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可共形于表面的可安裝于附肢的電子器件
閱讀：599發(fā)布：2022-04-16
專(zhuān)利匯可以提供可共形于表面的可安裝于附肢的電子器件專(zhuān)利檢索，專(zhuān)利查詢(xún)，專(zhuān)利分析的服務(wù)。并且公開(kāi)了用于 覆蓋 和共形到附肢表面的可安裝于附肢的 電子 系統(tǒng)和相關(guān)方法。柔性的或可拉伸的襯底具有一個(gè)用于接收附肢(包括具有曲面的附肢)的內(nèi)表面和一個(gè)可由外部表面 接觸 的相對(duì)置的外表面。柔性的或可拉伸的電子器件由襯底內(nèi)表面和/或外表面 支撐 ，取決于感興趣的應(yīng)用。所述電子器件與該襯底結(jié)合提供凈抗彎 剛度 以幫助該內(nèi)表面和該殼體內(nèi)設(shè)置的附肢的表面之間的共形接觸。在一方面，該系統(tǒng)能夠在不對(duì)電子器件功能產(chǎn)生不利影響的情況下翻轉(zhuǎn)表面，諸如包括 傳感器 陣列、 致動(dòng)器 陣列或傳感器和致動(dòng)器二者的陣列的電子器件。，下面是可共形于表面的可安裝于附肢的電子器件專(zhuān)利的具體信息內(nèi)容。
1.一種可安裝于附肢的電子系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：
一個(gè)柔性的或可拉伸的襯底，其具有一個(gè)內(nèi)表面和一個(gè)外表面，其中該內(nèi)表面限定一個(gè)殼體，該殼體能夠接收一個(gè)具有曲面的附肢；以及
一個(gè)柔性的或可拉伸的電子器件，其包括由所述柔性的或可拉伸的襯底的該內(nèi)表面或該外表面支撐的一個(gè)或多個(gè)傳感器、致動(dòng)器或二者；所述傳感器、致動(dòng)器或二者包括一個(gè)或多個(gè)無(wú)機(jī)半導(dǎo)體部件、一個(gè)或多個(gè)金屬部件、或一個(gè)或多個(gè)無(wú)機(jī)半導(dǎo)體部件和一個(gè)或多個(gè)金屬部件；其中至少一部分的所述無(wú)機(jī)半導(dǎo)體部件、金屬部件或二者具有小于或等于500微米的厚度；
其中所述柔性的或可拉伸的襯底和所述電子器件提供該系統(tǒng)的足夠低的凈抗彎剛度，以使得該襯底的該內(nèi)表面能夠與設(shè)置在所述殼體內(nèi)的所述附肢的表面建立共形接觸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述附肢是手、手指、手指尖、顱骨、鼻、耳、牙齒、腳、腳趾、腿、臂、軀干或上述各項(xiàng)的任何部分。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，包括用于覆蓋手的裝有儀器的手套或用于覆蓋手指或手指尖的裝有儀器的手指管。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中該裝有儀器的手套是用于手術(shù)的醫(yī)用手套。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，包括人機(jī)接口系統(tǒng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，包括用于機(jī)器人操縱的器件。
7.根據(jù)權(quán)利要求1到6中的任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中所述柔性的或可拉伸的
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襯底和所述電子器件提供的該系統(tǒng)的所述凈抗彎剛度小于或等于1×10GPa μm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1到6中的任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中該器件的所述凈抗彎剛度足夠低，以使得由該襯底的該內(nèi)表面支撐的所述一個(gè)或多個(gè)傳感器、致動(dòng)器或二者能夠與設(shè)置在所述殼體內(nèi)的所述附肢的所述表面建立共形接觸。
9.根據(jù)權(quán)利要求1到6中的任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中所述柔性的或可拉伸的-4
襯底和所述電子器件提供的該系統(tǒng)的凈抗撓剛性小于或等于1×10 Nm。
10.根據(jù)權(quán)利要求1到6中的任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中該襯底是柔性的襯底且該電子器件是柔性的電子器件。
11.根據(jù)權(quán)利要求1到6中的任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中該襯底是可拉伸的襯底且該電子器件是可拉伸的電子器件。
12.根據(jù)權(quán)利要求1到6中的任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中該系統(tǒng)的特征在于一個(gè)中性機(jī)械平面，且其中至少一部分的所述一個(gè)或多個(gè)無(wú)機(jī)半導(dǎo)體部件、或所述一個(gè)或多個(gè)金屬部件或二者被定位成靠近該中性機(jī)械平面。
13.根據(jù)權(quán)利要求1到6中的任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中所述電子器件包括2個(gè)到1000個(gè)所述一個(gè)或多個(gè)傳感器、致動(dòng)器或二者。
14.根據(jù)權(quán)利要求1到6中的任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中所述電子器件包括至少
3個(gè)不同類(lèi)型的所述一個(gè)或多個(gè)傳感器、致動(dòng)器或二者。
15.根據(jù)權(quán)利要求1到6中的任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中所述一個(gè)或多個(gè)傳感器、致動(dòng)器或二者被設(shè)置在一個(gè)開(kāi)放的網(wǎng)孔幾何結(jié)構(gòu)中。
16.根據(jù)權(quán)利要求1到6中的任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中所述一個(gè)或多個(gè)傳感
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器、致動(dòng)器或二者具有選自0.5cm到100cm 的范圍的覆蓋區(qū)表面面積。
17.根據(jù)權(quán)利要求1到6中的任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中所述電子器件包括選自以下一組的一個(gè)或多個(gè)傳感器：電極、觸覺(jué)傳感器、應(yīng)變計(jì)、電容傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、運(yùn)動(dòng)傳感器、位置傳感器、位移傳感器、加速度傳感器、力傳感器、化學(xué)傳感器、pH傳感器、電容式傳感器、光學(xué)傳感器、光檢測(cè)器、成像系統(tǒng)以及上述各項(xiàng)的任何陣列和組合。
18.根據(jù)權(quán)利要求1到6中的任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中所述電子器件包括選自以下一組的一個(gè)或多個(gè)致動(dòng)器：電觸覺(jué)刺激器、電極、熱源、壓電元件、聲學(xué)元件、RF能量源、磁致動(dòng)器、電磁輻射源、激光器、光源、發(fā)光二極管以及發(fā)光二極管陣列、以及上述各項(xiàng)的任何陣列和組合。
19.根據(jù)權(quán)利要求1到6中的任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中至少一部分的所述傳感器、致動(dòng)器或二者由所述柔性的或可拉伸的襯底的所述內(nèi)表面支撐且至少一部分的所述傳感器、致動(dòng)器或二者由所述柔性的或可拉伸的襯底的所述外表面支撐。
20.根據(jù)權(quán)利要求1到6中的任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中所述柔性的或可拉伸的電子器件包括被設(shè)置成一個(gè)陣列且由所述襯底的所述內(nèi)表面支撐以用于電刺激該殼體中的所述附肢的多個(gè)所述電觸覺(jué)刺激器。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，所述柔性的或可拉伸的電子器件包括所述電觸覺(jué)刺激器的一個(gè)多路復(fù)用陣列。
22.根據(jù)權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其中所述陣列中的所述電觸覺(jué)刺激器通過(guò)一個(gè)蛇形電氣互連線網(wǎng)絡(luò)電氣互連。
23.根據(jù)權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其中所述電觸覺(jué)刺激器中的每一個(gè)包括一個(gè)薄膜金屬結(jié)構(gòu)，該薄膜金屬結(jié)構(gòu)具有由一個(gè)外區(qū)域圍繞的一個(gè)內(nèi)區(qū)域，其中所述內(nèi)區(qū)域和所述外區(qū)域之間設(shè)有一個(gè)間隙。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的系統(tǒng)，其中所述內(nèi)區(qū)域具有選自10μm到1000μm的范圍的橫向尺度，所述外環(huán)具有選自10μm到5000μm的范圍的橫向尺度且其中所述間隙具有選自10μm到1000μm的范圍的橫向尺度。
25.根據(jù)權(quán)利要求23所述的系統(tǒng)，其中每個(gè)所述內(nèi)區(qū)域是導(dǎo)電盤(pán)形電極，所述外區(qū)域是與所述盤(pán)形電極同心定位的導(dǎo)電環(huán)形電極。
26.根據(jù)權(quán)利要求1到6中的任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中所述電子器件包括設(shè)置成一個(gè)陣列且由所述襯底的該外表面、該內(nèi)表面或該外表面和該內(nèi)表面二者支撐的多個(gè)觸覺(jué)傳感器。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的系統(tǒng)，其中該電子器件包括所述觸覺(jué)傳感器的一個(gè)多路復(fù)用陣列。
28.根據(jù)權(quán)利要求26所述的系統(tǒng)，其中所述陣列中的所述觸覺(jué)傳感器通過(guò)一個(gè)蛇形電氣互連線網(wǎng)絡(luò)電氣互連。
29.根據(jù)權(quán)利要求26所述的系統(tǒng)，其中所述觸覺(jué)傳感器中的每個(gè)包括一個(gè)薄膜金屬結(jié)構(gòu)，該薄膜金屬結(jié)構(gòu)具有選自100μm到5000μm的范圍的橫向尺度。
30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的系統(tǒng)，其中所述觸覺(jué)傳感器的所述薄膜金屬結(jié)構(gòu)是導(dǎo)電盤(pán)形電極。
31.根據(jù)權(quán)利要求1到6中的任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中所述電子器件包括由該外表面支撐的一個(gè)或多個(gè)觸覺(jué)傳感器和由所述內(nèi)表面支撐的一個(gè)或多個(gè)電觸覺(jué)刺激器，其中所述一個(gè)或多個(gè)觸覺(jué)傳感器與所述一個(gè)或多個(gè)電觸覺(jué)刺激器電氣通信，使得來(lái)自所述一個(gè)或多個(gè)觸覺(jué)傳感器的輸出被提供至所述一個(gè)或多個(gè)電觸覺(jué)刺激器，從而與該觸覺(jué)傳感器輸出成比例地電刺激所述附肢。
32.根據(jù)權(quán)利要求1到6中的任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中所述電子器件包括多個(gè)電極，每個(gè)電極包括：
一個(gè)內(nèi)盤(pán)，其具有小于1mm的直徑；以及
一個(gè)外環(huán)，其圍繞該內(nèi)盤(pán)，其中該內(nèi)盤(pán)和該外環(huán)相對(duì)于彼此同心地定位，其中該內(nèi)盤(pán)和該外環(huán)之間的間隔距離選自大于或等于100μm且小于或等于500μm的范圍。
33.根據(jù)權(quán)利要求33所述的系統(tǒng)，還包括由所述內(nèi)表面、所述外表面或二者支撐的一個(gè)或多個(gè)附加的電子部件；所述附加的電子部件選自如下一組：傳感器、致動(dòng)器、電源、無(wú)線電源、光伏器件、無(wú)線發(fā)射器、天線、納機(jī)電系統(tǒng)、微機(jī)電系統(tǒng)以及上述各項(xiàng)的陣列和任何組合。
34.根據(jù)權(quán)利要求33所述的系統(tǒng)，其中所述一個(gè)或多個(gè)附加的電子部件包括應(yīng)變計(jì)。
35.根據(jù)權(quán)利要求34所述的系統(tǒng)，其中所述應(yīng)變計(jì)包括一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體納米膜。
36.根據(jù)權(quán)利要求35所述的系統(tǒng)，其中所述半導(dǎo)體納米膜中的每一個(gè)獨(dú)立地具有選自
1μm到10μm的范圍的橫向尺度和選自100nm到100μm的范圍的厚度。
37.根據(jù)權(quán)利要求35所述的系統(tǒng)，其中所述應(yīng)變計(jì)包括多個(gè)至少三個(gè)電氣連接的半導(dǎo)體納米膜。
38.根據(jù)權(quán)利要求35所述的系統(tǒng)，其中所述半導(dǎo)體納米膜通過(guò)一個(gè)蛇形電氣互連線網(wǎng)絡(luò)電氣互連。
39.根據(jù)權(quán)利要求1到6中的任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，包括所述一個(gè)或多個(gè)無(wú)機(jī)半導(dǎo)體部件。
40.根據(jù)權(quán)利要求39所述的系統(tǒng)，其中所述一個(gè)或多個(gè)無(wú)機(jī)半導(dǎo)體部件中的每一個(gè)獨(dú)立地包括多晶半導(dǎo)體材料、單晶半導(dǎo)體材料或摻雜的多晶或單晶半導(dǎo)體材料。
41.根據(jù)權(quán)利要求39所述的系統(tǒng)，其中所述一個(gè)或多個(gè)無(wú)機(jī)半導(dǎo)體部件中的每一個(gè)獨(dú)立地包括單晶半導(dǎo)體材料。
42.根據(jù)權(quán)利要求39所述的系統(tǒng)，其中所述一個(gè)或多個(gè)無(wú)機(jī)半導(dǎo)體部件中的每一個(gè)獨(dú)立地具有小于或等于100μm的厚度。
43.根據(jù)權(quán)利要求39所述的器件，其中該電子器件的所述無(wú)機(jī)半導(dǎo)體部件中的每一個(gè)具有選自50納米到100微米的范圍的厚度。
44.根據(jù)權(quán)利要求39所述的器件，其中該電子器件的所述無(wú)機(jī)半導(dǎo)體部件中的每一個(gè)-4
具有小于或等于1×10 Nm的凈抗撓剛性。
45.根據(jù)權(quán)利要求39所述的器件，其中該電子器件的所述無(wú)機(jī)半導(dǎo)體部件的所述一個(gè)中的每一個(gè)具有選自0.5MPa到10GPa的范圍的楊氏模量。
46.根據(jù)權(quán)利要求39所述的器件，其中該電子器件的所述無(wú)機(jī)半導(dǎo)體部件中的每一個(gè)
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具有小于或等于1×10GPaμm的凈抗彎剛度。
47.根據(jù)權(quán)利要求39所述的系統(tǒng)，其中所述一個(gè)或多個(gè)無(wú)機(jī)半導(dǎo)體部件中的每一個(gè)獨(dú)立地包括一個(gè)半導(dǎo)體納米膜結(jié)構(gòu)。
48.根據(jù)權(quán)利要求47所述的系統(tǒng)，其中該半導(dǎo)體納米膜結(jié)構(gòu)是二極管電子部件。
49.根據(jù)權(quán)利要求1到6中的任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，包括所述一個(gè)或多個(gè)金屬部件。
50.根據(jù)權(quán)利要求49所述的系統(tǒng)，其中所述一個(gè)或多個(gè)金屬導(dǎo)體部件包括設(shè)置成一個(gè)陣列的多個(gè)電極。
51.根據(jù)權(quán)利要求50所述的系統(tǒng)，其中所述陣列中的所述電極中的每一個(gè)獨(dú)立地具有小于或等于100μm的厚度。
52.根據(jù)權(quán)利要求50所述的系統(tǒng)，其中所述電極陣列具有的電極數(shù)量選自10到10000個(gè)電極的范圍。
53.根據(jù)權(quán)利要求50所述的系統(tǒng)，其中所述陣列的所述電極通過(guò)一個(gè)蛇形電氣互連線電氣互連。
54.根據(jù)權(quán)利要求49所述的系統(tǒng)，其中該電子器件的所述一個(gè)或多個(gè)傳感器、致動(dòng)器或二者包括一個(gè)可拉伸的或柔性的電極陣列，該可拉伸的或柔性的電極陣列包括多個(gè)電極、多路復(fù)用電路系統(tǒng)和放大電路系統(tǒng)。
55.根據(jù)權(quán)利要求54所述的系統(tǒng)，其中所述可拉伸的或柔性的電極陣列包括多個(gè)電極單元體。
56.根據(jù)權(quán)利要求55所述的系統(tǒng)，其中所述可拉伸的或柔性的電極陣列包括50個(gè)或更多個(gè)電極單元體。
57.根據(jù)權(quán)利要求55所述的系統(tǒng)，其中該電極陣列的相鄰單元體彼此分開(kāi)的距離小于或等于50μm。
58.根據(jù)權(quán)利要求55所述的系統(tǒng)，其中該電極陣列的所述電極單元體被該柔性的或可
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拉伸的襯底的范圍從10mm到10000mm 的面積所支撐。
59.根據(jù)權(quán)利要求55所述的系統(tǒng)，其中該電極陣列的每個(gè)電極單元體包括接觸墊、放大器和多路復(fù)用器，其中該接觸墊提供到組織的電氣接口且與該放大器和該多路復(fù)用器電氣通信。
60.根據(jù)權(quán)利要求59所述的系統(tǒng)，其中該單元體的該放大器和該多路復(fù)用器包括多個(gè)晶體管。
61.根據(jù)權(quán)利要求49所述的系統(tǒng)，其中所述一個(gè)或多個(gè)金屬導(dǎo)體部件包括多個(gè)可拉伸的電氣互連線。
62.根據(jù)權(quán)利要求61所述的系統(tǒng)，其中所述可拉伸的電氣互連線是至少部分自立的或被設(shè)置成栓系幾何結(jié)構(gòu)。
63.根據(jù)權(quán)利要求61所述的系統(tǒng)，其中所述可拉伸的電氣互連線具有曲線幾何結(jié)構(gòu)。
64.根據(jù)權(quán)利要求61所述的系統(tǒng)，其中所述電氣互連線具有蛇形配置。
65.根據(jù)權(quán)利要求61所述的系統(tǒng)，其中所述可拉伸的電氣互連線電氣連接多個(gè)剛性器件島，所述剛性器件島包括至少一部分的：所述一個(gè)或多個(gè)無(wú)機(jī)半導(dǎo)體部件、一個(gè)或多個(gè)金屬部件、或一個(gè)或多個(gè)無(wú)機(jī)半導(dǎo)體部件和一個(gè)或多個(gè)金屬部件。
66.根據(jù)權(quán)利要求65所述的系統(tǒng)，其中所述剛性器件島的每個(gè)的至少一部分獨(dú)立地包括單晶無(wú)機(jī)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。
67.根據(jù)權(quán)利要求65所述的系統(tǒng)，其中所述剛性器件島的每個(gè)的至少一部分獨(dú)立地包括單晶半導(dǎo)體納米膜。
68.根據(jù)權(quán)利要求65所述的系統(tǒng)，其中所述剛性器件島包括所述一個(gè)或多個(gè)傳感器、致動(dòng)器或二者。
69.根據(jù)權(quán)利要求68所述的系統(tǒng)，其中所述傳感器或致動(dòng)器選自如下一組：電極、觸覺(jué)傳感器、應(yīng)變計(jì)、電容傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、運(yùn)動(dòng)傳感器、位置傳感器、位移傳感器、加速度傳感器、力傳感器、化學(xué)傳感器、pH傳感器、電容式傳感器、光學(xué)傳感器、光檢測(cè)器、成像系統(tǒng)、電觸覺(jué)刺激器、電極、熱源、壓電元件、聲學(xué)元件、RF能量源、磁致動(dòng)器、電磁輻射源、激光器、發(fā)光二極管和發(fā)光二極管陣列以及上述各項(xiàng)的任何陣列和組合。
70.根據(jù)權(quán)利要求1到6中的任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中該柔性的或可拉伸的電子器件的至少一部分由所述柔性的或可拉伸的襯底的該外表面支撐。
71.根據(jù)權(quán)利要求1到6中的任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中該柔性的或可拉伸的電子器件的至少一部分由所述柔性的或可拉伸的襯底的該內(nèi)表面支撐。
72.根據(jù)權(quán)利要求1到6中的任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中該內(nèi)表面和該外表面能夠可互換地翻轉(zhuǎn)，而基本不使由所述柔性的或可拉伸的襯底的該內(nèi)表面或該外表面支撐的所述一個(gè)或多個(gè)傳感器、致動(dòng)器或二者的功能參數(shù)退化。
