁位移、心肌壁應力、心肌移動或缺血性改變。在一方法中，舉例而言，該診斷或治療程序包含心臟映射或心臟再同步化治療。在一方法中，舉例而言，該診斷或治療程序包含心臟消融治療。
在一實施例中，舉例而言，該撓性或可拉伸電子電路包含用於確定及/或區別組織性質之複數個感測器及係用於消融該組織之一個或多個區之一消融源之一個或多個致動器。在一方法中，舉例而言，用於確定及/或區別組織性質之該感測器區分選自由以下各項組成之群組之組織之一個或多個組份：一損傷、一瘤、心外膜肌肉、心肌組織、心外膜脂肪、一冠狀動脈及一神經。在一方法中，舉例而言，該消融源選擇性地消融該組織之該損傷或瘤組份。
不希望受任何特定理論束縛，本文中可存在對與本發明相關之基本原理之信念或理解之論述。應認識到，不管任何機械論解釋或假設之最終正確性如何，本發明之一實施例仍可係可操作及適用的。
一般而言，本文中所使用之術語及片語具有其業內認可之意義，其意義可藉由參照熟習此項技術者已知之標準教科書、雜誌參考文獻及上下文而得知。提供以下定義以闡明其在本發明之上下文中之特定使用。
術語「撓性」及「可彎曲」在本說明中同義使用且係指一材料、結構、裝置或裝置組件變形為一曲線或彎曲形狀而不會發生引入顯著應變(例如，表徵一材料、結構、裝置或裝置組件之失效點之應變)之一變換之能力。在一實例性實施例中，一撓性材料、結構、裝置或裝置組件可變形為一曲線形狀而在應變敏感區中不引入大於或等於5%之應變，針對某些應用不引入大於或等於1%之應變及針對另外其他應用不引入大於或等於0.5%之應變。如本文中所使用，某些但未必所有撓性結構亦係可拉伸的。各種性質提供本發明之撓性結構(例如，裝置組件)，包括例如以下材料性質：一低模數；彎曲勁度及撓曲剛度；實體尺寸，例如小平均厚度(例如，小於100微米，視情況小於10微米及視情況小於1微米)；及裝置幾何形狀，例如薄膜及網狀幾何形狀。
「可拉伸」係指一材料、結構、裝置或裝置組件被施加應變而不會發生斷裂之能力。在一實例性實施例中，一可拉伸材料、結構、裝置或裝置組件可經受大於0.5%之應變而不會斷裂，針對某些應用可經受大於1%之應變而不會斷裂及針對另外其他應用經受大於3%之應變而不會斷裂。如本文中所示，許多可拉伸結構亦係撓性的。某些可拉伸結構(例如，裝置組件)被工程設計為能夠經受壓縮、伸長及/或扭曲以便能夠變形而不會斷裂。可拉伸結構包括包含可拉伸材料之薄膜結構，例如彈性體、能夠進行伸長、壓縮及/或扭曲運動之彎曲結構及具有一島-橋幾何形狀之結構。可拉伸裝置組件包括具有可拉伸互連件之結構，例如可拉伸電互連件。
「功能性層」係指將某功能性賦予裝置之一含裝置層。舉例而言，該功能性層可係一薄膜，例如一半導體層。另一選擇係，該功能性層可包含多個層，例如由支撐層分離之多個半導體層。該功能性層可包含複數個經圖案化元件，例如在裝置接納墊或島之間延伸之互連件。該功能性層可係異質的或可具有一個或多個不均質性質。「不均質性質」係指可在空間上變化之一物理參數，藉此實行多層裝置內中性機械表面(NMS)之定位。
「半導體」係指在一低溫度下為一絕緣體但在約300開之一溫度下具有一可觀導電率之任一材料。在本說明中，術語半導體之用法意欲與此術語在微電子及電子裝置領域中之用法相一致。適用半導體包含例如矽、鍺及金剛石等元素半導體及例如以下等化合物半導體：IV族化合物半導體，例如SiC及SiGe；III-V族半導體，例如AlSb、AlAs、Aln、AlP、BN、GaSb、GaAs、GaN、GaP、InSb、InAs、InN及InP；III-V族三元半導體合金，例如AlxGa1-xAs；II-VI族半導體，例如CsSe、CdS、CdTe、ZnO、ZnSe、ZnS及ZnTe；I-VII族半導體CuCl；IV-VI族半導體，例如PbS、PbTe及SnS；層式半導體，例如PbI2、MoS2及GaSe；氧化物半導體，例如CuO及Cu2O。術語半導體包括本質半導體及非本質半導體，其摻雜有一種或多種選定材料，包括具有p型摻雜材料及n型摻雜材料之半導體，以提供適用於一給定應用或裝置之有益電子性質。術語「半導體」包括包含半導體及/或摻雜劑之一混合物之複合材料。適用於某些實施例中之特定半導體材料包含但不限於：Si、Ge、SiC、AlP、AlAs、AlSb、GaN、GaP、GaAs、GaSb、InP、InAs、GaSb、InP、InAs、InSb、ZnO、ZnSe、ZnTe、CdS、CdSe、ZnSe、ZnTe、CdS、CdSe、CdTe、HgS、PbS、PbSe、PbTe、AlGaAs、AlInAs、AlInP、GaAsP、GaInAs、GaInP、AlGaAsSb、AlGaInP及GaInAsP。多孔矽半導體材料適用於感測器及發光材料領域中本文中所闡述態樣之應用，例如發光二極體(LED)及固態雷射器。半導體材料之雜質係除半導體材料本身以外之原子、元素、離子及/或分子，或者提供至半導體材料之任何摻雜劑。雜質係半導體材料中所存在之不合意材料，其可能會不利地影響半導體材料之電性質，且包括但不限於氧、碳及金屬，包括重金屬。重金屬雜質包括但不限於：元素週期表上位於銅與鉛之間的元素族、鈣、鈉及其所有離子、化合物及/或錯合物。
「半導體元件」、「半導體結構」及「半導體電路元件」在本說明中同義使用且在廣義上係指任一半導體材料、組成或結構，且確切地包括高品質單晶及多晶半導體、經由高溫處理製作之半導體材料、經摻雜半導體材料、有機及無機半導體及具有一種或多種額外半導體組件及/或非半導體組件(例如，電介質層或材料、電極及/或傳導層或材料)之複合半導體材料及結構。
「一致」係指兩個或更多個物項、平面或表面之相對位置，舉例而言，定位於一層(例如，一功能性層、基板層或其他層)內或毗鄰於該層定位之一表面，例如一NMS或NMP。在一實施例中，一NMS或NMP經定位而對應於該層內最為應變敏感的層或材料。
「接近」係指兩個或更多個物項、平面或表面之相對位置，舉例而言，緊密遵循一層(例如，一功能性層、基板層或其他層)之位置同時仍提供合意撓性或可拉伸性而不會對應變敏感材料物理性質造成一有害影響之一NMS或NMP。一般而言，具有一高應變敏感度且因此容易第一層斷裂之一層位於該功能性層中，例如含有一相對易碎半導體或其他應變敏感裝置元件之一功能性層。接近於一層之一NMS或NMP不需要限制為在彼層內，而是可接近或充分靠近而定位以在裝置被摺疊時提供減小應變敏感裝置元件上之應變之一功能性益處。
「電子裝置」在本文中用來廣義地指代例如積體電路、成像器或其他光電子裝置等裝置。電子裝置亦可指代一電子裝置之一組件，例如被動或主動組件，例如一半導體、互連件、接觸墊、電晶體、二極體、LED、電路等。本文中所揭示之裝置可關於以下領域：收集光學器件、漫射光學器件、顯示器、撿拾總成、垂直腔表面發射雷射器(VCSEL)及其陣列、LED及其陣列、透明電子器件、光伏陣列、太陽能電池及其陣列、撓性電子器件、顯微操縱、塑膠電子器件、顯示器、撿拾總成、轉印印刷、LED、透明電子器件、可拉伸電子器件及撓性電子器件。
一「組件」用來廣義地指代一裝置中使用一材料或個別組件。一「互連件」係一組件之一個實例且係指能夠建立與一組件或組件之間的一電連接之一導電材料。特定而言，一互連件可建立係分離及/或可相對於彼此移動之組件之間的電接觸。相依於合意裝置規範、操作及應用，一互連件由一合適材料製成。對於需要一高傳導率之應用，可使用典型的互連件金屬，包括但不限於銅、銀、金、鋁及諸如此類以及合金。合適的傳導材料進一步包括半導體，例如矽及GaAs以及其他傳導材料，例如氧化鋅錫。
一「可拉伸」或「撓性」互連件在本文中用來廣義地指代能夠經受各種力及應變(例如，沿一個或多個方向之拉伸、彎曲及/或壓縮)而不會有害地影響至一裝置組件之電連接或來自一裝置組件之電傳導之一互連件。相應地，一可拉伸互連件可由一相對易碎材料(例如，GaAs)形成，但即使當因互連件之幾何形狀組態而曝露至一顯著變形力(例如，拉伸、彎曲、壓縮)時仍保持具有連續的功能。在一例示性實施例中，一可拉伸互連件可經受大於1%、視情況10%或視情況30%或視情況高達100%之應變而不會斷裂。在一實例中，該應變係因拉伸該互連件之至少一部分所接合至之一下伏彈性體基板而產生。對於某些實施例，撓性或可拉伸互連件包括具有波狀、曲折或蛇形形狀之互連件。
一「裝置組件」用來廣義地指代一電、光學、機械或熱裝置內之一個別組件。組件包括但不限於一光電二極體、LED、TFT、電極、半導體、其他光收集/偵測組件、電晶體、積體電路、能夠接納一裝置組件之接觸墊、薄膜裝置、電路元件、控制元件、微處理器、轉變器及其組合。如此項技術中已知，一裝置組件可連接至一個或多個接觸墊，例如金屬蒸鍍、線接合、固體或傳導膏之施加(舉例而言)。電裝置通常係指併入有複數個裝置組件之一裝置，且包括大面積電子器件、印刷線板、積體電路、裝置組件陣列、生物及/或化學感測器、物理感測器(例如，溫度、光、輻射等)、太陽能電池或光伏陣列、顯示陣列、光學收集器、系統及顯示器。
「感測元件」及「感測器」同義使用且係指適用作一感測器及/或適用於偵測一物理性質、物項、輻射及/化學物質之存在、不存在、量、量值或強度之一裝置組件。某些實施例中之感測器用於將一生物信號轉變成一電信號、光學信號、無線信號、聲音信號等。適用感測元件包括但不限於電極元件、化學或生物感測器元件、pH感測器、光學元件、光電二極體、溫度感測器、電容感測器、應變感測器、加速度感測器、移動感測器、位移感測器、壓力感測器、聲音感測器或此等之組合。
「致動元件」及「致動器」同義使用且係指適用於與一外部結構、材料或流體(舉例而言，一生物組織)互動、對其進行刺激、控制或以其他方式影響之一裝置組件。適用致動元件包括但不限於電極元件、電磁輻射發射元件、發光二極體、雷射器及加熱元件。致動元件包括用於提供一電壓或電流至一組織之電極。致動元件包括用於提供電磁輻射至一組織之電磁輻射源。致動元件包括用於消融組織之消融源。致動元件包括用於加熱組織之熱源。致動元件包括用於使一組織位移或以其他方式移動一組織之位移源。
「島」或「裝置島」係指一電子裝置之一相對剛性裝置元件或組件，包含多種半導體元件或主動半導體結構。「橋」或「橋結構」係指將兩個或更多個裝置島或一個裝置島互連至另一裝置組件之可拉伸或撓性結構。特定橋結構包括撓性半導體互連件。
「障壁層」係指空間上分離兩個或更多個其他裝置組件或空間上分離一裝置組件與該裝置外部之一結構、材料或流體之一裝置組件。在一個實施例中，一障壁層囊封一個或多個裝置組件。在實施例中，一障壁層分離一個或多個裝置組件與一水溶液、一生物組織及/或一生物環境。在實施例中，一障壁層係一被動裝置組件。在實施例中，一障壁層係一功能性但非主動裝置組件。在一特定實施例中，一障壁層係一潮濕障壁。如本文中所使用，術語「潮濕障壁」係指提供對其他裝置組件之保護以免受身體上的流體、離子溶液、水或其他溶劑之一障壁層。在一個實施例中，一潮濕障壁(舉例而言)藉由防止洩漏電流離開一經囊封裝置組件及到達一外部結構、材料或流體來提供對該外部結構、材料或流體之保護。在一特定實施例中，一障壁層係一熱障壁。如本文中所使用，術語「熱障壁」係指充當一熱絕緣體從而防止、減少或以其他方式限制熱量自一個裝置組件轉印至另一裝置組件或自一裝置組件轉印至一外部結構、流體或材料之一障壁層。適用熱障壁包括彼等包含具有0.3 W/m‧K或更小(例如，在0.001至0.3 W/m‧K之範圍內選擇)之一導熱率之材料的熱障壁。在某些實施例中，一熱障壁包含主動冷卻組件，例如熱管理技術中已知之組件，例如熱電冷卻裝置及系統。熱障壁亦包括彼等包含熱管理結構(例如，適用於將熱量輸送離開一裝置或組織之一部分之結構)之障壁；在此等及其他實施例中，一熱障壁包含導熱材料，舉例而言，具有一高熱傳導率之材料，例如一金屬之一導熱率特性。
「洩漏電流」或「洩漏」係指自一電子裝置沿一非既定路徑流動之電流。在某些條件下，充分電流自一電子裝置之洩漏可損壞該裝置及/或其組件。在某些環境下，洩漏電流亦可或替代地損壞其流動至其中之材料。
「主動電路(Active circuit)」及「主動電路(active circuitry)」係指經組態以用於執行一特定功能之一個或多個裝置組件。適用主動電路包括但不限於放大器電路、多工電路、邏輯電路、CMOS電路、處理器及電流限制電路。適用主動電路元件包括但不限於電晶體元件及二極體元件。
「選擇性可滲透」係指一材料之允許某些物質穿過該材料而防止其他物質穿過之一性質。在一個實施例中，一選擇性可滲透材料允許一種或多種目標化學物質、分子及/或生物分子穿過該材料而防止水、離子溶液、身體上的流體、鹽、蛋白質及其他物質穿過該材料。在一實施例中，一裝置之障壁層具有空間上經圖案化可滲透區、不可滲透區或可滲透區與不可滲透區兩者之一組合。
「基板」係指具有能夠支撐一結構(包括一電子裝置或電子裝置組件)之一表面之一材料。「接合」至該基板之一結構係指該結構之與該基板實體接觸且不能相對於其所接合至的基板表面實質移動之一部分。相反，未接合部分能夠相對於該基板實質移動。
一「NMS調整層」係指其主要功能係調整裝置中之NMS之位置之一層。舉例而言，該NMS調整層可係一囊封層或一添加層，例如一彈性體材料。
在本說明之上下文中，一「彎曲組態」係指具有因施加一力而產生之一曲線構形之一結構。彎曲結構可具有一個或多個摺疊區、凸起區、凹入區及其任何組合。適用彎曲結構(舉例而言)可以一盤繞構形、一起皺構形、一波紋構形及/或一波狀(即，波形)組態提供。彎曲結構(例如，可拉伸彎曲互連件)可以其中該彎曲結構處於應變下之一構形接合至一撓性基板，例如聚合物及/或彈性基板。在某些實施例中，該彎曲結構(例如，一彎曲帶結構)處於等於或小於30%之一應變下，視情況處於等於或小於10%之一應變下，視情況處於等於或小於5%之一應變下，及在較佳用於某些應用之實施例中視情況處於等於或小於1%之一應變下。在某些實施例中，該彎曲結構(例如，一彎曲帶結構)處於選自0.5%至30%之範圍之一應變下，視情況處於選自0.5%至10%之範圍之一應變下，及視情況處於選自0.5%至5%之範圍之一應變下。另一選擇係，該等可拉伸彎曲互連件可接合至一基板，該基板係一裝置組件之一基板，包括本身非係撓性之一基板。該基板本身可係平坦、實質平坦、曲線、具有陡峭邊緣或其任一組合。可拉伸彎曲互連件供用於轉印至此等複雜基板表面形狀中之任何一者或多者。
「熱接觸」係指兩個或更多個材料及/或結構能夠進行自較高溫度材料至較低溫度材料之實質熱量轉移(例如，藉由傳導)之能力。熱連通係指兩個或更多個組件之使得熱量可自一個組件直接或間接轉移至另一組件之一組態。在某些實施例中，熱連通之組件係直接熱連通，其中熱量自一個組件直接轉移至另一組件。在某些實施例中，熱連通之組件係間接熱連通，其中熱量經由分離該等組件之一個或多個中間結構自一個組件間接轉移至另一組件。
「流體連通」係指兩個或更多個組件之使得一流體(例如，一氣體或一液體)能夠自一個組件輸送、流動及/或擴散至另一組件之組態。元件可經由一個或多個額外元件(例如，管、容納結構、通道、閥、幫浦或此等之任何組合)流體連通。在某些實施例中，流體連通之組件係直接流體連通，其中流體能夠自一個組件直接輸送至另一組件。在某些實施例中，流體連通之組件係間接流體連通，其中流體經由分離該等組件之一個或多個中間結構自一個組件間接輸送至另一組件。
「電接觸」係指兩個或更多個材料及/或結構能夠在其之間轉移電荷(例如，以轉移電子或離子之形式)之能力。電連通係指兩個或更多個組件之使得一電子信號或電荷載體可自一個組件直接或間接轉移至另一組件之一組態。如本文中所使用，電連通包括單向及雙向電連通。在某些實施例中，電連通之組件係直接電連通，其中一電子信號或電荷載體自一個組件直接轉移至另一組件。在某些實施例中，電連通之組件係間接電連通，其中一電子信號或電荷載體經由分離該等組件之一個或多個中間結構(例如，電路元件)自一個組件間接轉移至另一組件。
「光學連通」係指兩個或更多個組件之使得電磁輻射可自一個組件直接或間接轉移至另一組件之一組態。如本文中所使用，光學連通包括單向及雙向光學連通。在某些實施例中，光學連通之組件係直接光學連通，其中電磁輻射自一個組件直接轉移至另一組件。在某些實施例中，光學連通之組件係間接光學連通，其中電磁輻射經由分離該等組件之一個或多個中間結構(例如，反射器、透鏡或稜鏡)自一個組件間接轉移至另一組件。
「超薄」係指具有展現極端可彎曲性位準之薄幾何形狀之裝置。在一實施例中，超薄係指具有小於1 μm、小於600 nm或小於500 nm之一厚度之電路。在一實施例中，一超薄多層裝置具有小於200 μm、小於50 μm或小於10 μm之一厚度。
「薄層」係指至少部分地覆蓋一下伏基板之一材料，其中厚度小於或等於300 μm、小於或等於200 μm或小於或等於50 μm。另一選擇係，根據一功能性參數來描述該層，例如足以隔離或實質減小電子裝置上之應變之一厚度，且更特定而言該電子裝置中對應變敏感之一功能性層。
「電介質」係指一非傳導或絕緣材料。在一實施例中，一無機電介質包含實質無碳之一電介質材料。無機電介質材料之特定實例包括但不限於氮化矽及二氧化矽。
「聚合物」係指由藉由共價化學鍵連接之重複結構性單元構成之一大分子或一個或多個單體之聚合產物，其通常由高分子重量表徵。術語聚合物包括均聚物或基本上由一單個重複單體子單元組成之聚合物。術語聚合物亦包括共聚物或基本上由兩個或更多個單體子單元(例如，無規、嵌段、交替、多嵌段、接枝、錐形及其他共聚物)組成之聚合物。適用聚合物包含有機聚合物及無機聚合物，且可呈非晶、半晶、結晶或部分地結晶之狀態。具有鏈接式單體鏈之交聯聚合物尤其適用於某些應用。適用於方法、裝置及裝置組件中之聚合物包括但不限於塑膠、彈性體、熱塑性彈性體、彈性塑膠、恒溫器、熱塑性塑膠及丙烯酸酯。例示性聚合物包含但不限於：縮醛聚合物、生物可降解聚合物、纖維素聚合物、含氟聚合物、耐綸、聚丙烯腈聚合物、聚醯胺-醯亞胺聚合物、聚醯亞胺、聚芳酯、聚苯并咪唑、聚丁烯、聚碳酸酯、聚酯、聚醚、聚乙烯、聚乙烯共聚物及經修飾聚乙烯、聚酮、聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚甲基戊烯、聚苯醚及聚苯硫醚、聚鄰苯二甲醯胺、聚丙烯、聚亞安酯、苯乙烯樹脂、基於碸之樹脂、基於乙烯基之樹脂、橡膠(包括天然橡膠、苯乙烯-丁二烯、聚丁二烯、氯丁橡膠、乙烯-丙烯、丁基、腈、聚矽氧)、丙烯酸、耐綸、聚碳酸酯、聚酯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚烯烴或此等之任何組合。
「彈性體」係指可拉伸或變形並返回至其原始形狀而不存在實質永久性變形之一聚合材料。彈性體通常能經受實質彈性變形。適用彈性體包括彼等包含聚合物、共聚物、複合材料或聚合物與共聚物之混合物之彈性體。彈性體層係指包含至少一種彈性體之一層。彈性體層亦可包括摻雜劑及其他非彈性體材料。適用彈性體包括但不限於：熱塑性彈性體、苯乙烯材料、烯烴材料、聚烯烴、聚亞安酯熱塑性彈性體、聚醯胺、合成橡膠、PDMS、聚丁二烯、聚異丁烯、聚(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯)、聚亞安酯、聚氯丁烯及聚矽氧。在某些實施例中，一彈性體模板包含彈性體。例示性彈性體包括但不限於含聚合物之矽，例如聚矽氧烷，包括聚(二甲基矽氧烷)(即PDMS及h-PDMS)、聚(甲基矽氧烷)、部分烷基化聚(甲基矽氧烷)、聚(烷基甲基矽氧烷)及聚(苯基甲基矽氧烷)、矽修飾之彈性體、熱塑性彈性體、苯乙烯材料、烯烴材料、聚烯烴、聚亞安酯熱塑性彈性體、聚醯胺、合成橡膠、聚異丁烯、聚(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯)、聚亞安酯、聚氯丁烯及聚矽氧。在一實施例中，一撓性聚合物係一撓性彈性體。
「彈性體模板」或「彈性體轉印裝置」可互換使用且係指具有可接納以及轉印一組件(例如，一電子裝置或其組件)之一表面之一彈性體材料。例示性彈性體轉印裝置包括模板、模具及遮罩。該轉印裝置影響及/或促進自一施主材料至一接收者材料之特徵轉印。模板及轉印裝置可用於經由轉印印刷(例如，乾式接觸轉印印刷)來組裝組件。
「適形接觸」係指一裝置與一接納表面之間建立之接觸，該接納表面(舉例而言)可係一生物環境中之一目標組織。在一個態樣中，適形接觸涉及一可植入裝置之一個或多個表面(例如，接觸表面)對一組織表面之總體形狀之一肉眼可見適應。在另一態樣中，適形接觸涉及一可植入裝置之一個或多個表面(例如，接觸表面)對一組織表面之一顯微鏡可見適應，從而產生實質無孔隙之一親密接觸。在一實施例中，適形接觸涉及該可植入裝置之一(或多個)接觸表面對一組織之一(或多個)接納表面之適應，以便達成親密接觸，舉例而言，其中該可植入裝置之一接觸表面之少於20%的表面區域不實體接觸該接納表面，或視情況該可植入裝置之一接觸表面之少於10%不實體接觸該接納表面，或視情況該可植入裝置之一接觸表面之少於5%不實體接觸該接納表面。適形接觸包括大面積適形接觸，舉例而言，其中一組織與裝置組件之間的適形接觸係在大於或等於1000 mm2及視情況大於或等於10,000 mm2之一區域上
「可構形」係指具有充分低之一彎曲勁度以允許一裝置、材料或基板採用一合意輪廓外形(舉例而言，允許與具有一浮凸或凹陷特徵圖案之一表面之適形接觸之一輪廓外形)之該裝置、材料或基板。在某些實施例中，一合意輪廓外形係一生物環境中之一組織(舉例而言，心臟組織)之輪廓外形。
「低模數」係指具有小於或等於10 MPa、小於或等於5 MPa或視情況小於或等於1 MPa及視情況針對某些應用小於或等於0.1 Mpa之一楊氏模數(Young's modulus)之材料。
「楊氏模數」及「模數」可互換使用且係指一材料、裝置或層之一機械性質，其係指一給定物質之應力對應變之比率。楊氏模數可由如下表達式來提供；
其中E係楊氏模數，L0係平衡長度，ΔL係在所施加應力下發生之長度改變，F係所施加之力且A係施加有該力之面積。楊氏模數亦可經由如下方程式根據拉梅(Lame)常數來表達：