73.根據(jù)權(quán)利要求1到6中的任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，包括一個(gè)陣列的致動(dòng)器、傳感器或致動(dòng)器和傳感器，其中該陣列能夠在內(nèi)配置和外配置以及外配置和內(nèi)配置之間可互換地翻轉(zhuǎn)，而基本不使所述陣列的致動(dòng)器、傳感器或致動(dòng)器和傳感器的功能參數(shù)退化。
74.根據(jù)權(quán)利要求1到6中的任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中支撐該電子器件的外表面被翻轉(zhuǎn)，使得在翻轉(zhuǎn)之后，由該外表面支撐的功能電子器件是由該內(nèi)表面支撐的功能電子器件。
75.根據(jù)權(quán)利要求74所述的系統(tǒng)，其中該功能電子器件是電觸覺(jué)刺激器陣列，且在從面向外的表面翻轉(zhuǎn)至面向內(nèi)的表面幾何結(jié)構(gòu)之后至少90％的所述電觸覺(jué)刺激器保持功能。
76.根據(jù)權(quán)利要求1到6中的任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中所述柔性的或可拉伸的襯底具有封閉的管幾何結(jié)構(gòu)。
77.根據(jù)權(quán)利要求1到6中的任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中所述殼體具有選自5mm到1000cm的范圍的橫截面尺度。
78.根據(jù)權(quán)利要求1到6中的任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中所述柔性的或可拉伸的襯底是彈性體襯底。
79.根據(jù)權(quán)利要求1到6中的任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中所述柔性的或可拉伸的襯底是聚合物、無(wú)機(jī)聚合物、有機(jī)聚合物、塑料、彈性體、生物聚合物、熱塑物、橡膠或上述這些的任意組合。
80.根據(jù)權(quán)利要求1到6中的任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中所述柔性的或可拉伸的襯底是PDMS、聚對(duì)二甲苯、聚酰亞胺或
81.根據(jù)權(quán)利要求1到6中的任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中所述柔性的或可拉伸的襯底是生物可兼容材料或生物惰性材料。
82.根據(jù)權(quán)利要求1到6中的任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中所述柔性的或可拉伸的襯底具有在0.25μm到10000μm的范圍上選擇的平均厚度。
83.根據(jù)權(quán)利要求1到6中的任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中所述柔性的或可拉伸的襯底具有基本均勻的支撐該電子器件的厚度或具有沿著一個(gè)或多個(gè)橫向尺度選擇性地改變的支撐該電子器件的厚度。
84.根據(jù)權(quán)利要求1到6中的任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中所述柔性的或可拉伸的襯底是柔性的或可拉伸的網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)。
85.根據(jù)權(quán)利要求1到6中的任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中所述柔性的或可拉伸的襯底具有在0.5KPa到10GPa的范圍上選擇的平均楊氏模量。
86.根據(jù)權(quán)利要求1到6中的任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中所述柔性的或可拉伸的襯底由大于或等于500％的斷裂應(yīng)變表征。
87.根據(jù)權(quán)利要求1到6中的任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中還包括至少部分地包封所述功能器件的至少一部分的阻擋層。
88.根據(jù)權(quán)利要求87所述的系統(tǒng)，其中該阻擋層將來(lái)自該電子器件的凈漏電流限制到不對(duì)與所述系統(tǒng)接觸的材料產(chǎn)生不利影響的量，或?qū)?lái)自該電子器件的熱量傳遞限制到不對(duì)與所述系統(tǒng)接觸的材料產(chǎn)生不利影響的量。
89.根據(jù)權(quán)利要求87所述的系統(tǒng)，其中所述阻擋層基本上防止了外部流體流至所述電子器件的至少一部分。
90.根據(jù)權(quán)利要求87所述的系統(tǒng)，所述阻擋層是聚合物、無(wú)機(jī)聚合物、有機(jī)聚合物、塑料、彈性體、生物聚合物、熱塑物、橡膠或上述這些的任意組合。
91.根據(jù)權(quán)利要求87所述的系統(tǒng)，其中所述阻擋層是PDMS、聚對(duì)二甲苯、聚酰亞胺或
92.根據(jù)權(quán)利要求87所述的系統(tǒng)，其中所述阻擋層具有選自1μm到100μm的范圍的平均厚度。
93.根據(jù)權(quán)利要求87所述的系統(tǒng)，其中所述阻擋層具有在0.5KPa到10GPa的范圍上選擇的平均模量。
94.根據(jù)權(quán)利要求87所述的系統(tǒng)，該阻擋層具有平均厚度且該柔性的或可拉伸的襯底具有平均厚度，其中該阻擋層的平均厚度與該柔性的或可拉伸的襯底的平均厚度的比是在
0.01到1的范圍上選擇的。
95.根據(jù)權(quán)利要求87所述的系統(tǒng)，其中所述阻擋層具有網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)。
96.根據(jù)權(quán)利要求1到6中的任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，還包括電氣連接至少一部分的所述一個(gè)或多個(gè)傳感器、致動(dòng)器或二者的一個(gè)或多個(gè)可拉伸的互連線。
97.根據(jù)權(quán)利要求96所述的系統(tǒng)，其中所述一個(gè)或多個(gè)可拉伸的互連線包括設(shè)置成彎曲配置的導(dǎo)電金屬。
98.根據(jù)權(quán)利要求96所述的系統(tǒng)，其中所述一個(gè)或多個(gè)可拉伸的互連線包括設(shè)置成蛇形配置的納米線。
99.根據(jù)權(quán)利要求98所述的系統(tǒng)，其中該納米線具有矩形橫截面，具有選自50nm到
1μm的范圍的厚度且具有選自10μm到1mm的范圍的寬度。
100.根據(jù)權(quán)利要求98所述的系統(tǒng)，其中該蛇形配置由選自100μm到10mm的范圍的平均曲率半徑表征。
101.根據(jù)權(quán)利要求1到6中的任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，包括被布置在至少兩個(gè)互連層中的多個(gè)互連線，其中相鄰的互連層由是電絕緣彈性體層的阻擋層分開(kāi)，以提供緊湊疊加的互連布線。
102.根據(jù)權(quán)利要求101所述的系統(tǒng)，其中所述電子器件包括電氣連接到至少一個(gè)互連線的多個(gè)剛性器件島，其中互連線彎曲配置適應(yīng)來(lái)自該薄的、柔性的或可拉伸的襯底的彎曲和拉伸的應(yīng)力。
103.根據(jù)權(quán)利要求102所述的系統(tǒng)，其中所述彎曲和拉伸應(yīng)力來(lái)自翻轉(zhuǎn)該柔性的或可拉伸的襯底的該內(nèi)表面和該外表面。
104.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，具有一個(gè)中性機(jī)械平面(NMP)，其中該中性機(jī)械平面被定位在如下一個(gè)深度處，該深度對(duì)應(yīng)于應(yīng)變敏感部件的深度。
105.根據(jù)權(quán)利要求1到6中的任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中至少一部分的所述一個(gè)或多個(gè)無(wú)機(jī)半導(dǎo)體部件、所述一個(gè)或多個(gè)金屬部件或二者是可印刷的結(jié)構(gòu)。
106.根據(jù)權(quán)利要求105所述的系統(tǒng)，其中至少一部分的所述一個(gè)或多個(gè)傳感器、致動(dòng)器或二者通過(guò)轉(zhuǎn)移印刷裝配在所述柔性的或可拉伸的襯底上。
107.根據(jù)權(quán)利要求105所述的系統(tǒng)，其中至少一部分的所述一個(gè)或多個(gè)傳感器、致動(dòng)器或二者通過(guò)微轉(zhuǎn)移印刷、干接觸轉(zhuǎn)移印刷、溶液式印刷、軟平版印刷、復(fù)制模制或壓印平版裝配在所述柔性的或可拉伸的襯底上。
108.根據(jù)權(quán)利要求1到6中的任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中該殼體具有用于接收和覆蓋附肢的一個(gè)內(nèi)部體積和至少一個(gè)開(kāi)口。
109.根據(jù)權(quán)利要求1到6中的任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中該殼體具有大于或等
3 3
于1cm且小于或等于10000cm 的內(nèi)部體積。
110.根據(jù)權(quán)利要求1到6中的任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中該殼體具有大體圓柱形形狀或半球形形狀。
111.根據(jù)權(quán)利要求1到6中的任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中該殼體被塑形以接收手、手指、手指尖或上述各項(xiàng)的任何部分。
112.根據(jù)權(quán)利要求1到6中的任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中該殼體具有用于接收附肢的一個(gè)或兩個(gè)進(jìn)入開(kāi)口。
113.根據(jù)權(quán)利要求1到6中的任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中該柔性的或可拉伸的襯底在縱向方向的張力下纏繞在該附肢周?chē)?br/>114.根據(jù)權(quán)利要求1到61中的任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中該柔性的或可拉伸的襯底在圓周方向的張力下卷繞在該附肢上。
115.根據(jù)權(quán)利要求1到6中的任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中該附肢是有生命的動(dòng)物的一部分。
116.根據(jù)權(quán)利要求1到6中的任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中第一電子器件由該內(nèi)表面支撐，而第二電子器件由該第二表面支撐，其中該第一電子器件和該第二電子器件相對(duì)于彼此空間地對(duì)齊和通信，從而形成一個(gè)壓力傳感器，其中該通信由隨著該第一電子器件和該第二電子器件之間的襯底厚度改變的參數(shù)表征。
117.根據(jù)權(quán)利要求1到6中的任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中該殼體的接收尺度小于該附肢的相應(yīng)尺度，其中在使用期間，該柔性的或可拉伸的襯底中的應(yīng)變?cè)龃笤摻邮粘叨纫匀菁{該殼體內(nèi)的該附肢，而不對(duì)該柔性的或可拉伸的電子器件造成不利影響。
118.根據(jù)權(quán)利要求117所述的系統(tǒng)，其中該應(yīng)變生成在該柔性的或可拉伸的襯底與該殼體內(nèi)的該附肢之間的接觸力，以建立和維持由該襯底的內(nèi)表面支撐的該柔性的或可拉伸的電子器件與該附肢的該曲面之間的緊密且共形的接觸。
119.根據(jù)權(quán)利要求118所述的系統(tǒng)，其中該應(yīng)變選自大于或等于1％且小于或等于
100％的范圍。
120.根據(jù)權(quán)利要求1到6中的任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中所述電子器件包括所-2 -2
述傳感器、致動(dòng)器或二者的陣列，該陣列具有選自在約1mm 到1mm 之間的范圍的空間密度。
121.根據(jù)權(quán)利要求1到6中的任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，該系統(tǒng)是多功能的，其中該內(nèi)表面支撐第一陣列的致動(dòng)器，該外表面支撐第二陣列的傳感器。
122.根據(jù)權(quán)利要求121所述的系統(tǒng)，其中該第一陣列包括電觸覺(jué)刺激器，以與有生命的動(dòng)物的與該第一陣列的電子器件共形接觸的皮膚連系，該第二陣列包括觸覺(jué)傳感器，以根據(jù)與外部表面的觸覺(jué)相互作用測(cè)量物理參數(shù)。
123.根據(jù)權(quán)利要求121所述的系統(tǒng)，其中該觸覺(jué)傳感器包括在該內(nèi)表面和該外表面上的相對(duì)置的電極，以測(cè)量所述電極之間的電容，其中該電容隨著所述相對(duì)電極之間所述柔性的或可拉伸的襯底的厚度而改變。
124.根據(jù)權(quán)利要求121所述的系統(tǒng)，其中該第一陣列和該第二陣列彼此電氣通信。
125.根據(jù)權(quán)利要求124所述的系統(tǒng)，其中所述第二陣列的傳感器生成一個(gè)電輸出，該電輸出被輸入到該第一陣列的致動(dòng)器，其中該第一陣列的致動(dòng)器與是使用者的皮膚的附肢表面連系以向該使用者提供關(guān)于該外部表面的信息。
126.一種制造可安裝于附肢的電子系統(tǒng)的方法，所述方法包括步驟：
提供一個(gè)柔性的或可拉伸的襯底，該襯底具有一個(gè)最初面向內(nèi)的表面和一個(gè)最初面向外的表面，該最初面向內(nèi)的表面限定一個(gè)初始?xì)んw；
將一個(gè)包括一個(gè)或多個(gè)傳感器、致動(dòng)器或二者的柔性的或可拉伸的電子器件轉(zhuǎn)移印刷到所述柔性的或可拉伸的襯底的所述最初面向外的表面；所述傳感器、致動(dòng)器或二者包括一個(gè)或多個(gè)無(wú)機(jī)半導(dǎo)體部件、一個(gè)或多個(gè)金屬部件、或一個(gè)或多個(gè)無(wú)機(jī)半導(dǎo)體部件和一個(gè)或多個(gè)金屬部件；其中至少一部分的所述無(wú)機(jī)半導(dǎo)體部件、金屬部件或二者具有小于或等于500微米的厚度；以及
翻轉(zhuǎn)所述柔性的或可拉伸的襯底，使得在翻轉(zhuǎn)之后，該最初面向外的表面變?yōu)殡S后面向內(nèi)的表面，該初始面向內(nèi)的表面變?yōu)殡S后面向外的表面，該隨后面向內(nèi)的表面限定一個(gè)用于接收附肢的最終殼體，從而將所述電子器件設(shè)置在該隨后面向內(nèi)的表面上；
其中在翻轉(zhuǎn)所述柔性的或可拉伸的襯底的步驟之后，所述柔性的或可拉伸的器件保持功能。
127.根據(jù)權(quán)利要求126所述的方法，其中該附肢是手、手指、手指尖、顱骨、牙齒、腳、腳趾、鼻、耳、腿、軀干或上述各項(xiàng)的任意部分。
128.根據(jù)權(quán)利要求126所述的方法，其中該提供該柔性的或可拉伸的襯底的步驟包括：
倚靠該附肢的表面或該附肢的模具澆注彈性體前體；以及
使該彈性體前體固化以獲得具有如下殼體形狀的該柔性的或可拉伸的襯底，該殼體形狀在靜置時(shí)對(duì)應(yīng)于該附肢的形狀。
129.根據(jù)權(quán)利要求126到128中的任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中該轉(zhuǎn)移印刷的步驟包括通過(guò)選自由微轉(zhuǎn)移印刷、干接觸轉(zhuǎn)移印刷、溶液式印刷、軟平版印刷、復(fù)制模制或壓印平版組成的一組的技術(shù)，轉(zhuǎn)移致動(dòng)器、傳感器、或致動(dòng)器和傳感器的陣列。
130.根據(jù)權(quán)利要求126到128中的任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中所述轉(zhuǎn)移印刷的步驟包括將所述致動(dòng)器、傳感器、或致動(dòng)器和傳感器的陣列從彈性體轉(zhuǎn)移印章轉(zhuǎn)移到所述彈性襯底的所述最初外表面。
131.根據(jù)權(quán)利要求130所述的方法，其中所述轉(zhuǎn)移印刷步驟還包括使該彈性體襯底平坦成平坦幾何結(jié)構(gòu)且并將該致動(dòng)器、傳感器、或致動(dòng)器和傳感器的陣列轉(zhuǎn)移到平坦幾何結(jié)構(gòu)的彈性襯底。
132.根據(jù)權(quán)利要求130所述的方法，其中所述轉(zhuǎn)移印刷步驟還包括在曲線幾何結(jié)構(gòu)的所述彈性襯底的該外表面上滾壓該彈性體轉(zhuǎn)移印章。
133.根據(jù)權(quán)利要求126到128中的任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中該最終的殼體具有對(duì)應(yīng)于手指或手指尖表面形狀的內(nèi)表面形狀。
134.根據(jù)權(quán)利要求126到128中的任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，所述系統(tǒng)被納入手套的手指或手指尖中。
135.根據(jù)權(quán)利要求126所述的方法，還包括將一個(gè)或多個(gè)傳感器、致動(dòng)器或二者轉(zhuǎn)移印刷到所述柔性的或可拉伸的襯底的該隨后外表面的步驟，從而將第一傳感器、或致動(dòng)器或二者設(shè)置在該隨后內(nèi)表面上，將第二傳感器、或致動(dòng)器或二者設(shè)置在該隨后外表面上。
136.根據(jù)權(quán)利要求135所述的方法，其中該第一傳感器、或致動(dòng)器或二者包括電觸覺(jué)刺激器陣列，該傳感器、或致動(dòng)器或二者包括觸覺(jué)傳感器陣列。
137.根據(jù)權(quán)利要求136所述的方法，還包括使所述觸覺(jué)傳感器與所述電觸覺(jué)傳感器可通信地連接的步驟，使得通過(guò)來(lái)自所述觸覺(jué)傳感器的輸出控制所述電觸覺(jué)傳感器。
138.根據(jù)權(quán)利要求137所述的方法，其中該電觸覺(jué)傳感器陣列生成電刺激的空間變化模式。
139.一種可安裝于附肢的電子系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：
一個(gè)彈性體襯底，其具有一個(gè)內(nèi)表面和一個(gè)外表面，其中該內(nèi)表面限定一個(gè)殼體，該殼體能夠接收具有曲面的附肢；且該彈性體襯底具有小于10mm的靜置厚度；
第一電子器件，其由該內(nèi)表面支撐；
第二電子器件，其由該外表面支撐，其中該第一電子器件和該第二電子器件相對(duì)于彼此成相對(duì)置的配置且被分開(kāi)相隔該彈性體襯底的厚度以形成一個(gè)壓力傳感器，該壓力傳感器的輸出作為彈性體襯底的厚度的函數(shù)而變化；
該第一電子器件和該第二電子器件中的每一個(gè)包括一個(gè)或多個(gè)無(wú)機(jī)半導(dǎo)體部件、一個(gè)或多個(gè)金屬部件、或一個(gè)或多個(gè)無(wú)機(jī)半導(dǎo)體部件和一個(gè)或多個(gè)金屬部件，具有小于1mm的厚度和小于5mm的橫向尺度。
140.根據(jù)權(quán)利要求139所述的系統(tǒng)，其中該壓力傳感器是一個(gè)電容器，該電容器包括一對(duì)空間對(duì)齊的電極，其中第一電極由該內(nèi)表面支撐，第二電極由該外表面支撐，其中所述一對(duì)電極彼此電氣通信且其之間的電容隨著所述一對(duì)電極之間的彈性體襯底的厚度而改變。
141.根據(jù)權(quán)利要求140所述的系統(tǒng)，包括一個(gè)第一電極陣列和一個(gè)第二電極陣列，其中該第一電極陣列和該第二電極陣列彼此空間對(duì)齊以形成電容器陣列，每個(gè)電容器具有被該彈性體襯底的厚度分開(kāi)的一對(duì)電極，該電容器陣列中的每個(gè)個(gè)體構(gòu)件具有一個(gè)電容，該電容作為該電容器陣列的該個(gè)體構(gòu)件的電極之間的該彈性體襯底的厚度的函數(shù)獨(dú)立地變化。
142.根據(jù)權(quán)利要求141所述的系統(tǒng)，還包括多個(gè)第一電氣互連線以電氣連接該第一電極陣列中的每個(gè)構(gòu)件和多個(gè)第二電氣互連線以電氣連接該第二電極陣列中的每個(gè)構(gòu)件，其中所述電氣互連線是蛇形配置。
143.根據(jù)權(quán)利要求142所述的系統(tǒng)，其中所述多個(gè)第一電氣互連線被由該彈性體襯底內(nèi)表面支撐的第一包封層所包封，所述多個(gè)第二電氣互連線被由該彈性體襯底外層支撐的第二包封層所包封。
144.根據(jù)權(quán)利要求142所述的系統(tǒng)，還包括一個(gè)阻擋層，以使得該多個(gè)第一電氣互連線與該多個(gè)第二電氣互連線電氣隔離。
145.根據(jù)權(quán)利要求140所述的系統(tǒng)，其中向該彈性體襯底施加的壓力減小了所述一對(duì)電極之間的襯底厚度，從而增大了電容。
146.根據(jù)權(quán)利要求139所述的系統(tǒng)，其中該第一電子器件和該第二電子器件彼此熱通信，其中所述電子器件中的一個(gè)是熱源，該電子器件是測(cè)量溫度的熱檢測(cè)器，且該熱源和該熱檢測(cè)器之間的彈性體襯底的厚度的變化改變?cè)摕釞z測(cè)器測(cè)量的溫度。
147.一種制造可安裝于附肢的電子系統(tǒng)的方法，所述方法包括步驟：
提供一個(gè)附肢或其模具，
將一個(gè)包括一個(gè)或多個(gè)傳感器、致動(dòng)器或二者的柔性的或可拉伸的電子器件設(shè)置到該附肢或其模具的表面；所述傳感器、致動(dòng)器或二者包括一個(gè)或多個(gè)無(wú)機(jī)半導(dǎo)體部件、一個(gè)或多個(gè)金屬部件、或一個(gè)或多個(gè)無(wú)機(jī)半導(dǎo)體部件和一個(gè)或多個(gè)金屬部件；其中至少一部分的所述無(wú)機(jī)半導(dǎo)體部件、金屬部件或二者具有小于或等于500微米的厚度；
將預(yù)聚合物引入到由該附肢或其模具的表面支撐的該柔性的或可拉伸的電子器件；以及
使該預(yù)聚合物聚合以形成具有支撐該柔性的或可拉伸的電子器件的內(nèi)表面的柔性的或可拉伸的襯底。
148.根據(jù)權(quán)利要求147所述的方法，還包括將該襯底和該柔性的或可拉伸的電子器件從該附肢或其模具的表面移除的步驟。
149.根據(jù)權(quán)利要求147或148所述的方法，還包括將包括一個(gè)或多個(gè)傳感器、致動(dòng)器或二者的柔性的或可拉伸的電子器件轉(zhuǎn)移印刷到該柔性的或可拉伸的襯底的外表面的步驟；
所述傳感器、致動(dòng)器或二者包括一個(gè)或多個(gè)無(wú)機(jī)半導(dǎo)體部件、一個(gè)或多個(gè)金屬導(dǎo)體部件、或一個(gè)或多個(gè)無(wú)機(jī)半導(dǎo)體部件和一個(gè)或多個(gè)金屬部件；其中至少一部分的所述無(wú)機(jī)半導(dǎo)體部件、金屬部件或二者具有小于或等于500微米的厚度。
可共形于表面的可安裝于附肢的電子器件
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002] 本申請(qǐng)要求享有2013年3月15日提交的第61/794,004號(hào)、2012年4月20日提交的第61/636,527號(hào)以及2012年3月30日提交的第61/618,371號(hào)美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)
的權(quán)益，每個(gè)所述美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)都以不與本發(fā)明沖突的程度以引用的方式整體納入本文。
的權(quán)益，每個(gè)所述美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)都以不與本發(fā)明沖突的程度以引用的方式整體納入本文。
[0004] 本發(fā)明是在美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)授予的CMMI-0328162以及能源部授予的DE-FG02-07ER46471和DE-FG02-07ER46453下由政府支持完成的。美國(guó)政府對(duì)本發(fā)明具有一定權(quán)利。
背景技術(shù)
[0005] 利用到皮膚的接口的生理學(xué)測(cè)量和刺激技術(shù)受到關(guān)注已有多年。盡管在這段時(shí)間取得很大進(jìn)步，但是幾乎所有相關(guān)聯(lián)的器件技術(shù)都繼續(xù)依賴(lài)于概念陳舊的設(shè)計(jì)。代表性地，少量的塊體電極通過(guò)膠帶、機(jī)械夾/機(jī)械綁帶和/或穿刺針安裝在皮膚上，通常通過(guò)導(dǎo)電凝膠介導(dǎo)，具有到容納成組的剛性電路板、電源和通信部件的分立的盒的終端連接。這些系統(tǒng)具有許多重要的能力，但是這些系統(tǒng)對(duì)于研究實(shí)驗(yàn)室或臨床環(huán)境以外的實(shí)際應(yīng)用適應(yīng)不良，這是由于難以建立長(zhǎng)壽命的、堅(jiān)固的、不使皮膚過(guò)敏的電氣接觸以及難以實(shí)現(xiàn)使所具有的總體尺寸、重量和形狀在長(zhǎng)期使用期間不導(dǎo)致不適的集成系統(tǒng)。
[0006] 最近，許多專(zhuān)利和專(zhuān)利公布已經(jīng)公開(kāi)了柔性的、彈性的、且可植入的電極陣列。例如，美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)公布US 2007/0043416公開(kāi)了一種具有多個(gè)保持與目標(biāo)組織接觸的電極的可植入的柔性彈性支撐件。類(lèi)似地，國(guó)際專(zhuān)利申請(qǐng)公布WO 98/49936公開(kāi)了一種用于感測(cè)與切開(kāi)心臟組織相關(guān)聯(lián)的(映射的)信號(hào)的彈性電極陣列。美國(guó)專(zhuān)利5,678,737公開(kāi)了用于通過(guò)電勢(shì)分布數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)顯示來(lái)顯示心外膜表面和心內(nèi)膜表面的三維模型的電生理學(xué)映射系統(tǒng)。
[0007] 美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)公布US 2003/0149456公開(kāi)了一種多電極心臟導(dǎo)線適配器，其包含允許通過(guò)常規(guī)單引線心臟起搏脈沖發(fā)生器控制的多路復(fù)用電路。類(lèi)似地，美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)公布US 2006/0173364公開(kāi)了一種利用搭建在常規(guī)集成電路上的數(shù)字多路復(fù)用電路的多通道電生理學(xué)采集系統(tǒng)。美國(guó)專(zhuān)利6,666,821號(hào)公開(kāi)了一種可植入的傳感器陣列系統(tǒng)，該可植入的傳感器陣列系統(tǒng)具有相關(guān)聯(lián)的保護(hù)構(gòu)件，該保護(hù)構(gòu)件防止傳感器與周?chē)h(huán)境相互作用直到該保護(hù)構(gòu)件被禁用為止。
[0008] 國(guó)際申請(qǐng)公布WO 2009/114689和美國(guó)專(zhuān)利公布NO.2013/0041235均公開(kāi)了用于記錄和調(diào)節(jié)生理活動(dòng)的柔性的且可縮放的傳感器陣列，上述國(guó)際申請(qǐng)公布和美國(guó)專(zhuān)利公布均以整體引用的方式單獨(dú)地納入本文。美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)公布第US 2008/0157235號(hào)、第US2008/0108171號(hào)、第US 2010/0002402號(hào)和2009年7月7日授權(quán)的美國(guó)專(zhuān)利7,557,367公開(kāi)了多層可拉伸的、可折疊的且可印刷的半導(dǎo)體器件，上述美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)公布和美國(guó)專(zhuān)利中的每個(gè)都以整體引用的方式納入本文。
[0009] 本領(lǐng)域存在對(duì)在能夠適應(yīng)任何類(lèi)型的曲面(包括高度復(fù)雜形狀，諸如與移動(dòng)的手指相關(guān)的那些形狀)的表面上的高保形度的、堅(jiān)固的且可靠的電子器件的需要。使電子器件以與這樣的復(fù)雜表面形狀相互作用的一個(gè)困難是難于將電子器件可靠地設(shè)置在相應(yīng)復(fù)雜表面形狀中以便在大接觸面積上實(shí)現(xiàn)電子器件和復(fù)雜表面形狀之間的良好相互作用。在本文中提供多種器件和方法來(lái)解決該方面。
發(fā)明內(nèi)容
[0010] 本文中提供的器件和方法涉及可以與柔性表面結(jié)合以允許與一定范圍的表面和表面形狀(包括形狀可以隨時(shí)間變化的形狀高度不規(guī)則的表面)電氣連系的超薄柔性且可拉伸的電子器件。在一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明是一種具有被成形以覆蓋和共形至曲面的殼體(enclosure)的電子器件，所述曲面包括具有復(fù)雜形狀的全三維變化表面(其中至少一個(gè)表面面對(duì)另一個(gè)表面)，諸如人的附肢(appendage)，該附肢移動(dòng)并且形狀隨著移動(dòng)變化。替代地，該附肢可以是無(wú)生命的儀器或無(wú)生命的物體(諸如，遠(yuǎn)程感測(cè)器件或機(jī)器人儀器)的一部分。
[0011] 在一方面，本發(fā)明提供了一種可安裝于附肢的電子系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：(i)柔性的或可拉伸的襯底，其具有一個(gè)內(nèi)表面和一個(gè)外表面，其中該內(nèi)表面限定一個(gè)殼體，該殼體能夠接收具有曲面的附肢；以及(ii)柔性的或可拉伸的電子器件，其包括由該柔性的或可拉伸的襯底的內(nèi)表面或外表面支撐的一個(gè)或多個(gè)傳感器、致動(dòng)器或二者；所述傳感器、致動(dòng)器或二者包括一個(gè)或多個(gè)無(wú)機(jī)半導(dǎo)體部件、一個(gè)或多個(gè)金屬部件、或一個(gè)或多個(gè)無(wú)機(jī)半導(dǎo)體部件和一個(gè)或多個(gè)金屬部件；其中至少一部分的所述無(wú)機(jī)半導(dǎo)體部件、金屬部件或二者具有小于或等于500微米的厚度；其中該柔性的或可拉伸的襯底和該電子器件提供該系統(tǒng)的凈抗彎剛度(net bending stiffness)，該凈抗彎剛度足夠低使得該襯底的內(nèi)表面能夠與設(shè)置在該殼體內(nèi)的附肢的表面建立共形接觸。在一個(gè)實(shí)施方案中，該附肢例如是手、手指、手指尖、顱骨、腳、腳趾、腿、軀干，或上述這些的任何部分。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，本發(fā)明的系統(tǒng)包括用于覆蓋手的裝有儀器的手套或用于覆蓋手指或手指尖的裝有儀器的手指管，諸如，用于手術(shù)的醫(yī)用手套。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，本發(fā)明的系統(tǒng)包括人機(jī)接口系統(tǒng)。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，本發(fā)明的系統(tǒng)包括用于機(jī)器人操縱的器件。
[0012] 在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，該柔性的或可拉伸的襯底和該電子器件提供該系統(tǒng)的8 4
小于或等于1×10GPaμm的凈抗彎剛度。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，該器件的凈抗彎剛度足夠低使得由該襯底的內(nèi)表面支撐的一個(gè)或多個(gè)傳感器、致動(dòng)器或二者能夠與設(shè)置在殼體內(nèi)的附肢的表面建立共形接觸。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，該柔性的或可拉伸的襯底和該電-4
子器件提供該系統(tǒng)的小于或等于1×10 Nm的凈抗撓剛性(net flexural rigidity)。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，該襯底是柔性的襯底且該電子器件是柔性的電子器件。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，該襯底是可拉伸的襯底且該器件是可拉伸的電子器件。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，該系統(tǒng)由一個(gè)中性(neutral)機(jī)械平面表征且其中至少一部分的所述一個(gè)或多個(gè)無(wú)機(jī)半導(dǎo)體部件、或所述一個(gè)或多個(gè)金屬部件或二者被定位成靠近該中性機(jī)械平面。在一個(gè)實(shí)施方案中，應(yīng)變敏感材料(其包括具有對(duì)施加的應(yīng)變最敏感的機(jī)械屬性的材料)被定位成與該中性機(jī)械平面重合或替代地靠近該中性機(jī)械平面。
小于或等于1×10GPaμm的凈抗彎剛度。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，該器件的凈抗彎剛度足夠低使得由該襯底的內(nèi)表面支撐的一個(gè)或多個(gè)傳感器、致動(dòng)器或二者能夠與設(shè)置在殼體內(nèi)的附肢的表面建立共形接觸。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，該柔性的或可拉伸的襯底和該電-4
子器件提供該系統(tǒng)的小于或等于1×10 Nm的凈抗撓剛性(net flexural rigidity)。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，該襯底是柔性的襯底且該電子器件是柔性的電子器件。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，該襯底是可拉伸的襯底且該器件是可拉伸的電子器件。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，該系統(tǒng)由一個(gè)中性(neutral)機(jī)械平面表征且其中至少一部分的所述一個(gè)或多個(gè)無(wú)機(jī)半導(dǎo)體部件、或所述一個(gè)或多個(gè)金屬部件或二者被定位成靠近該中性機(jī)械平面。在一個(gè)實(shí)施方案中，應(yīng)變敏感材料(其包括具有對(duì)施加的應(yīng)變最敏感的機(jī)械屬性的材料)被定位成與該中性機(jī)械平面重合或替代地靠近該中性機(jī)械平面。
[0013] 本文中提供的系統(tǒng)中的任一個(gè)可以具有約2個(gè)到約1000個(gè)傳感器、致動(dòng)器或二者。在一個(gè)實(shí)施方案中，該電子器件包括至少3個(gè)不同類(lèi)型的傳感器、致動(dòng)器或二者。在一方面，所述一個(gè)或多個(gè)傳感器、致動(dòng)器或二者被設(shè)置成開(kāi)放的網(wǎng)孔幾何結(jié)構(gòu)。
[0014] 可選地以所述一個(gè)或多個(gè)傳感器、致動(dòng)器或二者的覆蓋區(qū)(footprint)表面面積2 2
描述所述系統(tǒng)中的任一個(gè)。在一個(gè)實(shí)施方案中，該覆蓋區(qū)表面面積選自0.5cm到100cm 的范圍。在一方面，該覆蓋區(qū)表面面積對(duì)應(yīng)于傳感器陣列、致動(dòng)器陣列或傳感器和致動(dòng)器二者的陣列，其中個(gè)體傳感器或致動(dòng)器具有相對(duì)小的個(gè)體覆蓋區(qū)，但是該陣列的構(gòu)件被散布以提供期望的覆蓋區(qū)(包括更大面積的覆蓋區(qū))。因此，根據(jù)感興趣的應(yīng)用(諸如相連系的附肢的表面面積)，相應(yīng)地選擇覆蓋區(qū)面積。以此方式，手指尖附肢系統(tǒng)可以具有的覆蓋區(qū)表
2 2
面面積在0.5cm到約2cm 內(nèi)，然而對(duì)于臂、腿或頭，覆蓋區(qū)表面面積可以期望地更大，諸如
2 2
10cm到100cm 。
描述所述系統(tǒng)中的任一個(gè)。在一個(gè)實(shí)施方案中，該覆蓋區(qū)表面面積選自0.5cm到100cm 的范圍。在一方面，該覆蓋區(qū)表面面積對(duì)應(yīng)于傳感器陣列、致動(dòng)器陣列或傳感器和致動(dòng)器二者的陣列，其中個(gè)體傳感器或致動(dòng)器具有相對(duì)小的個(gè)體覆蓋區(qū)，但是該陣列的構(gòu)件被散布以提供期望的覆蓋區(qū)(包括更大面積的覆蓋區(qū))。因此，根據(jù)感興趣的應(yīng)用(諸如相連系的附肢的表面面積)，相應(yīng)地選擇覆蓋區(qū)面積。以此方式，手指尖附肢系統(tǒng)可以具有的覆蓋區(qū)表
2 2
面面積在0.5cm到約2cm 內(nèi)，然而對(duì)于臂、腿或頭，覆蓋區(qū)表面面積可以期望地更大，諸如
2 2
10cm到100cm 。
[0015] 根據(jù)感興趣的應(yīng)用，本文中提供的系統(tǒng)可與大范圍的傳感器兼容。實(shí)施例包括選自以下一組的一個(gè)或多個(gè)傳感器：電極、觸覺(jué)傳感器、應(yīng)變計(jì)、電容傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、運(yùn)動(dòng)傳感器、位置傳感器、位移傳感器、加速度傳感器、力傳感器、化學(xué)傳感器、pH傳感器、電容式傳感器、光學(xué)傳感器、光檢測(cè)器、水合傳感器、成像系統(tǒng)以及上述各項(xiàng)的任何陣列和組合。
[0016] 根據(jù)感興趣的應(yīng)用，本文中提供的系統(tǒng)可與大范圍的致動(dòng)器兼容。實(shí)施例包括選自以下一組的一個(gè)或多個(gè)致動(dòng)器：電觸覺(jué)刺激器、電極、熱源(熱致動(dòng)器)、壓電元件、聲學(xué)元件、RF能量源、磁致動(dòng)器、電磁輻射源、激光器、光源、發(fā)光二極管以及發(fā)光二極管陣列，以及上述各項(xiàng)的任何陣列和組合組成。
[0017] 在一個(gè)實(shí)施方案中，至少一部分的傳感器、致動(dòng)器或二者由所述柔性的或可拉伸的襯底的內(nèi)表面支撐，且至少一部分的傳感器、致動(dòng)器或二者由柔性的或可拉伸的襯底的外表面支撐。在一個(gè)實(shí)施方案中，電子器件可以由兩個(gè)表面支撐，諸如壓力傳感器，該壓力傳感器在內(nèi)部表面和外部表面上具有彼此通信的、對(duì)齊的且成對(duì)的電子器件以提供隨著電子表面之間的間隔距離而改變的輸出，諸如，通過(guò)施加改變彈性體襯底的厚度的壓力。以此方式，所述器件可以是提供電容測(cè)量的電極、提供溫度測(cè)量的熱源和傳感器、提供光屬性(諸如光強(qiáng)度)測(cè)量的光源和光學(xué)檢測(cè)器。這些系統(tǒng)的共同方面是器件的輸出取決于所述器件之間的襯底厚度，襯底厚度進(jìn)而取決于施加的壓力或力。以此方式，該系統(tǒng)提供了用于通過(guò)外部表面進(jìn)行壓力或力測(cè)量的獨(dú)特平臺(tái)。
[0018] 在一個(gè)實(shí)施方案中，該電子器件包括被設(shè)置成一個(gè)陣列且由所述襯底的表面支撐的用于電刺激殼體中的附肢的多個(gè)電觸覺(jué)刺激器。在一方面，功能電子器件包括所述電觸覺(jué)刺激器的多路復(fù)用陣列。在一方面，該陣列的電觸覺(jué)刺激器通過(guò)蛇形(serpentine)電氣互連線網(wǎng)絡(luò)電氣互連。
[0019] 在一方面，本文中提供的電觸覺(jué)刺激器中的任一個(gè)包括薄膜金屬結(jié)構(gòu)，該薄膜金屬結(jié)構(gòu)具有由外區(qū)域圍繞的內(nèi)區(qū)域，其中一個(gè)間隙被設(shè)置在該內(nèi)區(qū)域和該外區(qū)域之間?？蛇x地以它們的尺度描述這樣的區(qū)域。實(shí)施例包括具有選自10μm到1000μm的范圍的橫向尺度的內(nèi)區(qū)域，具有選自10μm到5000μm的范圍的橫向尺度的外環(huán)和具有選自10μm到1000μm的范圍的橫向尺度的間隙。
[0020] 在一個(gè)實(shí)施方案中，該內(nèi)區(qū)域是導(dǎo)電盤(pán)形電極，該外區(qū)域是與所述盤(pán)形電極同心定位的導(dǎo)電環(huán)形電極。
[0021] 在一個(gè)實(shí)施方案中，該電子器件包括設(shè)置成一個(gè)陣列且由襯底的外表面、內(nèi)表面或外表面和內(nèi)表面支撐的多個(gè)觸覺(jué)傳感器。在一方面，該電子器件包括觸覺(jué)傳感器的多路復(fù)用陣列。對(duì)齊的卻在相對(duì)置的彈性體襯底表面上的成對(duì)電子器件提供一種用于測(cè)量由本文中提供的系統(tǒng)中的任一個(gè)施加的壓力或力或?qū)Ρ疚闹刑峁┑南到y(tǒng)中的任一個(gè)施加的壓力或力的方式。
[0022] 在一個(gè)實(shí)施方案中，該陣列的觸覺(jué)傳感器通過(guò)蛇形電氣互連線網(wǎng)絡(luò)以獨(dú)立地連接的方式電氣互連。
[0023] 在一方面，所述觸覺(jué)傳感器中的每個(gè)包括橫向尺度在選自100μm到5000μm的范圍的薄膜金屬結(jié)構(gòu)。在一個(gè)實(shí)施例中，所述觸覺(jué)傳感器的薄膜金屬結(jié)構(gòu)是導(dǎo)電盤(pán)形電極。
[0024] 在另一個(gè)實(shí)施方案中，該電子器件包括由外表面支撐的一個(gè)或多個(gè)觸覺(jué)傳感器和由內(nèi)表面支撐的一個(gè)或多個(gè)電觸覺(jué)刺激器，其中一個(gè)或多個(gè)觸覺(jué)傳感器與一個(gè)或多個(gè)電觸覺(jué)刺激器電氣通信，使得來(lái)自所述一個(gè)或多個(gè)觸覺(jué)傳感器的輸出被提供到所述一個(gè)或多個(gè)電觸覺(jué)刺激器，從而與該觸覺(jué)傳感器輸出成比例地電刺激附肢。在一方面，內(nèi)表面陣列和外表面陣列在空間上對(duì)齊?！霸诳臻g上對(duì)齊”指來(lái)自傳感器陣列的在空間上變化的輸出，其中傳感器輸出的幅度隨著傳感器的位置變化，且對(duì)附肢的對(duì)應(yīng)刺激根據(jù)來(lái)自所述傳感器的在空間上變化的輸出對(duì)應(yīng)地在空間上變化。
[0025] 在一方面，電子器件包括多個(gè)電極，每個(gè)電極包括具有小于1mm的直徑的內(nèi)盤(pán)；以及圍繞該內(nèi)盤(pán)的外環(huán)，其中該內(nèi)盤(pán)和外環(huán)相對(duì)于彼此同心地定位，其中該內(nèi)盤(pán)和外環(huán)之間的間隔距離選自大于或等于100μm且小于或等于500μm的范圍。