其中λ及μ係拉梅常數。高楊氏模數(或「高模數」)及低楊氏模數(或「低模數」)係對一給定材料、層或裝置之楊氏模數量值之相對描述語。在某些實施例中，一高楊氏模數大於一低楊氏模數，較佳對於某些應用大10倍，更佳地對於其他應用大100倍且甚至更佳地對於另外其他應用大1000倍。「不均質楊氏模數」係指具有在空間上變化(例如，隨表面位置而改變)之一楊氏模數之一材料。可視情況根據整個材料層之一「體」或「平均」楊氏模數來描述具有一不均質楊氏模數之一材料。
「彎曲勁度」係一材料、裝置或層之一機械性質，其描述該材料、裝置或層對一所施加彎曲力矩之抵抗。一般而言，彎曲勁度被定義為模數與該材料、裝置或層之慣性之面積矩之積。可視情況按照整個材料層之一「體」或「平均」彎曲勁度來描述具有一不均質彎曲勁度之一材料。
在一組織及/或生物環境之背景下的「有害地影響」係指能夠損壞、破壞、降低該生物環境中之該組織之細胞之生存能力及/或將其殺死之一刺激，例如電壓、電流、溫度、電場、電磁輻射或其組合。如熟習此項技術者將理解，有害地影響一生物環境中之一組織之條件相依於該組織及該組織之生物環境之特定類型及組成。在一實施例中，舉例而言，一障壁層將自該電子裝置至該組織之洩漏電流限制至一特定量，例如等於或小於0.1 μA/cm2、視情況針對某些應用等於或小於0.01 μA/cm2及視情況針對某些應用等於或小於0.001 μA/cm2之一值，以便不會有害地影響該組織。在一實施例中，舉例而言，一障壁層限制自該電子裝置至該組織之熱轉移以便在原位提供該組織之等於或小於0.5、視情況1、視情況2或視情況5攝氏度之溫度增加，以便不會有害地影響該組織。
「囊封」係指一個結構之使得其由一個或多個其他結構至少部分地包圍及在某些情形下完全地包圍之定向。「經部分地囊封」係指一個結構之使得其由一個或多個其他結構部分地包圍之定向。「經完全地囊封」係指一個結構之使得其由一個或多個其他結構完全地包圍之定向。本發明包括具有經部分或完全地囊封之電子裝置、裝置組件及/或無機半導體組件及/或電極之可植入裝置。
「生物相容」係指當被安置於一活體生物環境內時不會引起一免疫學排異或有害效應之一材料。舉例而言，當將一生物相容材料植入至一人類或動物中時，表示一免疫回應之一生物標記自一基線值改變小於10%或小於20%或小於25%或小於40%或小於50%。
「生物惰性」係指當被安置於一活體生物環境內時不會引起來自一人類或動物之一免疫回應之一材料。舉例而言，當將一生物惰性材料植入至一人類或動物中時，表示一免疫回應之一生物標記保持實質恆定(一基線值加或減5%)。
本文中闡述用於以高速及高解析度獲取電生理學資料之可構形電生理學資料獲取裝置及方法。本文中所揭示之可構形裝置包括併入有一潮濕障壁之裝置；舉例而言，潮濕障壁係適用於防止傳導溶液穿透至電子裝置中且藉此防止產生來自其組件之洩漏電流。本文中所揭示之順從裝置包括適用於即時且以高空間精度來診斷及治療醫學狀況之裝置。該等所揭示之裝置及方法亦包括彼等適於在活體組織(舉例而言，一跳動心臟之組織)經受運動時監視其電、光學、熱及組織特性之裝置及方法。該等所揭示之裝置及方法進一步包括彼等特別適於監視具有非平坦表面之組織之電特性的裝置及方法。
可藉由以下非限制性實例來進一步理解本發明。
實例1：使用適形電子器件之活體高速、高解析度心臟電生理學
藉由標準、臨床電生理學(EP)裝置來映射心臟心律失常可係一繁重、冗長過程，尤其在心外膜表面上方。具有小數目(4至10)之寬廣間隔(2至5 mm)之被動電極之探針在手動、點到點、跨越所關心區移動心臟肌肉之小區域時自其按順序記錄電活動。由於每一電極需要至外部處理器之一單獨連接，因此空間解析度及映射速度受到對可裝配於裝置中之電極及線之數目及組態之實際約束之限制。此實例闡述消除此等約束之一高解析度、高速系統。該裝置使用完全積體適形電子電路(構建有>2,000個單晶矽奈米帶電晶體)來自288個多工(16:1)通道同時進行記錄，每一通道具有其自己的板上放大器。裝置之低彎曲勁度允許其經由實體層壓黏著至跳動心臟之動態、三維(3D)表面，而不使用銷或黏合劑。此整合式系統在一單遍中於大面積上方以高空間(亞-mm)及時間(亞-ms)解析度來映射活動。藉由在一豬動物模型中自活體自發性及經起搏激活波前映射心室去極化之擴展來證明此功能性，藉此介紹用於新一代智慧、可植入醫學裝置之一平臺。
在發達國家，突然的心跳驟停係死亡之主要原因。具有心律失常死亡風險之諸多患者具有晚期結構性心臟疾病，且先前存在非致命性心室心律失常。在此等及其他情形下，使用心臟電生理學(EP)檢查來幫助診斷並引導治療。用於此用途之習用裝置使用探測心臟組織之表面處之電位之稀疏電極陣列。在映射期間，連續機動感測器以自心臟上之離散位點進行記錄。將此等順序局部記錄與軟體「縫合」在一起以再現一所關心區內心電活動之一完整表示。此方法之反覆性質延長EP程序且阻礙對瞬時反常節律之即時映射。儘管較寬廣電子器件行業中存在爆炸性發展及創新，但EP裝置之關鍵限制在於，其一直保留著~40年以前其最早前身的簡單電子器件-組織介面。感測及刺激電極係個別地連線至使用基於半導體晶圓之傳統電子器件之單獨、遠端處理單元的純粹被動金屬觸點。可藉由直接在組織-電極介面處嵌入基於矽之現代積體電路(IC)技術而最有效地實現快速、高解析度EP映射。遺憾的是，與習用IC相關聯之平坦形狀及剛性、易碎機械性質嚴重地妨礙其與生物組織之曲線、柔軟表面的非破壞性、親密整合。
材料科學的最近進展藉由至提供半導體晶圓上之類似設計之裝置之效能的IC的可縮放佈線但藉助塑膠或橡膠薄片之機械性質來提供對此問題之一解決方案。此技術依賴於組態成提供合意機械性質之結構性形式之所建立無機半導體(例如，Si)。舉例而言，奈米級帶、隔膜或線形式之單晶矽由於其厚度小而係撓性的。以中性機械平面設計採用此等材料之多層電路結構可允許彎曲至~50 μm之曲率半徑，而不會斷裂或其電性質發生降格。此等及相關策略達成可拉伸、摺疊及順從複雜的3D動態表面(例如，跳動心臟之心外膜表面)之高效能主動電極陣列。將主動、被供電組件(包括放大器及基於電晶體之多工電路)併入於撓性基板上之能力達成一EP裝置上之主動電極之一高密度，而不需要每一元件之間的一連連線或一植入或外部控制單元。下文中，此實例進一步闡述此類型之一系統之成功實施方案，其係以顯著超過主動生物醫學或其他類別之撓性裝置之先前報告之整合位準(即，>2000個電晶體)且以提供優於現有技術之明確優點之臨床相關使用模式(即，活體高度、高解析度EP映射)來實施的。該等結果不僅對於心臟EP應用係重要的而且更一般而言對於可與人類身體親密整合以獲得診斷或治療益處之新類別之主動電子系統亦係重要的。
圖1顯示一組以一單個單元胞(圖1a至1d)及一完成的裝置(圖1e)詳細說明製作序列之影像及圖解。每一胞由用作至組織之一電介面之一接觸墊及相關聯放大器及多工器組成。該裝置包括此等經放大電極之一18×16陣列一提供總共288個量測點，其間隔800 μm且覆蓋14.4 mm×12.8 mm之一總面積。參見圖1。每一單元胞包含7個電晶體以獲得總共2016個電晶體，此代表在任一非顯示撓性電子系統中達成之最高位準之整合。藉由積體多工電路，僅需要36條線來將所有288個量測點連接至外部資料獲取與控制單元。
該製作涉及在四個金屬層中形成電晶體及互連件。在第一個步驟中，轉印印刷將具有經圖案化摻雜區(針對歐姆接觸)之單晶半導體級矽奈米隔膜(260 nm)之一經組織集合遞送至一撓性塑膠基板(聚醯亞胺；~25 μm)(圖1a)。在減小之溫度下對SiO2之電漿增強型化學氣相沈積(~100 nm)產生一閘極電介質，穿過其藉由光微影術且在經緩衝氧化物蝕刻劑中蝕刻來形成源極/汲極接觸開口。電子束蒸鍍、光微影術及濕式蝕刻界定第一金屬互連件層，包括源極、汲極及閘極觸點，如圖1b中所示。以類似方式製作之第二及第三金屬層形成行及列定址電極(圖1c、1d)，其中具有經蝕刻導通孔之一旋鑄聚醯亞胺薄層(1.4 μm)提供第一金屬層與第二金屬層之間的夾層電介質、三層有機/無機堆疊(聚醯亞胺/Si3N4/環氧樹脂；1.4 μm/80 nm/9 μm)及一單個環氧樹脂層(9 μm)分別形成第二金屬層與第三金屬層及第三金屬層與第四金屬層之一類似夾層。細節呈現於下文所闡述之圖5至圖9中。此等不同層將電路定位於中性機械平面處且確保在浸沒於鹽溶液中時之可靠操作，如隨後所闡述。頂部金屬層界定接觸心臟組織且經由導通孔連接至下伏電路之表面電極(Au墊，250×250 μm)。此等電極(吾人稱作輸入)在1 KHz下具有100 KOhm+10%之阻抗，此係使用浸沒於當量鹽(0.9%)溶液中之一以類似方式設計之被動電極陣列量測。整個裝置藉由具有36個觸點之一各向異性傳導膜(ACF)連接器連接至一資料獲取系統。參見該等方法及圖10，以獲得該等製作程序及裝置之尺寸的細節。
圖1c及圖2a之右圖框分別提供放大器及多工電晶體之有注解影像及電路圖。該放大器以顯著電流增益使用一源極隨耦器組態。該多工電晶體經由對每一列電極之經程式化、順序定址達成對所有輸入之讀出，藉此提供所需輸出線數目之一16×減少(與一非多工電極陣列相比)。圖2b中之示意圖圖解說明可如何將圖2a中之單元胞連接至其他單元胞以形成多工信號輸出。在多工取樣期間，藉由將列選擇信號中之一者(例如，R0(圖2b中用藍色突出))驅動為高且將所有其他列選擇信號驅動為低(R1...Rn，其中R1用綠色突出)來一次選擇一列電極。此允許彼列中之單元胞驅動行輸出線(C0...Cn，其中C0用紅色突出)，其連接至一高速類比/數位轉換器(參見圖11，美國國家儀器)。快速循環列選擇信號以取樣該陣列上之所有電極。圖2c呈現一代表性多工電晶體之電特性。該電晶體展現分別係~105及~490 cm2/Vs之一接通/關斷比率及電子遷移率。與用於撓性電子器件之有機物或其他材料相比，高遷移率使得該放大器能夠具有一高帶寬，如圖2d中所示，且使得該多工器能夠快速切換，如圖2e中所示，即使對於此處所報告之裝置之相對粗糲尺寸(即，~40 μm之通道長度)亦如此。圖2d顯示停用多工之一單個放大器之量測及模擬帶寬。該放大器顯示與設計目標及模擬相一致之效能性質，即對~200 kHz之-3 db截止頻率。使用商業軟體獲得模擬(Cadence,Cadence Design Systems,USA)。參見方法以獲得關於該等模擬之更多細節。如圖2e中所示，多工器切換時間係約5 μs。然而，切換時間受到提供至陣列之外部列選擇信號之轉換率之限制，如藍色及綠色所示。圖2f顯示跨越所有電極求平均之在所分配穩定時間期間獲得之最終電壓值之百分比(以增加多工頻率)。此等結果證明高達200 kHz之多工速率係可能的，從而產生每電極高達12.5 kHz之取樣速率。圖12進一步顯示系統之信雜比(SNR)高達200 kHz之多工頻率保持恆定。若增加列選擇信號之轉換率，則可進一步增加多工速率。在下文所闡述之實驗中，以10 kHz循環16個列選擇信號，從而產生每主動電極625 Hz之一取樣速率，其中一給定列中之所有16個電極因此同時取樣。以50 kHz同步取樣多工類比信號，每切換間隔5倍過取樣，以改良信雜比。使用定製MATLAB軟體(The MathWorksTM,Natick,MA)來獲取、解多工、儲存及顯示資料。
除電性質外，在浸沒於一鹽環境中時操作之機械撓性及能力對於此應用至關重要。分析機械學建模闡明在動物實驗中所使用之裝置之所有層中的彎曲引發的應變。環氧樹脂之層及基板之厚度經選擇以將主動電路組件置於中性機械平面附近。因此，對於~5 cm之彎曲半徑(在人類心臟EP檢查中遇到之彼等彎曲半徑之典型)，Si及SiO2中之最大應變經計算分別係0.001%及0.0001%。此等值係低於吾人之裝置之斷裂應變的數量級，且其亦顯著小於預期更改其電效能之彼等數量級。該裝置設計之另一特徵在於，電路之彎曲勁度充分低以允許在心臟組織之潮濕表面上之適形纏繞。亦可藉由將呈一扁平組態之一電路之系統能量與處於一纏繞狀態之一者相比較來建模此等機械學(參見圖13)。結果係，當γ>B/2R2時，纏繞在能量上係有利的，其中γ係電路與組織之間的黏著能量，R係曲率半徑，且B係電路之彎曲勁度。使用R~2.5 cm及B之一經計算值，發現纏繞係針對其中γ>34.7 mJ/m2之情形之較佳組態。兩個濕表面之間的黏著能量之報告值係~75至150 mJ/m2。基於來自所製作裝置之此等模型及量測，結論係，電路將在不存在用以確保黏著之任何單獨機構之情形下自然地纏繞在心臟組織上。活體組織之部分濕的表面促進此結果。為適應此態樣且為達成在現實臨床環境中之裝置使用，當浸沒於身體之流體中時，電路必須提供持續不變的操作。發現前文所闡述之無機/有機囊封方案用作用於此目的之一有效水障壁。圖2g顯示浸沒於一鹽浴中之一電路，以藉由形成自裝置至該浴中之一單獨接地電極之一傳導路徑來測試洩漏電流。選擇10 μA之一截斷值，符合國際電工委員會醫學電子裝備標準(IEC 60601-1)。約75%之所製作裝置通過此測試。在該鹽浴中測試隨機選擇樣本之長期可靠性且發現操作多於3小時同時維持小於10 μA之一洩漏電流。圖2h呈現在鹽浸沒達10分鐘之前及之後的20 Hz正弦波回應，從而驗證電路性質之可忽略不計之改變。4 Hz及40Hz結果亦顯示於圖14中。
在正常的80至90磅雄性Yorkshire豬中執行活體實驗。經由一正中胸骨切開術及一後續心包切開術而以外科方式曝露心臟。接著當在直接顯影下時，將撓性EP電路置於心外膜表面上(圖3a)。參見圖15及圖21中之方法細節。裝置保持黏著至心臟之曲線表面，即使在強勁的心臟運動期間。圖3b顯示在心臟循環之各個階段處之運動快照。藍色線突出與維持適形接觸相關聯之表面形狀之動態變化。假定活體實驗期間之平均心臟速率係~77次/分鐘(BPM)且一記錄持續時間係~137分鐘，在該等實驗期間該裝置在>10,000個彎曲循環之過程內提供可靠資料。使用上文所闡述之取樣及多工策略自所有288個電極元件記錄單極電壓資料。藉由心外膜表面上處於多個位置及定向之陣列以竇性節律收集基線電位圖資料。亦在經由固持為與心外膜表面接觸之一標準非可操控十極電極EP導管(Boston Scientific,San Jose,CA)自相對於陣列之多個位置起搏心臟時記錄資料。圖3c顯示定位於冠狀動脈左前降支(LAD)上方之陣列，其中起搏導管恰好定位於該陣列之下。此圖框中之色碼圖顯示使用下文所闡述之程序自裝置收集之資料之一視覺表示。
使用定製MATLAB軟體濾波並處理來自所有通道之資料以藉由將單極電位圖之最大負斜率(dV/dt)之時間與所有288個通道之平均電位圖之最大負斜率相比較來確定每一觸點處之相關激活時間。接著使用此等激活時間來產生等時圖，其顯示針對各種記錄位點及起搏條件之跨越該陣列擴展之經起搏及未經起搏心臟去極化波前之傳播(參見圖22以獲得更多細節)。圖4a中顯示在不存在遠端起搏之情形下來自一單個通道之樣本電壓軌跡資料。右邊之插圖突出記錄之極低雜訊位準。信雜比(SNR)係大約50。注意，按照慣例負值標繪為向上。圖4b顯示在4個時間點處取的所有通道之電壓資料。圖22顯示圖4b中所呈現之某些電壓資料。圖16藉由標繪心臟激活之平均峰振幅來圖解說明所有電極之均勻性。圖17a顯示根據此電壓資料製成之一等時激活圖，其圖解說明心臟之自然激活圖案。由於金屬互連件中之故障，已移除來自18行中之5行之資料。所有剩餘通道及所有列正確地發揮作用。圖4c顯示自所有電極收集之一平均電壓軌跡。已在該軌跡上標繪虛線以圖解說明取圖4b中之每一圖框之時刻。圖4d示在存在遠端起搏之情形下來自一單個通道之樣本電壓軌跡資料。圖4e及17b顯示藉由自相對於陣列之三個不同位置起搏產生之等時圖。基於相關激活時間，跨越陣列之傳導速度(橫切纖維軸)係0.9 mm/msec(圖4e)；沿縱向方向之速度(大致平行於LAD之定向)快3(圖17b)。此等結果與在先前檢查中量測之各向異性傳導性質相一致。圖18顯示與圖4e之右板中相同之經起搏電壓資料(針對在4個時刻取的所有通道)。圖23及圖24分別顯示用於產生圖4e之左及右面板中之等時圖之樣本電壓資料。圖4f顯示遵循圖4e中之箭頭電極陣列之選定列之樣本距離對激活圖式。
此等結果共同表示以空前之速率及空間與時間解析度位準對心臟中之電活動之映射。用於一新形式之生物介接電子器件之適形積體電路之此方法提供量測身體中或身體上之電過程之一根本新方式，具有諸多臨床上重要之意義。特定對於此處介紹之系統，高時間與空間解析度將改良準確性並減少諸多心臟心律失常之映射時間。在最寬廣意義上，此等技術之更一般益處在於將用於感測及能量遞送之多個形態之基於矽之電子器件技術之全能力整合於一單個可構形裝置上之能力。舉例而言，多位點起搏(其中經由分佈式主動感官與刺激電極陣列閉迴路回饋局部心室收縮性或心臟輸出量測)可形成心臟病學中一完全新類別之輔助同步化裝置之基礎。此外，電路之機械性質准許封裝於基於導管之遞送系統中，具有部署於身體之大的不規則曲線表面上且順從身體之大的不規則曲線表面之能力。使用此處所報告之材料及電子器件策略追求此等及相關想法具有產生對人類健康具有重要益處之技術的極大潛力。
方法。電路設計。每一單元胞併入有一基於nMOS之源極隨耦器放大器組態。此電路提供顯著電流增益以藉由供應給寄生輸出電容充電所需要之電流來達成多工器之快速切換。此等寄生者來自若干源，包括一給定行中之不活動多工電晶體，將電極陣列連接至介面電路板之~2英尺長的電纜、電路板本身及其緩衝放大器之輸入電容。
電路製作。製作以準備聚醯亞胺基板(25 μm;Kapton,Dupont,USA)而開始。為易於處置，將此材料之一片附接至塗佈有一薄聚(二甲基矽氧烷)層作為一柔軟黏合劑之一玻璃載玻片。藉由一高溫擴散製程使用一p型絕緣體上矽(SOI)晶圓(Si(260 nm)/SiO2(1000 nm)/Si;SOITEC,France)及磷旋塗摻雜劑(SOD)(P509,Filmtronics,USA)來製備單獨摻雜之矽奈米帶。藉由電漿增強型化學氣相沈積(PECVD)來沈積一300 nm厚之SiO2層，用作擴散障壁遮罩。藉由習用光微影術及CF4/O2反應性離子蝕刻(RIE)來界定摻雜區。在一快速熱退火(RTA)系統中在950~1000℃下執行擴散。使用HF及溶液(H2O2與H2SO4混合物)之一系列濕式蝕刻步驟移除該SOD及SiO2。
使用聚醯亞胺之一前體之一薄旋鑄層作為一黏合劑將藉由對SOI晶圓之頂部矽層之經圖案化蝕刻得到之經摻雜奈米隔膜轉印印刷至該聚醯亞胺基板上。為製備用於轉印之結構，藉由濃縮HF溶液蝕刻掉經掩埋SiO2層以產生獨立的奈米隔膜。緊在印刷之後，將該聚醯亞胺前體在300℃下固化達1 h。藉由使用SF6之光微影術及反應性離子蝕刻實現對主動Si組件(例如，源極、汲極及通道區)之進一步隔離。接著藉由PECVD沈積一薄閘極氧化物SiO2(~100 nm)。藉由一光微影圖案化之遮罩使用經緩衝氧化物蝕刻劑打開源極/汲極接觸區。藉由電子蒸鍍Cr/Au(~5 nm/~145 nm)來沈積閘極電極及金屬互連件並藉由濕式蝕刻來圖案化。每一單元胞含有藉由如正文中所闡述的那樣進行連線而互連的7個電晶體。藉由具有1.4 μm之厚度之一聚醯亞胺夾層電介質來實現對金屬層之隔離。經由導通孔來實現層之間的連接，該等導通孔係藉由使用O2之經圖案化反應性離子蝕刻來界定。有機/無機絕緣層之一堆疊後跟用一光可固化環氧樹脂(SU8，Microchem公司)進行囊封形成一防水密封，如上文所闡述。使用撓性熱量密封連接器來將電極與資料獲取系統連接。在將該連接器與在電路之周邊處之金墊對準之後，施加熱量(~170℃)及壓力(藉由夾具施加)達15分鐘形成傳導膜與電極陣列之間的低電阻且較強連接。將撓性傳導膜之另一側連接至一適配器電路板。此適配器板之設計顯示於圖19中。
獲取系統。該適配器電路板經由一標準40插腳帶狀電纜連接至圖20中所示之主介面電路板。此定製電路板提供往來於該電極陣列之列選擇信號且提供對來自該陣列之類比輸出信號之緩衝。藉由TLC2274運算放大器(德州儀器)來實現該緩衝。此緩衝階段進一步減小輸出阻抗以允許較長之電纜段及改良之切換速度。此電路板之輸出經由標準BNC電纜連接至國家儀器PXI-6281及USB-6259高速M系列多功能資料獲取(DAQ)模組。國家儀器DAQ模組用於產生列選擇信號且取樣來自電極陣列之多工類比輸出信號。總共使用18個類比輸入通道。
電路模擬。使用Cadence之「specterS」模擬器來執行模擬。「NCSU_TechLib_ami06」技術庫用於所有電晶體。
動物實驗。將陣列置於一成年豬之心臟上且使其順從心外膜表面，包括心外膜冠狀動脈(圖3)。首先，將該陣列定位於心外膜與壁層心包膜之間，其中演示其跨越心臟之表面容易地滑動。隨後，移除該壁層心包膜，且留下該陣列，僅僅經由表面張力而使其停留在恰當位置。
補充方法。幾乎所有材料及方法依賴於特定針對此項目設計之專門化設置，包括諸多平面處理步驟及轉印印刷製程、囊封策略、電路設計及獲取系統、互連及讀出方法以及機械學分析。下文闡述關於某些態樣之額外細節。
製作序列。使用圖5及6中所圖解說明之一遮罩組來實施上文概述之步驟。在圖5中，綠色框對應於由粉紅色第一金屬層連接之經隔離矽主動區。在旋塗PI夾層電介質之後且在針對通孔之乾式蝕刻後，經由紫色第一通孔將第一金屬層連接至黃色第二金屬層，此完成該裝置製作過程，如圖5中所示。
由於量測環境係濕的且因鹽溶液而含有大量離子，因此需要一多層絕緣策略來防止可導致對測試動物之電擊之洩漏電流。無機/有機多層及額外厚有機絕緣層用於此鈍化，如圖7及8中所示。圖7顯示總體設計且圖8闡述逐步驟囊封製程。囊封設計之另一態樣係通孔2與通孔3之間的誤對準之通孔結構。藉由該等通孔之故意誤對準，第一通孔可由最終環氧樹脂層完全覆蓋。
互連方案。在裝置製作之後，可經由一撓性ACF膜將撓性感測器互連至電路板。對於此連接，應施加熱量及壓力。在ACF膜與樣本對準之後，使用習用金屬夾具之夾持力提供用於該連接之足夠壓力。為防止夾持期間樣本中之機械故障且為在整個連接區域內擴展壓力，可添加一片PDMS及玻璃，如圖10a中所示。在夾持之後，在180℃下加熱15分鐘產生金屬與ACF膜之間的一良好連接。熱量密封連接之前及之後的影像顯示於圖10b及10c中。
資料處理。在處理之前，在1 Hz下對來自所有通道之資料進行高通濾波並進行至12.5 kHz取樣速率的20次增加取樣。在增加取樣之後，對該資料進行平滑及貶抑(demeaned)以移除DC偏壓。構造一平均信號且取導數以使用一自動峰值搜索演算法來識別相關激活時間。
纏繞於一曲線表面上之電路之機械學。對於纏繞於具有半徑R之一圓柱體上之具有長度L及彎曲勁度B之一薄膜，如圖13a中所示，纏繞狀態之總能量由兩部分構成，該薄膜中之彎曲能量Ub及該薄膜與該圓柱體之間的黏著能量Ua。該薄膜中之彎曲能量係
該黏著能量係
其中γ係該薄膜與該圓柱體之間的黏著能量(每單位面積)。若Ub+Ua<0(展開狀態具有0能量)，纏繞狀態係能量上有利的，且因此該薄膜纏繞在該圓柱體上。此給出
將用於確定彎曲勁度B之電路剖面佈局顯示於圖13b中。頂部SU8層具有一厚度h1=18 μm、楊氏模數ESU8=5.6 GPa及泊松比(Poisson's ratio)νSU8=0.22。底部PI層具有一厚度h2=25 μm、楊氏模數EPI=3.4 GPa及泊松比νPI=0.34。具有厚度~5 μm之中間層由若干不同組件構成。每一組件之材料及厚度顯示於圖13b中，且其楊氏模數係：ESi=150 GPa，ESiO2=72 GPa，EAu=78 GPa，ESi3N4=194 GPa。由於此等組件中之每一者僅佔據每一材料層之一小部分，因此機械中性軸之位置可大致獲得為(在幾個百分比之誤差內)
其中=E PI /(1-)及=E SU 8/(1-)分別係PI及SU8之平面應變模數。電路之彎曲勁度係
一座標點y處之應變由
給出，　(VIII)
其中Rb係電路之彎曲曲率半徑。機械中性軸之位置計算為y0=26.5 μm。其中彎曲勁度由Eq(VII)給出。Eq.(VIII)給出γ>8.7 mJ/m2。對於一彎曲半徑Rb=5 cm，Si及 SiO2中之最大應變分別係~0.001%及~0.0001%；四個Au層中之應變分別係~0.001%、0.004%、0.03%及0.05%。
圖注
圖1.　對應於用於製作用於心臟電生理學映射之主動適形電子器件之步驟之示意性圖解及影像以及一完成的裝置的照片。圖1a，一單元胞處之經摻雜矽奈米隔膜之一集合之示意性圖解(左)及光學顯微照片(右)。圖1b，在製作源極、汲極及閘極觸點之後的組態，具有由於多工定址之合適互連件及列電極。圖1c，製作第二金屬層之後的組態，包括行輸出電極。右邊影像中之注解指示多工電晶體及放大器之各種組件。圖1d，在沈積囊封層且製作提供至心臟組織之介面之接觸電極之後的最終佈局。圖1e，一完成的裝置之照片，處於一輕微彎曲狀態。底部處之插圖提供一對單元胞之一放大視圖。
圖2.　用於心臟電生理學映射之一主動撓性裝置之設計及電性質。圖2a，一單元胞之電路圖，其中注解對應於圖1c中之彼等注解。圖2b，四個單元胞之電路圖，其指示多工定址之方案。圖2c，一代表性多工電晶體之電流-電壓特性。圖2d，一代表性放大器之頻率回應。圖2e，代表性多工器切換回應，其顯示列選擇信號、行輸出及模擬行輸出。回應時間受到外部列選擇信號轉換率之限制。圖2f，用於增加單個電極取樣速率之穩定至最終值之平均百分比，其指示最大可用多工速率係大約200 kHz。圖2g，浸沒於一鹽溶液中具有ACF互連之一完成的裝置之照片。圖2h，10分鐘之鹽浸沒之前及之後的正弦波回應(以20 Hz)。
圖3.　一豬動物模型上之一使用中撓性EP映射裝置之照片。圖3a，經由表面張力順從心臟組織之撓性裝置之照片。插圖提供以一不同觀看角度之一放大影像。圖3b，在心臟之收縮循環期間的不同時間處收集之影片圖框序列，其圖解說明裝置在心臟節律期間以維持與組織之親密、適形接觸之一方式彎曲之能力。黏貼於影像上之藍色線突出沿該裝置之彎曲程度。在左圖框中指示一習用起搏電極(白色箭頭)。圖3c，冠狀動脈左前降支(LAD)上之一裝置之照片，覆蓋有自經起搏激活之去極化之相對時間之色彩圖。左下部中之白色箭頭指示該起搏之源且該激活圖中之紅色指示最早回應區域。
圖4.　使用一撓性EP映射裝置自一豬動物模型記錄之代表性資料。圖4a，在不存在外部起搏之情形下之代表性單個電壓軌跡。(插圖)系統雜訊之放大視圖。黑色箭頭指示插圖資料之源。所記錄信號之信噪比(SNR)係大約50。圖4b，所有電極在4個時間點處之代表性電壓資料，其顯示未經起搏之心臟波前傳播。使用右拐角中之色彩刻度標繪電壓。圖4c，來自所有電極之平均電壓，其圖解說明取圖4b中之每一圖框之時間點。點線之色彩對應於圖4b中時間標籤之色彩。圖4d，在存在外部起搏之情形下來自一標準臨床電極之代表性單個電壓軌跡。黑色箭頭及框突出起搏假像。注意，按照慣例在圖4a、4c及4d中負值標繪為向上。圖4e，兩個不同外部起搏位點之相關激活時間之色彩圖。使用右邊顯示之色條標繪激活時間。星號(*)指示外部起搏電極之相對位置。刻度尺圖解說明電極位置之間的間距。來自由線i至iii標記之位置處之激活圖之資料標繪於以下圖4f中。圖4f，遵循圖4e中之箭頭電極陣列之選定列之距離對激活延遲圖式。
圖5.　對應於用於製作用於心臟電生理學映射之主動適形電子器件之示意性圖解。顯示九個單元胞一圖解說明其在每一金屬層級處之互連。
圖6.　一完成的裝置的放大視圖，其處於一輕微彎曲狀態以圖解說明細節。
圖7.　一單個單元胞之實體佈局，其顯示經添加以防止鹽溶液中之洩漏電流之額外絕緣層。
圖8.　三層有機/無機堆疊製作之順序製程。
圖9.　具有完成的絕緣層之一單個單元胞之光學顯微鏡影像。
圖10. a) ACF連接過程之示意圖。在熱量密封連接之前b)及之後c)之撓性電極陣列、ACF膜及電路板之影像。
圖11.　動物實驗期間獲取系統之影像：a)正視圖，b)側視圖。
圖12.　一20 Hz測試信號之對多工頻率之信噪比相依性。
圖13.　纏繞模型之示意圖a)及感測器之剖視圖b)。
圖14.　在浸沒至鹽溶液中之前及之後的正弦波量測：4Hz a)及40Hz b)。
圖15.　使用豬動物模型之實驗之影像a)及經由表面張力順從心臟組織之撓性裝置之照片b)。
圖16.　藉由標繪心臟激活循環之平均峰值振幅而圖解說明所有通道之振幅均勻性之色彩圖。
圖17.　不存在a)及存在b)起搏之情形下之等時激活圖。相對起搏電極位置由一星號(*)指示。
圖18.　所有電極在4個時間點處之代表性電壓資料，其顯示經起搏心臟波前傳播。相對起搏電極位置由一星號(*)指示。使用右拐角中之色彩刻度標繪電壓。底部圖框顯示來自所有電極之平均電壓。彩色虛線圖解說明取每一圖框之時間點。注意，按照慣例負值標繪為向上。
圖19.　適配器電路板之設計，其將ACF帶適配至一40插腳連接器。
圖20.　主介面電路板之設計，其將該40插腳帶狀電纜連接至獲取系統。
圖21.　動物實驗。
圖22.　來自所有電極之未經起搏之電壓資料，其圖解說明心臟之自然激活圖案。底部圖框顯示由所有以上通道構成之一平均ECG信號連同一引導條，以顯示在電壓軌跡中之當前位置。來自此影片之四個圖框呈現於圖4b中。
圖23.　來自所有電極之電壓資料，其圖解說明心臟之經起搏激活圖案。星號(*)指示起搏電極之相對位置。底部圖框顯示由所有以上通道構成之一平均ECG信號連同一引導條，以顯示在電壓軌跡中之當前位置。來自該記錄中之此間隔之資料經處理以形成圖4e之左圖框中所示之等時圖。
圖24.　來自所有電極之電壓資料，其圖解說明心臟之經起搏激活圖案。星號(*)指示起搏電極之相對位置。底部圖框顯示由所有以上通道構成之一平均ECG信號連同一引導條，以顯示在電壓軌跡中之當前位置。來自該記錄中之此間隔之資料經處理以形成圖4e之右圖框中所示之等時圖。來自此影片之四個圖框呈現於圖18中。
實例2：用於增強型潮濕障壁之多層囊封
藉由囊封達成之一個優點係當連接至負載電晶體之閘極之接觸型金屬電極曝露至表面以進行與曲線、柔軟心臟組織之一適形且親密接觸時防止自電子電路至一周圍傳導溶液(例如，鹽溶液)之洩漏電流。此實例闡述一多層囊封結構以增強對洩漏電流之防止。
具有誤對準通孔結構之多個層結構。囊封可係一單個聚合物層或其可係一多層結構。若使用一單個聚合物層(例如，~20 μm)，在用於通孔互連之一干式蝕刻製程後，由於不完全遮掩，小孔可形成。舉例而言，若使用一光可界定厚聚合物(例如，SU8)，則可防止此等小孔，乃因不需要蝕刻製程。對於一單層結構，通常不使用一誤對準通孔結構。針對某些裝置應用使用一單個通孔結構可增加洩漏穿過其中連接金屬電極與電晶體之閘極之接觸區之機會。因此，即使使用一極厚聚合物層，亦不能藉由一單個聚合物層/通孔結構徹底保護此接觸區。圖25a圖解說明具有藉由一單個通孔結構連接至一電晶體之閘極之一電極元件之一單個囊封層。
為解決此問題，可使用具有一誤對準通孔結構之一多層囊封，如圖25b中所圖解說明。在此結構中，藉由另聚合物層囊封該接觸區，從而產生一減小之洩漏機會。舉例而言，替代一個厚聚合物層(~20 μm)，可使用兩個聚合物層(各自厚~10 μm)且第二層可填充第一通孔且保護電極與負載電晶體之間的接觸區。
然而，即使在上文所闡述之兩層結構之情形下，兩個層之間(尤其是一金屬層與聚合物層之間)的脫層可引發洩漏電流沿此兩個層之間的介面流動。為最小化此可能性，可使用多個誤對準通孔結構。舉例而言，可使用三個7 μm聚合物層或四個5 μm聚合物層。對於任一多層結構(例如，此等)，每一層之所有通孔應誤對準。
囊封層之厚度(中性機械平面(NMP)設計。較厚囊封層通常提供較佳洩漏保護。然而，一可變形(例如，撓性、可彎曲)系統需要考量在變形期間所引發之應變。為減小無機材料(例如，矽)之不期望機械斷裂，該裝置層應位於該中性機械平面附近。因此，可依據基板厚度及材料性質(例如，模數)來確定頂部囊封層厚度。
囊封材料-無機/有機多層。為增強撓性，在某些實施例中使用一較薄基板；為將裝置層置於NMP處，亦使用一較薄囊封層。然而，聚合物層越薄，出現小孔或缺陷之風險且因此出現增加之洩漏電流之可能性越高。另外，由於微結構某些聚合物由纖維構成，因此離子流體穿透每聚合物纖維(在一薄聚合物層之情形下)之間的間隙可導致增加之洩漏電流。為防止此類洩漏，當維持薄厚度時，可將極薄(~50 nm)無機層(例如，氮化矽)插入於每一有機層之間。此無機/有機多層有效地防止因離子流體穿透有機聚合物層而導致之洩漏電流。
用於減少一有機或聚合物材料中之小孔或缺陷之一其他方法包括在固化聚合物期間回流。
表1總結某些實施例之囊封考量因素。
撓性對可拉伸。對此實例之以上說明通常適用於撓性系統，但其亦可應用於可拉伸系統。用於可拉伸系統之一替代方法利用(舉例而言)島與橋結構，例如蛇形橋。然而，囊封應類似，乃因一島之囊封層應平行於撓性系統。該可拉伸系統之一個額外態樣係一蛇形橋側壁之鈍化。在用以製作一蛇形結構之乾式蝕刻之後，(舉例而言)曝露蛇形金屬互連件之側壁。即使一蛇形橋之多層之間在拉伸變形期間出現少量脫層之情形下，大的洩漏電流亦可自該等金屬互連件產生。為防止洩漏，可增加距金屬互連件之邊緣之邊距。另外，可在蝕刻之後藉由另聚合物層鈍化側壁。
實例3：用於感測或致動之一適形電子裝置之示意圖
圖26A提供對用於感測或致動一生物環境中之一組織之一適形電子裝置實施例之一剖視圖的一示意性圖解。可構形裝置100包含支撐一撓性或可拉伸電子電路之撓性或可拉伸基板110，該撓性或可拉伸電子電路包含複數個無機半導體電路元件120，例如電子裝置組件，包括感測器、致動器、電極陣列、LED陣列、光學源、積體電路、多工電路及/或放大器。囊封該撓性或可拉伸電子電路之至少一部分之障壁層130可提供一潮濕障壁、一熱障壁、一電磁障壁、一電障壁、一磁性障壁、一選擇性可滲透或不可滲透障壁或此等之任一組合。在某些實施例中，該撓性基板、該撓性或可拉伸電子電路及該障壁層提供足夠低而使得該裝置建立與該生物環境中之該組織之適形接觸之該裝置之一淨彎曲勁度或撓曲剛度。在某些實施例中，適形接觸係在裝置100之外部表面135與一生物環境中之一組織之間建立。
視情況，適形裝置100進一步包含與包含複數個無機半導體電路元件120之該撓性或可拉伸電子電路連通(舉例而言，如圖26A及26B中所指示之箭頭所示之單向或雙向連通)之一控制器155。在一實施例中，控制器155經提供而與組織介面電連通或無線連通，及視情況遠離該組織介面定位。在某些實施例中，控制器155經組態以自該電子電路接收對應於對一個或多個所感測參數之量測之輸入信號156，例如時間資訊、組織性質(例如，位置、組成、移動、電子、化學、光學、溫度等)或該生物環境之其他性質。輸入信號156可表示原始資料或經處理資料，視情況呈一量測之形式。在某些實施例中，控制器155經組態以將對應於一個或多個控制參數之輸出信號157提供至該電子電路，例如用於控制對該組織之感測及或致動之控制信號，包括一個或多個時間參數、電子參數、光學參數等。在一實施例中，控制器155係接收並分析輸入信號156且至少部分地基於該等輸入信號156來產生輸出信號157之一處理器。在一實施例中，控制器使用輸入信號156及輸出信號157來提供對該組織之感測或致動之閉迴路控制。
在某些實施例中，撓性基板110及障壁層130之實體尺寸及材料性質經選擇以便接近於裝置(由粗點線圖解說明，繪製為元件150)之中性機械平面而提供撓性或可拉伸電子電路之半導體電路元件120。視情況，裝置100進一步包含不由障壁層130囊封之一個或多個額外電子裝置組件140，視情況經提供而與該生物環境中之該目標組織實體及/或電接觸。在某些實施例中適用之額外電子裝置組件140包括感測器及致動器，例如電極、電壓感測或致動元件、電流感測或致動元件、光學感測器或致動器、溫度感測器或致動器、pH感測器、化學或生物感測器、電容感測器、電極元件、光電二極體、恒溫器應變感測器、加速度感測器、移動感測器及位移感測器或致動器。
圖26B提供對具有包含一多層結構之一障壁層之一適形電子裝置之一剖視圖的一示意性圖解。如圖26B中所示，障壁層130包含一個別層130a至130e序列。在某些實施例中，個別層130a至130e包含選自由以下各項組成之群組之一層序列：聚合物層、無機層(例如，無機電介質材料，例如氧化物、碳化物或氮化物等)及金屬層。在某些實施例中，個別層130a至130e包含一薄膜結構序列，舉例而言，藉由沈積(例如，蒸鍍、噴濺等)或塗佈技術製作之薄膜結構。在某些實施例中，個別層130a至130e包含一薄膜結構序列，包括至少一個金屬薄膜及至少一個電介質薄膜及視情況至少一個聚合物薄膜。
實例4：具有在生物醫學及機器人中之應用實例之防水AlInGaP光電子器件
此實例探究新領域且實施以機械方式最佳化之佈局以達成整合於具有不同材料及形式之基板上之可適應極端機械變形模式之系統中之無機LED及PD陣列。另外，材料及設計策略允許即使在完全浸沒於鹽溶液、生物流體、與臨床醫學相關之溶液及肥皂水中後仍能操作，藉此為無縫整合光電子器件與生物醫學及機器人系統開啟非習用之新機遇。薄可植入片(即，LED紋身提供一實例)。特定而言，此實例以以下次序闡述進展：(1)在柔軟、彈性體隔膜、帶及塗層上達成LED及PD之可自由變形、經互連集合之機械設計之實驗及理論態樣，(2)用於使用經層壓多層構造來達成此等系統中之高度有效的填充因子之策略，(3)在不同基板上且呈不同幾何形式之裝置實例，(4)保留關鍵機械性質且同時在整合於有生命系統上或植入於有生命系統中時達成強健操作之低模數、生物相容囊封材料，(5)用於生物醫學之撓性光電子組件，其中在動物模型上進行活體演示。
對於主動材料，製備生長於GaAs晶圓上之薄磊晶半導體層，且接著對其進行垂直蝕刻以界定構建有其之裝置之橫向尺寸。經由對一下伏AlAs層之選擇性消除而自該晶圓釋放後跟轉印印刷實現在所關心基板上之整合。此處所闡述之製作方案使用一雙轉印製程，其涉及首先將半導體材料印刷至一臨時基板(塗佈有環氧樹脂/聚醯亞胺(PI)/聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)之三層之玻璃板)，以用於形成觸點、互連件及結構性橋以及囊封層。溶解PMMA釋放裝置之完全形成、經互連之集合。一第二轉印印刷步驟達成在彈性體片(例如，聚(二甲基矽氧烷)、PDMS)或塗佈有薄PDMS層之其他基板上之整合，其中僅在該等裝置之位置處較強接合。對於此實例中所闡述之所有實例，LED(本文中稱作μ-ILED以突出優於有機裝置之小大小及不同)，且PD(即，μ-IPD)具有100×100 μm之橫向尺寸及2.5 μm之厚度，對應於係小於市場上可購得裝置之數量級之數量級之體積。薄幾何形狀係重要的，乃因其允許針對互連及經最佳化機械設計使用薄膜金屬化，接下來予以闡述。處理及佈局之細節呈現於圖33至35中。
圖27a及36呈現藉由蛇形形狀之帶連接之μ-ILED陣列轉印至PDMS之一薄預應變片(~400 μm厚)之機械學之光學影像、示意性圖解、掃描電子顯微鏡(SEM)影像及有限元建模，該等蛇形形狀之帶用作結構性橋或電互連件。在此處且如下文所闡述，裝置係串聯連接(圖32a)，以使得其全部一起接通及關斷；一單個出故障裝置導致整個陣列出故障。該等互連件由金屬薄膜組成，其中光界定環氧樹脂層在頂部及底部以將該金屬定位於中性機械平面處。橋係類似的，但不具有該金屬。詳細幾何形狀呈現於圖33中。釋放預應變經由一受控制、非線性波紋回應而產生蛇形件之非共面佈局，如圖27a之左圖框中所示(~20%預應變)。圖27a之右圖框及插圖分別呈現一代表性μ-ILED之一示意性圖解及放大光學影像。藉由藉助對完整系統之三維有限元建模(3D-FEM)仔細研究機械學來告知此等設計選擇；其代表彼等用於矽電路及μ-ILED之設計選擇之高度最佳化版本。該等結果在大規模單軸、二軸、剪切及其他混合變形模式期間達成穩定且強健之操作，如下文中所闡述。
圖34a及35a分別顯示在單軸拉伸(~60%)之前(左)及之後(右)藉由~20%二軸預應變形成之毗鄰μ-ILED及非共面蛇形互連件之傾斜視圖掃描電子顯微鏡(SEM)影像及對應光學顯微鏡影像。毗鄰像素之間的分離改變自預應變及所施加應變預期之一量，其中蛇形件之平面內與平面外構形改變之一組合以避免μ-ILED之位置處之任何顯著應變之一方式適應所得變形。特定而言，3D-FEM建模結果(圖34b)顯露金屬互連件及μ-ILED中比所施加應變小>300倍之峰值應變(圖35c顯示沿對角方向之~59%拉伸之類似結果，對應於圖35b)。圖27b及36呈現一6×6 μ-ILED陣列沿水平(左)及對角(右)方向之二維平面中拉伸。在圖27b及圖36之暗及亮(無外部照射及有外部照射)影像以及在電流-電壓(I-V)特性(圖27c之左圖框)中清楚易見所有裝置之均勻且恆定操作特性。所施加應變(在拉伸之前及之後自毗鄰像素之內邊緣之分離計算)沿水平及對角方向分別達到~48%及~46%。即使在沿水平方向之100000個75%拉伸循環之後I-V特性亦無變化(圖27c之右圖框)。
單軸拉伸及壓縮係最簡單的變形模式之一。所關心之其他模式包括二軸、剪切及相關模式。圖27d至27g及37之結果藉由氣壓所引發之大應變(藉由支撐類似於圖27b之陣列之一陣列之一薄(500 μm)PDMS隔膜之膨脹達成)證明所報告設計允許此等種類之運動之能力。藉由一注射器在用作用於裝置之一座的一特別設計之圓柱體中注射空氣使初始扁平之陣列(圖27d之頂部圖框)變形為一氣球形狀(圖27d之底部圖框)。圖27e顯示在有外部照射之情形下在操作期間處於「扁平」(頂部)及「膨脹」狀態(底部)之四個像素。以此方式引發之面積擴張可達到~85%，而無任何裝置故障。I-V特性亦顯示扁平與膨脹狀態之間無可感知之差異(圖27f)。使用3D-FEM來建模一圓形彈性體隔膜之膨脹引發之變形，其具有與在實驗中相同之厚度(500 μm)及直徑(20 mm)，但不存在一經安裝μ-ILED陣列。如圖27g及37c中所圖解說明，當膨脹至8.3 mm之一高度時，圓周及子午線應變達到~37.3%，與圖27d之底部圖框中相同。圖27e之底部圖框之系統中之裝置之所量測位移指示~36%之應變，其與藉由3D-FEM計算之值相當。此觀察表明一重要結論：在此處所報告之設計之情形下，該等陣列提供柔軟、彈性體隔膜支撐物之可忽略不計之機械負載，與藉由經最佳化、非共面蛇形件提供之極低的有效模數相一致。
螺旋狀扭曲(圖28a)提供所關心的另一明確定義之變形模式。此處，除沿軸向及寬度方向之拉伸/壓縮外亦發生大剪切應變。此情形下之裝置測試結構由轉印至一PDMS帶而無預應變之一3×8 μ-ILED陣列組成(參見圖38a以獲得細節)。扁平、360°及720°扭曲變形在有(左)及無(右)外部照射之情形下之光學影像(圖28a)顯露均勻且無變化之發射。此等應變導致蛇形件之平面外運動，如圖28b及34b中所示。μ-ILED因其較強接合而保持附接至PDMS基板。電量測指示在不同扭曲角度(圖28c)及不同疲勞測試階段之情形下之類似I-V特性，如圖38c中所示。圖28d呈現藉由3D-FEM在具有厚度0.7 mm之一PDMS帶之表面處評估之各種應變分量之分佈：軸向拉伸(左圖框)、寬度拉伸(中間圖框)及剪切(右圖框)。(對於360°之扭曲，參見圖39)。該等結果證明該PDMS表面經受極端軸向/寬度拉伸及剪切變形兩者，其中剪切佔主導，且對於720°之扭曲達到~40%之值。對於圖27d及27g之情形，裸露PDMS基板之應變分佈可提供該系統之適度良好之估計。此等受控制單軸(圖27b)、二軸(圖27d)及扭曲(圖28a)模式表明適應任意變形之一能力。作為兩個實例，圖28e及28f顯示拉伸至一鉛筆之尖銳尖部上及纏繞至一棉簽上之情形。被拉至該鉛筆上(紅色箭頭指示拉伸方向)之該6×6 μ-ILED陣列經歷高達~100%之局部峰值應變，此係自此區中毗鄰裝置之間的距離估計。在一8×8陣列之情形下，類似但較溫和且更具空間分佈性之變形在該棉簽上發生。在兩個情形下，觀察及量測指示無變化之特性，而無故障，即使在疲勞測試中亦如此。