[0026] 如所期望的，所述系統(tǒng)中的任一個(gè)可選地還包括由內(nèi)表面、外表面或二者支撐的一個(gè)或多個(gè)附加的電子部件；所述附加的電子部件選自如下一組：傳感器、致動(dòng)器、電源、無(wú)線電源、光伏器件、無(wú)線發(fā)射器、天線、納機(jī)電系統(tǒng)、微機(jī)電系統(tǒng)以及上述各項(xiàng)的陣列和任何組合。在一方面，所述一個(gè)或多個(gè)附加的電子部件包括應(yīng)變計(jì)，諸如包括一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體納米膜的應(yīng)變計(jì)。
[0027] 在一個(gè)實(shí)施方案中，每個(gè)半導(dǎo)體納米膜獨(dú)立地具有選自1μm到10μm的范圍的橫向尺度和選自100nm到100μm的范圍的厚度。
[0028] 在一方面，該應(yīng)變計(jì)包括多個(gè)至少三個(gè)電氣連接的半導(dǎo)體納米膜。
[0029] 在一方面，該半導(dǎo)體納米膜通過(guò)蛇形電氣互連線網(wǎng)絡(luò)電氣互連。
[0030] 在一個(gè)實(shí)施方案中，本文中提供的系統(tǒng)中的任一個(gè)包括一個(gè)或多個(gè)無(wú)機(jī)半導(dǎo)體部件，諸如所述一個(gè)或多個(gè)無(wú)機(jī)半導(dǎo)體部件中的每個(gè)獨(dú)立地包括多晶半導(dǎo)體材料、單晶半導(dǎo)體材料或摻雜的多晶或單晶半導(dǎo)體材料。
[0031] 在一方面，所述一個(gè)或多個(gè)無(wú)機(jī)半導(dǎo)體部件中的每個(gè)獨(dú)立地包括單晶半導(dǎo)體材料。在一方面，所述一個(gè)或多個(gè)無(wú)機(jī)半導(dǎo)體部件中的每個(gè)獨(dú)立地具有小于或等于100μm的厚度。在一方面，該電子器件的無(wú)機(jī)半導(dǎo)體部件中的每個(gè)具有選自50納米到100微米的范-4圍的厚度。在一方面，該電子器件的無(wú)機(jī)半導(dǎo)體部件中的每個(gè)具有小于或等于1×10 Nm的
8 4
凈抗撓剛性、選自0.5MPa到10GPa的范圍的楊氏模量、小于或等于1×10GPa μm的凈抗彎剛度。
8 4
凈抗撓剛性、選自0.5MPa到10GPa的范圍的楊氏模量、小于或等于1×10GPa μm的凈抗彎剛度。
[0032] 在一個(gè)實(shí)施方案中，所述一個(gè)或多個(gè)無(wú)機(jī)半導(dǎo)體部件中的每個(gè)獨(dú)立地包括一個(gè)半導(dǎo)體納米膜結(jié)構(gòu)，諸如是二極管電子部件的納米膜結(jié)構(gòu)。
[0033] 在另一方面，本文中提供的系統(tǒng)中的任一個(gè)包括一個(gè)或多個(gè)金屬部件。在一方面，所述一個(gè)或多個(gè)金屬導(dǎo)體部件包括設(shè)置成一個(gè)陣列的多個(gè)電極。
[0034] 在一個(gè)實(shí)施方案中，以厚度描述本文中提供的金屬電極中的任一個(gè)(諸如在一個(gè)陣列中)。在一方面，陣列中的電極獨(dú)立地具有小于或等于100μm的厚度或選自50納米到100微米的范圍的厚度。在一個(gè)實(shí)施方案中，一個(gè)電極陣列中的電極的數(shù)量選自10到10,000之間。
[0035] 在一方面，該陣列的電極通過(guò)蛇形電氣互連線電氣互連。
[0036] 在一個(gè)實(shí)施方案中，本文中提供的系統(tǒng)中的任一個(gè)具有所述一個(gè)或多個(gè)傳感器、致動(dòng)器或兩種所述電子器件的系統(tǒng)包括可拉伸的或柔性的電極陣列，該可拉伸的或柔性的電極陣列包括多個(gè)電極、多路復(fù)用電路系統(tǒng)和放大電路系統(tǒng)。在一方面，該可拉伸的或柔性的電極陣列包括多個(gè)電極單元體(unit cell)，諸如50個(gè)或更多個(gè)電極單元體?？蛇x地，以間隔距離進(jìn)一步描述電極陣列的相鄰的電極單元體，諸如相鄰單元體彼此間隔的距離小于或等于50μm或在500nm與50μm之間的范圍。在一個(gè)實(shí)施方案中，該電極陣列的電極單2 2
元體由面積范圍從10mm到10000mm 的柔性的或可拉伸的襯底支撐。
元體由面積范圍從10mm到10000mm 的柔性的或可拉伸的襯底支撐。
[0037] 在一方面中，該電極陣列的每個(gè)電極單元體包括接觸墊、放大器和多路復(fù)用器，其中該接觸墊提供到組織的電氣接口且與該放大器和多路復(fù)用器電氣通信。在一個(gè)實(shí)施方案中，該單元體的放大器和多路復(fù)用器包括多個(gè)晶體管。
[0038] 本文中的一個(gè)或多個(gè)金屬導(dǎo)體部件中的任一個(gè)包括多個(gè)可拉伸的電氣互連線?？蛇x地，所述可拉伸的電氣互連線是至少部分地自立的(free-standing)或被設(shè)置成栓系(tethered)幾何結(jié)構(gòu)?？蛇x地，所述可拉伸的電氣互連線具有曲線的幾何結(jié)構(gòu)?？蛇x地，所述電氣互連線具有蛇形配置?？蛇x地，所述可拉伸的電氣互連線電氣連接剛性器件島，該剛性器件島包括至少一部分的：一個(gè)或多個(gè)無(wú)機(jī)半導(dǎo)體部件、一個(gè)或多個(gè)金屬部件、或一個(gè)或多個(gè)無(wú)機(jī)半導(dǎo)體部件和一個(gè)或多個(gè)金屬部件。
[0039] 在一方面，所述剛性器件島的至少一部分每個(gè)獨(dú)立地包括單晶無(wú)機(jī)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)或單晶半導(dǎo)體納米膜。
[0040] 在一方面，所述剛性器件島包括所述一個(gè)或多個(gè)傳感器、致動(dòng)器或二者，諸如選自以下一組的傳感器或制動(dòng)器：電極、觸覺(jué)傳感器、應(yīng)變計(jì)、電容傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、運(yùn)動(dòng)傳感器、位置傳感器、位移傳感器、加速度傳感器、力傳感器、化學(xué)傳感器、pH傳感器、電容式傳感器、光學(xué)傳感器、光檢測(cè)器、成像系統(tǒng)、電觸覺(jué)刺激器、電極、熱源、壓電元件、聲學(xué)元件、RF能量源、磁致動(dòng)器、電磁輻射源、激光器、發(fā)光二極管和發(fā)光二極管陣列以及上述各項(xiàng)的任何陣列和組合。
[0041] 本文中提供的系統(tǒng)中的任一個(gè)可以使得該柔性的或可拉伸的電子器件的至少一部分由該柔性的或可拉伸的襯底的外表面支撐、由其內(nèi)表面支撐、或由兩個(gè)表面支撐。在一方面，在不使由該柔性的或可拉伸的襯底的內(nèi)表面或外表面支撐的一個(gè)或多個(gè)傳感器、致動(dòng)器或二者的功能參數(shù)大幅退化的情況下，該內(nèi)表面和外表面是可互換地翻轉(zhuǎn)的。
[0042] 例如，一種包括致動(dòng)器陣列、傳感器陣列或致動(dòng)器和傳感器的陣列的系統(tǒng)在內(nèi)配置、外配置以及外配置和內(nèi)配置之間可互換地翻轉(zhuǎn)，而不使該致動(dòng)器陣列、傳感器陣列或致動(dòng)器和傳感器的陣列的功能參數(shù)大幅退化。在一方面，該翻轉(zhuǎn)便于在原本不可利用常規(guī)印刷技術(shù)或不適合于常規(guī)印刷技術(shù)的內(nèi)表面上布置電子器件。在一個(gè)實(shí)施方案中，支撐電子器件的外表面被翻轉(zhuǎn)，使得在翻轉(zhuǎn)之后，由該外表面支撐的功能電子器件成為由內(nèi)表面支撐的功能電子器件。在一個(gè)實(shí)施方案中，該功能電子器件是電觸覺(jué)刺激器陣列，且在從面向外的表面翻轉(zhuǎn)到面向內(nèi)的表面幾何結(jié)構(gòu)之后，至少90％的所述電觸覺(jué)刺激器保持了功能。
[0043] 在一方面，該柔性的或可拉伸的襯底具有閉合的管幾何結(jié)構(gòu)。在一個(gè)實(shí)施方案中，該閉合的管幾何結(jié)構(gòu)具有一個(gè)進(jìn)入開(kāi)口或兩個(gè)進(jìn)入開(kāi)口。
[0044] 在一方面，該殼體具有選自5mm到1000cm的范圍的橫截面尺度。根據(jù)感興趣的應(yīng)用，適當(dāng)?shù)剡x擇該橫截面尺度。例如，手指尖電子器件可以具有比軀干或頭電子器件系統(tǒng)更小的橫截面尺度，軀干或頭電子器件系統(tǒng)可以小于與其連接的遠(yuǎn)程感測(cè)車(chē)輛或儀器表面。
[0045] 在一個(gè)實(shí)施方案中，本文中提供的柔性的或可拉伸的襯底中的任一個(gè)是彈性體襯底。
[0046] 在一方面，該柔性的或可拉伸的襯底是聚合物、無(wú)機(jī)聚合物、有機(jī)聚合物、塑料、彈性體、生物聚合物、熱固物、橡膠或它們的任意組合。在一方面，該柔性的或可拉伸的襯底是PDMS、聚對(duì)二甲苯、聚酰亞胺或(聚)硅氧烷諸如 (Smooth-On,Inc.)(聚)硅氧烷。在一方面，該柔性的或可拉伸的襯底是生物可兼容的材料或生物惰性材料。
[0047] 在一個(gè)實(shí)施方案中，該柔性的或可拉伸的襯底的平均厚度選自0.25μm到10000μm(包括其任意子組合，諸如在約1μm和5mm之間，或約1μm)的范圍。
[0048] 在一方面，該柔性的或可拉伸的襯底具有基本上均勻的、支撐電子器件的厚度或具有沿著一個(gè)或多個(gè)橫向尺度選擇性地改變的支撐電子器件的厚度。在此上下文中，“基本上均勻”指靜置的襯底的厚度的變化小于約10％、小于約5％或小于約1％。替代地，基本上均勻可以指接收了殼體中的附肢的襯底的厚度的變化小于約10％、小于約5％或小于約1％?？蛇x地，基本上均勻指統(tǒng)計(jì)參數(shù)，諸如，在襯底的所選擇的部分上或在整個(gè)襯底表面面積上，平均厚度的平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差或標(biāo)準(zhǔn)誤差約在該平均厚度的約10％、5％或1％以?xún)?nèi)。
[0049] 在一個(gè)實(shí)施方案中，該柔性的或可拉伸的襯底是柔性的或可拉伸的網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)。在一個(gè)實(shí)施方案中，該電子器件的至少一部分具有網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)。網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)的實(shí)施例包括開(kāi)放的網(wǎng)孔幾何結(jié)構(gòu)，其中相關(guān)的大部分是開(kāi)放空間或空隙，諸如用于縱向?qū)R的互連線,這些互連線可以是彎曲的但具有總體對(duì)齊方向。類(lèi)似地，可以提供縱向布置的襯底帶，諸如以向該系統(tǒng)安裝到的附肢提供附加的透氣性。替代地，該襯底可以具有穿孔或通道。根據(jù)感興趣的應(yīng)用，可以以與限定在周界的襯底覆蓋區(qū)相比的開(kāi)放空間相對(duì)量限定此網(wǎng)孔方面，諸如在約10％到90％之間以及其任何子范圍，諸如在20％到80％之間、30％到70％之間。
[0050] 在一方面，該柔性的或可拉伸的襯底具有在0.5KPa到10GPa的范圍上選擇的平均楊氏模量和/或大于或等于500％(諸如在約500％和900％之間)的斷裂應(yīng)變。
[0051] 本文中提供的系統(tǒng)中的任一個(gè)還可以包括至少部分地包封功能器件的至少一部分的阻擋層。例如，該阻擋層可以將來(lái)自電子器件的凈漏電流限制到不會(huì)對(duì)與該系統(tǒng)接觸的材料產(chǎn)生不利影響的量或?qū)?lái)自電子器件的熱量傳遞限制到不會(huì)對(duì)與該系統(tǒng)接觸的材料產(chǎn)生不利影響的量。這在可能受電泄漏或熱泄漏不利影響的生物系統(tǒng)(諸如，覆蓋殼體內(nèi)的附肢的生物組織)的情況下可能是特別有益的。
[0052] 該阻擋層也可以基本上防止外部流體流到電子器件的至少一部分。這對(duì)于保持電子器件功能、堅(jiān)固性以及長(zhǎng)期佩戴特性可以是有益的。
[0053] 在一個(gè)實(shí)施方案中，該阻擋層是聚合物、無(wú)機(jī)聚合物、有機(jī)聚合物、塑料、彈性體、生物聚合物、熱固物、橡膠或它們的任意組合。在一個(gè)實(shí)施方案中，該阻擋層是PDMS、聚對(duì)二甲苯、聚酰亞胺或 在一個(gè)實(shí)施方案中，該阻擋層包括一種對(duì)應(yīng)于柔性的或可拉伸的襯底的成分。
[0054] 在一方面，該阻擋層具有選自1μm到100μm的范圍的平均厚度、在0.5KPa到10GPa的范圍上選擇的平均模量。可選地，以阻擋層的平均厚度對(duì)柔性的或可拉伸的襯底的平均厚度的比(諸如，在0.01到1的范圍上選擇的比)描述該阻擋層。根據(jù)具體應(yīng)用，根據(jù)需要定位阻擋層。位置的實(shí)施例包括在原本鄰近的器件層之間和/或在器件層和周?chē)h(huán)境(諸如，附肢、空氣或外部表面)之間。在一方面，該阻擋層具有網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)。
[0055] 在一個(gè)實(shí)施方案中，該系統(tǒng)還包括電氣連接至少一部分的所述一個(gè)或多個(gè)傳感器、致動(dòng)器或二者的一個(gè)或多個(gè)可拉伸的互連線。這樣的可拉伸的互連線可以被配置以賦予該系統(tǒng)可拉伸性和/或柔性。所述一個(gè)或多個(gè)可拉伸的互連線中的任一個(gè)包括被設(shè)置成彎曲配置的導(dǎo)電金屬。
[0056] 彎曲配置被廣泛地使用且可以包括蛇形配置的納米線。該納米線可以具有矩形橫截面，其具有選自50nm到1μm的范圍的厚度且具有選自10μm到1mm的范圍的寬度。該蛇形配置可以相對(duì)于由互連線端之間的直線限定的平均縱向方向曲折走向經(jīng)歷多個(gè)方向變化。在一方面，該蛇形配置由選自100μm到10mm的范圍的平均曲率半徑表征。
[0057] 在一方面，該系統(tǒng)包括被布置在至少兩個(gè)互連層中的多個(gè)互連線，其中相鄰的互連層由阻擋層分開(kāi)，該阻擋層是電絕緣彈性體層。此配置便于緊湊、疊加的互連布線。在一方面中，所述電子器件包括電氣連接到至少一個(gè)互連線的剛性器件島，其中該互連線的彎曲配置適應(yīng)來(lái)自薄彈性體襯底的彎曲和拉伸的應(yīng)力。在一方面，該彎曲和拉伸應(yīng)力來(lái)自將柔性的或可拉伸的襯底的內(nèi)表面和外表面翻轉(zhuǎn)。
[0058] 在一方面，該系統(tǒng)具有中性機(jī)械平面(NMP)，其被定位在一個(gè)深度處，該深度對(duì)應(yīng)于應(yīng)變敏感部件的深度。例如，該中性機(jī)械平面可以沿著一個(gè)由應(yīng)變敏感部件(諸如，該應(yīng)變敏感部件是半導(dǎo)體或金屬材料)限定的表面延伸或沿著一個(gè)在應(yīng)變敏感部件內(nèi)的表面延伸?？蛇x地，中性機(jī)械平面定位是通過(guò)提供襯底或阻擋層，包括通過(guò)改變這些層的厚度。
[0059] 在一方面，至少一部分的所述一個(gè)或多個(gè)無(wú)機(jī)半導(dǎo)體部件、一個(gè)或多個(gè)金屬部件或二者是可印刷的結(jié)構(gòu)。在一個(gè)實(shí)施方案中，至少一部分的所述一個(gè)或多個(gè)傳感器、致動(dòng)器或二者通過(guò)轉(zhuǎn)移印刷裝配在所述柔性的或可拉伸的襯底上。在一個(gè)實(shí)施方案中，至少一部分的所述一個(gè)或多個(gè)傳感器、致動(dòng)器或二者通過(guò)微轉(zhuǎn)移印刷、干接觸轉(zhuǎn)移印刷、溶液式印刷、軟平版印刷、復(fù)制模制或壓印平版裝配在所述柔性的或可拉伸的襯底上。
[0060] 在一個(gè)實(shí)施方案中，該殼體具有用于接收和覆蓋附肢的內(nèi)部體積和至少一個(gè)開(kāi)3 3
口。在一個(gè)實(shí)施方案中，該殼體內(nèi)部體積大于或等于1cm且小于或等于10000cm 。
口。在一個(gè)實(shí)施方案中，該殼體內(nèi)部體積大于或等于1cm且小于或等于10000cm 。
[0061] 在一方面，該殼體具有一個(gè)形狀，諸如基本上圓柱形形狀或半球形形狀。在一方面，該殼體被塑形以接收手、手指、手指尖或上述各項(xiàng)的任何部分。
[0062] 在一個(gè)實(shí)施方案中，該殼體具有用于接收附肢的一個(gè)或兩個(gè)進(jìn)入開(kāi)口，諸如一個(gè)開(kāi)口用于接收是手指或頭部分的附肢，或兩個(gè)開(kāi)口用于接收臂、腿或軀干，其中該附肢的一部分延伸通過(guò)該殼體的第一和第二進(jìn)入開(kāi)口。
[0063] 在一方面，該柔性的或可拉伸的襯底在縱向方向的張力下纏繞在附肢周?chē)蛟趫A周方向的張力下卷繞在該附肢上。
[0064] 在一個(gè)實(shí)施方案中，該附肢是有生命的動(dòng)物的一部分，諸如手指、臂、腿、頭、軀干或上述各項(xiàng)的任意部分。
[0065] 在一方面，本文中提供的系統(tǒng)中的任一個(gè)涉及由相對(duì)置的表面(諸如內(nèi)表面和外表面)支撐的第一電子器件和第二電子器件，其中所述器件彼此通信。根據(jù)器件的類(lèi)型，該通信由隨著所述器件之間的襯底厚度改變的參數(shù)(諸如，電參數(shù)(電容)或熱(溫度))表征。優(yōu)選地，該襯底是彈性體。以此方式，提供壓力傳感器，其中該通信參數(shù)取決于襯底厚度，襯底厚度進(jìn)而取決于施加在襯底上的作用力或壓力。
[0066] 在一方面，該殼體具有小于相應(yīng)的附肢尺度的接收尺度，其中在使用期間，柔性的或可拉伸的襯底中的應(yīng)變?cè)趯?duì)該柔性的或可拉伸的電子器件產(chǎn)生不利影響的情況下增大該接收尺度以容納殼體內(nèi)的附肢。在一個(gè)實(shí)施方案中，該應(yīng)變?cè)趶椥泽w襯底和殼體內(nèi)的附肢之間產(chǎn)生接觸力以建立和維持由該襯底內(nèi)表面支撐的柔性的或可拉伸的電子器件與該附肢的表面之間的緊密且共形的接觸。在一方面，該應(yīng)變選自大于或等于1％且小于或等于100％的范圍。
[0067] 在一個(gè)實(shí)施方案中，在空間密度(諸如，選自在約1mm-2到1mm-2之間的范圍的空間密度)方面描述傳感器的、致動(dòng)器的或二者的陣列。
[0068] 在一方面，所述系統(tǒng)中的任一個(gè)是多功能的，其中內(nèi)表面支撐第一陣列的致動(dòng)器或傳感器，而外表面支撐第二陣列的傳感器或致動(dòng)器。在一個(gè)實(shí)施方案中，該第一陣列包括電觸覺(jué)刺激器，從而與有生命的動(dòng)物的與該第一陣列的電子器件共形接觸的皮膚連系，而該第二陣列包括觸覺(jué)傳感器，以根據(jù)與外部表面的觸覺(jué)相互作用測(cè)量物理參數(shù)。在一方面，該觸覺(jué)傳感器包括在內(nèi)表面和外表面上的相對(duì)置的電極，以測(cè)量所述電極之間的電容，其中該電容隨著所述相對(duì)置的電極之間的襯底厚度而改變。
[0069] 在一方面，該內(nèi)表面支撐第一電子器件，而該外表面支撐第二電子器件，其中所述電子器件是相對(duì)置的配置且彼此通信，其中所述電子器件形成例如壓力傳感器。在一方面，該通信是電氣通信(電容)，其中電氣屬性隨著相對(duì)置的第一電子器件和第二電子器件之間的襯底厚度而改變。在一方面，所述器件處于熱通信，其中熱屬性隨著相對(duì)置的電子器件之間的襯底厚度而變化。在一方面，所述器件是處于機(jī)械通信(壓力或力)。
[0070] 在一個(gè)實(shí)施方案中，該第一電子器件和該第二電子器件彼此處于熱通信。例如，一個(gè)電子器件可以是加熱器，而第二電子器件可以是熱傳感器，其中該加熱器被放置在內(nèi)表面或外表面上，而該熱傳感器在相對(duì)置的表面上，其中該加熱器可以維持其支撐表面上的恒定溫度。以此方式，該加熱器和傳感器之間的熱通信被用來(lái)估算倚靠襯底施加的壓力或力，其中該襯底的厚度根據(jù)倚靠該襯底施加的壓力或力的幅度改變。通常，隨著施加的壓力越高，襯底厚度減小，從而增加了從該加熱器到該傳感器的熱傳導(dǎo)，該熱傳導(dǎo)是通過(guò)由熱傳感器檢測(cè)的溫度的增加檢測(cè)的。在一方面，該加熱器是電阻式加熱器，該電阻式加熱器的溫度隨著電流增加而增加，諸如通過(guò)連接到加熱墊的導(dǎo)電線。在一方面，其中附肢是有生命的組織，優(yōu)選地該加熱器被放置在外表面上以避免對(duì)有生命的組織的不希望的加熱。因此，該熱傳感器可以與內(nèi)表面上的加熱器對(duì)齊。在一方面，可以通過(guò)使用非成對(duì)的熱傳感器調(diào)整環(huán)境溫度中的波動(dòng)來(lái)校準(zhǔn)該系統(tǒng)。替代地，該通信可以可選地是光源和光學(xué)檢測(cè)器之間的光學(xué)通信，其中光傳輸作為源和檢測(cè)器之間的襯底厚度的函數(shù)而改變。
[0071] 在一方面，傳感器被設(shè)置在本文中描述的系統(tǒng)中的任一個(gè)的內(nèi)表面上。該傳感器或多個(gè)傳感器可以是一個(gè)或多個(gè)熱傳感器、水合傳感器或另一個(gè)檢測(cè)感興趣的生物參數(shù)(例如，pH、增氧水平等)的傳感器，所述熱傳感器測(cè)量身體溫度包括作為對(duì)體核溫度的測(cè)量，所述水合傳感器測(cè)量水合水平包括作為對(duì)整個(gè)身體水合的測(cè)量。這樣的測(cè)量在提供關(guān)于有害事件(諸如，中暑或脫水)的潛在風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)警中是有用的。
[0072] 在一個(gè)實(shí)施方案中，第一電子器件和第二電子器件彼此電氣通信，其中襯底厚度的變化使所述電子器件之間的電容或電阻變化。以此方式，通過(guò)測(cè)量?jī)?nèi)表面和外表面上的一對(duì)對(duì)齊的電極之間的電容來(lái)確定壓力或力。在一方面，第二傳感器陣列生成電輸出，該電輸出被輸入到第一致動(dòng)器陣列，其中該第一致動(dòng)器陣列與是使用者的皮膚的附肢表面連系以向該使用者提供關(guān)于外部表面的信息。在此情況下，“信息”指由傳感器檢測(cè)的屬性，且因此，可以是物理屬性(諸如，由表面接觸生成的接觸力或壓力)或外部表面固有的屬性(諸如，溫度、pH、水合或化學(xué)材料或生物材料的存在)。