達成此等回應之佈局之一特徵係主動裝置之相對小之區域覆蓋，使得蛇形結構可吸收與所施加應變相關聯之大部分運動。針對某些應用之一相關聯缺點在於，僅總體系統之一小部分發射光。可藉由由呈層壓組態之裝置之多層堆疊組成之佈局應付此限制，其中層之間存在合適空間偏移。圖29a中之分解視圖式意性圖解顯示具有四個層之此概念。圖41提供細節。藉由薄PDMS塗層(~300 μm)實現整合，該等薄PDMS塗層同時用作彈性體夾層電介質、囊封劑及黏合劑。此處，每一層由一PDMS基板(300 μm厚)及一LED陣列(總厚度與互連件，~8 μm)組成。該四層系統之總厚度(包括PDMS夾層)係~1.3 mm。來自一四層系統之發射之光學影像呈現於圖29b(有外部照射)及圖41b(無外部照射)中。圖29c顯示兩層情形，其中每一層以一不同圖案照亮。右邊的插圖圖解說明處於一彎曲狀態之相同系統(彎曲半徑=2 mm)，其中頂部及底部GaAs層中之最大應變分別僅係0.006%及0.007%，如3D-FEM模擬所顯示(圖42)。該等PDMS夾層限制蛇形件之運動，但僅限於僅輕微減小總體可變形性之一量。可藉由最小化囊封劑之模數來最大化自由移動程度。此處，以一比率混合PDMS以產生~0.1 MPa之一楊氏模數，以保持未經囊封情形之可拉伸性之接近~90%。
有利的機械特性達成至與習用光電子器件不相容之各種基板上之整合。作為演示，μ-ILED裝置構建於織物塊(圖43a)、樹葉(圖43c)、紙片(圖29d)及鋁箔片(圖29e)上。在所有情形下，轉印印刷將裝置成功地遞送至此等基板，其中薄(~50 μm) PDMS塗層用作平坦化及應變隔離層，且用作黏合劑。每一情形之彎曲及摺疊測試指示在變形狀態下之強健操作。實驗上探究之最小彎曲半徑分別係織物、葉子及紙之4 mm、2.5 mm及400 μm。理論建模(針對織物、樹葉及紙分別使用楊氏模數及厚度1.2 MPa、800 μm、23.5 MPa、500 μm、600 MPa及200 μm)顯示可完全摺疊該織物、葉子及紙，意義在於即使在彎曲半徑等於基板厚度時GaAs中之應變亦保持遠遠小於其故障應變(~1%)。在不存在PDMS提供之應變隔離之情形下，仍可摺疊織物，但葉子及紙分別可僅彎曲至1.3 mm及3.5 mm之最小半徑。此結果發生乃因PDMS之楊氏模數(0.4 MPa)遠遠小於葉子及紙之楊氏模數(即，應變隔離)，而PDMS與織物之楊氏模數更為類似。可適應隨機起皺(包括以向內及向外彎曲之多方向摺疊)，如在紙及鋁箔上之裝置中易見(~30 μm)。在後一情形之影像(圖29e)中，起皺之數目密度達到~200/cm2，其中近似曲率半徑低至150 μm(參見圖43至45以獲得額外影像、I-V特性之圖式、疲勞測試之結果及此等基板之表面狀況)。
圖29f及29g呈現具有蛇形金屬橋之一μ-ILED陣列(1×8)及具有長(1.25 cm×185 μm)金屬互連件之一單個μ-ILED裝置之影像，兩者皆在安裝至圓柱形支撐物上之撓性、薄(~8 μm)帶上。另一選擇係，針對較長期可植入應用，皮下μ-ILED可克服散射限制且將活體照射帶至組織之深層。此方法可藉由達成對深組織病理之即時評估同時允許在可程式化陣列中精確遞送而產生與基於光纖探針之醫學分光鏡方法之能力互補之能力。可以條帶或線之幾何形狀或者片之幾何形狀形成此等裝置。作為後者之一實例，圖30a及46之左圖框分別顯示塗佈有一黏合劑層(環氧樹脂)且在頂部及底部以PDMS囊封之一聚對苯二甲酸乙二醇酯薄片(PET；Grafix DURA-RAR，50 μm厚)膜上一5×5 μ-ILED陣列之製作程序的一示意性分解視圖及一圖解。連接至該陣列之周邊處之金屬墊之薄(~500 μm)陶瓷絕緣金線提供對外部電源之接達。圖30b呈現一動物模型之一圖片，其中裝置與下伏肌肉組織直接接觸地以皮下方式植入(參見方法章節以獲得細節)。插圖顯示在植入之前的同一裝置。對於此處所報告之當前位準之連續操作，估計組織處幾攝氏度的溫度峰值增加。短脈動模式操作可進一步最小化出現有害熱效應之可能性且亦同時允許使用相敏偵測技術來進行越來越精密之診斷、成像及生理學監視。
總之，此處所闡述之在機械學、高填充因子多層佈局及生物相容設計上的進展提供無機光電子器件中之重要、不尋常之能力，至各種類別之基板上之整合及可用於生物醫學及機器人應用之代表性裝置中便可證明。
方法。描述用於μ-ILED及μ-IPD之磊晶半導體材料。對於μ-ILED及μ-IPD之製作，製程可以在一GaAs晶圓上包括一量子井結構(4×(6 nm厚Al0.25Ga0.25In0.5P障壁/6 nm厚In0.56Ga0.44P井)/6 nm厚Al0.25Ga0.25In0.5P障壁)及一下伏犧牲層Al0.96G0.04As之磊晶膜開始。細節呈現於圖31a中。藉助一SiO2硬遮罩使用Cl2/H2之傳導耦合之電漿反應性離子蝕刻(ICP-RIE；Unaxis SLR 770系統)向下形成溝槽至Al0.96G0.04As，以描述具有100 μm×100 μm之大小之正方形之6×6或8×8或3×8或1×4陣列中之主動材料。接下來，光微影術在每一正方形之四個拐角處界定光阻劑結構以在用經稀釋氫氟(HF,Transene,USA)酸(去離子水(DI):49% HF酸=1:100)移除Al0.96G0.04As期間將磊晶層固持至下伏GaAs晶圓。
在玻璃基板上製作具有蛇形互連件之呈網狀設計之μ-ILED及μ-IPD陣列。將根據上文所闡述之程序形成之磊晶材料之經釋放正方形轉印印刷至自頂部至底部塗佈有一光可界定環氧樹脂(SU8-2；Microchem.；1.2 μm厚)、聚醯亞胺(PI；Sigma-Aldrich；1.2 μm厚)及聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA A2；Microchem.；100 nm厚)之層之一玻璃基板上。接下來，旋鑄另一環氧樹脂層(SU8-2,2.0 μm)且接著除該等正方形之側壁之外藉由反應性離子蝕刻(RIE；PlasmaTherm 790系列)移除全部，以減小在針對n觸點曝露底部n-GaAs層之一蝕刻製程(第一個步驟：H3PO4：H2O2：DI=1:13:12持續25秒/第二個步驟：HCl:DI=2:1持續15秒/第三個步驟：H3PO4:H2O2:DI=1:13:12持續24秒)之第一個步驟期間部分地移除底部n-GaAs層之可能性。接下來，經旋鑄且光圖案化以僅曝露頂部p-GaAs及底部n-GaAs之某些區之另一環氧樹脂層(1.2 μm厚)提供對藉由電子束蒸鍍沈積及藉由光微影術及蝕刻圖案化之金屬觸點(非歐姆觸點)及互連線(Cr/Au,30 nm/300 nm)之接達。此等線串聯連接一給定列中之裝置，且並聯連接毗鄰列。一最終旋鑄環氧樹脂層(2.5 μm)將該等裝置及金屬互連件置於中性機械平面附近。接下來，在不受一SiO2遮掩層(150 nm厚)保護之區中藉由RIE(氧電漿，20 sccm，150托，150 W，40分鐘)移除下伏聚合物層(環氧樹脂/PI/PMMA)。用經緩衝氧化物蝕刻劑濕式蝕刻剩餘SiO2曝露用於電探測之金屬墊，藉此完成具有蛇形互連件之μ-ILED(及/或μ-IPD)陣列之處理。
可拉伸裝置陣列至所關心基板之轉印印刷。在75℃下用丙酮溶解上文所闡述結構之PMMA層達10分鐘自玻璃基板釋放經互連裝置陣列。將該陣列提升至一扁平彈性體模板且接著選擇性地蒸鍍Cr/SiO2層(3 nm/30 nm)至該等裝置之背側上達成至PDMS片或條帶或至塗佈有PDMS之其他基板之較強黏著。對於圖27d之PDMS氣球，藉由使該氣球部分地膨脹後跟轉印印刷該等μ-ILED且接著釋放(放氣)該氣球來施加預應變。對於小基板，使用輥筒印刷技術。參見下文之細節。
拉伸測試及電表徵。使用定製手動控制機械階段之總成來執行拉伸測試，能夠沿x、y及對角方向施加應變。對於疲勞測試，一個循環對應於變形至某一位準且接著返回至未變形狀態。針對類似於各圖中所示之彼等應變位準之應變位準執行每一疲勞測試多達1000個循環。藉由在拉伸、彎曲或扭曲時直接接觸金屬墊而使用一探測工位(4155C;Agilent)來進行電量測。使用接合至μ-ILED陣列之金屬墊之一引出導線來執行量測。6×6、8×8及3×8陣列之典型電壓掃描範圍分別係0~60V、0~80V及0~90V。
動物實驗。所有程序係在經批准之動物協定下執行。藉由腹膜注射克他命/甲苯噻嗪之一混合來麻醉一母Balb/c鼠。藉由眼瞼及縮肢反射監視麻醉深度以確認該動物已達到「3級」麻醉。一旦該動物經輕微麻醉，刮掉背部且在切開位點處用70%酒精清潔，後跟一外科betadine擦洗。自該鼠移除先前植入且根據經批准協定對該動物實施無痛致死術。對於該等植入，在該鼠之背側執行切開且跨越肌肉組織上方之皮膚層實施縫合(外層及皮下組織)。
照片。圖27a及29e中之影像係經組合影像以消除離焦區。使用具有一佳能MP-E 1-5x微距鏡頭之一佳能1Ds Mark III以不同焦深捕獲數十張圖片，且在軟體「helicon focus」中合併彼等所捕獲圖片以自若干個部分聚焦的影像形成完全聚焦的影像。
圖注。圖27. μ-ILED陣列之裝置佈局及其對單軸及氣球形二軸拉伸之回應。圖27a，一薄(~400 μm) PDMS基板上具有非共面蛇形橋之一6×6 μ-ILED陣列(100 μm×100 μm，且2.5 μm厚，呈具有~830 μm之一間距之一經互連陣列)之光學影像(左圖框)。一代表性裝置之示意性圖解(右)及對應照片(插圖)，具有囊封。圖27b，一可拉伸6×6 μ-ILED陣列之光學影像，其顯示在不同單軸所施加應變下之均勻發射特性(左上：0%，左下：沿水平方向48%，右上：0%，右下：沿對角方向46%)。圖27c，在b中所示之經施加應變組態中量測之此陣列之電流-電壓(I-V)特性(左)及沿水平方向拉伸至75%之不同循環之20 μA電流下之電壓(右)。圖27d，一薄(~500 μm) PDMS隔膜上呈一扁平組態(頂部)及處於由氣壓引發之一半球狀、氣球狀態(底部)之一可拉伸μ-ILED陣列(6×6)之傾斜(左)視圖光學影像。圖27e，圖27d自頂部之放大視圖。黃色虛線框突出與二軸應變相關聯之尺寸改變。圖27f，處於其扁平及膨脹狀態之陣列之I-V特性。圖27g，藉由3D-FEM確定之子午線及圓周應變之分佈。
圖28.　μ-ILED陣列對在尖銳尖部上之扭曲及拉伸之回應。圖28a，一PDMS帶上扭曲至不同角度(自頂部至底部0°(扁平)、360°及720°)之一μ-ILED陣列(3×8)之光學影像，其係在有外部照射(左)及無外部照射(右)之情形下收集。圖28b，當扭曲至360°時該陣列之SEM影像。蛇形互連件移動出該平面(紅色框)以適應所引發之應變。圖28c，扭曲各種量(0(扁平)、360及720°)之陣列之I-V特性。圖28d，對於扭曲至720°藉由3D-FEM確定之軸向(左)、寬度(中心)及剪切(右)應變之分佈。圖28e，緊緊地在一鉛筆之尖銳尖部上拉伸之一μ-ILED陣列(6×6)之光學影像，其係在有外部照射(左)及無外部照射(右)之情形下收集。白色箭頭指示拉伸之方向。圖28f，在一棉簽之頭部向下纏繞並拉伸之一可拉伸8×8陣列之光學影像。插圖影像係在無外部照射之情況下收集。圖28g，圖28e中之陣列在變形之前(初始)、期間(變形)及之後(經釋放)的I-V特性。插圖提供在不同數目之變形循環之後量測之產生20 μA之一電流所需要之電壓之一曲線圖。
圖29.　針對各種不尋常基板上之高度有效的區域覆蓋及整合之μ-ILED陣列之多層層壓組態。圖29a，藉由多層層壓形成之一堆疊式裝置之示意性分解視圖圖解。圖29b，具有經設計以最小化互連線與μ-ILED之位置之重疊之層層偏移的四層4×4陣列堆疊的光學影像。該等影像顯示其中不同數目之層在操作中之發射(第一層接通，第一及第二層接通，第一、第二及第三層接通，及第一、第二、第三及第四層接通)。圖29c，兩層8×8陣列堆疊之光學影像，其中不同層在操作中。插圖顯示處於一彎曲狀態(彎曲半徑~2 mm)之裝置，其中兩個層皆接通。圖29d，一紙片上在操作期間處於一摺疊狀態(彎曲半徑~400 μm)之一μ-ILED陣列(8×8)之光學影像。插圖顯示處於其扁平狀態之該裝置。圖29e，一鋁箔片上處於褶皺狀態下之一6×6陣列之影像。插圖顯示處於其扁平狀態之該裝置。圖29f，一剛性塑膠管(直徑~2.0 mm，左)上具有蛇形互連件之一薄(~8 μm)、窄(820 μm) μ-ILED條帶(1×8)之影像。插圖顯示一單個像素之放大視圖。圖29g，由具有纏繞在一玻璃管(直徑~5.0 mm，右)上之筆直互連件之一經隔離μ-ILED組成之一薄條帶LED裝置。插圖提供一放大視圖。圖29i，一~700 μm直徑纖維上分別纏繞在一玻璃管(直徑~1.4 mm，左圖框)上及處於一打結狀態(插圖)之具有蛇形金屬橋之一1×8陣列(其停放於硬幣(便士)上以設定刻度)之影像。
圖30a，塗佈有一黏合劑之一薄PET膜(50 μm厚)上一μ-ILED陣列(5×5)之示意性分解視圖圖解。PDMS之頂部及底部上之層提供一柔軟、彈性體囊封，其提供生物相容性及對生物流體及周圍組織之一良好障壁。圖30b，一動物模型之影像，其中在皮膚下及在肌肉組織之頂部植入有此陣列。插圖顯示在植入之前的該裝置。接觸方案。此處，使用簡單的金屬(Cr/Au)至經摻雜GaAs觸點來替代歐姆觸點。針對經改良之電特性，可實施金屬互連件至GaAs之習用歐姆觸點。為形成歐姆觸點，可使用一系列金屬堆疊後跟適當退火(此論文中，n歐姆接觸金屬：Pd/Ge/Au，後跟在175℃下退火1小時，p歐姆接觸金屬：Pt/Ti/Pt/Au)，此產生可如圖47a中所示獲得之較低輸出電壓(take-off voltage)。
長期操作。在恆定電流模式(0.75 mA)下執行使用一薄PDMS平板上串聯連接之兩個LED裝置之對長期操作之測試。兩個裝置皆顯示在達100小時之連續操作期間的強健且可靠效能，而不影響I-V特性，如圖47b中所示。
氣球變形之FEM模擬。圖48a圖解說明用於膨脹及轉印印刷至圖27之PDMS氣球上之機械學模型。具有半徑r之初始扁平、圓形薄膜(初始狀態，圖38a之左上圖框)在其外邊界處係固定的，且藉由空氣使其膨脹至具有高度h之一球形帽(膨脹狀態，圖48a之右圖框)。該球形之半徑係R=(h2+r2)/(2h)。在轉印印刷期間向下按壓該球形帽並使其變平，如圖48a之左下部圖框中所示(經印刷狀態)。在膨脹期間該變形沿子午線方向均勻，而所有材料點在印刷期間垂直向下移動。因此，對於在初始狀態下距膜中心距離x0之一點，其位置在膨脹狀態下改變至x1，其中至膜中心之一弧距離係s1，且接著在印刷期間之狀態下改變至x2，其中s1=(Rx0/r) arcsin(r/R)且x1=x2=R sin[(x0/r) sin-1(r/R)]。此等給出膨脹狀態之子午線及圓周應變如下：
在印刷期間之狀態下之子午線及圓周應變由下式給出：
使用有限元方法(FEM)來研究此過程以便使以上分析模型有效。該膨脹狀態之子午線及圓周應變之輪廓分別呈現於圖48b之左上部及左下部圖框中。在圖48b中右圖框中將該等結果與分析解(方程式(S1)及(S2))相比較且其顯示良好一致性。因此，分析式(方程式(S1)及(S2))可用於預測不同膨脹下之PDMS應變，且進一步估計氣球表面上裝置中之應變。圖48c顯示經印刷狀態之子午線(左上部圖框)及圓周(左下部圖框)應變之輪廓以及與來自方程式(S3)及(S4)之分析解之比較(右圖框)。分析解再一次與FEM模擬良好地一致，而不存在任何參數擬合。
各種基板上LED之彎曲。如圖49中所圖解說明之LED由具有深度h1=3.5 μm,h2=2.5 μm,h3=1.2 μm及h4=1.2 μm之多個層組成，且楊氏模數係ESU8=5.6 GPa、EGaAs=85.5 GPa及EPI=3.2 GPa。此等層係建模為具有相等張力及彎曲勁度之一複合樑。該PDMS應變隔離層具有深度h5=50 um及楊氏模數EPDMS=0.4 MPa。基板之楊氏模數Esub及厚度H對於織物係1.2 MPa及0.8 mm，對於落葉係23.5 MPa及0.5 mm，且對於紙係600 MPa及0.2 mm。該應變隔離模型接著給出分別針對完全摺疊之織物、葉子及紙之極小GaAs中最大應變0.043%、0.082%及0.23%。最小彎曲半徑與對應基板厚度H相同，即，對於織物、葉子及紙分別係800 μm、500 μm及200 μm。對於Al箔基板，當GaAs中應變達到1%時最小彎曲半徑獲得為139 μm。
在不存在該PDMS應變隔離層之情形下，該LED及基板建模為一複合樑。中性軸之位置(自頂部表面量測)由下式給出：
GaAs中最大應變係，其中Rb係彎曲半徑。因此，基板上LED陣列之最小彎曲半徑係，其中ε faikure =1%係GaAs中之故障應變。對於織物基板，即使當其被完全摺疊時GaAs中之最大應變僅為0.34%，此給出與厚度0.8 mm相同之最小彎曲半徑。對於落葉及紙，最小彎曲半徑係1.3 mm及3.5 mm。
圖注。圖33.　轉印印刷之後一載體玻璃基板上之μ-ILED陣列之磊晶層(a)及製作過程(b)之示意性圖解。
圖32.　(a)塗佈有聚合物層(環氧樹脂/PI/PMMA)之一承載玻璃基板上之一6×6 μ-ILED之示意性圖解(左圖框)及應顯微鏡(右上圖框)及SEM(右下圖框)影像。(b)藉由一PDMS模板拾取以用於轉印印刷之一6×6 μ-ILED陣列之示意性圖解(左圖框)及對應顯微鏡(右上圖框)及光學(右下圖框)影像。用於選擇性沈積Cr/SiO2(厚度：3nm/30nm)之一陰影遮罩覆蓋一柔軟彈性體PDMS模板上之被取回的陣列。(c)至一經施加預應變薄(厚度：~400 μm)PDMS基板之轉印印刷之示意性圖解(左圖框)及一經施加預應變薄PDMS基板上之經轉印μ-ILED陣列之顯微鏡(右上圖框)及SEM(右下圖框)影像。預應變值係~20%。
圖33.(a)頂部囊封層之示意性圖解，其指示某些關鍵尺寸。(b)一島處之剖面結構之示意性圖解，其中每一層具有相似厚度。插圖對應於在轉印印刷至具有~20%之預應變之一薄PDMS基板之後一μ-ILED陣列之一SEM影像。(c)金屬互連橋處之剖面結構之示意性圖解，其中每一層具有相似厚度。
圖34.(a)在沿水平方向(紅色箭頭)拉伸之前(左，形成有~20%預應變)及之後(右)毗鄰μ-ILED(黃色虛線框)之傾斜視圖SEM影像。(b)針對對應於(a)中之圖框之情形藉由3D-FEM確定之應變分佈。黑色輪廓指示在使該預應變鬆弛之前裝置及蛇形件之位置。
圖35.(a)在沿水平方向之外部拉伸之前(左圖框)及之後(右圖框)具有一蛇形橋設計之一μ-ILED陣列中之兩個像素之光學顯微鏡影像。該等上部及下部影像顯示處於發射光關斷(上部)及接通(下部)狀態之光學顯微照片。毗鄰像素之間的距離出現在該等下部影像中且用於計算所施加應變。該等下部影像係在無外部照射之情形下獲得。(b)在沿對角方向之外部拉伸之前(左圖框)及之後(右圖框)一μ-ILED陣列中之兩個像素之光學顯微照片影像。(c)在沿對角方向之外部拉伸下之FEM模擬(左圖框)，及GaAs主動島(右上圖框)及金屬橋(右下圖框)中之應變輪廓。
圖36.　具有一蛇形網狀設計之一6×6 μ-ILED陣列之光學影像，其有與圖27b相同之應變環境下之外部照射。
圖37.　(a)一薄PDMS基板上處於其接通狀態之一8×8 μ-ILED陣列之光學影像，其在與圖27d之左下圖框相同種類之變形條件下。(b)與圖27d相同之陣列處於其「扁平」(左圖框)及「膨脹」狀態(右圖框)之俯視光學影像，其無外部照射。(c)圖27d之右圖框之FEM結果的空間分佈及自方程式(S1)及(S2)計算之分析解。
圖38.　(a)整合於具有詳細尺寸之一薄PDMS基板上之一3×8 μ-ILED陣列之示意性圖解(上部圖框：一PDMS施主基板上之μ-ILED之配準，下部圖框：經印刷3×8 μ-ILED陣列之整體視圖)。頂部之插圖表示一承載玻璃基板上之此μ-ILED陣列在轉印印刷之前的一光學顯微鏡影像。(b)圖28b中之SEM影像之放大視圖。白點矩形突出非共面橋結構。(c)針對每一360°扭曲循環之20 μA電流下之電壓。
圖39.　360°扭曲PDMS基板之軸向(頂部)、寬度(中心)及剪切(底部)應變之FEM應變輪廓。
圖40.　如圖28e中所示之一6×6 μ-ILED陣列之疲勞測試結果。(a)一6×6 μ-ILED陣列之隨變形循環而變之I-V特性之圖式。(b)在多達1000次之變形循環之後量測之產生20 μA之一電流所需要之電壓之圖式。每一變形狀態與圖28e中所示大致相同。
圖41.　(a)堆疊式裝置之示意性圖解，其描述圖29b之狀態。(b)如圖29b中所示之堆疊式裝置之光學影像，其係在無外部照射之情形下收集。
圖42.　(a)如圖29c中所示彎曲至2 mm之一曲率半徑之堆疊式陣列中之兩層系統之應變分佈。黑色虛線矩形展示μ-ILED之位置。(b)μ-ILED島中之GaAs層中之應變分佈。
圖43.　(a)整合於織物上處於其彎曲且接通狀態(彎曲半徑~4.0 mm)之具有蛇形金屬互連件之一6×6 μ-ILED陣列之光學影像。插圖顯示處於其扁平且關斷狀態之該裝置。(b)處於其彎曲狀態之此陣列之I-V特性之圖式。插圖提供在不同數目之彎曲變形循環之後量測之產生20 μA之一電流所需要之電壓之一曲線圖。(c)整合於一落葉上處於其彎曲且接通狀態之具有一人類圖案之一8×8 μ-ILED陣列之光學影像。插圖影像係在有外部照射之情形下收集。(d)處於如圖43c中所示之彎曲狀態之I-V特性之圖式。(e)整合於一紙上處於其摺疊且接通狀態之一μ-ILED陣列之光學影像。(f)與圖29e中所示相同的μ-ILED陣列處於其適度破碎狀態之光學影像。插圖表示處於其接通狀態之毗鄰四個像素之顯微鏡影像。