[0073] 可安裝于附肢的電子系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例包括：(i)彈性體襯底，其具有一個(gè)內(nèi)表面和一個(gè)外表面，其中該內(nèi)表面限定一個(gè)殼體，該殼體能夠接收具有曲面的附肢；(ii)第一電子器件，該第一電子器件由該內(nèi)表面支撐；(iii)第二電子器件，該第二電子器件由該外襯底支撐，其中該第一電子器件和該第二電子器件相對(duì)于彼此處于相對(duì)置的配置且被分開(kāi)相隔該彈性體襯底的厚度以形成功能壓力傳感器，該功能壓力傳感器的輸出作為彈性體襯底厚度的函數(shù)而改變；其中該第一電子器件和該第二電子器件中的每個(gè)可以包括具有小于1mm的厚度和小于5mm的橫向尺度的薄導(dǎo)電材料，且該彈性體襯底具有小于10mm的靜置厚度以用于一個(gè)輸出，當(dāng)一個(gè)電極被供電時(shí)該輸出是電容。
[0074] 在另一個(gè)實(shí)施方案中，該可安裝于附肢的電子系統(tǒng)包括：彈性體襯底，其具有一個(gè)內(nèi)表面和一個(gè)外表面，其中該內(nèi)表面限定一個(gè)殼體，該殼體能夠接收具有曲面的附肢，且該彈性體襯底具有小于10mm的靜置厚度；第一電子器件，該第一電子器件由該內(nèi)表面支撐；第二電子器件，該第二電子器件由該外襯底支撐，其中該第一和第二電子器件相對(duì)于彼此處于相對(duì)置的配置且被分開(kāi)相隔該彈性體襯底的厚度以形成一個(gè)壓力傳感器，該壓力傳感器的輸出作為彈性體襯底厚度的函數(shù)而改變；該第一電子器件和該第二電子器件中的每個(gè)包括一個(gè)或多個(gè)無(wú)機(jī)半導(dǎo)體部件、一個(gè)或多個(gè)金屬部件、或一個(gè)或多個(gè)無(wú)機(jī)半導(dǎo)體部件和一個(gè)或多個(gè)金屬部件，具有小于1mm的厚度和小于5mm的橫向尺度。
[0075] 在一方面，該系統(tǒng)還包括多個(gè)第一電氣互連線以電氣連接第一電極陣列的每個(gè)構(gòu)件，且該系統(tǒng)還包括多個(gè)第二電氣互連線以電氣連接第二電極陣列的每個(gè)構(gòu)件，其中所述電氣互連線是蛇形配置。所述電氣互連線可以由包封層獨(dú)立地包封。阻擋層可以使該多個(gè)第一電氣互連線與該多個(gè)第二電氣互連線電氣隔離。向該彈性體襯底施加的壓力使成對(duì)的電極之間的襯底厚度減小，從而使電容增加。另一個(gè)實(shí)施例是第一電子器件和第二電子器件彼此熱通信，其中所述電子器件中的一個(gè)是熱源，而該電子器件是測(cè)量溫度的熱檢測(cè)器，且該熱源和該熱檢測(cè)器之間的彈性體襯底厚度的變化使由該熱檢測(cè)器檢測(cè)到的溫度變化。
[0076] 本文中討論的系統(tǒng)還被稱(chēng)作“可安裝于附肢的電子系統(tǒng)”或“附肢共形系統(tǒng)”，且可以包括具有一個(gè)內(nèi)表面和一個(gè)外表面的薄的、柔性的和/或可拉伸的襯底。該襯底的內(nèi)表面限定一個(gè)殼體，該殼體用于接收曲面(例如，附肢表面)，諸如通過(guò)覆蓋和共形地接觸與該殼體內(nèi)的附肢相關(guān)聯(lián)的表面?？蛇x地，在厚度方面描述該襯底，諸如，小于10mm的厚度，小于1mm的厚度，小于500μm的厚度或在大于或等于100μm且小于或等于1mm的范圍上選擇的厚度?？梢曰谶\(yùn)行條件和相關(guān)應(yīng)用選擇厚度。例如，在具有大量表面磨損的應(yīng)用中，該襯底可以相應(yīng)更厚和/或具有更高耐久性特性。功能電子器件由該彈性襯底內(nèi)表面或該彈性襯底外表面支撐。該功能電子器件包括一個(gè)器件部件，該器件部件是一個(gè)或多個(gè)無(wú)機(jī)半導(dǎo)體部件、一個(gè)或多個(gè)金屬部件、或一個(gè)或多個(gè)無(wú)機(jī)半導(dǎo)體部件和一個(gè)或多個(gè)金屬部件。該功能電子器件(包括其任何器件部件)是可拉伸的且可彎曲的。該功能電子器件(包括其任何器件部件)具有一個(gè)厚度，諸如小于或等于10μm的厚度。所述器件的薄的布局幾何結(jié)構(gòu)和該彈性體襯底的屬性在目標(biāo)表面和該電子器件之間的相互作用方面提供多個(gè)功能益處，且還有助于制造本文中的任何器件的特定獨(dú)特轉(zhuǎn)移印刷工藝。
[0077] 例如，該襯底的內(nèi)表面可以是視覺(jué)地和/或物理地不可接觸的，原因在于殼體的三維形狀是限定了內(nèi)部體積的一個(gè)封閉表面。特別是如果殼體是小的，則這樣的殼體是難于進(jìn)入的，使得難于將功能電子器件放置在殼體表面上。盡管這樣的殼體可以具有一個(gè)或兩個(gè)開(kāi)口，但與開(kāi)放殼體——具有可以被用來(lái)打開(kāi)殼體以轉(zhuǎn)移印刷的自由端——相比，仍不能容易地進(jìn)入以實(shí)現(xiàn)功能電子器件的轉(zhuǎn)移印刷。本發(fā)明的彈性體襯底屬性允許在外表面上專(zhuān)門(mén)配置的功能電子器件被翻轉(zhuǎn)，使得該功能電子器件在限定殼體的內(nèi)表面上。這是通過(guò)專(zhuān)門(mén)配置的薄器件部件布局和對(duì)應(yīng)的薄功能電子器件實(shí)現(xiàn)的，它們可以在不對(duì)器件功能產(chǎn)生不利影響的情況下被大幅拉伸、彎曲和/或折疊。因此，本發(fā)明的一個(gè)方面涉及如下一個(gè)內(nèi)表面，該內(nèi)表面對(duì)于常規(guī)電子器件轉(zhuǎn)移印刷工藝是不可物理進(jìn)入的。作為對(duì)比，本文中討論的襯底中的任一個(gè)的外表面背向內(nèi)部，且可在未施加力或施加最小力的情況下視覺(jué)地和物理地接觸。例如，該外表面可以具有凹入，通過(guò)施加相對(duì)直接的最小力以拉伸該襯底，該凹入變得可物理接觸，從而移除期望的區(qū)域上的凹入或褶皺。將功能電子器件陣列轉(zhuǎn)移印刷到外表面并隨后翻轉(zhuǎn)襯底表面便于將功能電子器件和陣列放置在原本對(duì)于常規(guī)轉(zhuǎn)移印刷技術(shù)是不可進(jìn)入的極其有限的內(nèi)部體積和殼體中。
[0078] 在一個(gè)實(shí)施方案中，本文中所提供的任一個(gè)器件和方法中的襯底中的任一個(gè)具有內(nèi)表面和外表面，在不使由該內(nèi)表面或該外表面支撐的功能電子器件的功能參數(shù)大幅退化的情況下，該內(nèi)表面和該外表面是可互換地翻轉(zhuǎn)的。在此實(shí)施方案中，哪個(gè)表面支撐該功能電子器件并無(wú)關(guān)系，這是因?yàn)橐r底表面可以被容易地翻轉(zhuǎn)，使得通過(guò)翻轉(zhuǎn)襯底表面可以使面向外的電子器件向內(nèi)翻轉(zhuǎn)。類(lèi)似地，通過(guò)翻轉(zhuǎn)襯底表面可以使面向內(nèi)的電子器件向外翻轉(zhuǎn)。因此，在一方面，該彈性體襯底材料和附接的功能電子器件被選擇具有適當(dāng)物理特性，以允許在對(duì)襯底完整性或器件功能產(chǎn)生不利影響的情況下翻轉(zhuǎn)。例如，該材料可以具有相對(duì)低的模量(諸如，小于1MPa、小于500kPa、小于100kPa，或選自大于或等于10kPa且小于或等于200kPa的范圍)。類(lèi)似地，該襯底可以具有相對(duì)高的斷裂應(yīng)變，諸如大于或等于約200％、500％、800％的斷裂應(yīng)變、或選自大于或等于400％且小于或等于1200％的范圍的斷裂應(yīng)變。在一方面中包括，為了與使用者的皮膚連系，該襯底可以是(聚)硅氧烷材料，諸如 (聚)硅氧烷(肖氏00-30硬度(Smooth-On,Inc.))。
[0079] 在一方面，本文中提供的電子器件中的任一個(gè)包括功能電子器件陣列。在一個(gè)實(shí)施方案中，所述功能電子器件是傳感器、致動(dòng)器、或傳感器和致動(dòng)器二者。例如，傳感器可以提供關(guān)于與電子器件相關(guān)的物理參數(shù)(諸如，傳感器運(yùn)動(dòng)、速度、加速度)的信息或關(guān)于與電子器件物理接觸的表面相關(guān)聯(lián)的物理參數(shù)(例如，壓力、力、溫度、電勢(shì)、導(dǎo)電率、水合、濕度、電磁輻射或傳感器能夠測(cè)量的任何參數(shù))的信息。作為對(duì)比，致動(dòng)器用于向表面提供信號(hào)或刺激?？蛇x地，可以通過(guò)多個(gè)傳感器控制多個(gè)致動(dòng)器，諸如在內(nèi)表面上的致動(dòng)器以及在外表面上或另一個(gè)襯底的外表面上的傳感器。以此方式，提供了虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，諸如，使用者在沒(méi)有實(shí)際接觸另外的表面的情況下“感覺(jué)”到該表面“感覺(jué)”如何，諸如通過(guò)一個(gè)表面被本文提供的任一個(gè)器件覆蓋的遠(yuǎn)程受控儀器或機(jī)器人器件。替代地，多功能器件(諸如，手套)可以在外表面上具有傳感器以感測(cè)一個(gè)參數(shù)，然后該參數(shù)被傳輸?shù)皆谂c使用者皮膚共形接觸的內(nèi)表面上的刺激器。以此方式，關(guān)于該手套外部的狀況的信息通過(guò)內(nèi)表面上的刺激器被使用者檢測(cè)到。
[0080] 一種能夠在不犧牲器件功能的情況下翻轉(zhuǎn)和/或拉伸襯底表面以適應(yīng)成形表面(甚至高度不規(guī)則形狀)的方式是通過(guò)專(zhuān)門(mén)地構(gòu)建和封裝電子布局和幾何
結(jié)構(gòu)使得最容易斷裂的剛性材料與高應(yīng)力隔離。例如，柔性的且可拉伸的互連線可
以被包含到功能電子器件中且被定位以便適應(yīng)彎曲和撓曲應(yīng)力，從而使剛性或易碎
材料與過(guò)度高的應(yīng)力隔離?；ミB線電氣連接功能電子器件(包括多個(gè)功能電子器
件)，該功能電子器件可以被配置為剛性器件島。在一個(gè)實(shí)施方案中，該柔性的且可拉伸的電氣互連線包括彎曲配置的導(dǎo)電金屬。彎曲配置的實(shí)施例包括波浪形幾何形
狀(例如，參見(jiàn)例如美國(guó)專(zhuān)利No.7,622,367(38-04A))，曲折幾何形狀(例如，參見(jiàn)
例如美國(guó)專(zhuān)利No.8,217,381(134-06))，和/或蛇形配置(例如，參見(jiàn)例如美國(guó)專(zhuān)利
公布2010/0002402(213-07)；PCT 公布WO 2011/084450(126-09WO)；美 國(guó)專(zhuān)利公 布
2013/0041235(29-11))。
結(jié)構(gòu)使得最容易斷裂的剛性材料與高應(yīng)力隔離。例如，柔性的且可拉伸的互連線可
以被包含到功能電子器件中且被定位以便適應(yīng)彎曲和撓曲應(yīng)力，從而使剛性或易碎
材料與過(guò)度高的應(yīng)力隔離?；ミB線電氣連接功能電子器件(包括多個(gè)功能電子器
件)，該功能電子器件可以被配置為剛性器件島。在一個(gè)實(shí)施方案中，該柔性的且可拉伸的電氣互連線包括彎曲配置的導(dǎo)電金屬。彎曲配置的實(shí)施例包括波浪形幾何形
狀(例如，參見(jiàn)例如美國(guó)專(zhuān)利No.7,622,367(38-04A))，曲折幾何形狀(例如，參見(jiàn)
例如美國(guó)專(zhuān)利No.8,217,381(134-06))，和/或蛇形配置(例如，參見(jiàn)例如美國(guó)專(zhuān)利
公布2010/0002402(213-07)；PCT 公布WO 2011/084450(126-09WO)；美 國(guó)專(zhuān)利公 布
2013/0041235(29-11))。
[0081] 可選地，互連線包括蛇形配置的納米線。特別地通過(guò)提供相對(duì)于互連線所連接的更剛性的部件小的互連線橫截面尺度實(shí)現(xiàn)高度的柔性和彎曲性。例如，該納米線可以具有矩形橫截面，其具有選自大于或等于50nm且小于或等于1μm的范圍的厚度，且具有選自大于或等于1μm且小于或等于1mm的范圍的寬度。在一方面，該蛇形配置由平均曲率半徑表征，該平均曲率半徑諸如選自大于或等于100μm且小于或等于10mm的范圍。
[0082] 在一方面，該電子器件包括被布置在至少兩個(gè)互連層中的多個(gè)互連線，其中相鄰的互連層由阻擋層分開(kāi)，該阻擋層是電絕緣彈性體層，從而提供了具有疊加的互連線的緊湊布線。
[0083] 所述電氣互連線在功能電子器件是相對(duì)剛性的(諸如由相對(duì)易碎的部件制成，包括半導(dǎo)體部件(諸如，薄層))的實(shí)施方案中是特別地有利的。在一方面，所述功能電子器件包括電氣連接到至少一個(gè)互連線的剛性器件島。在此方面，該互連線的彎曲配置適應(yīng)來(lái)自薄彈性體襯底的彎曲和拉伸的應(yīng)力，從而將所述剛性器件島與施加的應(yīng)力隔離。在一方面，所述彎曲應(yīng)力和拉伸應(yīng)力來(lái)自翻轉(zhuǎn)該薄彈性體襯底的內(nèi)表面和外表面。
[0084] 本文中提供的電子器件中的任一個(gè)可以包括功能電子器件陣列，該功能電子器件陣列由功能電子器件的總數(shù)量表征，諸如，數(shù)量選自大于或等于2且小于或等于1000的范圍。在一方面中，該數(shù)量是在約4到100之間。在一方面，該數(shù)量是在約4到20之間。在一方面，以覆蓋區(qū)面積進(jìn)一步限定本文中描述的陣列中的任一個(gè)，其中該覆蓋區(qū)面積是由該陣列覆蓋的表面面積，且可以被限定為該陣列中的個(gè)體器件的最外部分。因此，基于功能電子器件的數(shù)量和覆蓋區(qū)面積，確定空間密度。對(duì)于要求優(yōu)良空間分辨率的應(yīng)用，可以是每平方毫米多達(dá)約1到10個(gè)器件。對(duì)于其他優(yōu)良空間分辨率不是必須的應(yīng)用，器件可以更稀疏地分布，諸如每平方厘米1到10個(gè)器件。
[0085] 在一方面，該功能電子器件包括用于與曲面連系的電觸覺(jué)刺激器的多路復(fù)用陣列，其中該曲面對(duì)應(yīng)于有生命的組織。
[0086] 在一個(gè)實(shí)施方案中，本文中提供的電子器件中的任一個(gè)是人機(jī)接口的一部分，諸如用于手術(shù)的裝有儀器的手套或醫(yī)用手套。所述電子器件容易用在其他應(yīng)用中，包括用于測(cè)量對(duì)表面施加的力或壓力的力傳感器陣列或壓力傳感器陣列。這樣的一個(gè)應(yīng)用可以提供例如對(duì)施加至表面的力的高度準(zhǔn)確理解且如果超過(guò)閾值則相應(yīng)地提供預(yù)警或警報(bào)。例如，這可以在任何生物表面上進(jìn)行。
[0087] 在一方面，所述無(wú)機(jī)半導(dǎo)體部件和/或所述金屬導(dǎo)體部件獨(dú)立地包括具有小于或等于1μm的厚度的一個(gè)或多個(gè)薄膜結(jié)構(gòu)。
[0088] 在一個(gè)實(shí)施方案中，該電子器件包括一個(gè)或多個(gè)無(wú)機(jī)半導(dǎo)體部件，諸如獨(dú)立地包括納米膜結(jié)構(gòu)、多晶半導(dǎo)體材料、單晶半導(dǎo)體材料或摻雜的多晶或單晶半導(dǎo)體材料的無(wú)機(jī)半導(dǎo)體部件。
[0089] 在一方面，該器件具有中性機(jī)械平面(NMP)，其中該中性機(jī)械平面被定位在如下一個(gè)深度處，該深度對(duì)應(yīng)于該器件內(nèi)的該無(wú)機(jī)半導(dǎo)體(諸如一個(gè)是納米膜的無(wú)機(jī)半導(dǎo)體)的位置。這樣的中性機(jī)械平面定位進(jìn)一步有助于器件對(duì)彎曲和拉伸應(yīng)力(諸如，在襯底內(nèi)表面和外表面的翻轉(zhuǎn)過(guò)程中發(fā)生的)的容限。
[0090] 在一方面，該器件包括一個(gè)或多個(gè)金屬導(dǎo)體部件，諸如是具有曲線幾何結(jié)構(gòu)的電氣互連線的金屬導(dǎo)體部件。該曲線幾何結(jié)構(gòu)可以是至少部分地自立的。該曲線幾何結(jié)構(gòu)可以包括蛇形配置，其中該彎曲在平面內(nèi)、在平面外或在平面內(nèi)以及在平面外。在一個(gè)實(shí)施方案中，電氣互連線電氣連接剛性器件島。在一方面，剛性器件島包括無(wú)機(jī)半導(dǎo)體，諸如硅納米膜。
[0091] 在一方面，所述剛性器件島對(duì)應(yīng)于傳感器或致動(dòng)器部件的位置，由于多個(gè)零件是相對(duì)易碎的且易受物理斷裂影響的，因此所述傳感器或致動(dòng)器部件傾向于是應(yīng)變敏感的。在一方面，所述傳感器是電觸覺(jué)器件、運(yùn)動(dòng)傳感器、壓力傳感器、壓力致動(dòng)器、熱傳感器、熱源或上述各項(xiàng)的組合，該配置可以被描述為網(wǎng)孔幾何結(jié)構(gòu)，在該網(wǎng)孔幾何結(jié)構(gòu)中，所述曲線互連線被配置以適應(yīng)應(yīng)力，否則剛性器件島不會(huì)良好承受該應(yīng)力。
[0092] 如所描述的，所述功能電子器件可以由襯底外表面或由襯底內(nèi)表面支撐，尤其是考慮到其中該襯底是可翻轉(zhuǎn)的實(shí)施方案。在一方面，支撐功能電子器件的外表面被翻轉(zhuǎn)，使得在翻轉(zhuǎn)之后由外表面支撐的功能電子器件變?yōu)橛蓛?nèi)表面支撐的功能電子器件。在一方面，在翻轉(zhuǎn)之后，在從面向外的表面翻轉(zhuǎn)到面向內(nèi)的表面的幾何結(jié)構(gòu)之后，在內(nèi)表面上的功能電子器件的至少90％保持功能。以此方式，由內(nèi)表面限定的殼體實(shí)際上對(duì)應(yīng)于最初是外表面的襯底表面。
[0093] 在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，至少一部分的所述一個(gè)或多個(gè)無(wú)機(jī)半導(dǎo)體部件、一個(gè)或多個(gè)金屬部件或二者是可印刷的結(jié)構(gòu)。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，至少一部分的所述一個(gè)或多個(gè)傳感器、致動(dòng)器或二者通過(guò)轉(zhuǎn)移印刷被裝配在所述柔性的或可拉伸的襯底上。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，至少一部分的所述一個(gè)或多個(gè)傳感器、致動(dòng)器或二者通過(guò)微轉(zhuǎn)移印刷、干接觸轉(zhuǎn)移印刷、溶液式印刷、軟平版印刷、復(fù)制模制或壓印平版裝配在所述柔性的或可拉伸的襯底上。
[0094] 在一個(gè)實(shí)施方案中，該薄彈性體襯底內(nèi)表面限定一個(gè)殼體或一個(gè)內(nèi)部體積，該殼體或內(nèi)部體積具有用于接收和覆蓋曲面的至少一個(gè)開(kāi)口。在一方面，待被覆蓋且被包含在該殼體中的表面是作為有生命的動(dòng)物的一部分的對(duì)象，諸如，附肢、手指、臂部、腿部、頭部或軀干部。
[0095] 在一個(gè)實(shí)施方案中，薄彈性體襯底內(nèi)表面限定用于接收曲面和襯底的殼體，該薄彈性體襯底內(nèi)表面具有接收、容納和在自生成的接觸力下共形地接觸該曲面的物理屬性。在一方面，該物理特性對(duì)應(yīng)于小于或等于500kPa的襯底楊氏模量，以及大于或等于500％的襯底斷裂應(yīng)變。在功能上，這確保了襯底可以共形地接觸甚至高度不規(guī)則地成形的表面且還可以在不對(duì)結(jié)構(gòu)完整性產(chǎn)生不利影響的情況下經(jīng)歷表面翻轉(zhuǎn)。
[0096] 在一方面，該殼體的接收尺度小于曲面的對(duì)應(yīng)尺度，其中在使用過(guò)程中，薄彈性襯底中的應(yīng)變使該接收尺度增大以在不對(duì)功能電子器件產(chǎn)生不利影響的情況下容納被接收在該殼體內(nèi)的表面。例如，如果襯底用于接收手指，則該殼體的直徑可以小于該手指的直徑。因此，在使用過(guò)程中，手指使彈性體襯底拉伸，從而在該手指表面和該襯底之間生成徑向方向的接觸力。以此方式，應(yīng)變生成該薄彈性體襯底和該殼體內(nèi)的曲面之間的緊密接觸力，以建立和維持襯底內(nèi)表面上的器件部件與曲面之間的緊密且共形的接觸。
[0097] 該襯底中的應(yīng)變的量可以被改變，以便控制該襯底(且因此內(nèi)襯底表面上的任何功能器件)與殼體內(nèi)的表面之間的接觸力的量。對(duì)于需要較大的接觸力的應(yīng)用，殼體的特征尺度相對(duì)于被容納的物體的尺寸是相應(yīng)減小的。例如，通過(guò)減小殼體的直徑減小殼體體積。在一方面，該電子器件在使用期間具有的應(yīng)變選自大于或等于1％且小于或等于100％的范圍。當(dāng)然，由于彈性體襯底以及高度柔性的且彈性的電子器件的大斷裂應(yīng)變，諸如通過(guò)使用柔性的和可拉伸的互連線以及薄的布局幾何結(jié)構(gòu)，當(dāng)需要時(shí)本發(fā)明可以適應(yīng)甚至更高的應(yīng)變和應(yīng)力。
[0098] 可以以殼體(在本文中還被稱(chēng)為“內(nèi)部部分”或“內(nèi)部體積”，且與“內(nèi)部部分”或“內(nèi)部體積”可互換地使用)進(jìn)一步描述該電子器件，包括內(nèi)部部分長(zhǎng)度、寬度、深度和/或體積。例如，該殼體可以是具有5mm到30cm的平均直徑和/或5mm到30cm的平均長(zhǎng)度的3 3
圓柱形形狀。在一方面，該殼體具有大于或等于1cm且小于或等于10000cm 的體積。
圓柱形形狀。在一方面，該殼體具有大于或等于1cm且小于或等于10000cm 的體積。
[0099] 在一方面，該電子器件是電子器件陣列，其具有的電子器件空間密度選自在約-2 -21mm (高密度覆蓋率)和1cm (低密度覆蓋率)之間的范圍。
[0100] 在一個(gè)實(shí)施方案中，該殼體具有基本上圓柱形或部分球形或半球形形狀。該圓柱形形狀可選地在一端處被覆蓋，諸如覆蓋手指尖。因此，任一個(gè)電子器件可以具有被成形以接收手指或手指尖的內(nèi)部部分。該圓柱形形狀還可以是兩端開(kāi)放的管。
[0101] 在一方面，該殼體是部分封閉的體積，使得諸如通過(guò)迫使曲面進(jìn)入到該內(nèi)部部分中，該曲面被覆蓋。作為對(duì)比，“開(kāi)放體積”指具有至少一個(gè)自由移動(dòng)的端部的殼體，因?yàn)樵摱瞬颗c襯底的另一部分不是連續(xù)地連接的。以此方式，開(kāi)放體積可以對(duì)應(yīng)于圍繞曲面纏繞內(nèi)表面且緊固襯底的松弛端以形成內(nèi)部部分。在襯底自生成的力下，這可以是通過(guò)在縱向方向的張力下使薄彈性體襯底圍繞曲面纏繞確保表面覆蓋和共形接觸來(lái)實(shí)現(xiàn)的。替代地，該薄彈性體襯底可以在圓周方向的張力下卷繞在生物表面上，諸如通過(guò)迫使部分地封閉的體積的開(kāi)口進(jìn)一步開(kāi)放以接收生物表面。