圖44.　(a)整合於紙上處於其扁平(圖29d插圖)及摺疊(圖29d)狀態之一6×6 μ-ILED陣列之I-V特性之圖式。(b)整合於鋁箔上處於其扁平(圖29e插圖)及破碎(圖29e之中心圖框)狀態之一6×6 μ-ILED陣列之I-V特性之圖式。(c)如圖43e中所示之6×6 μ-ILED陣列之疲勞測試。整合於紙上之一μ-ILED陣列之隨變形循環而變之I-V特性的圖式(左圖框)。在多達1000次之變形循環之後量測之產生20 μA之一電流所需要之電壓之圖式(右圖框)。(d)如圖43f中所示之6×6 μ-ILED陣列之疲勞測試。整合於鋁箔上之一μ-ILED陣列之隨變形循環而變之I-V特性的圖式(左圖框)。在多達1000次之變形循環之後量測之產生20 μA之一電流所需要之電壓之圖式(右圖框)。
圖45.各種基板(例如，織物(a)、Al箔(b)、紙(c)及落葉(d))在塗佈薄PDMS層之前(左圖框)及之後(右圖框)之SEM影像。
圖46.如圖30a及30b中所描述之一可植入μ-ILED陣列之囊封之示意性圖解。
圖47.(a)具有及不具有所施加歐姆接觸之一個別像素之照度(L)-電流(I)-電壓(V)量測之結果。(b)在不同操作時間之後量測之產生20 μA之一電流之所施加電壓。插圖提供在不同操作時間之情形下的I-V特性。
圖48.(a)用於PDMS膜之膨脹及向下印刷之分析模型之示意性圖解。(b)膨脹狀態之子午線(左上)及圓周(左下)應變之FEM輪廓及其與自方程式(S1)及(S2)計算之分析解之比較。(c)經印刷狀態之子午線(左上)及周圍(左下)應變之FEM輪廓及其與分析解方程式(S3)及(S4)之比較(右圖框)。
圖49.　一基板上之μ-ILED之剖面之示意性圖解。
實例5：使用高密度陣列裝置之用於生物感測及刺激應用之系統
將現代半導體技術之全能力與一動物(例如，人類)之柔軟、經流體浴、曲線且移動之表面親密整合之能力對於人類健康具有重大意義(對於診斷、治療及外科應用)。一般而言，當前形式之高效能電子裝置係以與建立與一生物組織之親密大面積介面固有地不相容之形式構建於半導體晶圓之硬、剛性且易碎表面上。係撓性且可拉伸之電子平臺具有避免此等限制之潛力。特定針對生物應用製作之一撓性高密度主動電極之一實例揭示於在2009年9月17日發表且標題為「Flexible and Scalable Sensor Arrays for Recording and Modulating Physiologic Activity」之共同受讓國際專利應用公開案第WO 2009/114689號中，其整體內容以引用方式併入本文中。
一生物治療應用之一個實例係心臟再同步化治療(CRT)。CRT係指將多個起搏刺激同時施加至一出問題心臟之不同區域以便改良心臟功能。在具有由於心肌梗塞或其他原因而產生之心臟問題之患者中，心室抽血之能力受到心室之各個壁中之不同步活動之損害。藉由經由在心臟上或心臟中仔細計時及定位之兩個或更多個電刺激促進更具組織性之機械收縮，可恢復更加同步且因此更高效之心室功能。不同於其中針對每一心跳將一單個電刺激施加至心室以純粹治療不正常的慢心臟節律之基本起搏器治療，CRT經設計以有效地取代出問題心臟之電系統且改良所有心臟速率之心室收縮之組織。
另一應用係跨越一生物組織(例如，心臟)之表面映射狀況，以確定欲施加之一適當刺激方案(例如，起搏或消融)。心臟映射適用於隔離出問題區域且使用彼資訊來確定將治療聚焦於何處，例如消融治療。存在將受益於一高度撓性且亦小型化之裝置之數種生物感測及刺激應用，該裝置支撐適用於自該組織感測各種狀況及/或適用於施加不同類型之能量至該組織之一元件陣列。
在一實施例中，本發明提供一種薄且高度撓性裝置，其具有可用於感測或刺激之一元件陣列，其用作自其提供數種生物感測、映射及刺激應用之一平臺。存在採用裝置上元件之空間配置且為此提供一機構以遞送在沒有更多侵入性程序(例如，外科)之情形下將不可行之治療之數種本文中所闡述應用。
首先參照圖55，其顯示一系統10經設計以用於生物感測及治療性治療應用。系統10包含與一控制系統200連接或介接之一撓性高密度微陣列裝置(陣列裝置)100。陣列裝置100經組態以放置成與顯示於參考編號20處之一生物組織操作接觸或連通，以用於監視及/或治療性治療該生物組織。可針對其使用陣列裝置100之生物組織之實例包括心臟組織、腦或其他神經系統器官、肌肉、視網膜、耳鼓膜、循環系統結構、瘤組織及消化系統結構。
陣列裝置100之特定結構及製作技術之實例闡述於前述同在申請中申請案中。圖68至74(下文闡述)圖解說明陣列裝置100之額外電路組態。陣列裝置100包含可係一薄且高度撓性基板115上之感測器及/或效應器之一元件110陣列。陣列裝置100係使用基於矽之電路製作技術製作。其係高度撓性及可拉伸且極適於隨著一生物組織之自然移動而撓曲。
陣列裝置100上之元件110可用作感測器及/或效應器。如本文中所使用，一效應器係取一信號且引入一干涉以調變生物(例如，腦或心臟)活動之任一裝置。效應器之實例包括電刺激器、光/光線發射器(例如，用於激活充滿一光回應化合物之腦組織)、化學釋放/注射裝置、改變溫度、壓力及/或加速度之裝置以及引入電場、磁場或其他場之裝置等。亦可使用可出於診斷或監視目的而激活組織之照射源(例如，一光源)或其他源。舉例而言，此等照射源可用於激活腦組織以詢問其功能但未必調變其活動。
類似地，一感測器其可用來將一生物信號轉變成一電信號或其他信號之任一元件。感測器之實例包括：用於記錄電生理學信號之電觸點、用於記錄生物活動之光相關性之光學偵測器、用於偵測化學濃度或PH之改變之化學感測器(例如，氯化物、神經傳遞素、乳酸鹽、葡萄糖、其他代謝物、致動神經組織的化合物、藥物、生物物質，例如瘤分泌因子等)、用於量測溫度、力、加速度、移動、壓力等之裝置。
一感測器亦可包括如上文所定義之效應器之功能性。
控制系統200經由一個或多個直接連線的連接或視情況經由一無線連接來與電極陣列裝置100介接。控制系統200包含一信號分析子系統300及一治療施加子系統400。此等子系統中之一者或其兩者可用於一特定應用。此等子系統之某些功能可在板上併入於陣列裝置100上。信號分析子系統分析自陣列裝置100之個別元件110獲得之信號以用於組態為感測器元件之彼等元件。信號分析子系統之一應用之一實例係分析自呈應變計微感測器形式之感測器元件110得到之局部心室收縮參數。治療施加子系統400自信號分析子系統或某其他源取輸入，以便確定欲經由陣列裝置100或某其他裝置施加之一治療之參數。舉例而言，當陣列裝置100經組態以施加多個空間上不同之起搏刺激時，治療施加子系統400可確定欲採用之起搏參數。此等僅係信號分析子系統300及治療施加子系統400之可能功能之實例。下文闡述其他實例。另外，儘管將信號分析子系統300及治療施加子系統400顯示為單獨區塊，但其可實施於一單個區塊中，即，藉由一微處理器、微控制器、數位信號處理器或其他可程式化或固定邏輯裝置。
翻至圖56，提供一圖表以顯示陣列裝置100可收合(本身纏繞或捲起)以供引入至一動物之一身體中，以部署於所關心生物組織位點處。為此，如圖57中所示，當本身收合、捲起或纏繞時，陣列裝置100可插入至一導管或其他引入器殼體裝置30中以供引導並遞送至生物組織位點。
實例性應用：心臟再同步化
本文中所闡述之一個應用係關於心臟再同步化。
參照圖58及59，顯示一實例性應用，其中使用引入器殼體30將陣列裝置100引入一動物之心臟之心包膜內部。一旦引入器殼體30到達至該心包膜中，則允許陣列裝置100藉由自殼體30中向外推而解開或展開，例如藉由一引導線，以便與心臟之一所關心區域接觸，如圖59中所示。藉由繞心包囊內部之心臟之表面之心包流體來增強該陣列裝置之陣列元件110與心臟組織之間的合適電(及/或實體)接觸。
因此，圖58及59顯示陣列裝置100係支撐一主動電子器件陣列之一薄、超撓性裝置平臺，該主動電子器件陣列可在一傳統電生理學實驗室中經由標準導管遞送技術引入至心臟中或周圍。其被收合(例如，收縮、捲起或摺疊)，移動至心臟及相關結構內或周圍(藉助注入心包空間中之流體與空氣之一組合)，且重新部署於一單獨位置處。
在一個形式中，首先將裝置100引入至一生物可降解背襯平臺(例如，絲)上之身體中。此生物可降解平臺將為植入及初始操縱提供額外支撐，接著溶解且促進裝置100與心臟及與心臟相關之組織之緊密黏著。
在一替代形式中，陣列裝置100可經由外科技術直接置於心外膜上。
翻至圖60及61，現在闡述陣列裝置100之一閉迴路應用之一實例。在此實例中，將陣列裝置100固定至心外膜且連接至其中駐存有控制系統200之一可植入電子器件單元500。電子器件單元500經由一穿隧引線510連接至該陣列裝置且亦經由引線520及525連接至經靜脈右心房及右心室起搏電極530及535。
在圖61中所示之組態中，可以極適於心臟再同步化治療(CRT)之高空間及時間適應性而以一可程式化方式遞送起搏刺激。如本文中所解釋，CRT涉及將多個起搏刺激同時施加至心臟之不同區域。由於陣列裝置100具有諸多在空間上配置之元件110(其可組態為主動效應器元件)，因此陣列裝置100極適於提供能夠遞送CRT之一完全可植入系統。
特定而言，陣列裝置100提供自基本上任一位置、位置序列或心室上之位置之組合起搏心臟之能力。此允許針對每一個別患者定製及最佳化起搏，目標係增加針對其將指示CRT之患者之數目及經歷一正面回應之患者之比例兩者。
圖62及63圖解說明在空間上控制對心臟之起搏刺激之靈活性。圖62係該陣列裝置之主動區域之一經簡化圖表，其顯示陣列裝置100之效應器元件110配置成列A至D及行1至4。圖63圖解說明可相對於該陣列裝置上之效應器元件採用之各種空間及計時方案。除圖63中所繪示之方案外，可定址個別效應器元件110以在一特定時刻遞送一刺激。因此，存在諸多可結合陣列裝置100而採用以向心臟遞送起搏刺激之空間及計時方案。此外，陣列裝置100使得優於現有再同步化裝置及系統之眾多額外應用及優點切實可行。在選擇陣列元件110處併入感測器(例如，應變計)可提供關於局部心室收縮參數之資訊，其達成其中控制系統200可即時調整且最佳化起搏參數之一閉迴路系統。此一系統在改良對再同步化治療之回應速率方面可係重要的，乃因當前最佳化技術聚焦於在一個時間點處調整參數且維持彼等參數作為「永久性」設定。
再進一步，針對陣列裝置100之元件使用適當感測器(上文所闡述)，可與積體主動電路一同採用陣列裝置100以便以高空間及時間解析度量測心臟收縮性、心肌壁位移、心肌壁應力及即時移動。類似地，可與積體主動電路一同採用陣列裝置100以便經由適當刺激以高空間及時間解析度調變(即，主動控制)心臟收縮性、心肌壁位移、心肌壁應力及即時移動。如上文所闡述，可與積體主動電路一同採用陣列裝置100以便在一即時、閉迴路系統中量測且改良心肌收縮功能。
圖64圖解說明可由控制系統200執行之一連續可調整刺激過程600之一流程圖。在610處，自陣列裝置100上之經合適組態之感測器元件感測局部心室收縮。在620處，分析自陣列裝置100上之感測器元件獲得之收縮資料以連續表徵(例如，在逐心跳之基礎上)心臟之心室收縮表現。在630處，基於心臟之心室收縮表現連續調整與經由陣列裝置100之效應器元件(或經由定位於心臟中或心臟上之其他起搏電極)遞送之起搏刺激之CRT或其他起搏方案相關聯的起搏參數。
可藉由將各種活動感測器併入於當前裝置中來實行對心臟速率及房室計時之某即時調整。然而，此等改變係基於經預設演算法而非同時量測之個別患者資料。理想的房室及室間計時可能隨著改變血液動力學條件而顯著變化。因此，在逐心跳之基礎上整合瞬時回饋之能力可改良一患者對CRT之回應。
另外，一經植入電極陣列可用於記錄關於可發展之自發性心律失常之資訊。具有減小之左心室射出分率(EF)之心臟問題與一增加之突然心臟死亡風險相關聯，且大量的隨機化試驗已證明死亡率得益於具有及不具有先前心肌梗塞(MI)兩者之患者中之預防性ICD植入。因此，針對其指示CRT之諸多患者亦符合可植入複律器-去纖顫器(ICD)植入之資格。具有一ICD之一顯著部分患者將最終患上將需要一ICD電擊之一威脅生命之快速型心律失常；一子群組之彼等患者可具有需要多次電擊之多次發作，此係一痛苦且心理壓力巨大之治療。用於消除心室心動過速之導管消融程序正變得越來越普遍地用於防止此等患者之進一步心律失常及ICD電擊，且確定臨床上重要之心律失常的部位有時可係困難的。在住院治療之前在一心律失常期間藉由一經植入電極陣列記錄之更廣泛且更詳細之空間資訊與藉由習用裝置中之兩個或三個引線記錄之有限資訊進行比較將有助於制定一更高效且有效之消融程序。此亦將提供將其與在一EP檢查期間引發之心律失常相比較之更多資料，從而促進更快速地識別臨床上相關之彼等心律失常。
可與裝置100之使用一同採用之另一方案係經由經計時之去極化電靜息心臟之引起產生威脅生命之心律失常之區。使用來自陣列裝置100之對心臟之經正確計時之刺激，可將心肌之致心律失常的焦點或區域維持於一恆定去極化狀態下，且因此不能夠參與致心律失常障礙(arrhythmogenesis)。可按大小在功能上組態陣列裝置100以對太大而不能用習用消融技術治療之心臟區(例如，一整個心肌梗塞)起作用。類似概念可應用於對癲癇症之治療，其中腦刺激防止發作活動之發展。一不同但相關之技術係使用陣列裝置100藉由對至心臟之神經輸入(即，神經支配心臟之交感神經幹或神經節叢)之刺激而進行「電靜息」。可採用一閉迴路機制基於心律失常抑制之有效性而即時修改刺激之空間及時間圖案。
陣列裝置100一經植入可能會額外地提供對出問題心臟之機械支援。經由一經植入合成網狀裝置對心室進行被動限制以防止慢性擴大先前在CorCapTM心臟支援裝置(CSD)(Acorn Cardiovascular,Inc.,St. Paul,Minnesota)之隨機化試驗中研究過。
圖65圖解說明可適合於提供對一出問題心臟之機械支援之陣列裝置100之一組態。經裝備以作為一起搏裝置及一記錄裝置兩者操作之陣列裝置100可提供類似於心肌整形術之主動、機械收縮期支援。陣列裝置100構造為適合於纏繞在心臟之一區上一大小以提供用於促進心室舒張期之被動機械支援或用以增大收縮期功能之主動機械支援。
該裝置用作具有可調整空間及時間解析度之一撓性、主動、多刻度陣列，其能夠自心外膜或心內膜進行高密度記錄及刺激。藉由使用陣列裝置100而可用之起搏組態及方案眾多，自單個位點起搏至多個位點起搏。另外，可在一系統中使用陣列裝置100以治療不能夠安全或有效地消融之心律失常。此外，陣列裝置100可用於檢測一心臟事件之較早階段且藉由一合適刺激方案對其進行治療以使其停止。
實例性應用：解剖學及生理學映射及消融
一生物組織之表面之解剖學及生理學映射具有重要應用。舉例而言，經由經皮心包穿刺映射心外膜表面(第一次在具有Chagas病及心室心動過速(VT)之患者中證明)已證明適用於VT電路之消融，其中重入電路之關鍵部分位於心外膜下肌肉中。外科資料表明至少15%之心肌梗塞後VT相依於此等心外膜下電路，該比例可能在具有非缺血性心肌症及VT之患者中高得多。
前述經皮程序之一個優點係在不需要外科曝露之情形下接達心外膜之能力。然而，缺少外科曝露形成若干障礙，包括不能夠容易地顯影心外膜冠狀動脈及橫隔膜神經之位置及路線以及區分心外膜脂肪與瘢痕心肌之困難。已主要使用多分量及遲發電位圖之表像來區分一瘢痕區域與脂肪。文獻中已闡述一種用於使用即時視訊心包鏡檢查術直接顯影心外膜標誌之一方法。亦已使用多種螢光鏡技術來在心外膜映射時確定冠狀動脈的部位，包括同時進行基於導管之冠狀動脈造影術及一3D電子解剖學圖與先前獲取之經計算X線體層照相術(CT)血管造影片之融合。兩種方法皆需要曝露至靜脈內(IV)對比材料，且兩者皆受到合併兩組影像之精度(不管用眼睛還是使用一計算機輔助技術)之限制。對比而言，在經由一外科方法之傳統心外膜映射期間，手術師可容易地在視覺上區分冠狀動脈與心外膜脂肪兩者。
可用於以極好空間解析度可靠界映射心臟之結構及電性質兩者之一單個儀器之可用性係極合意的(儘管不存在直接顯影)。此一儀器將理想地利用傳統血管內方法或一經皮心外膜方法。
現在參照圖66，其係針對經調適以用於一同時解剖學與生理學映射與消融應用之系統10(圖55)之一應用。在此應用中，欲映射及治療之身體器官係心臟，但此僅為實例。經由傳統血管內技術或藉由現在普遍使用之非外科經胸廓方法之一經修改版本將陣列裝置100遞送至心內膜或心外膜，例如上文結合圖58及59所描繪及闡述。陣列裝置100經組態而具有組態為用於記錄電位圖之感測器之在一空間位置陣列內之大量電極以及組態為用於遞送射頻(RF)或其他消融能量之效應器之元件。另外，某些陣列元件可組態為用於偵測心外膜冠狀動脈血液流動及區別組織性質之各種感測器(光學、化學或其他)中之一種或多種。
陣列裝置100經由一合適引線540連接至顯示於參考編號200'處且在患者外部之一控制系統。控制系統200'包含一信號產生器310、一控制器320、一顯示器330及一信號處理器410。該信號處理器410分析陣列裝置100上之感測器陣列元件之輸出且產生適合在顯示器330上顯示映射影像之資料，例如以映射影像335顯示。在一個實例中，映射影像335可係電生理學性質(例如，電壓激活)、解剖學性質(例如，肌肉、心外膜血管或脂肪)及消融位點之三維(3D)圖。在映射影像335中，存在表示健康肌肉之一區335a(深紫色)、表示不同程度之瘢痕心肌之一區335b(色彩之彩虹範圍)、表示一心外膜脂肪區域之一區335c(淡紫色)。顯示於337處之加粗虛線表示心外膜冠狀動脈且點(紅色)339表示消融位點。映射影像335因此經由色彩或其他視覺指示圖解說明藉由採用本文中所闡述之技術之一單個多模態陣列裝置100識別的所有此等解剖學及生理學性質。
可整合於撓性陣列上且經調適以用於感測冠狀動脈之狀況之技術包括光學感測器、壓力或應變量測、聲音感測器及化學感測器。此等感測器亦可用於偵測與組織損害及疾病相關聯之缺血性改變及其他異常。對組織傳導率及阻抗之相對簡單之量測可足以區分心外膜脂肪與肌肉。
信號處理器410亦可產生適用於控制器320控制信號產生器310之資料。控制器320可係一自動化控制器(例如，合適地程式化有控制邏輯之微處理器)或一手動控制設備。在任一情形下，控制器320經組態以修改由信號產生器310產生之消融能量，以經由陣列裝置100上之效應器元件之任一組合施加。
在陣列裝置100上包括主動電路之能力使得最小化陣列與操作者之間的電連接，藉此促進可經皮或在血管內遞送之一可調適又小之裝置之主要目標。此外，在心室心律失常期間同時自多個空間上不同之位點記錄並儲存局部化心臟電位圖之能力使得能夠在電生理學實驗室中更快且更準確地確定彼等心律失常的部位。
陣列裝置100上之感測器之空間配置允許形成一3D電子解剖學圖，其類似於CARTO XP(BiosenseWebster)及EnSite NavXTM(St. Jude Medical)映射系統之功能性。相依於陣列裝置100之陣列大小及密度，藉助剩餘點位置之內插，僅使用陣列裝置上之元件(電極)之一選擇子組，便可將所有電極局部化於3D空間中。更特定而言，陣列裝置100(僅)在一映射及/或消融程序期間放置於心臟中或心臟上，且其可在心臟中或心臟上四處移動以便映射心臟之一盡可能大之區域。此由圖66中之箭頭指示。電極之選擇子組用作陣列裝置上之選擇點，其使用(舉例而言)基於磁性之3D局部化技術(例如，CARTOXP之彼等局部化技術)或基於阻抗之3D局部化NavX系統局部化(相對於心臟中之其他結構或導管)。使用元件之選擇子組之局部化資料之內插，局部化陣列裝置100上每個元件之確切位置。
此位置追中技術適用於形成陣列裝置100在心臟上或心臟中所處於之位置之一虛擬3D圖及在心臟上或心臟中之彼等位置處收集之資料之某表示。一個實例係一電壓圖。自在陣列裝置之元件處進行之電壓量測產生表面之一3D「外殼」且可色彩編碼每個量測點處之電壓位準。藉由陣列裝置100上之眾多感測器形態，陣列裝置100可用於同時添加多個3D圖，例如針對電壓量測、血液流動量測及應變(壓力)量測。另一選擇係，給定陣列裝置100之3D可變形性，可將不同類型之發射器鏈接至每一電極觸點便以較高解析度計算陣列裝置之所有元件之位置。
因此，陣列裝置100用作具有可調整空間及時間解析度之一撓性、主動、多刻度裝置，其能夠自心臟進行高密度記錄及刺激心臟，其係藉由標準血管內技術遞送至心內膜且對心外膜之侵入性最小兩者。
裝置100係一可植入撓性電子裝置，其具有適用於以高空間及時間解析度解剖學及電映射心臟表面及周圍結構之積體主動電路。自整合於裝置上之各種感測器形態搜集之資訊可用於區分心肌組織、心外膜脂肪、冠狀動脈、大神經及下伏於裝置下之其他結構。
裝置100可經由RF或其他形態遞送消融能量且以高空間解析度達成一臨床上顯著之損傷。可以陣列上之個別電極之解析度以閉迴路方式空間調諧消融。
除直接映射及消融心律失常外，此一裝置之心臟應用係範圍寬廣的。映射其他心臟及縱隔結構(包括心臟自主神經系統之神經節叢及其他組份)係治療心律失常之此未來方向之實例。陣列裝置100在所包括之電子組件之大小、形狀及類型方面之高度可調適性質亦有助於併入有現有長期監視裝置，例如Chronicle可植入血液動力學監視器或長期心律失常事件監視器。
已在活動物實驗中證明與心臟映射相關之前述概念，連同自具有在直接顯影下置於心室之心外膜表面上之被動電路之一陣列裝置記錄有用電信號且可靠地起搏心臟之能力。另外，具有主動電路之一陣列裝置已用於自在陣列與記錄設備之間僅使用36個單獨連連線而覆蓋左心室心外膜之一2.2平方釐米區域之陣列裝置100之288個陣列感測器元件記錄電位圖。預想程度高得多之多工以允許使用一單個USB 2.0、FirewireTM或類似連接器向及自陣列裝置提供輸入及輸出接達。
實例性活體實驗
參照圖67A、67B及67C，現在闡述來自活體實驗之資料。在兩個正常80至90磅之雄性Yorkshire豬中執行活體實驗。經由一正中胸骨切開術及後續心包切開術而以外科方式曝露心臟。當在直接顯影下時，將一陣列裝置100置於心外膜表面上，如圖67A中所示。即使在強勁的心臟運動期間及快速起搏期間，該裝置亦黏著至心臟之曲線表面。圖67B顯示在心臟循環之各個階段處之運動快照且看到陣列裝置適應心臟之表面形狀之動態變化以便維持適形接觸。假定活體實驗期間之平均心臟速率係大約77次/分鐘(BPM)且一記錄持續時間係大約137分鐘，在吾人之實驗期間該裝置在多於10,000個彎曲循環之過程內提供可靠資料。
使用一多工與取樣方案自陣列裝置100上之所有288個感測器記錄單極電壓資料。藉由心外膜表面上處於多個位置及定向之陣列以竇性節律收集基線電位圖資料。亦在經由固持為與心外膜表面接觸之一標準非可操控十極電極EP導管自相對於陣列裝置之多個位置起搏心臟時記錄資料。圖67C顯示定位於冠狀動脈左前降支(LAD)上方之陣列裝置100，其中顯示於32處之起搏導管恰好定位於陣列之下。此圖框中之色碼圖340顯示使用下文所闡述之程序自陣列裝置100收集之資料之一視覺表示。
使用定製MATLAB軟體濾波並處理來自陣列裝置100上之所有288個感測器之資料以藉由將單極電位圖之最大負斜率(dV/dt)之時間與所有288個感測器通道之平均電位圖之最大負斜率相比較來確定每一觸點處之相關激活時間。接著使用此等激活時間來產生等時圖，其顯示針對各種感測器位點及起搏條件之跨越該陣列擴展之經起搏及未經起搏心臟去極化波前之傳播。
圖4a中顯示在不存在遠端起搏之情形下來自一單個通道之樣本電壓軌跡資料。右邊之插圖突出記錄之極低雜訊位準，其中信雜比(SNR)係大約50。注意，按照慣例在圖中負值標繪為向上。
圖4b顯示在4個時間點處取的所有通道之電壓資料且顯示經起搏心臟波前傳播。使用右角中之色彩刻度標繪電壓。圖4c圖解說明來自感測元件之平均電壓之一圖式且圖解說明取圖4b中之每一圖框之時間點。點線之色彩對應於圖4b中時間標籤之色彩。
圖4d圖解說明在存在外部起搏之情形下來自一標準臨床電極之一代表性單個電壓軌跡。黑色箭頭及框突出起搏假像。注意，按照慣例在圖4a、4c及4d中負值標繪為向上。
圖4e圖解說明兩個不同外部起搏位點之相關激活時間之等時色彩圖。使用右邊顯示之色條標繪激活時間。星號(*)指示外部起搏電極之相對位置。刻度尺圖解說明電極位置之間的間距。在圖4f中以遵循圖4e中之箭頭之感測器陣列之選定列之距離對激活延遲圖式來標繪來自由線i至iii標記之位置處之激活圖之資料。
此等結果清楚地將此技術確定為具有先進能力之裝置之基礎。藉由對電路及外部控制簡單地添加，相同系統可提供多位點心臟起搏，其中經由分佈式主動感官與刺激電極陣列閉迴路回饋局部心室收縮性或心臟輸出量測。此外，該等電路之機械性質准許封裝於基於導管之遞送系統中，具有部署於身體之大及小不規則曲線表面上且順從身體之大及小不規則曲線表面之能力。使用此處所報告之材料及電子器件策略追求此等可能性及具有其他功能性之其他生物醫學裝置具有產生對人類健康具有重要益處之技術的極大潛力。
實例性陣列裝置及電路組態
圖68圖解說明陣列裝置100之一實例。該陣列裝置包含一元件110陣列，元件100在圖68中所示之實例中係電極，其每一者耦合至一相關聯前置放大器120。每一前置放大器之輸出經由一類比開關140耦合至一行線130。藉由激活一特定列信號145且去激活其他(N-1)列信號，將允許選定列放大器之輸出驅動行線130。以此方式，可選擇N個列中之任一者以驅動行放大器150。此行放大器150提供額外增益以使信號之範圍匹配行類比/數位轉換器160之輸入範圍。行類比/數位轉換器160將來自電極通道之類比信號轉換成數位值。行類比/數位轉換器160之數位輸出連接至一數位緩衝器170，且所有N個數位緩衝器170(每一行一個)之輸出連接在一起。可經由N個行選擇信號180個別地選擇每一行信號120。以此方式，來自N個行類比/數位轉換器160之資料可向下組合至整合式微處理器190上之一個數位輸入。
參照圖69至70，顯示對陣列裝置100中之元件之感測及刺激選擇控制之組態之示意圖。此等組態適合結合各種感測及刺激應用使用，上文已闡述其實例。
翻至圖69，其顯示一示意圖，該示意圖圖解說明單元胞如何連接至其他單元胞以形成一多工信號輸出(舉例而言)以自經組態以作為一感測器電極操作之元件110中之一者感測。在多工取樣期間，藉由將列選擇信號中之一者(例如，R0)驅動為高且將所有其他列選擇信號驅動為低來一次選擇一列電極。此允許彼列中之元件將標記為C0,C1,...之行輸出線驅動至一高速類比/數位轉換器。快速循環該等列選擇信號以取樣陣列裝置100上之所有元件110。
圖70類似於圖69，但添加刺激控制能力。在此實例中，提供刺激輸入線STIM0、STIM1等。當在啟用任何或所有列選擇線時將一刺激電壓驅動至刺激輸入線中之一者上時，元件110(電極)將遞送刺激能量至局部組織區域。圖70中所示之組態添加一最小量之額外佈線及複雜度，但由於對列選擇信號之分享而束縛於記錄多工速率。
圖71圖解說明類似於圖70但使用獨立刺激列選擇信號之一示意圖。如圖69之組態，當在啟用任何或所有列選擇線時將一刺激電壓驅動至刺激輸入線中之一者上時，元件110(電極)將遞送一刺激能量至局部組織區域。然而，提供刺激列選擇信號STIM R0,STIM R1,...。此等信號用於選擇性地啟用任何或所有列處之刺激。此組態添加更多外部線，但提供時間獨立於感測多工之一刺激能力。
圖72顯示呈一感測組態之一元件110之一實例性電晶體級示意圖。存在一恆定電流源112、一電流鏡114及一多工器116。
圖73顯示具有根據上文結合圖70所闡述之內容之刺激控制之一元件110之一實例性電晶體級佈局。在此組態中，存在連接至刺激控制線(例如，STIM0)之一刺激控制解多工電晶體118。圖74顯示具有根據上文結合圖71所闡述之內容之列獨立可選擇刺激控制之一元件110之一實例性電晶體級佈局。在圖74之組態中，存在連接至刺激控制線STIM0及刺激列選擇控制線STIM R0兩者之一解多工電晶體118。
本文中所闡述之裝置、組態及技術意欲僅作為實例。陣列裝置100之其他應用包括用於治療神經學疾病以及肌肉及其他組織中之疼痛治療之消融。另外，可以不同類型之能量及形態執行消融技術。可應用之消融形態包括：RF能量(不管單個頻率還是定相的)、冷凍消融(冰凍)、雷射能量及高強度聚焦超聲波(HIFU)。另外，高電壓電刺激可用作一消融技術。在此應用中，藉由電穿孔破壞細胞，其係高電壓電場藉以形成細胞隔膜之孔或擊穿之一機制。藉由充足能量，此導致不可逆之損壞及細胞死亡，從而達成消融目標。
實例6：用於與組織介接之可構形皮膚安裝電子裝置
本發明提供用於自身體及/或一標的之組織電生理學映射及感測各種其他特性之皮膚安裝電子裝置。然而，與其他可植入裝置(例如，習用心臟感測器)之一主要差異在於本發明之此皮膚安裝式電子裝置係非侵入性的。舉例而言，即使其定位於皮膚上(即，非侵入性)，此態樣之裝置能夠分別自心臟、肌肉及腦組織進行心電圖描記法、肌電圖描記法、腦電圖描記法(EKG、EMG及EEG)量測。
相對於醫學裝置之侵入性之一重要問題係外科後恢復。舉例而言，諸多外科程序需要導致外科後外傷之大的切開。目前皮膚安裝式非侵入性裝置不需要恢復，乃因其附接至皮膚，像一繃帶，而非如在某習用醫學裝置中植入或以外科方式施用。本發明皮膚安裝式裝置之另一重要優點在於其可長時間週期使用，此對於習用可植入且甚至非侵入性裝置是不切實際的。舉例而言，諸多侵入性醫學裝置在人體中具有長時間生物相容性之問題。此外某些習用非侵入性感測器(例如，商業EEG電極)需要使用傳導膠來減小阻抗且提供較高信雜比。然而，此等習用裝置不能夠長時間週期地使用，乃因傳導膠易於乾燥。另外，傳導膠可係不舒服的且導致皮膚過敏。本發明皮膚安裝式電子裝置不需要一傳導膠，舉例而言，乃因其能夠使用主動電容耦合裝置來進行電生理學映射。
在一實施例中，本發明提供一種用於建立與一標的之一皮膚之一介面之裝置，該裝置包含：(1)一撓性或可拉伸基板，其具有小於或等於1 MPa之一平均模數；(2)一撓性或可拉伸電子電路，其包含一個或多個無機半導體電路元件，該撓性或可拉伸電子電路由該撓性或可拉伸基板支撐；及(3)一障壁層，其囊封該撓性或可拉伸電子電路之至少一部分、該撓性或可拉伸基板或者撓性或可拉伸電子電路及該基板兩者；其中該基板、障壁層及該電子電路提供足夠低而使得該裝置建立與該受實驗者之該皮膚之適形接觸之該裝置之一淨彎曲勁度。本發明之此態樣之裝置包括皮膚安裝式組織感測器、組織致動器及組織感測器與致動器陣列。在某些實施例中，舉例而言，使裝置之組件(例如，基板、電子電路或障壁層)之模數與皮膚匹配適用於在與皮膚之介面處建立強健適形接觸。在一實施例中，該裝置不包括皮膚與電子電路組件之間的一黏合劑層。
該撓性或可拉伸基板之組合物、實體尺寸及性質在本發明之此態樣之裝置中係重要的。在一實施例中，舉例而言，該撓性或可拉伸基板具有小於或等於500 KPa、視情況針對某些應用小於或等於100 KPa及視情況針對某些應用小於或等於50 KPa之一平均模數。在一實施例中，舉例而言，該撓性或可拉伸基板具有在0.5 KPa至100 KPa之範圍內選擇之一平均模數。在一實施例中，舉例而言，該撓性或可拉伸基板具有等於或小於介面處受實驗者之皮膚之平均模數的50倍的一平均模數。在一實施例中，舉例而言，該撓性或可拉伸基板具有小於或等於500微米、視情況針對某些應用小於或等於100微米及視情況針對某些應用小於或等於50微米之一厚度。在一實施例中，舉例而言，該撓性或可拉伸基板具有在1至500微米之範圍內選擇及視情況在1至100微米之範圍內選擇及在1至50微米之範圍內選擇之一厚度。在一實施例中，舉例而言，該撓性或可拉伸基板係一低模數聚合物，例如一低模數橡膠或一低模數聚矽氧材料。在一實施例中，舉例而言，該撓性或可拉伸基板係Ecoflex。在一實施例中，舉例而言，該撓性或可拉伸基板係一生物惰性或生物相容材料。
該撓性或可拉伸基板之組合物、實體尺寸及性質在本發明之此態樣之裝置中係重要的。在一實施例中，該撓性或可拉伸電子電路包含一個或多個感測器或致動器及/或一個或多個放大器或多工電路。舉例而言，此態樣之裝置包括一撓性或可拉伸電子電路，其包含一個或多個電極、電晶體、發光二極體、光電二極體、溫度感測器、心電圖描記法感測器、肌電圖描記法感測器、腦電圖描記法感測器、恒溫器、二極體、電容感測器或此等之任何組合。在一實施例中，該撓性或可拉伸電子電路包含一個或多個單晶無機半導體結構。在一實施例中，該撓性或可拉伸電子電路係經由接觸印刷組裝於該撓性或可拉伸基板上。
在一實施例中，此態樣之一裝置進一步包含支撐該撓性或可拉伸基板、該撓性或可拉伸電子電路或兩者之一轉印基板，舉例而言，與該撓性或可拉伸基板實體接觸之一轉印基板。在一實施例中，舉例而言，該轉印基板係一可移除基板，其中該轉印基板係在提供與該受實驗者之該皮膚接觸之該裝置後被部分或完全地移除。在一實施例中，舉例而言，該轉印基板係一可溶解基板，其中該可移除基板係在該裝置經提供而與該受實驗者之該皮膚接觸之後被部分或完全地溶解。在一實施例中，該轉印基板係聚合物，例如聚醋酸乙烯酯。
在一態樣中，本發明提供一種使一電子裝置與一受實驗者之皮膚介接之方法，該方法包含：(1)提供該標的之該皮膚；(2)提供一可構形電子裝置，該裝置包含：(i)一撓性或可拉伸基板，其具有小於或等於1 MPa之一平均模數；(ii)一撓性或可拉伸電子電路，其包含一個或多個無機半導體電路元件，該撓性或可拉伸電子電路由該撓性或可拉伸基板支撐；及(iii)一障壁層，其囊封該撓性或可拉伸電子電路之至少一部分；及(iv)一轉印基板，其支撐該撓性或可拉伸基板、該撓性或可拉伸電子電路或兩者；(3)使該可構形電子裝置與該皮膚之一接納表面接觸，其中在接觸後該撓性或可拉伸電子電路定位於該皮膚與該撓性或可拉伸基板之間；及(4)至少部分地移除該轉印基板，其中該撓性或可拉伸基板、障壁層及該撓性或可拉伸電子電路提供足夠低而使得該裝置在至少部分地移除該轉印基板後建立與該標的之該皮膚之適形接觸之該裝置之一淨彎曲勁度，藉此使該電子裝置與該標的之該皮膚介接。在一實施例中，該至少部分地移除該轉印基板之步驟包含完全地移除該轉印基板。在一實施例中，該至少部分地移除該轉印基板之步驟包含在該使該可構形電子裝置與該皮膚之一接納表面接觸之步驟之後溶解該轉印基板。
本發明之此態樣之方法可進一步包含感測及/或致動該標的之一組織，舉例而言，其中該受實驗者之該組織係該受實驗者之一心臟、肌肉或腦。在一實施例中，舉例而言，該方法進一步包含進行該受實驗者之心電圖描記法量測、肌電圖描記法量測或腦電圖描記法量測。在一實施例中，舉例而言，該方法進一步包含提供電磁輻射至該受實驗者之該組織。在一實施例中，舉例而言，該方法進一步包含量測該受實驗者之該組織之溫度。在一實施例中，舉例而言，該方法進一步包含進行該受實驗者之該組織之一個或多個電壓量測、電流量測、電磁輻射強度或功率量測、溫度量測、壓力量測、組織加速度量測或組織移動量測。
在某些實施例中，一轉印基板係能夠溶解於水之一PVA背襯層。使用一PVA背襯層之益處包括其係生物相容的且不導致皮膚問題。使用一低模數撓性或可拉伸基板有益於提供與皮膚之極佳適形接觸，此在用於提供一低阻抗及高信噪比之某些感測應用中係重要的。良好之適形接觸亦在不需要額外化學黏合劑之情形下達成長時間週期之極強層壓。
在主動皮膚電子裝置(舉例而言，主動EKG/EMG感測器)之情形下，電子電路組件可包含一電極。此態樣之電極可與皮膚實體接觸或可不在介面處與皮膚實體接觸。此態樣之實施例包括(舉例而言)使用不需要實體接觸之電容型電路。在某些實施例中，舉例而言，該裝置藉由一個或多個薄聚醯亞胺層鈍化。
圖50e提供圖解說明本發明之具有一囊封障壁層之一皮膚安裝式適形裝置之一剖視圖之一示意圖。如圖50e中所圖解說明，該裝置包含支撐具有一多層裝置幾何形狀之一撓性或可拉伸電子電路之一撓性或可拉伸Ecoflex基板。電子電路組件包含一系列層，包括囊封聚醯亞胺層(PI)及功能性矽(Si)層、氧化矽層(SiO2)及金層(AU1、AU2及AU3)。然而，本發明包括具有直接曝露及/或與皮膚實體接觸之一個或多個電極之皮膚安裝式裝置，舉例而言，無聚醯亞胺囊封物。
為證明本發明之此態樣可應用於一範圍之生物醫學應用，在組織感測及致動應用之背景下製作皮膚安裝式電子裝置且使其與皮膚介接。圖50至54提供闡述本發明之此態樣之裝置示意圖、影像及實驗結果。
圖50提供：(a)轉印印刷至薄、低模數ecoflex上之電極陣列之四個圖框。在皮膚上(左上)，經部分地剝除狀態(右上)，每一頂部圖框之放大視圖(底部)。藍點框對應於底部圖框處之放大影像。ecoflex基板之模數及厚度分別係~50kPa及~30um。該電極陣列向下面向皮膚，由皮膚與ecoflex基板夾持。(b)皮膚貼片至皮膚之施加程序之示意性視圖。該電極陣列轉印印刷至ecoflex上，塗佈於PVA膜上，且該PVA膜係一水溶及生物相容膜。該經轉印電極陣列定位至皮膚之右邊位置上。可將一些水施加至PVA膜之後側以將其溶解掉。薄的低模數皮膚貼片極好地順從皮膚，就像一紋身。(c)皮膚上之皮膚貼片向四個不同方向之變形影像及其放大視圖。高度順從之皮膚貼片極好地遵循皮膚上之皺紋。(d)轉印印刷於商業臨時紋身之背側處之電極陣列。其被施加至皮膚。替代ecoflex薄膜，可將一臨時紋身用於偽裝或掩蓋之目的。
圖51提供(a)完全以機械方式最佳化之蛇形電極陣列(左)。右圖框顯示自其計算圖式中之模數之應力-應變關係。經最佳化之設計顯示與赤裸皮膚相當之模數。(b)在張力(左)及壓縮(右)下之松解實驗結果。隨著模數及厚度減小，松解在較大應變下發生。(c)位於豬皮膚上之皮膚電子裝置之剖視影像(X-射線)。
圖52提供(a)蛇形形狀主動EMG/EKG感測器。左上圖框顯示nmos電晶體之源極、汲極及閘極以及矽汲極至閘極回饋電阻器。插圖顯示習用形狀主動EMG/EKG感測器。左下影像顯示蛇形形狀裝置之最終裝置影像及其放大視圖(插圖)。右上及右下圖框顯示該電晶體之轉印及IV曲線。(b)主動EMG/EKG感測器之電路圖及主動感測器(共同源放大器)之頻率回應。(c)使用鉑電阻器及金蛇形線之溫度感測器之顯微鏡影像。右圖框顯示校準曲線，其顯示溫度感測器在不同溫度下之不同電阻。(d)使用傳導PDMS(CPDMS)之應變計之顯微鏡影像。右圖框顯示該應變計之校準曲線。(e)使用正向及反向偏置LED陣列之接近感測器之顯微鏡影像。正向偏置LED陣列輻射光且反向偏置LED陣列偵測來自物項之經反射光。隨著該物項與LED陣列之間的距離減小，反射比增加且因而光電流增加，如右圖框中所示。(f)由無線電力傳輸線圈供電之一單個LED像素。右圖框顯示LED像素之IV曲線。(g) PN二極體之顯微鏡影像(左)及其在射頻範圍中之不同頻率下量測之S21值。(h)電感器與電容器對之顯微鏡影像(左上)。右上圖式顯示在各種RF頻率下電容器之S21值且左下圖式顯示在RF頻率下電感器之S21及S11值。右下圖式顯示不同電容器之所估計振盪頻率。
圖53提供(a)前額上被動電極陣列之未變形(左上)及變形(右上及右下)狀態。左下影像顯示經部分地剝除狀態。(b)Stroop測試之EEG量測結果。當目標字母與被突出字母匹配(全等情形)時，回應速度快於不匹配(不全等情形)情形。(c)張開眼睛及閉上眼睛情形之EEG量測結果。左圖式顯示原始EEG且右圖式顯示在傅立葉變換之後的結果。
圖54提供(a)藉由主動EKG感測器量測之EKG量測結果(左)及單個心跳之放大視圖(右)。(b)藉由主動EMG感測器(左)及藉助傳導膠之習用被動EMG感測器(右)量測之在行走(自0秒至10秒)及站立(自10秒至20秒)期間來自一條右腿之EMG量測結果。(c)(b)之EMG信號之放大視圖。(d)每一電極之對應光譜圖。(e)針對四個不同詞「上」、「下」、「左」及「右」之來自頸部之EMG量測結果。(f)四個詞之對應光譜圖。(g)使用所記錄EMG信號之視頻遊戲控制。
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美國專利申請公開案第US 2003/0149456、US 2006/0173364、US 2007/0043416、US 2008/0157235、US 2010/0002402號。
美國專利第5,678,737、6,666,821號。
國際專利申請公開案第WO 98/49936及WO 2009/114689號。
關於參考文獻之併入及變化形式之聲明
本申請案通篇中之所有所引用參考文獻，舉例而言，包括所頒予或所授予之專利或等效文件、專利申請公開案及非專利文獻或其他來源材料之專利文件，皆彷佛個別以引用方式併入一般將其全文以引用方式併入本文中，其引用程度使每一參考文獻皆至少部分地與此申請案中之揭示內容相一致(舉例而言，將一篇部分地不一致之參考文獻中除該參考文獻中部分地不一致部分以外的部分以引用方式併入)。
本文中所採用之術語及用語係用作說明性而非限制性術語，且並非意欲藉由使用此等術語及用語來排除所顯示及所闡述特徵或其部分之任何等效形式，而是應認識到，在所請求之本發明之範疇內可存在各種修改形式。因此，應理解，雖然已藉由較佳實施例、例示性實施例及可選特徵來特定揭示本發明，但熟習此項技術者亦可採取本文所揭示概念之修改形式及變化形式，且此等修改形式及變化形式仍視為歸屬於由隨附申請專利範圍所界定之本發明之範疇內。本文中所提供之特定實施例係本發明之適用實施例之實例且熟習此項技術者將明瞭，可使用本說明中所列舉之裝置、裝置組件、方法步驟之大量變化形式來實施本發明。如熟習此項技術者將顯而易見，方法及適用於本發明方法之裝置可包括大量可選組成以及處理元件及步驟。
當本文中揭示一替代物群組時，應理解，單獨地揭示該群組之所有個別成員及所有子群組，包括該等群組成員之任何異構體、對映體及非對映體。當本文中使用一Markush群組或其他分組時，意欲將該群組之所有個別成員及該群組之所有可能的組合與子組合個別地包括於本揭示內容中。當本文中闡述一化合物而未(舉例而言)以一式或以一化學名稱明確說明該化合物之一特定異構體、對映體或非對映體時，彼闡述意欲個別地或以任一組合形式包括所闡述化合物之每一異構體及對映體。另外，除非另外明確說明，本文中所揭示之化合物之所有同位素變體意欲由本揭示內容囊括。舉例而言，將理解，可以氘或氘取代所揭示之一分子中之任何一個或多個氫。一分子之同位素變體通常適用作該分子之化驗標準且適用於與該分子及其使用相關之化學及生物研究中。用於製成此等同位素變體之方法在此項技術中係已知。化合物之特定名稱意欲作為例示性，乃因熟習此項技術者可以不同方式命名相同化合物。
必須注意，如本文中所使用且如在隨附申請專利範圍中，除非上下文另外清楚地指示，否則單數形式「一(a)」、「一(an)」及「該(the)」包括複數參考。因此，舉例而言，提及「一胞」包括複數個此等胞及熟習此項技術者已知的其等效形式，等等。此外，術語「一(a)」(或「一(an)」)、「一個或多個(one or more)」及「至少一個(at least one)」可在本文中互換使用。亦應注意，術語「包含(comprising)」、「包括(including)」及「具有(having)」可互換使用。用語「如請求項XX至YY中任一項之(of any of claims XX-YY)」(其中XX及YY係指請求項編號)意欲以替代形式提供一多重附屬請求項，且在某些實施例中可與用語「如請求項XX至YY中任一請求項之(as in any one of claims XX-YY)」互換。
除非另外界定，否則本文中所使用之所有技術及科學術語具有熟習此發明所屬於之技術者普遍理解之相同意義。雖然可在實踐或測試本發明時使用類似於或等效於本文中所闡述之彼等方法及材料之任何方法及材料，但現在闡述較佳方法及材料。本文中沒有什麼內容應解釋為承認本發明沒有資格早於根據先前發明之此類揭示內容。
在本說明書中每當給出一範圍(舉例而言，一溫度範圍、一時間範圍、或一組成或濃度範圍)時，所有中間範圍及子範圍以及包括於所給定範圍中之所有個別值皆意欲包括於本揭示內容中。如本文中所使用，範圍特定包括提供為範圍之端點值之值。舉例而言，1至100之一範圍特定而言包括端點值1及100。將理解，可能自本文中之申請專利範圍中排除本文中之說明中所包括之任何子範圍或一範圍或子範圍中之個別值。