[0102] 在一個(gè)實(shí)施方案中，本文中描述的電子器件中的任一個(gè)可以是多功能的。多功能指存在至少兩種不同類(lèi)型的提供不同功能的功能電子器件，諸如電觸覺(jué)刺激器和傳感器器件。在一方面，該內(nèi)表面支撐第一陣列的功能電子器件，而該外表面支撐第二陣列的功能電子器件，其中該第一陣列具有與該第二陣列不同的功能。例如，該第一陣列可以包括用于連系有生命的動(dòng)物的與該第一陣列的電子器件共形接觸的皮膚的電觸覺(jué)刺激器，而該第二陣列可以包括用于測(cè)量來(lái)自該第二陣列的電子器件與外表面之間的接觸相互作用的物理參數(shù)的傳感器。傳感器的實(shí)施例包括應(yīng)變計(jì)傳感器和觸覺(jué)傳感器，諸如壓阻式傳感器、壓電式傳感器、電容式傳感器、彈性體電阻式(elastoresistive)傳感器。
[0103] 在一方面，第一陣列的電觸覺(jué)刺激器根據(jù)由第二傳感器陣列(諸如，在覆蓋手指的襯底的外部和內(nèi)部上的傳感器和刺激器)測(cè)量的物理參數(shù)與有生命的動(dòng)物的皮膚連系。
[0104] 在一個(gè)實(shí)施方案中，該功能電子器件陣列具有由該陣列的最外構(gòu)件限定的覆蓋區(qū)表面面積。根據(jù)感興趣的應(yīng)用，制造所述器件的方法可與寬范圍的覆蓋區(qū)表面面積兼容。在2 2
一個(gè)實(shí)施例中，該覆蓋區(qū)表面面積選自大于或等于0.5cm且小于或等于100cm 的范圍。
一個(gè)實(shí)施例中，該覆蓋區(qū)表面面積選自大于或等于0.5cm且小于或等于100cm 的范圍。
[0105] 在一個(gè)實(shí)施方案中，所述功能電子器件陣列包括用于與有生命的組織連系的電觸覺(jué)刺激器的多路復(fù)用陣列。在一方面，所述功能電子器件陣列包括電極(諸如，用于感測(cè)電參數(shù)和/或用于應(yīng)用電參數(shù)(諸如，電勢(shì))的電極)陣列。在一個(gè)實(shí)施方案中，每個(gè)電極包括一個(gè)直徑小于1mm的內(nèi)盤(pán)和一個(gè)圍繞該內(nèi)盤(pán)的外環(huán)，其中該內(nèi)盤(pán)和外環(huán)相對(duì)于彼此同心地定位，其中該內(nèi)盤(pán)和外環(huán)之間的間隔距離選自大于或等于100μm且小于或等于500μm的范圍。在一方面，所述電極的厚度小于1μm，諸如，在數(shù)百納米(例如，100nm到900nm)的量級(jí)上。在一方面，所述半導(dǎo)體部件中的任一個(gè)包括硅納米膜，該硅納米膜是作為二極管的電子器件的一部分，諸如，厚度小于1μm或在數(shù)百納米(例如，100nm到900nm)量級(jí)上的二極管。所述二極管和電極可以包括多路復(fù)用電路的一部分以便于器件控制和輸出處理，特別是對(duì)于包括大量功能電子器件的陣列。
[0106] 在另一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明是一種用于制造本文中描述的器件中的任何一個(gè)的方法。在一方面，提供的是通過(guò)提供具有面向內(nèi)的表面和面向外的表面的彈性體襯底來(lái)制造用于覆蓋曲面且與該曲面連系的電子器件的方法。功能電子器件(諸如，功能電子器件陣列)被轉(zhuǎn)移印刷到該彈性體襯底面向外的表面。該彈性體襯底被翻轉(zhuǎn)，使得在翻轉(zhuǎn)之后，面向外的表面是面向內(nèi)的表面，而面向內(nèi)的表面是面向外的表面，從而將器件部件陣列設(shè)置在面向內(nèi)的表面上，其中在翻轉(zhuǎn)之后，功能電子器件陣列保持功能?！氨３止δ堋敝冈诜D(zhuǎn)之后保持至少90％的、至少95％的或全部的功能電子器件功能。通過(guò)結(jié)合本文中所提供的器件幾何結(jié)構(gòu)中的一個(gè)或多個(gè)實(shí)現(xiàn)期望的功能水平，包括通過(guò)使用超薄的器件和器件部件(例如，小于1μm)、柔性的且可拉伸的互連線，包括蛇形幾何結(jié)構(gòu)，以及中性機(jī)械平面(NMP)布局。因此，這些器件布局和幾何結(jié)構(gòu)中的任何一個(gè)或多個(gè)可以被包含在本文中公開(kāi)的方法中的任何一個(gè)或多個(gè)中以甚至在與表面翻轉(zhuǎn)相關(guān)聯(lián)的應(yīng)力之后獲得堅(jiān)固的器件。
[0107] 在一方面，面向內(nèi)的表面限定一個(gè)用于接收、覆蓋和連系曲面的內(nèi)部體積或部分。在一方面，該彈性體襯底的殼體是通過(guò)如下方式獲得的：倚靠曲面或其模具澆注彈性體前體，并使該彈性體前體固化以獲得具有面向內(nèi)的表面和面向外的表面的彈性體襯底。以此方式，該襯底可以針對(duì)將被用在該系統(tǒng)中的特定曲面而定制。尤其，可以生成在靜置時(shí)表面曲率對(duì)應(yīng)于曲面的彈性體襯底?？蛇x地，形成的固化的襯底的內(nèi)部體積尺度稍微小于具有待被接收的曲面的物體的相應(yīng)尺度。例如，該表面的模具在尺寸上可以被相應(yīng)地稍微減小。
這是一種用于確保存在由彈性體襯底的應(yīng)變生成的自生成接觸力以容納待被接收的曲面的方法。在一方面，選擇該模具尺寸以便在該彈性體襯底中生成如下應(yīng)變，該應(yīng)變選自大于或等于1％且小于或等于100％、或在約1％與20％之間的范圍。替代地，可以通過(guò)本領(lǐng)域中已知的另一種工藝(諸如，擠壓)制得在靜置時(shí)的襯底曲率。
這是一種用于確保存在由彈性體襯底的應(yīng)變生成的自生成接觸力以容納待被接收的曲面的方法。在一方面，選擇該模具尺寸以便在該彈性體襯底中生成如下應(yīng)變，該應(yīng)變選自大于或等于1％且小于或等于100％、或在約1％與20％之間的范圍。替代地，可以通過(guò)本領(lǐng)域中已知的另一種工藝(諸如，擠壓)制得在靜置時(shí)的襯底曲率。
[0108] 在一方面，轉(zhuǎn)移印刷包括將功能電子器件陣列從轉(zhuǎn)移印章轉(zhuǎn)移到彈性襯底的外表面，諸如，通過(guò)轉(zhuǎn)移印刷(例如，見(jiàn)美國(guó)專(zhuān)利號(hào)7,943,491(41-06)；7,799,699(43-06)；7,932,123(151-06)；8,217,381(134-06)；8,198,621(38-04D)；7,622,367(38-04A)，所有這些美國(guó)專(zhuān)利都以引用的方式專(zhuān)門(mén)地納入)。在一個(gè)實(shí)施方案中，特別是對(duì)于具有曲面的彈性體襯底，轉(zhuǎn)移印刷還包括使彈性體襯底變平成為平坦幾何結(jié)構(gòu)，并將功能電子器件陣列轉(zhuǎn)移到平坦幾何結(jié)構(gòu)的彈性襯底。在轉(zhuǎn)移之后，彈性體襯底可以被釋放以松弛回到其曲面幾何結(jié)構(gòu)。在另一方面，轉(zhuǎn)移印刷包括在曲線幾何結(jié)構(gòu)的彈性襯底的外表面上滾壓轉(zhuǎn)移印章。
[0109] 在一方面，待被接收在內(nèi)部體積或內(nèi)部部分中的曲面具有對(duì)應(yīng)于手指或手指尖表面形狀的表面形狀。
[0110] 在一方面，電子器件被包含到手套的手指或手指尖中。在一方面，功能電子器件包括傳感器陣列、致動(dòng)器陣列、或傳感器和致動(dòng)器二者的陣列。
[0111] 在一個(gè)實(shí)施方案中，功能電子器件包括網(wǎng)孔配置的電觸覺(jué)電極陣列，其中電氣互連線被電氣連接到電觸覺(jué)電極。
[0112] 在一方面，本發(fā)明是使用本文中的器件中的任一個(gè)的方法，諸如，與物體的表面連系的方法。在一個(gè)實(shí)施方案中，該方法包括提供具有面向內(nèi)的表面和面向外的表面的薄彈性體襯底，該面向內(nèi)的表面限定一個(gè)殼體。功能電子器件被支撐在該面向內(nèi)的表面或該面向外的表面上。該功能電子器件包括器件部件，該器件部件是一個(gè)或多個(gè)無(wú)機(jī)半導(dǎo)體部件、一個(gè)或多個(gè)金屬部件、或一個(gè)或多個(gè)無(wú)機(jī)半導(dǎo)體部件和一個(gè)或多個(gè)金屬部件。該功能電子器件是可拉伸的且可彎曲的，具有小于或等于10μm的厚度。支撐該功能電子器件的表面與物體表面物理地接觸，以使該功能電子器件與物體的物體表面連系。在一方面，該殼體接收物體和附隨表面，以便向襯底提供物理支撐。在一方面，該方法涉及使該殼體的體積膨脹，以便容納接收在該殼體中的該物體和曲面。
[0113] 對(duì)于該襯底內(nèi)表面上的器件，該方法還包括將物體的表面引入到該殼體以用于連系。例如，該物體可以是有生命的動(dòng)物的一部分且該物體表面對(duì)應(yīng)于皮膚或表皮層。該功能電子器件可以包括傳感器陣列、致動(dòng)器陣列、或傳感器和致動(dòng)器二者的陣列。在一個(gè)實(shí)施方案中，該器件包括電觸覺(jué)刺激器(諸如，用于刺激在所述電觸覺(jué)刺激器下面的皮膚或表皮層中的神經(jīng)的刺激器)陣列。
[0114] 替代地，對(duì)于由面向外的表面支撐的功能電子器件，物理接觸步驟可以包括將襯底殼體外部的物體的表面引入到該面向外的表面。在此方面，在該外表面上的功能電子器件與位于外部的物體表面連系，包括測(cè)量觸覺(jué)感覺(jué)的傳感器。在一方面，該方法還包括將支撐物體插入到該內(nèi)部部分中以物理地支撐該彈性體襯底的步驟。例如，在遠(yuǎn)程感測(cè)中，該支撐物體可以是遠(yuǎn)程受控的物體或由機(jī)器人控制的器件的一部分。在此方面，該功能電子器件可以包括用于測(cè)量物體表面的物理參數(shù)(范圍從觸覺(jué)生成的力參數(shù)到固有的與表面相關(guān)的參數(shù)，諸如溫度、傳導(dǎo)率、硬度、彈性或取決于感興趣的應(yīng)用的另一參數(shù))的傳感器陣列。
[0115] 在另一個(gè)實(shí)施方案中，第一功能電子器件由該面向內(nèi)的表面支撐，第二功能電子器件由該面向外的表面支撐，且該物理地接觸的步驟包括將第一物體的表面引入到該內(nèi)部部分，將第二物體的表面引入到該外表面。例如，該第一物體可以對(duì)應(yīng)于有生命的人的附肢，該第一功能電子器件是與覆于該附肢上的組織相連系的電觸覺(jué)刺激器陣列的一部分。該附肢可以是手指或手指尖，在手指或手指尖處根據(jù)在該外表面上支撐的第二功能電子器件與該第二物體表面的相互作用提供電觸覺(jué)刺激。在手術(shù)手套的情況下，該第二物體表面可以是患者的一部分，諸如生物組織。
[0116] 本文中提供的器件和工藝中的任一個(gè)可以涉及接收人體的一部分(包括手指、手指尖或本文中所公開(kāi)的任何其他部分)的殼體。
[0117] 本文中提供的是被配置以與使用者的生物表面共形的電子器件，該生物表面包括表皮層或皮膚層。在一個(gè)實(shí)施方案中，該生物表面對(duì)應(yīng)于附肢。在一個(gè)實(shí)施方案中，該生物表面是一個(gè)手指或多個(gè)手指，包括手指尖。在一個(gè)實(shí)施方案中，該生物表面是人體的一部分，包括表皮或皮膚。該器件對(duì)于安裝到使用者表面的成形的部分(包括移動(dòng)和/或變形的使用者表面)是特別有用的。本發(fā)明的一個(gè)方面是將該電子器件設(shè)置在柔性的、可變形的和/或可彎曲的襯底上，當(dāng)該襯底被適當(dāng)?shù)匕惭b在使用者上時(shí)該襯底提供自生成的力以確保該電子器件與該使用者表面良好接觸，其中該接觸被良好維持且甚至可持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間段，根據(jù)感興趣的應(yīng)用按照期望該時(shí)間段范圍從許多分鐘到許多小時(shí)或許多天。
[0118] 在一個(gè)實(shí)施方案中，該電子器件具有帶有與生物表面曲率匹配的三維曲率的襯底?！叭S曲率”指由(x、y、z)坐標(biāo)或該坐標(biāo)的變換限定的表面。當(dāng)襯底表面和生物表面(特別是對(duì)于襯底接收表面的支撐部件陣列的那部分)之間存在基本對(duì)應(yīng)時(shí)，該曲率被認(rèn)為與該生物表面“匹配”。在此實(shí)施方案中，襯底的接收表面以及部件陣列能夠與該生物表面物理接觸(包括共形接觸)。當(dāng)襯底接收表面在面向內(nèi)的方向上取向時(shí)，其限定一個(gè)具有內(nèi)體積的殼體，該內(nèi)體積被配置以接收生物表面，諸如，使用者的手指、附肢或其他可接觸的部分。
[0119] 提供用于接收使用者身體部分的殼體和內(nèi)體積的器件配置的功能益處是器件襯底可以提供自生成的力以確保生物表面和陣列的部件之間的緊密接觸。在一方面，該自生成的力是足夠的，以致于不需要粘合部件或外部力生成，且缺少這些部件不影響可靠地生成和維持共形接觸的能力。
[0120] 來(lái)自器件襯底的自生成的力可以是在相對(duì)于部件陣列中的個(gè)體部件的法向方向上施加的物理力。盡管力是在多個(gè)方向上施加的，其中方向和幅度可以隨著生物表面改變，但對(duì)于個(gè)體部件，該部件上的法向力可以由此力分布計(jì)算得到?？梢酝ㄟ^(guò)多個(gè)不同實(shí)施方案生成此法向力。在一個(gè)實(shí)施方案中，該電子器件在張力下被纏繞在生物表面上，從而提供期望的力。替代地，該電子器件可以被卷繞在表面上，其中有效的圓周方向的張力提供該法向力以確保該器件和下面的生物表面之間的共形接觸，甚至在一個(gè)范圍的在三個(gè)空間方向中的每一個(gè)上空間改變的曲面上。
[0121] 該器件的配置確保即時(shí)當(dāng)該器件經(jīng)受大應(yīng)力時(shí)，諸如，在該器件應(yīng)用到皮膚、手指或身體的其他區(qū)域期間，該陣列中的大多數(shù)部件保持功能。在一方面，在施加到生物表面之后，至少70％、至少90％、至少95％或約全部的部件或功能電子器件保持功能，包括通過(guò)操縱表面取向以確保部件陣列是面向內(nèi)的且被定位用于與皮膚的物理和/或共形接觸。
[0122] 在一方面，通過(guò)使由接收表面支撐的部件陣列從面向外的配置翻轉(zhuǎn)到面向內(nèi)的配置形成該器件內(nèi)體積。對(duì)于部件陣列被轉(zhuǎn)移印刷到可物理接觸的表面(例如，面向外的表面)的那些器件，此方面是特別有意義的。這樣的面向外的表面被適當(dāng)?shù)嘏渲靡酝ㄟ^(guò)翻轉(zhuǎn)該襯底使得先前定位的外表面對(duì)應(yīng)于該面向內(nèi)的表面來(lái)提供共形接觸。
[0123] 在一個(gè)實(shí)施方案中，該襯底形成開(kāi)放管體積，其中該襯底具有兩個(gè)開(kāi)放端，且在所述開(kāi)放端之間存在與生物表面的共形接觸。這樣的配置對(duì)于在其末端的一部分未被覆蓋的附肢(諸如手指套筒(例如，減去手指尖的手套)、臂帶、腿帶或前額帶或其包裹物)上滑動(dòng)的器件是特別有意義的。在此方面，該內(nèi)體積不具有物理端表面，而作為替代是由襯底的邊緣限定的端。替代地，該襯底形成部分封閉的體積，諸如對(duì)于由手套的手指尖部分限制的手指。在此方面，該內(nèi)體積的一端具有對(duì)應(yīng)的物理表面，其中另一端開(kāi)放以接收生物表面。在任一個(gè)實(shí)施方案中，可以由深度和直徑或其特征值測(cè)量(包括例如通過(guò)在整個(gè)襯底上平均，因?yàn)檫@些襯底形狀是復(fù)雜的(例如，非圓柱形))限定該內(nèi)體積。
[0124] 根據(jù)期望的應(yīng)用，該器件與任意數(shù)量或類(lèi)型的傳感器、效應(yīng)器、致動(dòng)器或電路元件可兼容，包括如在126-09,29-11P,134-06,3-11,7-11,150-11,38-04C,38-04D中的任一個(gè)中以及如下文中提供的任何其他中所公開(kāi)的，對(duì)于如在此公開(kāi)的材料、部件、配置和制造與使用方法，它們以引用的方式明確納入本文。
[0125] 在一方面，由任何一個(gè)或多個(gè)相關(guān)參數(shù)(包括尺度)、陣列特性(包括部件數(shù)量和密度以及覆蓋區(qū)表面面積)進(jìn)一步表征該器件。覆蓋區(qū)表面面積指陣列的覆蓋面積，以及與部件陣列共形接觸的生物表面的相應(yīng)面積。該器件良好地適合于在任何尺寸面積上的配2 2
置，該尺寸面積的范圍從相對(duì)小(例如，0.5cm)到相對(duì)大(例如，100cm或更大)。
置，該尺寸面積的范圍從相對(duì)小(例如，0.5cm)到相對(duì)大(例如，100cm或更大)。
[0126] 本文中還提供了用于制造或用于使用本文中公開(kāi)的器件中的任一個(gè)的相關(guān)方法。器件的多種物理特性提供了專(zhuān)門(mén)操縱該器件以實(shí)現(xiàn)功能益處的能力。例如，該襯底能夠被成形至任何期望的表面和被轉(zhuǎn)移到該期望的表面的電子活性材料。對(duì)于轉(zhuǎn)移印刷，襯底的外表面被配置作為電子活性材料的接收表面，這是因?yàn)榕c面向內(nèi)的表面相比，通常面向外的表面是更可接觸的。襯底的可變形性提供了接下來(lái)將該接收表面從面向外的配置翻轉(zhuǎn)到面向內(nèi)的配置的能力，從而便于當(dāng)該器件被安裝或被應(yīng)用到生物表面時(shí)電子活性材料與該生物表面之間的緊密接觸。
[0127] 在一方面，本發(fā)明提供了一種制造可安裝于附肢的電子系統(tǒng)的方法，該方法包括步驟：(i)提供具有最初面向內(nèi)的表面和最初面向外的表面的柔性的或可拉伸的襯底，該最初面向內(nèi)的表面限定一個(gè)初始?xì)んw；(ii)將包括一個(gè)或多個(gè)傳感器、致動(dòng)器或二者的柔性的或可拉伸的電子器件轉(zhuǎn)移印刷到該柔性的或可拉伸的襯底的該最初面向外的表面；所述傳感器、致動(dòng)器或二者包括一個(gè)或多個(gè)無(wú)機(jī)半導(dǎo)體部件、一個(gè)或多個(gè)金屬部件、或一個(gè)或多個(gè)無(wú)機(jī)半導(dǎo)體部件和一個(gè)或多個(gè)金屬部件；其中至少一部分的所述無(wú)機(jī)半導(dǎo)體部件、金屬部件或二者具有小于或等于500微米的厚度；以及(iii)翻轉(zhuǎn)該彈性體襯底，以使得在翻轉(zhuǎn)之后該最初面向外的表面變?yōu)殡S后面向內(nèi)的表面，該初始面向內(nèi)的表面變?yōu)殡S后面向外的表面，該隨后面向內(nèi)的表面限定一個(gè)用于接收附肢的最終殼體，從而將該電子器件設(shè)置在該隨后面向內(nèi)的表面上；其中在使翻轉(zhuǎn)該襯底的步驟之后，該柔性的或可拉伸的器件保持功能。
[0128] 在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，該附肢是手、手指、手指尖、顱骨、腳、腳趾、腿、軀干或上述各項(xiàng)的任意部分。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，提供該柔性的或可拉伸的襯底的步驟包括：(i)倚靠該附肢的表面或其模具澆注彈性體前體；以及(ii)使該彈性體前體固化以獲得具有如下殼體形狀的該柔性的或可拉伸的襯底，該殼體形狀在靜置時(shí)對(duì)應(yīng)于該附肢的形狀。
在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，轉(zhuǎn)移印刷步驟包括通過(guò)選自由微轉(zhuǎn)移印刷、干接觸轉(zhuǎn)移印刷、溶液式印刷、軟平版印刷、復(fù)制模制或壓印平版組成的組的技術(shù)轉(zhuǎn)移致動(dòng)器、傳感器、或致動(dòng)器和傳感器的陣列。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，該轉(zhuǎn)移印刷步驟包括將致動(dòng)器的陣列、傳感器的陣列、或致動(dòng)器和傳感器的陣列從彈性體轉(zhuǎn)移印章轉(zhuǎn)移到該彈性襯底的最初外表面。
在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，該轉(zhuǎn)移印刷步驟還包括將該彈性體襯底平坦成平坦的幾何結(jié)構(gòu)且將該致動(dòng)器的陣列、傳感器的陣列、或致動(dòng)器和傳感器的陣列轉(zhuǎn)移到平坦幾何結(jié)構(gòu)的彈性襯底。在一個(gè)實(shí)施方案，例如，該轉(zhuǎn)移印刷步驟還包括在曲線幾何結(jié)構(gòu)的彈性襯底的外表面上滾壓該彈性體轉(zhuǎn)移印章。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，最終的殼體具有對(duì)應(yīng)于手指或手指尖表面形狀的內(nèi)表面形狀。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，該系統(tǒng)被包含到手套的手指或手指尖中。
在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，轉(zhuǎn)移印刷步驟包括通過(guò)選自由微轉(zhuǎn)移印刷、干接觸轉(zhuǎn)移印刷、溶液式印刷、軟平版印刷、復(fù)制模制或壓印平版組成的組的技術(shù)轉(zhuǎn)移致動(dòng)器、傳感器、或致動(dòng)器和傳感器的陣列。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，該轉(zhuǎn)移印刷步驟包括將致動(dòng)器的陣列、傳感器的陣列、或致動(dòng)器和傳感器的陣列從彈性體轉(zhuǎn)移印章轉(zhuǎn)移到該彈性襯底的最初外表面。
在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，該轉(zhuǎn)移印刷步驟還包括將該彈性體襯底平坦成平坦的幾何結(jié)構(gòu)且將該致動(dòng)器的陣列、傳感器的陣列、或致動(dòng)器和傳感器的陣列轉(zhuǎn)移到平坦幾何結(jié)構(gòu)的彈性襯底。在一個(gè)實(shí)施方案，例如，該轉(zhuǎn)移印刷步驟還包括在曲線幾何結(jié)構(gòu)的彈性襯底的外表面上滾壓該彈性體轉(zhuǎn)移印章。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，最終的殼體具有對(duì)應(yīng)于手指或手指尖表面形狀的內(nèi)表面形狀。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，該系統(tǒng)被包含到手套的手指或手指尖中。
[0129] 在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，包括將一個(gè)或多個(gè)傳感器、致動(dòng)器或二者轉(zhuǎn)移印刷到該柔性的或可拉伸的襯底的隨后外表面的步驟，從而將第一傳感器、或第一致動(dòng)器或二者設(shè)置在該隨后內(nèi)表面上，而將第二傳感器、或第二致動(dòng)器或二者設(shè)置在該隨后外表面上。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，該第一傳感器、或第一致動(dòng)器或二者包括電觸覺(jué)刺激器陣列，且該傳感器、或致動(dòng)器或二者包括觸覺(jué)傳感器陣列。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，該方法還包括使所述觸覺(jué)傳感器與所述電觸覺(jué)傳感器可通信地連接，使得通過(guò)來(lái)自所述觸覺(jué)傳感器的輸出控制所述電觸覺(jué)傳感器。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，電觸覺(jué)傳感器陣列生成電刺激的空間變化模式。
[0130] 在一方面，通過(guò)倚靠期望的形狀澆注聚合物來(lái)獲得襯底曲率。該期望的形狀可以是生物表面自身，諸如對(duì)于定制的應(yīng)用。替代地，該期望的形狀自身可以是生物表面形狀的模型。替代地，通過(guò)非澆注工藝獲得襯底曲率，包括通過(guò)使用商業(yè)可得的襯底(例如，手術(shù)手套)。
[0131] 通過(guò)這樣的澆注工藝制造可安裝于附肢的電子系統(tǒng)的方法的一個(gè)實(shí)施例包括：(i)提供一附肢或其模具；(ii)將包括一個(gè)或多個(gè)傳感器、致動(dòng)器或二者的柔性的或可拉伸的電子器件設(shè)置到該附肢或其模具的表面；所述傳感器、致動(dòng)器或二者包括一個(gè)或多個(gè)無(wú)機(jī)半導(dǎo)體部件、一個(gè)或多個(gè)金屬部件、或一個(gè)或多個(gè)無(wú)機(jī)半導(dǎo)體部件和一個(gè)或多個(gè)金屬部件；其中至少一部分的所述無(wú)機(jī)半導(dǎo)體部件、金屬部件或二者具有小于或等于500微米的厚度；(iii)將預(yù)聚合物引入到由該附肢或其模具的表面支撐的該柔性的或可拉伸的電子器件；以及(iv)使該預(yù)聚合物聚合以形成具有支撐該柔性的或可拉伸的電子器件的內(nèi)表面的柔性的或可拉伸的襯底?？蛇x地，該方法還包括將該襯底和該柔性的或可拉伸的電子器件從該附肢或其模具的表面移除的步驟。
[0132] 所述方法中的任一種方法還可以包括將包括一個(gè)或多個(gè)傳感器、致動(dòng)器或二者的柔性的或可拉伸的電子器件轉(zhuǎn)移印刷到該柔性的或可拉伸的襯底的外表面上的步驟；所述傳感器、致動(dòng)器或二者包括一個(gè)或多個(gè)無(wú)機(jī)半導(dǎo)體部件、一個(gè)或多個(gè)金屬導(dǎo)體部件、或一個(gè)或多個(gè)無(wú)機(jī)半導(dǎo)體部件和一個(gè)或多個(gè)金屬部件；其中至少一部分的所述無(wú)機(jī)半導(dǎo)體部件、金屬部件或二者具有小于或等于500微米的厚度。以此方式，將電子器件設(shè)置到內(nèi)表面和外表面二者，而非必須翻轉(zhuǎn)該襯底表面。
[0133] 在一個(gè)實(shí)施方案中，該轉(zhuǎn)移印刷步驟包括將電子活性材料轉(zhuǎn)移到已經(jīng)被平坦的襯底。替代地，諸如對(duì)于保持倚靠使用者表面或其模具定位的襯底，該轉(zhuǎn)移印刷可以是到曲面，諸如，通過(guò)印章在該曲面上的旋轉(zhuǎn)或滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)。
[0134] 不希望受任何特定理論的束縛，本文中可以有對(duì)涉及本文中公開(kāi)的器件和方法的基本原理的觀點(diǎn)或理解的討論?？梢源_認(rèn)的是，不管任何機(jī)械學(xué)上的解釋或假設(shè)的最終正確性，毫無(wú)疑問(wèn)地本發(fā)明的實(shí)施方案是能夠操作且有用的。附圖說(shuō)明
[0135] 圖1.示意性例示用于將互連的器件結(jié)構(gòu)從襯底(該互連的器件結(jié)構(gòu)被制造在該襯底上)轉(zhuǎn)移印刷到彈性體片上的過(guò)程。(a)形成在開(kāi)放網(wǎng)孔幾何結(jié)構(gòu)的硅晶片上的互連的傳感器和電子器件被提升到PDMS板坯(即，印章)的表面上。(b)網(wǎng)孔的背側(cè)和用于支撐的PDMS印章被涂布以薄SiO2層，且然后被按壓到彈性體片(Ecoflex)上；(c)移除PDMS，完成轉(zhuǎn)移。
[0136] 圖2.用于在彈性體手指管的內(nèi)表面上制造可拉伸的、網(wǎng)孔幾何結(jié)構(gòu)的電觸覺(jué)刺激器的多路復(fù)用陣列的過(guò)程。(a)將彈性體前體澆注和固化在模型手的手指上，形成薄的(～500μm厚)、封閉形式的膜，即，手指管；(b)PDMS印章(在此由玻璃顯微鏡載玻片支持)將電觸覺(jué)器件遞送到此手指管的外表面，同時(shí)手指管被壓縮成平坦幾何結(jié)構(gòu)；(c)在自立的手指管的外部上的電觸覺(jué)陣列；(d)將該管的內(nèi)部向外反轉(zhuǎn)或翻轉(zhuǎn)以將該陣列重新安置在手指管的內(nèi)表面上，使得先前的外表面變?yōu)閮?nèi)表面，而先前的內(nèi)表面變?yōu)橥獗砻?，這里示出此翻轉(zhuǎn)過(guò)程的中間點(diǎn)。
[0137] 圖3.“翻轉(zhuǎn)”過(guò)程的力學(xué)建模和應(yīng)用到與SiNM二極管的電觸覺(jué)刺激器的多路復(fù)用陣列。(a)在與將管的內(nèi)部向外翻出相關(guān)聯(lián)的彎曲過(guò)程中計(jì)算出的Ecoflex手指管的(分析和FEM)分布圖，示出該管的半徑(R徑向＝7.5mm)和最小彎曲半徑(R軸向)之間的線性關(guān)系；(b)在此過(guò)程期間針對(duì)內(nèi)表面和外表面上的最大應(yīng)變的FEM結(jié)果；(c)具有蛇形網(wǎng)孔互連線的多路復(fù)用電觸覺(jué)陣列的示意性例示，其中示出PIN SiNM二極管(翻轉(zhuǎn)之后的)放大圖解(右上)和圖像(右下)；(d)器件的兩個(gè)區(qū)域的示意性橫截面例示——其中用紅色虛線指示NMP的位置，以及在翻轉(zhuǎn)過(guò)程期間針對(duì)最大應(yīng)變的分析結(jié)果；(e)在翻轉(zhuǎn)之前和之后SiNM二極管的I-V特性；(f)Si NM二極管中的最大應(yīng)變和hNMP(中性機(jī)械平面和Si NM的下表面之間的偏移)作為Si NM的厚度的函數(shù)。
[0138] 圖4.手指管上的2×3多路復(fù)用電觸覺(jué)陣列的力學(xué)和電氣特性。(a)電觸覺(jué)感覺(jué)所要求電壓作為刺激頻率的函數(shù)。插圖：在實(shí)驗(yàn)期間人手指上的電觸覺(jué)陣列；(b)與人拇指接觸的多路復(fù)用電觸覺(jué)電極的I-V特性；(c)二極管多路復(fù)用方案的電路圖解；(d)功能表，示出用于對(duì)六個(gè)通道中的每個(gè)通道尋址的輸入(H＝高；L＝低)。
[0139] 圖5.用可拉伸的Si NM應(yīng)變計(jì)陣列檢測(cè)手指運(yùn)動(dòng)。(a)由于沿著縱向(y)方向施加的10％的總體應(yīng)變導(dǎo)致的1×4應(yīng)變計(jì)陣列(在蛇形互連網(wǎng)孔的頂部附近的筆直、豎直結(jié)構(gòu))的最大主應(yīng)變的FEM結(jié)果。上插圖示出了由黃色虛線框突出顯示的應(yīng)變計(jì)中的應(yīng)變。下插圖提供了制造的、布局與FEM結(jié)果的布局匹配的器件的圖像；(b)針對(duì)代表性的Si NM應(yīng)變計(jì)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量和分析計(jì)算出的電阻變化作為沿著縱向方向施加的應(yīng)變的函數(shù)。該插圖提供了器件的一部分的SEM圖像，其中Si納米膜應(yīng)變計(jì)位于該虛線框中；(c)安裝在拇指上的手指管上的應(yīng)變計(jì)陣列的圖像，(i)處于筆直位置和(ii)處于彎曲位置；(d)在三個(gè)彎曲周期(黑色)期間和一側(cè)到另一側(cè)的運(yùn)動(dòng)(紅色)期間代表性應(yīng)變計(jì)的電阻變化；(e)層壓到拇指的掌骨區(qū)域上的薄彈性體片上的應(yīng)變計(jì)陣列的圖像，(iii)處于筆直位置和(iv)處于側(cè)向偏斜位置；(f)在三個(gè)一側(cè)到另一側(cè)的運(yùn)動(dòng)周期期間該陣列的兩端處的應(yīng)變計(jì)的電阻變化。
[0140] 圖6.用集成電容傳感器進(jìn)行觸覺(jué)感測(cè)。(a)在拇指前段上的傳感器；(b)用于2×3傳感器陣列的內(nèi)電極(電觸覺(jué)電極)；(c)用于同一陣列的外電極；(d)測(cè)量和分析計(jì)算出的單個(gè)傳感器的電容隨著施加的壓力和拉伸應(yīng)變的變化。
[0141] 圖7.基本制造過(guò)程的示意圖。(a)Si襯底；(b)旋轉(zhuǎn)涂布犧牲PMMA；(c)旋轉(zhuǎn)涂布聚酰亞胺(PI)前體/在惰性氣氛中在250℃下烘烤；(d)Au蒸發(fā)/圖案化；(e)旋轉(zhuǎn)涂布PI前體/在惰性氣氛中在250℃下烘烤；(f)O2RIE以暴露Au電極和形成PI網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)；(g)在丙酮中底切PMMA/應(yīng)用PDMS印章；(h)將器件轉(zhuǎn)移到PDMS印章上；(i)將Cr/SiO2蒸發(fā)到器件的背面上；(j)將PDMS印章按壓到曝光在UV下的Ecoflex上；(k)移除PDMS印章，完成轉(zhuǎn)移。
[0142] 圖8.塑料手模型中的翻轉(zhuǎn)的彈性體Ecoflex管的示意性例示。
[0143] 圖9.彈性體襯底的內(nèi)表面上的功能電子器件陣列的示意性例示。
[0144] 圖10.硅轉(zhuǎn)移印刷的示意圖。(a)絕緣體上硅(SOI)襯底；(b)RIE蝕刻釋放Si層中的孔(3μm)；(c)濕法蝕刻SiO2層，(緩沖氧化蝕刻)以釋放Si層；(d)按壓PDMS印章使其與Si接觸；(e)一經(jīng)移除就將Si轉(zhuǎn)移到PDMS印章；(f)將具有轉(zhuǎn)移的Si的PDMS印章按壓到PI層上；(g)在150℃下加熱4分鐘后，印章一經(jīng)移除，Si就被轉(zhuǎn)移到器件。
[0145] 圖11.針對(duì)電觸覺(jué)刺激器的制造過(guò)程的示意圖。(a)硅襯底；(b)旋轉(zhuǎn)涂布100nm的犧牲PMMA；(c)旋轉(zhuǎn)涂布/250℃下烘烤1.2μm聚酰亞胺；(d)轉(zhuǎn)移具有PIN二極管的Si層(未示出釋放孔)；(e)RIE隔離Si納米膜PIN二極管以及Au蒸發(fā)/圖案化；(f)旋轉(zhuǎn)涂布/250℃下烘烤1.2μm聚酰亞胺；(g)用O2RIE在PI中形成用于二極管的接觸通孔；(h)Au蒸發(fā)/圖案化；(i)旋轉(zhuǎn)涂布/250℃下烘烤1.2μm聚酰亞胺；(j)O2RIE以形成聚酰亞胺網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)并暴露電觸覺(jué)電極。
[0146] 圖12.針對(duì)應(yīng)變計(jì)的制造過(guò)程的示意圖。(a)硅襯底；(b)旋轉(zhuǎn)涂布100nm犧牲PMMA；(c)旋轉(zhuǎn)涂布/250℃下烘烤1.2μm聚酰亞胺；(d)轉(zhuǎn)移p摻雜的Si(未示出釋放孔)；(e)Si應(yīng)變計(jì)納米膜的RIE隔離；(f)Au蒸發(fā)/圖案化；(g)旋轉(zhuǎn)涂布/250℃下烘烤1.2μm聚酰亞胺；(h)O2RIE以形成聚酰亞胺網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)。
[0147] 圖13.針對(duì)觸覺(jué)電極的制造過(guò)程的示意圖。(a)硅襯底；(b)旋轉(zhuǎn)涂布100nm犧牲PMMA；(c)旋轉(zhuǎn)涂布/250℃下烘烤1.2μm聚酰亞胺；(d)Au蒸發(fā)/圖案化；(e)旋轉(zhuǎn)涂布/250℃下烘烤1.2μm聚酰亞胺；(f)O2RIE以形成聚酰亞胺網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)。
[0148] 圖14.(A-C)提供了本發(fā)明的一個(gè)可安裝于附肢的電子系統(tǒng)的不同視圖。
[0149] 圖15.提供了本發(fā)明的、容納一個(gè)附肢且與外部表面連系的可安裝于附肢的電子系統(tǒng)的視圖。
[0150] 圖16.示出一個(gè)具有支撐在襯底的內(nèi)表面30上的電子器件的系統(tǒng)。
[0151] 圖17.示出一種用于制造本發(fā)明的可安裝于附肢的電子系統(tǒng)的方法。
[0152] 圖18.是用于制造本文中公開(kāi)的任一個(gè)系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施方案的過(guò)程流概述。
[0153] 圖19.是內(nèi)襯底表面和外襯底表面上的基于電容的觸覺(jué)傳感器的示意圖。
[0154] 圖20.是通過(guò)將襯底澆注成倚靠物體表面來(lái)制造本文中公開(kāi)的任一個(gè)系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施方案的過(guò)程流概述。
具體實(shí)施方式
[0155] 總之，本文中所使用的術(shù)語(yǔ)和短語(yǔ)具有它們的領(lǐng)域公認(rèn)的含義，可以通過(guò)參考標(biāo)準(zhǔn)文本、雜志引用和本領(lǐng)域技術(shù)人員知曉的背景找到這些術(shù)語(yǔ)和短語(yǔ)。提供了下述定義以澄清它們?cè)诒景l(fā)明的背景下的特定用途。
[0156] “殼體”、“內(nèi)部體積”或“內(nèi)部部分”可互換地使用，且指由彈性體襯底的內(nèi)表面限界的空間。因此，在其中該內(nèi)表面限定一個(gè)小殼體、或具有小的進(jìn)入開(kāi)口的方面，殼體內(nèi)部體積相應(yīng)地被局限且不能夠容易地從外部進(jìn)入。此局限可能使得將功能電子器件可靠地放置和定位在限定該殼體的內(nèi)表面上是不切實(shí)際的。本發(fā)明是與寬范圍的襯底可兼容的。例如，可以以多種物理屬性(諸如，模量或厚度)描述襯底。在一個(gè)實(shí)施方案中，該模量是小于約50MPa(諸如，在約100kPa和50MPa之間)的楊氏模量。在一個(gè)實(shí)施方案中，該厚度是小于1mm(諸如，在約0.1mm和1mm之間)的厚度。
[0157] 如本文中所使用的，“共形”指如下的襯底，其具有足夠低的抗彎剛度以允許器件、材料或襯底采用任何期望的輪廓外形，例如允許與具有三維曲率(包括可以隨著時(shí)間或在使用期間變化的曲率)的表面共形接觸的輪廓外形。表面曲率可以是高度不規(guī)則的，其原因在于待被覆蓋的表面可以具有面向彼此的多個(gè)主要表面。因此，共形方面并不簡(jiǎn)單地是基本二維表面的覆蓋，而是涉及覆蓋具有限定體積的三維物體的表面。
[0158] 本文中廣泛地使用的“附肢”指具有由一個(gè)或多個(gè)曲面和/或平坦表面限定的三維體積的任何三維物體。在某些實(shí)施方案中，附肢對(duì)應(yīng)于有生命的組織。在一方面，附肢是生物環(huán)境中的有生命的組織，諸如有生命的動(dòng)物的一部分。在一個(gè)實(shí)施方案中，附肢表面對(duì)應(yīng)于有生命的動(dòng)物(包括人類(lèi))的骨骼、皮膚或表皮層，使得柔性的或可拉伸的襯底的內(nèi)表面共形到有生命的組織的一個(gè)或多個(gè)表面。來(lái)自有生命的動(dòng)物的附肢的實(shí)施例包括但并非限制于手、手指、手指尖、骨骼、顱骨、牙齒、頭、腳、腳趾、腿、臂、軀干、鼻、耳、生殖器或上述各項(xiàng)的任何部分。在某些實(shí)施方案中，附肢對(duì)應(yīng)于無(wú)生命的物體，諸如遠(yuǎn)程受控的儀器、機(jī)器人等的物體，包括用于遠(yuǎn)程感測(cè)應(yīng)用?！翱晒残蔚摹敝溉缦碌钠骷?、材料和/或襯底，其具有足夠低的抗彎剛度以允許該器件、材料和/或襯底采用任何期望的曲面，例如用于與具有高曲率的表面共形接觸。在某些實(shí)施方案中，曲面是使用者的附肢。
[0159] “共形接觸”指在器件與接收表面之間建立的接觸。在一方面，共形接觸涉及器件的一個(gè)或多個(gè)表面(例如，接觸表面)對(duì)一個(gè)表面的整個(gè)形狀的宏觀適應(yīng)。在另一方面，共形接觸涉及器件的一個(gè)或多個(gè)表面(例如，接觸表面)對(duì)一個(gè)表面的微觀適應(yīng)，導(dǎo)致基本上無(wú)空隙的緊密接觸。在一個(gè)實(shí)施方案中，共形接觸涉及器件的(一個(gè)或多個(gè))接觸表面對(duì)(一個(gè)或多個(gè))接收表面的適應(yīng)，使得實(shí)現(xiàn)該緊密接觸，例如，其中小于20％的該器件的接觸表面的表面面積未物理地接觸該接收表面，或可選地小于10％的該器件的接觸表面未物理地接觸該接收表面，或可選地小于5％的該器件的接觸表面未物理地接觸該接收表面。在一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明的方法包括在限定一個(gè)殼體的彈性體襯底的內(nèi)表面與被插入到該殼體內(nèi)的物體之間建立共形接觸?？蛇x地，共形接觸還包括由該彈性體襯底內(nèi)表面和該殼體內(nèi)的曲面支撐的一個(gè)或多個(gè)單晶無(wú)機(jī)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)、一個(gè)或多個(gè)電介質(zhì)結(jié)構(gòu)和/或一個(gè)或多個(gè)金屬導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。
[0160] 如本文中所使用的，“覆蓋(cover)”指彈性體襯底內(nèi)表面與在由該彈性體內(nèi)表面限定的殼體內(nèi)的物體表面之間的共形接觸區(qū)域，特別是在防止所述兩個(gè)表面之間相對(duì)移動(dòng)的自生成的接觸力下。在一方面，進(jìn)行覆蓋的襯底部分可以具有恒定的且均勻的厚度。在一方面，覆蓋可以具有襯底厚度的空間分布。替代地，覆蓋包括襯底具有穿孔(諸如，網(wǎng)孔或交織配置)以允許表面透氣性的實(shí)施方案。接觸力可以均勻地分布在覆蓋面積上，或替代地可以空間地分布，諸如表面不相對(duì)于彼此移動(dòng)的特定區(qū)域是重要的特定位置具有較高的接觸力。該位置可以對(duì)應(yīng)于例如具有高的功能電子器件密度的位置。
[0161] “開(kāi)放網(wǎng)孔幾何結(jié)構(gòu)”指材料的表面面積的至少20％、至少40％、至少60％或在約20％和80％之間是開(kāi)放的或空的空間的材料，如由材料的外周界限定的。因此，該材料可以指與可以是連續(xù)表面或可以自身是網(wǎng)孔的襯底相疊置的電氣互連線。具有這樣的開(kāi)放網(wǎng)孔幾何結(jié)構(gòu)的互連線被可選地直接地或間接地栓系到襯底表面——諸如栓系在連接到被結(jié)合至襯底的剛性器件島的端部。這樣的網(wǎng)孔幾何結(jié)構(gòu)可以具有明顯的縱向限定的軸線，包括具有不同取向的多個(gè)軸線，以便于在多于一個(gè)方向上彎曲和拉伸。在一方面，網(wǎng)孔具有相對(duì)于彼此正交的或基本上正交的兩個(gè)方向。在一方面，基本上正交指在絕對(duì)垂直的約10°內(nèi)。
[0162] “封閉的管幾何結(jié)構(gòu)”指的是如下的襯底，其端部被約束且不能夠在基本上不影響襯底的其他部分的情況下移動(dòng)。封閉的管幾何結(jié)構(gòu)的一個(gè)實(shí)施例例如是矩形襯底的被接合到圓柱形管內(nèi)的端部。
[0163] 可以以“橫向尺度”(諸如，用于接收附肢表面的橫向尺度)進(jìn)一步限定任一個(gè)柔性的或可拉伸的襯底。橫向尺度的實(shí)施例包括沿著所選擇的橫截面的長(zhǎng)度、直徑或周界。還可以以表面面積(諸如，可用于與附肢的表面共形接觸或用于與外部表面接觸的表面面積)限定襯底。本文中所提供的系統(tǒng)和方法的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它們是可與寬范圍的尺度兼容且根據(jù)感興趣的應(yīng)用選擇系統(tǒng)和方法，對(duì)于小規(guī)模，該尺度范圍從1mm到10cm，對(duì)于大規(guī)模應(yīng)用，該尺度范圍高達(dá)且包括10cm到1000cm規(guī)模。
[0164] 各個(gè)不同實(shí)施方案的中心方面是提供彈性體襯底，該彈性體襯底提供自生成的力，以提供和維持與殼體內(nèi)的物體表面的緊密且共形的接觸。因此，本文中所提供的任何一個(gè)器件和方法中的一個(gè)方面是一個(gè)殼體，該殼體具有(在幅度和形狀方面)可擴(kuò)展且可調(diào)整的內(nèi)部體積以便容納或接收比靜置時(shí)殼體體積或尺寸更大的物體。例如，襯底拉伸或被主動(dòng)地拉伸以容納殼體或內(nèi)部部分內(nèi)的曲面，使得內(nèi)表面與該表面共形接觸。諸如可以通過(guò)將襯底內(nèi)部體積的尺寸設(shè)定為小于待要被接收的表面(其是封閉表面)的內(nèi)部體積來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。替代地，諸如對(duì)于開(kāi)放的內(nèi)部體積，襯底可以在張力下圍繞該表面卷繞，從而確保內(nèi)表面與被容納的表面之間的緊密且共形的接觸。襯底的端部可以通過(guò)粘合劑、結(jié)合機(jī)構(gòu)(例如，鈕扣、維可牢、鉤等)或通過(guò)自粘合固定就位。自生成的接觸力提供且維持共形接觸的此方面在原本會(huì)對(duì)共形接觸且因此對(duì)器件保形度造成不利影響的費(fèi)力的(strenuous)運(yùn)行條件下是特別有用的。例如，可以在涉及有力的且大量運(yùn)動(dòng)和力的狀況下采用相對(duì)高的接觸力。