如本文中所使用，「包含(comprising)」與「包括(including)」、「含有(containing)」或「特徵在於(characterized by)」同義，且係包羅性或無限制性的且不排除未提及之額外元件或方法步驟。如本文中所使用，「由...組成(consisting of)」則排除了在技術方案要素中未明確說明之任何元件、步驟或成分。如本文中所使用，「基本上由...組成(consisting essentially of)」則不排除不會顯著影響技術方案之基本及新穎特性之材料或步驟。在本文中之每一例項中，術語「包含(comprising)」、「基本上由...組成(consisting essentially of)」及「由...組成(consisting of)」中之任一者皆可由其他兩種術語取代。可在不存在本文中未特定揭示之任何要素、限制之情形下實踐本文中合適地以說明性方式闡述之發明。
熟習此項技術者將瞭解，無需藉助於過多之實驗即可在本發明之實踐中採用起始材料、生物材料、試劑、合成方法、純化方法、分析方法、化驗方法及除彼等所特定例示者以外之生物方法。本發明意欲包括任何此等材料及方法之所有為業內已知之功能等效材料或方法。已採用之術語及用語係用作說明性而非限制性術語，且並非意欲藉由使用此等術語及用語來排除所顯示及所闡述特徵或其部分之任何等效形式，而是應認識到，在所請求之本發明之範疇內可存在各種修改形式。因此，應理解，雖然已藉由較佳實施例及可選特徵來特定揭示本發明，但熟習此項技術者亦可採取本文中所揭示概念之修改形式及變化形式，且此等修改形式及變化形式仍視為歸屬於由隨附申請專利範圍所界定之本發明之範疇內。
10．．．系統
30．．．引入器殼體裝置
100．．．可構形裝置
110．．．撓性或可拉伸基板
112．．．恆定電流源
114．．．電流鏡
115．．．基板
116．．．多工器
118．．．刺激控制解多工電晶體
120．．．無機半導體電路元件
130．．．障壁層
130a．．．個別層
130b．．．個別層
130c．．．個別層
130d．．．個別層
130e．．．個別層
135．．．外部表面
140．．．電子裝置組件
145．．．列信號
150．．．行放大器(元件)
155．．．控制器
156．．．輸入信號
157．．．輸出信號
160．．．行類比/數位轉換器
170．．．數位緩衝器
180．．．行選擇信號
190．．．整合式微處理器
200．．．控制系統
200'．．．控制系統
300．．．信號分析子系統
310．．．信號產生器
320．．．控制器
330．．．顯示器
335．．．映射影像
335a．．．區
335b．．．區
335c．．．區
339．．．點
340．．．色碼圖
400．．．治療施加子系統
410．．．信號處理器
500．．．可植入電子器件單元
510．．．穿隧引線
520．．．引線
525．．．引線
530．．．起搏電極
535．．．起搏電極
540．．．引線
圖1a、1b、1c、1d及1e提供對應於用於製作一裝置之步驟之示意性圖解及影像。
圖2a及2b提供用於可構形裝置之多工電路之設計；圖2c、2d、2e及2f提供顯示可構形裝置之電性質之資料；圖2g顯示沉沒於鹽溶液中之一可構形裝置之一影像且圖2h顯示鹽浸沒之前及之後的一正弦波回應。
圖3a、3b及3c顯示在活體中之一可構形裝置之照片。圖3c亦提供由一可構形裝置量測之電生理學資料之一空間圖，其顯示一多層裝置幾何形狀之個別層。
圖4a、4b、4c、4d、4e及4f提供由在活體中之一可構形裝置記錄之代表性電生理學資料。
圖5a、5b、5c及5d提供對應於用於製作可構形裝置之步驟之示意性圖解。
圖6提供顯示呈一撓曲組態之一可構形裝置之一放大照片。
圖7顯示一可構形裝置實施例之一單個單元胞之實體佈局。
圖8顯示用於形成圖7之單元胞之處理步驟。
圖9顯示一可構形裝置實施例之一單個單元胞之一光學顯微鏡影像。
圖10a顯示用於將一可構形裝置連線至一外部電路之一流程圖。圖10b及10c顯示一撓性裝置及外部連線組件之照片。
圖11a及11b顯示獲取系統之影像。
圖12提供顯示對多工頻率之一所量測信雜比相依性之資料。
圖13a及13b分別顯示將一可構形裝置纏繞於一曲線表面上之一示意圖及一可構形裝置實施例之一剖視圖。
圖14a及14b分別顯示在4及40 Hz之頻率下浸沒於一鹽溶液中之前及之後可構形裝置上之正弦波量測。
圖15a及15b顯示一動物實驗之影像，其中一可構形裝置係放置於心臟組織之表面上。
圖16顯示圖解說明在一心臟激活循環內量測之電生理學資料之平均振幅之一色彩圖。
圖17a及17b分別顯示不存在及存在外部起搏之等時激活圖。
圖18顯示在一心臟激活循環期間之四個時間點處心臟電生理學量測之代表性電壓資料。
圖19顯示用於經由一40插腳帶狀電纜將一可構形裝置連接至外部電路之一適配器電路板實施例之設計。
圖20顯示一介面電路板實施例之設計。
圖21顯示自一動物實驗獲得之一影像。
圖22顯示來自一未經起搏心臟之一電生理學資料圖影片之一圖框。
圖23顯示來自一經起搏心臟之一電生理學資料圖影片之一圖框。
圖24顯示來自一經起搏心臟之一電生理學資料圖影片之一圖框。
圖25a顯示一單層障壁層實施例之一剖視影像。圖25b顯示一雙層障壁層實施例之一剖視影像。
圖26A提供一適形電子裝置實施例之一剖視圖之一示意性圖解。圖26B提供對具有包含一多層結構之一障壁層之一適形電子裝置之一剖視圖的一示意性圖解。
圖27. μ-ILED陣列之裝置佈局及其對單軸及氣球形二軸拉伸之回應。圖27a，一薄(~400 μm) PDMS基板上具有非共面蛇形橋之一6×6 μ-ILED陣列(100 μm×100 μm，且2.5 μm厚，呈具有~830 μm之一間距之一經互連陣列)之光學影像(左圖框)。一代表性裝置之示意性圖解(右)及對應照片(插圖)，具有囊封。圖27b，一可拉伸6×6 μ-ILED陣列之光學影像，其顯示在不同單軸所施加應變下之均勻發射特性(左上：0%，左下：沿水平方向48%，右上：0%，右下：沿對角方向46%)。圖27c，在b中所示之經施加應變組態中量測之此陣列之電流-電壓(I-V)特性(左)及沿水平方向拉伸至75%之不同循環之20 μA電流下之電壓(右)。圖27d，一薄(~500 μm) PDMS隔膜上呈一扁平組態(頂部)及處於由氣壓引發之一半球狀、氣球狀態(底部)之一可拉伸μ-ILED陣列(6×6)之傾斜(左)視圖光學影像。圖27e，圖27d自頂部之放大視圖。黃色虛線框突出與二軸應變相關聯之尺寸改變。圖27f，處於其扁平及膨脹狀態之陣列之I-V特性。圖27g，藉由3D-FEM確定之子午線及圓周應變之分佈。
圖28. μ-ILED陣列對在尖銳尖部上之扭曲及拉伸之回應。圖28a，一PDMS帶上扭曲至不同角度(自頂部至底部0°(扁平)、360°及720°)之一μ-ILED陣列(3×8)之光學影像，其係在有外部照射(左)及無外部照射(右)之情形下收集。圖28b，當扭曲至360°時該陣列之SEM影像。蛇形互連件移動出該平面(紅色框)以適應所引發之應變。圖28c，扭曲各種量(0(扁平)、360及720°)之陣列之I-V特性。圖28d，對於扭曲至720°藉由3D-FEM確定之軸向(左)、寬度(中心)及剪切(右)應變之分佈。圖28e，緊緊地在一鉛筆之尖銳尖部上拉伸之一μ-ILED陣列(6×6)之光學影像，其係在有外部照射(左)及無外部照射(右)之情形下收集。白色箭頭指示拉伸之方向。圖28f，圖28e中之陣列在變形之前(初始)、期間(變形)及之後(經釋放)的I-V特性。插圖提供在不同數目之變形循環之後量測之產生20 μA之一電流所需要之電壓之一曲線圖。
圖29.　針對各種不尋常基板上之高度有效的區域覆蓋及整合之μ-ILED陣列之多層層壓組態。圖29a，藉由多層層壓形成之一堆疊式裝置之示意性分解視圖圖解。圖29b，具有經設計以最小化互連線與μ-ILED之位置之重疊之層層偏移的四層4×4陣列堆疊的光學影像。該等影像顯示其中不同數目之層在操作中之發射(第一層接通，第一及第二層接通，第一、第二及第三層接通，及第一、第二、第三及第四層接通)。圖29c，兩層8×8陣列堆疊之光學影像，其中不同層在操作中。插圖顯示處於一彎曲狀態(彎曲半徑~2 mm)之裝置，其中兩個層皆接通。圖29d，一紙片上在操作期間處於一摺疊狀態(彎曲半徑~400 μm)之一μ-ILED陣列(8×8)之光學影像。插圖顯示處於其扁平狀態之該裝置。圖29e，一鋁箔片上處於褶皺狀態下之一6×6陣列之影像。插圖顯示處於其扁平狀態之該裝置。圖29f，一導管氣球上處於其膨脹(插圖)及放氣狀態之一6×6陣列之影像。圖29f，一剛性塑膠管(直徑~2.0 mm，左)上具有蛇形互連件之一薄(~8 μm)、窄(820 μm)μ-ILED條帶(1×8)之影像。插圖顯示一單個像素之放大視圖。圖29g，由具有纏繞在一玻璃管(直徑~5.0 mm，右)上之筆直互連件之一經隔離μ-ILED組成之一薄條帶LED裝置。
圖30a，塗佈有一黏合劑之一薄PET膜(50 μm厚)上之一μ-ILED陣列(5×5)之示意性分解視圖圖解。PDMS之頂部及底部上之層提供一柔軟、彈性體囊封，其提供生物相容性及對生物流體及周圍組織之一良好障壁。圖30b，一動物模型之影像，其中在皮膚下及在肌肉組織之頂部植入有此陣列。插圖顯示在植入之前的該裝置。
圖31.　轉印印刷之後一載體玻璃基板上之μ-ILED陣列之磊晶層(a)及製作過程(b)之示意性圖解。
圖32.　(a)塗佈有聚合物層(環氧樹脂/PI/PMMA)之一承載玻璃基板上之一6×6 μ-ILED之示意性圖解(左圖框)及對應顯微鏡(右上圖框)及SEM(右下圖框)影像。(b)藉由一PDMS模板拾取以用於轉印印刷之一6×6 μ-ILED陣列之示意性圖解(左圖框)及對應顯微鏡(右上圖框)及光學(右下圖框)影像。用於選擇性沈積Cr/SiO2(厚度：3 nm/30 nm)之一陰影遮罩覆蓋一柔軟彈性體PDMS模板上之被取回的陣列。(c)至一經施加預應變薄(厚度：~400 μm)PDMS基板之轉印印刷之示意性圖解(左圖框)及一經施加預應變薄PDMS基板上之經轉印μ-ILED陣列之顯微鏡(右上圖框)及SEM(右下圖框)影像。預應變值係~20%。
圖33.　(a)頂部囊封層之示意性圖解，其指示某些關鍵尺寸。(b)一島處之剖面結構之示意性圖解，其中每一層具有相似厚度。插圖對應於在轉印印刷至具有~20%之預應變之一薄PDMS基板之後一μ-ILED陣列之一SEM影像。(c)金屬互連橋處之剖面結構之示意性圖解，其中每一層具有相似厚度。
圖34.　(a)在沿水平方向(紅色箭頭)拉伸之前(左，形成有~20%預應變)及之後(右)毗鄰μ-ILED(黃色虛線框)之傾斜視圖SEM影像。(b)針對對應於(a)中之圖框之情形藉由3D-FEM確定之應變分佈。黑色輪廓指示在使該預應變鬆弛之前裝置及蛇形件之位置。
圖35.　(a)在沿水平方向之外部拉伸之前(左圖框)及之後(右圖框)具有一蛇形橋設計之一μ-ILED陣列中之兩個像素之光學顯微鏡影像。該等上部及下部影像顯示處於發射光關斷(上部)及接通(下部)狀態之光學顯微照片。毗鄰像素之間的距離出現在該等下部影像中且用於計算所施加應變。該等下部影像係在無外部照射之情形下獲得。(b)在沿對角方向之外部拉伸之前(左圖框)及之後(右圖框)一μ-ILED陣列中之兩個像素之光學顯微照片影像。(c)在沿對角方向之外部拉伸下之FEM模擬(左圖框)，及GaAs主動島(右上圖框)及金屬橋(右下圖框)中之應變輪廓。
圖36.　具有一蛇形網狀設計之一6×6 μ-ILED陣列之光學影像，其有與圖27b相同之應變環境下之外部照射。
圖37.　(a)一薄PDMS基板上處於其接通狀態之一8×8 μ-ILED陣列之光學影像，其在與圖27d之左下圖框相同種類之變形條件下。(b)與圖27d相同之陣列處於其「扁平」(左圖框)及「膨脹」狀態(右圖框)之俯視光學影像，其無外部照射。(c)圖27d之右圖框之FEM結果的空間分佈及自方程式(S1)及(S2)計算之分析解。
圖38.　(a)整合於具有詳細尺寸之一薄PDMS基板上之一3×8 μ-ILED陣列之示意性圖解(上部圖框：一PDMS施主基板上之μ-ILED之配準，下部圖框：經印刷3×8 μ-ILED陣列之整體視圖)。頂部之插圖表示一承載玻璃基板上之此μ-ILED陣列在轉印印刷之前的一光學顯微鏡影像。(b)圖28b中之SEM影像之放大視圖。白點矩形突出非共面橋結構。(c)針對每一360°扭曲循環之20 μA電流下之電壓。
圖39.　360°扭曲PDMS基板之軸向(頂部)、寬度(中心)及剪切(底部)應變之FEM應變輪廓。
圖40.　如圖28e中所示之一6×6 μ-ILED陣列之疲勞測試結果。(a)一6×6 μ-ILED陣列之隨變形循環而變之I-V特性之圖式。(b)在多達1000次之變形循環之後量測之產生20 μA之一電流所需要之電壓之圖式。每一變形狀態與圖28e中所示大致相同。
圖41.　(a)堆疊式裝置之示意性圖解，其描述圖29b之狀態。(b)如圖29b中所示之堆疊式裝置之光學影像，其係在無外部照射之情形下收集。
圖42.　(a)如圖29c中所示彎曲至2 mm之一曲率半徑之堆疊式陣列中之兩層系統之應變分佈。黑色虛線矩形展示μ-ILED之位置。(b) μ-ILED島中之GaAs層中之應變分佈。
圖43.　(a)整合於織物上處於其彎曲且接通狀態(彎曲半徑~4.0 mm)之具有蛇形金屬互連件之一6×6 μ-ILED陣列之光學影像。插圖顯示處於其扁平且關斷狀態之該裝置。(b)處於其彎曲狀態之此陣列之I-V特性之圖式。插圖提供在不同數目之彎曲變形循環之後量測之產生20 μA之一電流所需要之電壓之一曲線圖。(c)整合於一落葉上處於其彎曲且接通狀態之具有一人類型樣之一8×8 μ-ILED陣列之光學影像。插圖影像係在有外部照射之情形下收集。(d)處於如圖43c中所示之彎曲狀態之I-V特性之圖式。(e)整合於一紙上處於其摺疊且接通狀態之一μ-ILED陣列之光學影像。(f)與圖29e中所示相同的μ-ILED陣列處於其適度破碎狀態之光學影像。插圖表示處於其接通狀態之毗鄰四個像素之顯微鏡影像。
圖44.　(a)整合於紙上處於其扁平(圖29d插圖)及摺疊(圖29d)狀態之一6×6 μ-ILED陣列之I-V特性之圖式。(b)整合於鋁箔上處於其扁平(圖29e插圖)及破碎(圖29e之中心圖框)狀態之一6×6 μ-ILED陣列之I-V特性之圖式。(c)如圖43e中所示之6×6 μ-ILED陣列之疲勞測試。整合於紙上之一μ-ILED陣列之隨變形循環而變之I-V特性的圖式(左圖框)。在多達1000次之變形循環之後量測之產生20 μA之一電流所需要之電壓之圖式(右圖框)。(d)如圖43f中所示之6×6 μ-ILED陣列之疲勞測試。整合於鋁箔上之一μ-ILED陣列之隨變形循環而變之I-V特性的圖式(左圖框)。在多達1000次之變形循環之後量測之產生20 μA之一電流所需要之電壓之圖式(右圖框)。
圖45.　各種基板(例如，織物(a)、Al箔(b)、紙(c)及落葉(d))在塗佈薄PDMS層之前(左圖框)及之後(右圖框)之SEM影像。
圖46.　如圖30a及30b中所描述之一可植入μ-ILED陣列之囊封之示意性圖解。
圖47.　(a)具有及不具有所施加歐姆接觸之一個別像素之照度(L)-電流(I)-電壓(V)量測之結果。(b)在不同操作時間之後量測之產生20 μA之一電流之所施加電壓。插圖提供在不同操作時間之情形下的I-V特性。
圖48.　(a)用於PDMS膜之膨脹及曬版(printing-down)之分析模型之示意性圖解。(b)膨脹狀態之子午線(左上)及圓周(左下)應變之FEM輪廓及其與自方程式(S1)及(S2)計算之分析解之比較。(c)經印刷狀態之子午線(左上)及周圍(左下)應變之FEM輪廓及其與分析解方程式(S3)及(S4)之比較(右圖框)。
圖49.　一基板上之μ-ILED之剖面之示意性圖解。
圖50提供：(a)轉印印刷至薄、低模數ecoflex上之電極陣列之四個圖框。在皮膚上(左上)，經部分地剝除狀態(右上)，每一頂部圖框之放大視圖(底部)。藍點框對應於底部圖框處之放大影像。ecoflex基板之模數及厚度分別係~50 kPa及~30 um。該電極陣列向下面向皮膚，由皮膚與ecoflex基板夾持。(b)皮膚貼片至皮膚之施加程序之示意性視圖。該電極陣列轉印印刷至ecoflex上，塗佈於PVA膜上，且該PVA膜係水溶及生物相容膜。該經轉印電極陣列定位至皮膚之右邊位置上。可將一些水施加至PVA膜之後側以將其溶解掉。薄的低模數皮膚貼片極好地順從皮膚，就像一紋身。(c)皮膚上之皮膚貼片向四個不同方向之變形影像及其放大視圖。高度順從之皮膚貼片極好地遵循皮膚上之皺紋。(d)轉印印刷於商業臨時紋身之背側處之電極陣列。其被施加至皮膚。替代ecoflex薄膜，可將一臨時紋身用於偽裝或掩蓋之目的。(e)圖解說明本發明之具有一聚醯亞胺囊封障壁層之一皮膚安裝適形裝置之一剖視圖之一示意圖。
圖51提供(a)完全以機械方式最佳化之蛇形電極陣列(左)。右圖框顯示自其計算圖式中之模數之應力-應變關係。經最佳化之設計顯示與赤裸皮膚相當之模數。(b)在張力(左)及壓縮(右)下之松解實驗結果。隨著模數及厚度減小，松解在較大應變下發生。(c)位於豬皮膚上之皮膚電子裝置之剖視影像(X-射線)。
圖52提供(a)蛇形形狀主動EMG/EKG感測器。左上圖框顯示nmos電晶體之源極、汲極及閘極以及矽汲極至閘極回饋電阻器。插圖顯示習用形狀主動EMG/EKG感測器。左下影像顯示蛇形形狀裝置之最終裝置影像及其放大視圖(插圖)。右上及右下圖框顯示該電晶體之轉印及IV曲線。(b)主動EMG/EKG感測器之電路圖及主動感測器(共同源放大器)之頻率回應。(c)使用鉑電阻器及金蛇形線之溫度感測器之顯微鏡影像。右圖框顯示校準曲線，其顯示溫度感測器在不同溫度下之不同電阻。(d)使用傳導PDMS(CPDMS)之應變計之顯微鏡影像。右圖框顯示該應變計之校準曲線。(e)使用正向及反向偏置LED陣列之接近感測器之顯微鏡影像。正向偏置LED陣列輻射光且反向偏置LED陣列偵測來自物項之經反射光。隨著該物項與LED陣列之間的距離減小，反射比增加且因而光電流增加，如右圖框中所示。(f)由無線電力傳輸線圈供電之一單個LED像素。右圖框顯示LED像素之IV曲線。(g) PN二極體之顯微鏡影像(左)及其在射頻範圍中之不同頻率下量測之S21值。(h)電感器與電容器對之顯微鏡影像(左上)。右上圖式顯示在各種RF頻率下電容器之S21值且左下圖式顯示在RF頻率下電感器之S21及S11值。右下圖式顯示不同電容器之所估計振盪頻率。
圖53提供(a)前額上被動電極陣列之未變形(左上)及變形(右上及右下)狀態。左下影像顯示經部分地剝除狀態。(b)Stroop測試之EEG量測結果。當目標字母與被突出字母匹配(全等情形)時，回應速度快於不匹配(不全等情形)情形。(c)張開眼睛及閉上眼睛情形之EEG量測結果。左圖式顯示原始EEG且右圖式顯示在傅立葉變換之後的結果。
圖54提供(a)藉由主動EKG感測器量測之EKG量測結果(左)及單個心跳之放大視圖(右)。(b)藉由主動EMG感測器(左)及藉助傳導膠之習用被動EMG感測器(右)量測之在行走(自0秒至10秒)及站立(自10秒至20秒)期間來自一條右腿之EMG量測結果。(c)(b)之EMG信號之放大視圖。(d)每一電極之對應光譜圖。(e)針對四個不同詞「上」、「下」、「左」及「右」之來自頸部之EMG量測結果。(f)四個詞之對應光譜圖。(g)使用所記錄EMG信號之視頻遊戲控制。
圖55係用於一寬廣範圍之生物感測及治療性治療性應用之一系統之方塊圖。
圖56係繪示可部署至一組織位點之一撓性高密度微陣列裝置之可收合性質之一圖表。
圖57係繪示將該陣列裝置插入至一殼體中供引入至一患者中之一圖表。
圖58係繪示該陣列裝置自一殼體至一組織表面之部署之一圖表。
圖59係部署於心臟之表面上之陣列裝置之一圖表。
圖60及61係顯示該陣列裝置至一可植入電子學單元之連接之圖表。
圖62係顯示該陣列裝置上之元件之一特定實例之一圖表。
圖63係顯示對該陣列裝置上之元件群組之刺激時序方案之實例之一時序圖。
圖64係使用該陣列裝置之一可連續調整刺激過程之一流程圖。
圖65係顯示適合提供對心臟之一部分之機械支援之該陣列裝置之一組態之一圖表。
圖66係顯示以一心臟映射及消融系統組態使用之該陣列裝置之一方塊圖。
圖67A及67B係顯示在一心臟之表面上之該陣列裝置之實際部署之照片的圖表。圖67C係描繪可自圖67A及67B中所示之環境中之陣列裝置獲得之映射資料之一圖表。
圖68圖解說明陣列裝置100之一實例。
圖69係圖解說明單元胞如何連接至其他單元胞以形成一多工信號輸出(舉例而言)以自元件110中經組態以作為一感測器電極操作之一者感測之一示意圖。
圖70類似於圖69，但添加刺激控制能力。在此實例中，提供刺激輸入線STIM0、STIM1等。
圖71圖解說明類似於圖70但使用獨立刺激列選擇信號之一示意圖。
圖72顯示呈一感測組態之一元件110之一實例性電晶體級示意圖。存在一恆定電流源112、一電流鏡114及一多工器116。
圖73顯示根據上文結合圖70所闡述內容具有刺激控制之一元件110之一實例性電晶體級佈局。
圖74顯示根據上文結合圖71所闡述內容具有列獨立可選擇刺激控制之一元件110之一實例性電晶體級佈局。
100．．．可構形裝置
110．．．撓性或可拉伸基板
120．．．無機半導體電路元件
130．．．障壁層
135．．．外部表面
140．．．電子裝置組件
150．．．行放大器(元件)
155．．．控制器
156．．．輸入信號
157．．．輸出信號

Claims (78)

  1. 一種用於與一生物環境中之一組織介接之裝置，該裝置包含：一撓性或可拉伸基板；一撓性或可拉伸電子電路，其包含由該撓性或可拉伸基板支撐之一個或多個無機半導體電路元件；及一障壁層，其囊封該撓性或可拉伸電子電路之至少一部分；其中該障壁層及該撓性或可拉伸基板將來自該撓性或可拉伸電子電路之一淨洩漏電流限制至不有害地影響該組織之一量；且其中該撓性或可拉伸基板、該撓性或可拉伸電子電路及該障壁層提供足夠低而使得該裝置建立與該生物環境中之該組織之適形接觸之該裝置之一淨彎曲勁度；其中該裝置為皮膚安裝式(skin-mounted)，且經介接之該組織為具有一平均模數之皮膚，且該基板、該電子電路及該障壁層具有一模數，該模數與皮膚模數匹配且小於或等於該經介接組織之平均模數之50倍。
  2. 如請求項1之裝置，其中該生物環境係一活體生物環境。
  3. 如請求項1之裝置，其中該生物環境包含一傳導離子溶液。
  4. 如請求項1之裝置，其中該裝置係用於感測或致動該生物環境中之該組織。
  5. 如請求項1之裝置，其中當該裝置經放置而與該生物環境中之該組織實體接觸時，該裝置在原位建立與該組織之適形接觸，且其中在該組織移動時或當該裝置移動時維持與該生物環境中之該組織之該適形接觸。
  6. 如請求項1之裝置，其中該裝置係與該生物環境中之該組織電接觸，其中在該組織移動時或當該裝置移動時維持與該生物環境中之該組織之該電接觸。
  7. 如請求項1之裝置，其中該基板、該電子電路及該障壁層提供小於或等於1×108GPa μm4之該裝置之一淨彎曲勁度。
  8. 如請求項1之裝置，其中該基板、該電子電路及該障壁層提供小於或等於1×10-4Nm之該裝置之一淨撓曲剛度。
  9. 如請求項1之裝置，其中該基板係一撓性基板且該電子電路係一撓性電子電路。
  10. 如請求項1之裝置，其中該基板係一可拉伸基板且該電子電路係一可拉伸電子電路。
  11. 如請求項1之裝置，其中該裝置具有一中性機械平面且該等無機半導體電路元件之至少一部分接近於該中性機械平面而定位。
  12. 如請求項11之裝置，其中該障壁層之一厚度及該撓性或可拉伸基板之一厚度經選擇以便接近於該中性機械平面而定位該等無機半導體電路元件之至少一部分。
  13. 如請求項1之裝置，其中該障壁層在該電子電路之至少一部分上方具有在0.25μm至1000μm之範圍內選擇之一 厚度。
  14. 如請求項1之裝置，其中該障壁層在該電子電路上方具有小於或等於1000μm之一平均厚度。
  15. 如請求項1之裝置，其中該障壁層具有在0.5KPa至10GPa之範圍內選擇之一平均模數。
  16. 如請求項1之裝置，其中該障壁層具有一平均厚度且該撓性或可拉伸基板具有一平均厚度，其中該障壁層之該平均厚度對該撓性或可拉伸基板之該平均厚度之比率係在0.1至10之範圍內選擇。
  17. 如請求項1之裝置，其中該障壁層具有一平均厚度且該撓性或可拉伸基板具有一平均厚度，其中該障壁層之該平均厚度對該撓性或可拉伸基板之該平均厚度之比率係在0.5至2之範圍內選擇。
  18. 如請求項1之裝置，其中該障壁層包含選自由以下各項組成之群組之一材料：聚合物、無機聚合物、有機聚合物、彈性體、生物聚合物、陶瓷及此等之任一組合。
  19. 如請求項1之裝置，其中該障壁層包含彈性體。
  20. 如請求項1之裝置，其中該障壁層包含PDMS、聚醯亞胺、SU-8、聚對二甲苯、聚對二甲苯C、碳化矽(SiC)或Si3N4。
  21. 如請求項1之裝置，其中該障壁層係一生物相容材料或一生物惰性材料。
  22. 如請求項1之裝置，其中該障壁層係一微結構化或奈米結構化層，其具有一個或多個奈米結構化或微結構化開 口、通道、光學透射區、光學不透明區或對一種或多種目標分子係可滲透之選擇性可滲透區。
  23. 如請求項1之裝置，其中該撓性或可拉伸基板具有在0.25μm至1000μm之範圍內選擇之一平均厚度。
  24. 如請求項1之裝置，其中該撓性或可拉伸基板係具有小於或等於100μm之一平均厚度之一撓性薄膜。
  25. 如請求項1之裝置，其中該撓性或可拉伸基板在該電子電路上方具有一實質均勻厚度。
  26. 如請求項1之裝置，其中該撓性或可拉伸基板在該電子電路上方具有沿一個或多個橫向尺寸選擇性變化的一厚度。
  27. 如請求項1之裝置，其中該撓性或可拉伸基板係一撓性或可拉伸網狀結構。
  28. 如請求項1之裝置，其中該撓性或可拉伸基板具有在0.5KPa至10GPa之範圍內選擇之一平均模數。
  29. 如請求項1之裝置，其中該撓性或可拉伸基板包含選自由以下各項組成之群組之材料：聚合物、無機聚合物、有機聚合物、塑膠、彈性體、生物聚合物、熱固性樹脂、橡膠、織物、紙及此等之任一組合。
  30. 如請求項1之裝置，其中該撓性或可拉伸基板包含PDMS、聚對二甲苯或聚醯亞胺。
  31. 如請求項1之裝置，其中該撓性或可拉伸基板係一生物相容材料或一生物惰性材料。
  32. 如請求項1之裝置，其中該撓性或可拉伸電子電路包含 一個或多個撓性或可拉伸無機半導體結構。
  33. 如請求項32之裝置，其中該等撓性或可拉伸無機半導體結構中之每一者包含一單晶無機半導體或一經摻雜單晶無機半導體。
  34. 如請求項32之裝置，其中該等撓性或可拉伸無機半導體結構中之每一者具有小於或等於100微米之一平均厚度。
  35. 如請求項32之裝置，其中該等撓性或可拉伸無機半導體結構中之每一者具有在250奈米至100微米之範圍內選擇之一平均厚度。
  36. 如請求項32之裝置，其中該等撓性或可拉伸無機半導體結構中之每一者具有小於或等於1×10-4Nm之一淨撓曲剛度。
  37. 如請求項32之裝置，其中該等撓性或可拉伸無機半導體結構中之每一者具有小於或等於1×108GPa μm4之一淨彎曲勁度。
  38. 如請求項32之裝置，其中該等撓性或可拉伸無機半導體結構中之每一者獨立地係一撓性或可拉伸半導體奈米帶、半導體隔膜、半導體奈米線或此等之任一組合。
  39. 如請求項32之裝置，其中該撓性或可拉伸電子電路進一步包含一個或多個撓性或可拉伸電介質結構，其中該等撓性或可拉伸無機半導體結構之至少一部分係與該等電介質結構中之一者或多者實體接觸。
  40. 如請求項39之裝置，其中該等撓性或可拉伸電介質結構 中之每一者具有等於或小於100微米之一厚度。
  41. 如請求項32之裝置，其中該撓性或可拉伸電子電路進一步包含一個或多個撓性或可拉伸電極，其中該等撓性或可拉伸無機半導體結構之至少一部分係與該等電極中之一者或多者電接觸。
  42. 如請求項41之裝置，其中該等撓性或可拉伸電極中之每一者具有等於或小於500微米之一厚度。
  43. 如請求項1之裝置，其中該撓性或可拉伸電子電路包含複數個以電子方式互連之島及橋結構。
  44. 如請求項43之裝置，其中該等島結構包含一個或多個半導體電路元件。
  45. 如請求項43之裝置，其中該等橋結構包含一個或多個撓性或可拉伸電互連件。
  46. 如請求項45之裝置，其中該等撓性或可拉伸電互連件之至少一部分具有一蛇形幾何形狀。
  47. 如請求項1之裝置，其中該撓性或可拉伸電子電路選自由以下各項組成之群組：一撓性或可拉伸電晶體、一撓性或可拉伸二極體、一撓性或可拉伸放大器、一撓性或可拉伸多工器、一撓性或可拉伸發光二極體、一撓性或可拉伸雷射器、一撓性或可拉伸光電二極體、一撓性或可拉伸積體電路及此等之任一組合。
  48. 如請求項1之裝置，其中該撓性或可拉伸電子電路進一步包含在空間上配置於該撓性或可拉伸基板上方之複數個感測或致動元件，其中每一感測或致動元件係與該複 數個撓性半導體電路元件中之至少一者電連通。
  49. 如請求項48之裝置，其中當該裝置與該生物環境中之該組織適形接觸時該複數個感測或致動元件中之至少一者與該組織電連通或光學連通。
  50. 如請求項48之裝置，其中該等致動元件包含選自由以下各項組成之群組之電路元件：電極元件、電磁輻射發射元件、加熱元件及此等之任一組合。
  51. 如請求項48之裝置，其中該等感測或致動元件之至少一部分由該障壁層囊封。
  52. 一種用於與一生物環境中之一組織介接之裝置，該裝置包含：一撓性或可拉伸基板；一撓性或可拉伸電子電路，其包含由該撓性或可拉伸基板支撐之一個或多個無機半導體電路元件；及一障壁層，其囊封該撓性或可拉伸電子電路之至少一部分；其中該障壁層經圖案化以便選擇性地調變該撓性或可拉伸電子電路與該生物環境中之該組織之間的實體接觸、熱接觸、光學連通或電連通；且其中該撓性或可拉伸基板、該撓性或可拉伸電子電路及該障壁層提供足夠低而使得該裝置建立與該生物環境中之該組織之適形接觸之該裝置之一淨彎曲勁度；其中該裝置為皮膚安裝式，且經介接之該組織為具有一平均模數之皮膚，且該基板、該電子電路及該障壁層具 有一模數，該模數與皮膚模數匹配且小於或等於該經介接組織之平均模數之50倍。
  53. 一種用於與一生物環境中之一組織介接之裝置，該裝置包含：一撓性或可拉伸基板；一撓性或可拉伸電子電路，其包含由該撓性或可拉伸基板支撐之一個或多個無機半導體電路元件；及一障壁層，其囊封該撓性或可拉伸電子電路之至少一部分；其中該障壁層及該撓性或可拉伸基板將自該撓性或可拉伸電子電路至該生物環境中之該組織之熱量轉移限制至不有害地影響該生物環境中之該組織之一量；且其中該撓性或可拉伸基板、該撓性或可拉伸電子電路及該障壁層提供足夠低而使得該裝置建立與該生物環境中之該組織之適形接觸之該裝置之一淨彎曲勁度；其中該裝置為皮膚安裝式，且經介接之該組織為具有一平均模數之皮膚，且該基板、該電子電路及該障壁層具有一模數，該模數與皮膚模數匹配且小於或等於該經介接組織之平均模數之50倍。
  54. 一種用於與一生物環境中之一組織介接之裝置，該裝置包含：一撓性或可拉伸基板；一撓性或可拉伸電子電路，其包含由該撓性或可拉伸基板支撐之一個或多個無機半導體電路元件；及 一障壁層，其囊封該撓性或可拉伸電子電路之至少一部分；其中該障壁層經圖案化以便提供一個或多個可滲透區，該一個或多個可滲透區對一種或多種目標分子係選擇性可滲透以允許該等目標分子自該生物環境輸送至該撓性或可拉伸電子電路或自該撓性或可拉伸電子電路輸送至該生物環境；且其中該撓性或可拉伸基板、該撓性或可拉伸電子電路及該障壁層提供足夠低而使得該裝置建立與該生物環境中之該組織之適形接觸之該裝置之一淨彎曲勁度；其中該裝置為皮膚安裝式，且經介接之該組織為具有一平均模數之皮膚，且該基板、該電子電路及該障壁層具有一模數，該模數與皮膚模數匹配且小於或等於該經介接組織之平均模數之50倍。
  55. 一種用於與一生物環境中之一組織介接之裝置，該裝置包含：一撓性或可拉伸基板；一撓性或可拉伸電子電路，其包含由該撓性或可拉伸基板支撐之一個或多個無機半導體電路元件；及一障壁層，其囊封該撓性或可拉伸電子電路之至少一部分；其中該障壁層經圖案化以便提供一個或多個不可滲透區，該一個或多個不可滲透區對一種或多種目標分子係不可滲透以防止該等目標分子自該生物環境輸送至該撓 性或可拉伸電子電路或自該撓性或可拉伸電子電路輸送至該生物環境；且其中該撓性或可拉伸基板、該撓性或可拉伸電子電路及該障壁層提供足夠低而使得該裝置建立與該生物環境中之該組織之適形接觸之該裝置之一淨彎曲勁度；其中該裝置為皮膚安裝式，且經介接之該組織為具有一平均模數之皮膚，且該基板、該電子電路及該障壁層具有一模數，該模數與皮膚模數匹配且小於或等於該經介接組織之平均模數之50倍。
  56. 一種用於與一生物環境中之一組織介接之裝置，該裝置包含：一撓性或可拉伸基板；一撓性或可拉伸電子電路，其包含由該撓性或可拉伸基板支撐之一個或多個無機半導體電路元件；及一障壁層，其囊封該撓性或可拉伸電子電路之至少一部分；其中該障壁層經圖案化以提供一個或多個透明區，其中該等透明區透射去往或來自該撓性或可拉伸電子電路的具有一預選定波長分佈之紫外、可見或近紅外電磁輻射或其中該障壁層經圖案化以提供一個或多個不透明區，該一個或多個不透明區實質防止透射去往或來自該撓性或可拉伸電子電路的具有在電磁光譜之紫外、可見或近紅外區中之一預選定波長分佈之電磁輻射；且其中該撓性或可拉伸基板、該撓性或可拉伸電子電路及該障壁層 提供足夠低而使得該裝置建立與該生物環境中之該組織之適形接觸之該裝置之一淨彎曲勁度；其中該裝置為皮膚安裝式，且經介接之該組織為具有一平均模數之皮膚，且該基板、該電子電路及該障壁層具有一模數，該模數與皮膚模數匹配且小於或等於該經介接組織之平均模數之50倍。
  57. 一種用於與一生物環境中之一組織介接之裝置，該裝置包含：一撓性或可拉伸基板；一撓性或可拉伸電子電路，其由該撓性或可拉伸基板支撐，其中該撓性或可拉伸電子電路包含複數個感測器、致動器或以一陣列提供之感測器及致動器兩者以及一個或多個無機半導體電路元件；一控制器，其與該撓性或可拉伸電子電路連通，該控制器經組態以自該撓性或可拉伸電子電路接收輸入信號且將輸出信號提供至該撓性或可拉伸電子電路，其中該控制器接收並分析對應於來自該等感測器之一個或多個量測之輸入信號且產生控制一個或多個感測或致動參數或將該一個或多個感測或致動參數提供至該撓性或可拉伸電子電路的輸出信號；及一障壁層，其囊封該撓性或可拉伸電子電路之至少一部分；其中該撓性或可拉伸基板、該撓性或可拉伸電子電路及該障壁層提供足夠低而使得該裝置建立與該生物環境中 之該組織之適形接觸之該裝置之一淨彎曲勁度；其中該裝置為皮膚安裝式，且經介接之該組織為具有一平均模數之皮膚，且該基板、該電子電路及該障壁層具有一模數，該模數與皮膚模數匹配且小於或等於該經介接組織之平均模數之50倍。
  58. 一種用於自一生物環境中之一組織收集電生理學資料之裝置，該裝置包含：一撓性或可拉伸基板；一撓性或可拉伸電極陣列，其包含一個或多個無機半導體電路元件及經定位而與該等半導體電路元件之至少一部分電連通之複數個電極元件，其中該一個或多個無機半導體電路元件包括多工電路及放大電路，且其中該電極陣列係由該撓性或可拉伸基板支撐；一障壁層，其囊封該撓性或可拉伸電極陣列之至少一部分以將自撓性或可拉伸電極陣列至該組織之一淨洩漏電流限制至不有害地影響該組織之一量；其中該撓性或可拉伸基板、該撓性或可拉伸電極陣列及該障壁層提供足夠低而使得該裝置建立與該生物環境中之該組織之適形接觸之該裝置之一淨彎曲勁度，藉此將該複數個電極元件中之至少一者定位成與該生物環境中之該組織電連通；其中該裝置為皮膚安裝式，且經介接之該組織為具有一平均模數之皮膚，且該基板、該電子電路及該障壁層具有一模數，該模數與皮膚模數匹配且小於或等於該經介 接組織之平均模數之50倍。
  59. 一種用於自一生物環境中之一組織收集電生理學資料之方法，該方法包含以下步驟：提供一可構形電子裝置，其包含：一撓性或可拉伸基板；一撓性或可拉伸電極陣列，其包含一個或多個無機半導體電路元件及經定位而與該等半導體電路元件之至少一部分電連通之複數個電極元件，其中該一個或多個無機半導體電路元件包括多工電路及放大電路，且其中該電極陣列係由該撓性或可拉伸基板支撐；一障壁層，其囊封該撓性或可拉伸電極陣列之至少一部分以將自撓性或可拉伸電極陣列至該組織之一淨洩漏電流限制至不有害地影響該組織之一量；其中該撓性或可拉伸基板、該撓性或可拉伸電子裝置及該障壁層提供足夠低而使得該裝置建立與該生物環境中之該組織之適形接觸之該裝置之一淨彎曲勁度；使該組織與該可構形電子裝置接觸，藉此建立該適形接觸以使得該複數個電極元件之至少一部分經提供而與該生物環境中之該組織電連通；及在該複數個電極元件之至少一部分上量測與該生物環境中之該組織相關聯之電壓；其中該裝置為皮膚安裝式，且經介接之該組織為具有一平均模數之皮膚，且該基板、該電子電路及該障壁層 具有一模數，該模數與皮膚模數匹配且小於或等於該經介接組織之平均模數之50倍。
  60. 如請求項59之方法，其中與該組織相關聯之該等電壓具有對應於該等電極元件之一空間配置之一空間配置。
  61. 一種用於與一生物環境中之一組織介接之裝置，該裝置包含：一撓性或可拉伸基板；一可拉伸或撓性發光二極體陣列，其包含與複數個可拉伸或撓性電互連件電連通之複數個發光二極體，該可拉伸或撓性發光二極體陣列由該撓性或可拉伸基板支撐；一障壁層，其囊封該可拉伸或撓性發光二極體陣列之至少一部分以將自該可拉伸或撓性發光二極體陣列至該組織之一淨洩漏電流限制至不有害地影響該組織之一量；其中該撓性或可拉伸基板、可拉伸或撓性發光二極體陣列及該障壁層提供足夠低而使得該裝置建立與該生物環境中之該組織之適形接觸之該裝置之一淨彎曲勁度；其中該裝置為皮膚安裝式，且經介接之該組織為具有一平均模數之皮膚，且該基板、該可拉伸或撓性發光二極體陣列及該障壁層具有一模數，該模數與皮膚模數匹配且小於或等於該經介接組織之平均模數之50倍。
  62. 一種使一發光二極體陣列與一受實驗者之一組織介接之方法，該方法包含以下步驟： 提供用於與一生物環境中之一組織介接之一可構形裝置，該裝置包含：一撓性或可拉伸基板；一可拉伸或撓性發光二極體陣列，其包含與複數個可拉伸或撓性電互連件電連通之複數個發光二極體，該可拉伸或撓性發光二極體陣列由該撓性或可拉伸基板支撐；一障壁層，其囊封該可拉伸或撓性發光二極體陣列之至少一部分以將自該可拉伸或撓性發光二極體陣列至該組織之一淨洩漏電流限制至不有害地影響該組織之一量；其中該撓性或可拉伸基板、可拉伸或撓性發光二極體陣列及該障壁層提供足夠低而使得該裝置建立與該生物環境中之該組織之適形接觸之該裝置之一淨彎曲勁度；及使該可構形裝置與受實驗者之該組織接觸，藉此建立與該生物環境中之該組織之該適形接觸；其中該裝置為皮膚安裝式，且經介接之該組織為具有一平均模數之皮膚，且該基板、該可拉伸或撓性發光二極體陣列及該障壁層具有一模數，該模數與皮膚模數匹配且小於或等於該經介接組織之平均模數之50倍。
  63. 一種感測或致動一生物環境中之一組織之方法，該方法包含：提供具有該生物環境中之該組織之一受實驗者；提供一可構形裝置，該裝置包含 一撓性或可拉伸基板；一撓性或可拉伸電子電路，其由該撓性或可拉伸基板支撐，其中該撓性或可拉伸電子電路包含複數個感測器、致動器或以一陣列提供之感測器及致動器兩者，其中該等感測器或致動器包含一個或多個無機半導體電路元件；及一障壁層，其囊封該撓性或可拉伸電子電路之至少一部分；其中該障壁層及該撓性或可拉伸基板將來自該撓性或可拉伸電子電路之一淨洩漏電流限制至不有害地影響該組織之一量或該障壁層經圖案化以便選擇性地調變該撓性或可拉伸電子電路與該生物環境中之該組織之間的實體接觸、熱接觸、光學連通或電連通；其中該撓性或可拉伸基板、該撓性或可拉伸電子電路及該障壁層提供足夠低而使得該可構形裝置建立與該生物環境中之該組織之適形接觸之該裝置之一淨彎曲勁度；使該組織與該可構形裝置接觸，藉此建立該適形接觸以使得該複數個感測器、致動器或該陣列之感測器及致動器兩者之至少一部分經提供而與該生物環境中之該組織實體接觸、電連通、光學連通、流體連通或熱連通；及感測或致動與該可構形裝置接觸之該組織；其中該感測或致動與該可構形裝置接觸之該組織之步驟包含自該組織量測一電生理學信號，自該組織量測電 磁輻射之一強度，在該組織處量測一目標分子之濃度之一改變，量測該組織之一加速度，量測該組織之一移動，或量測該組織之一溫度。
  64. 如請求項63之方法，其中該生物環境係一活體生物環境。
  65. 如請求項63之方法，其中該生物環境中之該組織包含心臟組織、腦組織、肌肉組織、皮膚、神經系統組織、脈管組織、上皮組織、視網膜組織、耳鼓膜、瘤組織、消化系統結構或此等之任一組合。
  66. 如請求項63之方法，其中該使該組織與該可構形裝置接觸之步驟建立該可構形裝置之一個或多個接觸表面與該組織之選自10mm2至10,000mm2之範圍之一區域之間的適形接觸。
  67. 如請求項63之方法，其進一步包含沿該生物環境中之該組織之一表面移動該可構形裝置之步驟。
  68. 如請求項63之方法，其中該感測或致動與該可構形裝置接觸之該組織之步驟包含：在該組織之一表面上之複數個不同區處產生一個或多個電壓；在該組織之一表面上之複數個不同區處感測一個或多個電壓；或在該組織之一表面上之複數個不同區處感測一個或多個電壓且在該組織之該表面上之複數個不同區處產生一個或多個電壓。
  69. 如請求項68之方法，其中該等電壓係選自-100V至100V之範圍。
  70. 如請求項63之方法，其中該感測或致動與該可構形裝置接觸之該組織之步驟包含：在該組織之一表面上之複數個不同區處產生一個或多個電流；在該組織之一表面上之複數個不同區處感測一個或多個電流；或在該組織之一表面上之複數個不同區處感測一個或多個電流且在該組織之該表面上之複數個不同區處產生一個或多個電流。
  71. 如請求項63之方法，其中該感測或致動與該可構形裝置接觸之該組織之步驟包含：在該組織之一表面處感測電磁輻射；在該組織之一表面處產生電磁輻射；或在該組織之一表面處感測電磁輻射且在該組織之該表面處產生電磁輻射。
  72. 如請求項63之方法，其中該感測或致動與該可構形裝置接觸之該組織之步驟包含消融該組織之至少一部分。
  73. 如請求項63之方法，其中該感測或致動與該可構形裝置接觸之該組織之步驟包含：將一目標分子自該組織之一表面輸送至該撓性或可拉伸電子電路；將一目標分子自該撓性或可拉伸電子電路輸送至該組 織之一表面；或將一目標分子自該組織之一表面輸送至該撓性或可拉伸電子電路且將一目標分子自該撓性或可拉伸電子電路輸送至該組織之一表面。
  74. 如請求項73之方法，其中該目標分子選自由以下各項組成之群組：多肽、多核苷酸、碳水化合物、蛋白質、類固醇、糖肽、脂質、代謝物及藥物。
  75. 如請求項63之方法，其中該感測或致動與該可構形裝置接觸之該組織之步驟包含：感測或改變該組織之一區之一溫度；感測或改變該組織之一區之一壓力；感測或改變該組織之一位置；在該組織之一區處感測或產生一電場；或在該組織之一區處感測或產生一磁場。
  76. 如請求項63之方法，其進一步包含將一治療劑施用至該受實驗者，其中該治療劑局部化於該組織處，其中該感測或致動與該可構形裝置接觸之該組織之步驟包含激活該組織處之該治療劑。
  77. 如請求項63之方法，其中該裝置為皮膚安裝式，且該組織為具有一平均介接皮膚模數之皮膚，及該基板、該電子電路及該障壁層具有一模數，該模數與介接皮膚模數匹配且小於或等於該平均介接皮膚模數之50倍。
  78. 如請求項63之方法，其中該撓性或可拉伸電子電路包含 用於確定或區別組織性質之複數個感測器及包含用於消融該組織之一個或多個區之一消融源之一個或多個致動器。
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