[0165] “可互換地可翻轉(zhuǎn)”指可以襯底的內(nèi)部可以被向外翻出并且不永久地影響襯底機(jī)械屬性或?qū)δ茈娮悠骷墓δ軈?shù)造成不利影響。
[0166] “功能參數(shù)”被用于評(píng)估電子器件是否維持功能，和/或用于評(píng)估功能程度或損壞程度。例如，本文中所提供的許多器件和方法涉及支撐功能電子器件的表面的翻轉(zhuǎn)。這樣的翻轉(zhuǎn)與相對(duì)高的局部應(yīng)力、應(yīng)變和彎曲力矩相關(guān)聯(lián)。本發(fā)明的一個(gè)重要的功能益處是在不對(duì)相關(guān)聯(lián)的器件或器件部件造成不利影響的情況下執(zhí)行這樣的翻轉(zhuǎn)的能力。常規(guī)電子器件不是可彎曲的和柔性的，其或是完全破裂，或是它們的功能受表面翻轉(zhuǎn)動(dòng)作影響嚴(yán)重。量化此功能益處的一種方式是通過(guò)比較翻轉(zhuǎn)之前和翻轉(zhuǎn)之后的器件性能(本文中被廣泛地稱(chēng)作“功能參數(shù)”)。在一方面，通過(guò)基于是物理信號(hào)(針對(duì)傳感器)或電子輸入(針對(duì)致動(dòng)器)的輸入來(lái)評(píng)估輸出，該功能參數(shù)可以反映功能電子器件是否運(yùn)行。此指示適合于通過(guò)翻轉(zhuǎn)之前的同等輸入的偏差來(lái)評(píng)估無(wú)功能性的程度，或適合于評(píng)估總無(wú)功能性。在此情況下，選擇使用者選擇的容限，諸如，在20％內(nèi)、在10％內(nèi)或在5％內(nèi)的輸出反映令人滿意的功能性。當(dāng)器件指的是個(gè)體功能電子器件時(shí)，功能參數(shù)“基本不退化”指滿足20％、10％、5％容限的器件。對(duì)于一個(gè)陣列的方面，該功能參數(shù)指該陣列器件的至少80％、至少90％或至少95％在翻轉(zhuǎn)之后維持功能。
[0167] “功能電子器件”指與接觸該器件的表面連系的電子器件，諸如，傳感器或致動(dòng)器。功能電子器件提供關(guān)于連系的有用信息。例如，對(duì)于觸覺(jué)傳感器，該器件提供與該傳感器和該表面之間的力成比例的輸出。對(duì)于電觸覺(jué)刺激器，存在對(duì)在該刺激器下面的神經(jīng)的電刺激或致動(dòng)。作為對(duì)比，位置傳感器提供基于傳感器的移動(dòng)的輸出，且因此本身不與表面連系，但仍被包括在功能電子器件的范圍內(nèi)。因此，“功能電子器件”在本文中被廣泛地使用且包括具有合適的薄幾何結(jié)構(gòu)和布局以維持或有助于高度柔性和可拉伸性的任何傳感器或致動(dòng)器。功能電子器件的實(shí)施例包括：電極、致動(dòng)器、應(yīng)變傳感器、運(yùn)動(dòng)傳感器、位移傳感器、加速度傳感器、壓力傳感器、力傳感器、化學(xué)傳感器、pH傳感器、觸覺(jué)傳感器、光學(xué)傳感器、電磁輻射源、溫度傳感器、熱源、電容式傳感器以及上述各項(xiàng)的組合。觸覺(jué)傳感器提供與傳感器和表面之間的力成比例的輸出。電觸覺(jué)刺激器提供對(duì)該刺激器下面的神經(jīng)的電刺激或致動(dòng)，以便提供一種虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。
[0168] “器件部件”廣泛地指代器件的一個(gè)單獨(dú)部分，但其內(nèi)部和本身不足以提供功能信息?！盎ミB線”是部件的一個(gè)實(shí)例，且指的是能夠與另一個(gè)部件或在部件之間建立電氣連接的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)。尤其，互連線可以在分立的部件之間建立電氣接觸。根據(jù)期望的器件規(guī)格、運(yùn)行和應(yīng)用，由合適的材料制成互連線。合適的傳導(dǎo)材料包含半導(dǎo)體和金屬導(dǎo)體。另一個(gè)有用的器件部件是薄納米膜，該薄納米膜可以形成二極管的一部分。因此，功能電子器件可以被表征為由器件部件組成。
[0169] 其他部件包括但不限于：薄膜晶體管(TFT)、晶體管、二極管、電極、集成電路、電路元件、控制元件、光伏元件、光伏元件(例如，太陽(yáng)能電池)、傳感器、發(fā)光元件、致動(dòng)器、壓電元件、接收器、發(fā)射器、微處理器、換能器、島、橋和上述各項(xiàng)的組合。如本領(lǐng)域已知的，部件可以被連接到一個(gè)或多個(gè)接觸焊盤(pán)，諸如通過(guò)金屬蒸發(fā)、線鍵合以及應(yīng)用固體或?qū)щ娔z，例如，從而形成器件島。本發(fā)明的電子器件可以包括一個(gè)或多個(gè)部件，可選地設(shè)置在互連的配置中。
[0170] “電子器件”一般指包含多個(gè)部件和功能電子器件的器件，其包括大面積電子器件、印刷線板、集成電路、陣列、生物和/或化學(xué)傳感器、物理傳感器(例如，溫度、應(yīng)變等)、納機(jī)電系統(tǒng)、微機(jī)電系統(tǒng)、光伏器件、通信系統(tǒng)、醫(yī)用器件、光學(xué)器件和光電器件。電子器件可以感測(cè)表面的屬性和/或可以控制表面的屬性。
[0171] “感測(cè)”和“傳感器”指用于檢測(cè)物理、生物狀態(tài)、和/或化學(xué)屬性的存在、缺失、數(shù)量、幅度或強(qiáng)度的功能電子器件或器件部件。對(duì)于感測(cè)有用的電子器件部件包括但不限于：電極元件、化學(xué)或生物傳感器元件、pH傳感器、溫度傳感器、觸覺(jué)傳感器、應(yīng)變傳感器、機(jī)械傳感器、位置傳感器、光學(xué)傳感器和電容式傳感器。有用的功能電子器件包括如下的各種器件部件，所述各種器件部件被適當(dāng)?shù)夭贾靡蕴峁┯糜跈z測(cè)相鄰電勢(shì)的電極、用于檢測(cè)生物狀況(例如，疾病狀態(tài)、細(xì)胞類(lèi)型、細(xì)胞狀況)或化學(xué)、pH、溫度、壓力、位置、電磁輻射(包括在期望的波長(zhǎng)——諸如與注入到組織中的熒光染料相關(guān)聯(lián)的波長(zhǎng)——上)、電勢(shì)的傳感器。
[0172] “致動(dòng)”和“致動(dòng)器”指對(duì)于相互作用、刺激、控制或以其他方式影響外部結(jié)構(gòu)、材料或流體(例如是生物組織的目標(biāo)組織)有用的功能電子器件或器件部件。有用的致動(dòng)元件包括但不限于電極元件、電磁輻射發(fā)射元件、發(fā)光二極管、激光器和加熱元件。功能電子器件包括如下的致動(dòng)器，所述致動(dòng)器是用于向組織提供電壓或電流的電極、用于向組織提供電磁輻射的電磁輻射源(諸如，LED)。致動(dòng)器還包括用于切除組織的切除源、用于加熱組織的熱源、用于移置或以其他方式移動(dòng)組織的位移源、用于釋放生物制劑或化學(xué)制劑以影響生物功能(諸如包括細(xì)胞死亡、細(xì)胞增殖的生物響應(yīng)、或通過(guò)應(yīng)用生物制劑或化學(xué)制劑進(jìn)行細(xì)胞治療)的生物制劑或化學(xué)制劑儲(chǔ)器。致動(dòng)器可以是電觸覺(jué)傳感器。
[0173] “觸覺(jué)傳感器”指對(duì)觸覺(jué)敏感的轉(zhuǎn)換器，諸如通過(guò)將力或壓力轉(zhuǎn)換成來(lái)自傳感器的電壓輸出?！半娪|覺(jué)刺激器”指電刺激皮膚神經(jīng)以模擬感覺(jué)的電子器件，且該電子器件可以被歸類(lèi)為致動(dòng)器。
[0174] “半導(dǎo)體”指如下的任何材料，其在非常低的溫度下是絕緣體，而在大約300開(kāi)爾文溫度下具有可估量的電導(dǎo)率。在本說(shuō)明書(shū)中，術(shù)語(yǔ)半導(dǎo)體的使用意在與該術(shù)語(yǔ)在微電子和電子器件領(lǐng)域的使用一致。有用的半導(dǎo)體包括包含元素半導(dǎo)體(如硅、鍺和金剛石)和化合物半導(dǎo)體(如IV族化合物半導(dǎo)體，如SiC和SiGe，III-V族半導(dǎo)體諸如AlSb、AlAs、AlN、AlP、BN、BP、BAs、GaSb、GaAs、GaN、GaP、InSb、InAs、InN和InP，III-V族三元半導(dǎo)體合金諸如AlxGa1-xAs，II-VI族半導(dǎo)體諸如CsSe、CdS、CdTe、ZnO、ZnSe、ZnS和ZnTe，I-VII族半導(dǎo)體諸如CuCl，IV-VI族半導(dǎo)體諸如PbS、PbTe和SnS，層半導(dǎo)體諸如PbI2、MoS2和GaSe,氧化物半導(dǎo)體諸如CuO和Cu2O)。術(shù)語(yǔ)半導(dǎo)體包含本征半導(dǎo)體和摻雜有一種或多種被選材料的非本征半導(dǎo)體(非本征半導(dǎo)體包括具有p型摻雜材料和n型摻雜材料的半導(dǎo)體)，以提供對(duì)于給定的應(yīng)用或器件有用的有益的電子特性。術(shù)語(yǔ)半導(dǎo)體包括包含半導(dǎo)體和/或摻雜物的混合物的復(fù)合材料。對(duì)于一些實(shí)施方案有用的特定的半導(dǎo)體材料包括但不限于：Si、Ge、Se、金剛石、富勒烯、SiC、SiGe、SiO、SiO2、SiN、AlSb、AlAs、AlIn、AlN、AlP、AlS、BN、BP、BAs、As2S3、GaSb、GaAs、GaN、GaP、GaSe、InSb、InAs、InN、InP、CsSe、CdS、CdSe、CdTe、Cd3P2、Cd3As2、Cd3Sb2、ZnO、ZnSe、ZnS、ZnTe、Zn3P2、Zn3As2、Zn3Sb2、ZnSiP2、CuCl、PbS、PbSe、PbTe、FeO、FeS2、NiO、EuO、EuS、PtSi、TlBr、CrBr3、SnS、SnTe、PbI2、MoS2、GaSe、CuO、Cu2O、HgS、HgSe、HgTe、HgI2、MgS、MgSe、MgTe、CaS、CaSe、SrS、SrTe、BaS、BaSe、BaTe、SnO2、TiO、TiO2、Bi2S3、Bi2O3、Bi2Te3、BiI3、UO2、UO3、AgGaS2、PbMnTe、BaTiO3、SrTiO3、LiNbO3、La2CuO4、La0.7Ca0.3MnO3、CdZnTe、CdMnTe、CuInSe2、銅銦鎵硒(CIGS)、HgCdTe、HgZnTe、HgZnSe、PbSnTe、Tl2SnTe5、Tl2GeTe5、AlGaAs、AlGaN、AlGaP、AlInAs、AlInSb、AlInP、AlInAsP、AlGaAsN、GaAsP、GaAsN、GaMnAs、GaAsSbN、GaInAs、GaInP、AlGaAsSb、AlGaAsP、AlGaInP、GaInAsP、InGaAs、InGaP、InGaN、InAsSb、InGaSb、InMnAs、InGaAsP、InGaAsN、InAlAsN、GaInNAsSb、GaInAsSbP以及它們的任何組合。多孔硅半導(dǎo)體材料對(duì)于本文中所描述的多個(gè)方面是有用的。半導(dǎo)體材料的雜質(zhì)是除半導(dǎo)體材料自身或提供給半導(dǎo)體材料的任何摻雜物以外的原子、元素、離子和/或分子。雜質(zhì)是半導(dǎo)體材料中存在的不期望的材料，其可對(duì)半導(dǎo)體材料的電子特性產(chǎn)生不利影響，雜質(zhì)包括但不限于氧、碳以及包括重金屬的金屬。重金屬雜質(zhì)包括但不限于：元素周期表上在銅與鉛之間的一組元素、鈣、鈉和它們的所有離子、化合物和/或復(fù)合物。
[0175] “半導(dǎo)體部件”廣泛地指任何半導(dǎo)體材料、成分或結(jié)構(gòu)，且明確包括高質(zhì)量單晶和多晶半導(dǎo)體、通過(guò)高溫處理制造的半導(dǎo)體材料、摻雜半導(dǎo)體材料、無(wú)機(jī)半導(dǎo)體以及復(fù)合半導(dǎo)體材料。
[0176] “納米結(jié)構(gòu)材料”和“微米結(jié)構(gòu)材料”分別指具有一個(gè)或多個(gè)納米尺寸物理尺度(例如，厚度)或特征(如凹陷的或浮雕(relief)特征)的材料和具有一個(gè)或多個(gè)微米尺寸物理尺度(例如，厚度)或特征(如凹陷的或浮雕(relief)特征)的材料，例如一個(gè)或多個(gè)納米尺寸和微米尺寸的溝道、空隙、細(xì)孔、柱等。納米材料的浮雕特征或凹陷特征具有選自1-1000nm范圍的至少一個(gè)物理尺度，同時(shí)微米結(jié)構(gòu)材料的浮雕特征或凹陷特征具有選自
1-1000μm的范圍的至少一個(gè)物理尺度。納米結(jié)構(gòu)和微米結(jié)構(gòu)材料包含例如薄膜(例如，微米膜和納米膜)、多孔材料、凹陷特征的圖案、浮雕特征的圖案、具有研磨或粗糙表面的材料等。納米膜結(jié)構(gòu)還是納米結(jié)構(gòu)材料的一個(gè)例子，且微米膜結(jié)構(gòu)是微米結(jié)構(gòu)材料的一個(gè)例子。在一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明提供了如下器件，其包含一個(gè)或多個(gè)納米結(jié)構(gòu)或微米結(jié)構(gòu)的無(wú)機(jī)半導(dǎo)體部件、一個(gè)或多個(gè)納米結(jié)構(gòu)或微米結(jié)構(gòu)的金屬導(dǎo)體部件、一個(gè)或多個(gè)納米結(jié)構(gòu)或微米結(jié)構(gòu)的電介質(zhì)部件、一個(gè)或多個(gè)納米結(jié)構(gòu)或微米結(jié)構(gòu)的包封層和/或一個(gè)或多個(gè)納米結(jié)構(gòu)或微米結(jié)構(gòu)的襯底層。
1-1000μm的范圍的至少一個(gè)物理尺度。納米結(jié)構(gòu)和微米結(jié)構(gòu)材料包含例如薄膜(例如，微米膜和納米膜)、多孔材料、凹陷特征的圖案、浮雕特征的圖案、具有研磨或粗糙表面的材料等。納米膜結(jié)構(gòu)還是納米結(jié)構(gòu)材料的一個(gè)例子，且微米膜結(jié)構(gòu)是微米結(jié)構(gòu)材料的一個(gè)例子。在一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明提供了如下器件，其包含一個(gè)或多個(gè)納米結(jié)構(gòu)或微米結(jié)構(gòu)的無(wú)機(jī)半導(dǎo)體部件、一個(gè)或多個(gè)納米結(jié)構(gòu)或微米結(jié)構(gòu)的金屬導(dǎo)體部件、一個(gè)或多個(gè)納米結(jié)構(gòu)或微米結(jié)構(gòu)的電介質(zhì)部件、一個(gè)或多個(gè)納米結(jié)構(gòu)或微米結(jié)構(gòu)的包封層和/或一個(gè)或多個(gè)納米結(jié)構(gòu)或微米結(jié)構(gòu)的襯底層。
[0177] 部件可以是納米膜材料?！凹{米膜”是厚度選自1-1000nm范圍的結(jié)構(gòu)，或替代地，對(duì)于一些應(yīng)用厚度選自1-100nm的范圍，例如被設(shè)置成帶狀物、柱狀物或薄層形式。在一些實(shí)施方案中，納米帶是電子器件的半導(dǎo)體、電介質(zhì)或金屬導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。在一些實(shí)施方案中，納米帶具有小于1000nm且可選地小于100nm的厚度。在一些實(shí)施方案中，納米帶具有選自0.1至0.0001范圍的厚度與橫向尺度(例如，長(zhǎng)度或?qū)挾?的比。
[0178] “中性機(jī)械平面”(NMP)指在器件的橫向b與縱向I中存在的虛平面。與器件的位于沿該器件的豎直軸線h的更極端位置處和/或在該器件的更可彎曲的層中的其他平面相比，NMP不易受彎曲應(yīng)力影響。因此，通過(guò)器件的厚度和形成器件層的材料兩者一起來(lái)確定NMP的位置。在一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明的器件包括一個(gè)或多個(gè)無(wú)機(jī)半導(dǎo)體部件、一個(gè)或多個(gè)金屬導(dǎo)體部件、或被設(shè)置與該器件的中性機(jī)械平面重合的或緊鄰的一個(gè)或多個(gè)無(wú)機(jī)半導(dǎo)體部件和一個(gè)或多個(gè)金屬導(dǎo)體部件。提供了包括包含多個(gè)層的多種中性機(jī)械平面系統(tǒng)的實(shí)施例被提供，例如在美國(guó)專(zhuān)利公布No.2010/0002402(代理人卷號(hào)213-07)中，該美國(guó)專(zhuān)利公布通過(guò)引用定位中性機(jī)械平面的方法而被特別地納入。
[0179] “重合的”指兩個(gè)或更多個(gè)物體、平面或表面的相對(duì)位置，例如，一個(gè)諸如中性機(jī)械平面的表面被定位在一個(gè)層中或鄰近該層，該層諸如是功能層、襯底層或其他層。在一個(gè)實(shí)施方案中，中性機(jī)械平面被定位以對(duì)應(yīng)于該層中的最應(yīng)變敏感層或材料。
[0180] “緊鄰的”指兩個(gè)或更多個(gè)物體、平面或表面的相對(duì)位置，例如，一個(gè)中性機(jī)械平面，其緊跟一個(gè)層(諸如功能層、襯底層或其他層)的位置，同時(shí)在不對(duì)應(yīng)變敏感材料的物理屬性產(chǎn)生不利影響的情況下仍提供期望的順應(yīng)性?！皯?yīng)變敏感”指響應(yīng)相對(duì)低的應(yīng)變水平而斷裂或以其他方式受損的材料。通常，具有高應(yīng)變敏感性、且因此傾向于成為第一個(gè)斷裂層的層位于功能層中，諸如含有相對(duì)易碎的半導(dǎo)體或其他應(yīng)變敏感器件元件的功能層。與一個(gè)層緊鄰的中性機(jī)械平面不需要被約束在該層中，而是可以緊鄰定位或被定位為充分接近，以在器件被共形到組織表面時(shí)提供減小該應(yīng)變敏感器件元件上的應(yīng)變的功能益處。在一些實(shí)施方案中，緊鄰指第一元件的位置在第二元件的100微米內(nèi)，或可選地對(duì)于一些實(shí)施方案在10微米內(nèi)，或可選地對(duì)于一些實(shí)施方案在1微米內(nèi)。
[0181] “部件”被用于廣泛地指代器件中使用的材料或個(gè)體部件?！盎ミB線”是部件的一個(gè)實(shí)例，指的是能夠與一個(gè)部件或在部件之間建立電氣連接的導(dǎo)電材料。尤其，互連線可以在分立的和/或可以相對(duì)于彼此移動(dòng)的部件之間建立電氣接觸。根據(jù)期望的器件規(guī)格、運(yùn)行和應(yīng)用，由合適的材料制成互連線。對(duì)于需要高導(dǎo)電率的應(yīng)用，可以使用典型的互連線金屬，包括但不限制于銅、銀、金、鋁等以及合金。合適的導(dǎo)電材料還包括半導(dǎo)體，諸如硅和GaAs以及其他導(dǎo)電材料諸如銦錫氧化物。
[0182] 本文中所使用的“可拉伸的”或“柔性的”互連線廣泛地指能夠在不對(duì)到器件部件的電氣連接或來(lái)自器件部件的電傳導(dǎo)產(chǎn)生不利影響的情況下經(jīng)受各種各樣的力和應(yīng)變(諸如，在一個(gè)或多個(gè)方向上拉伸、彎曲和/或壓縮)的互連線。因此，可拉伸的互連線可以是由相對(duì)易碎的材料(諸如，GaAs)形成的，但即使被暴露于顯著變形力(例如，拉伸、彎曲、壓縮)仍能夠由于互連線的幾何結(jié)構(gòu)配置保持繼續(xù)運(yùn)作。在一個(gè)示例性實(shí)施方案中，可拉伸的互連線可以經(jīng)受大于1％可選地10％或可選地30％或可選地高達(dá)100％的應(yīng)變而不斷裂。在一個(gè)實(shí)施例中，應(yīng)變是通過(guò)拉伸下面的彈性體襯底生成的,互連線的至少一部分鍵合到該彈性體襯底。對(duì)于某些實(shí)施方案，柔性的或可拉伸的互連線包括具有波浪形、曲折或蛇形形狀的互連線。
[0183] 在說(shuō)明書(shū)的上下文中，“彎曲配置”指具有由于施加力而導(dǎo)致的曲線構(gòu)造的結(jié)構(gòu)。彎曲結(jié)構(gòu)可以具有一個(gè)或多個(gè)折疊區(qū)、凸區(qū)、凹區(qū)以及上述各項(xiàng)的任何組合。有用的彎曲結(jié)構(gòu)例如可以被設(shè)置成盤(pán)繞的構(gòu)造、起皺的構(gòu)造、彎折的構(gòu)造和/或波浪形(即，波浪形形狀)構(gòu)造。彎曲結(jié)構(gòu)(諸如，可拉伸的彎曲互連線)可以被鍵合到柔性襯底(諸如，聚合物和/或彈性襯底)，在一個(gè)配置中其中彎曲結(jié)構(gòu)處于應(yīng)變下。在一些實(shí)施方案中，彎曲結(jié)構(gòu)(諸如，彎曲帶狀結(jié)構(gòu))處于等于或小于30％的應(yīng)變下，可選地處于等于或小于10％的應(yīng)變下，可選地處于等于或小于5％的應(yīng)變下且在對(duì)于一些應(yīng)用優(yōu)選的實(shí)施方案中可選地處于等于或小于1％的應(yīng)變下。在一些實(shí)施方案中，彎曲結(jié)構(gòu)(諸如，彎曲帶狀結(jié)構(gòu))處于選自0.5％到30％的范圍的應(yīng)變下，可選地處于選自0.5％到10％的范圍的應(yīng)變下，且可選地處于選自0.5％到5％的范圍的應(yīng)變下。替代地，該可拉伸的彎曲互連線可以被鍵合到是器件部件的襯底的一個(gè)襯底，包括自身不是柔性的襯底。該襯底自身可以是平面、基本平面、曲線的，具有銳利邊緣或上述各項(xiàng)的任何組合?？衫斓膹澢ミB線可轉(zhuǎn)移到這些復(fù)雜襯底表面形狀中的任一個(gè)或多個(gè)。
[0184] “器件部件”被用于廣泛地指電氣器件、光學(xué)器件、機(jī)械器件或熱器件中的個(gè)體部件。部件包括但不限于：光電二極管、LED、TFT、電極、半導(dǎo)體、其他光收集/檢測(cè)部件、晶體管、集成電路、能夠接收器件部件的觸墊、薄膜器件、電路元件、控制元件、微處理器、換能器以及上述各項(xiàng)的組合。器件部件可以被連接到本領(lǐng)域中已知的一個(gè)或多個(gè)觸墊，例如，諸如通過(guò)金屬蒸發(fā)、線鍵合以及應(yīng)用固體或?qū)щ娔z。電學(xué)器件通常指包含多個(gè)器件部件的器件，且包括大面積電子器件、印刷線板、集成電路、器件部件陣列、生物和/或化學(xué)傳感器、物理傳感器(例如，溫度、光、輻射等)、太陽(yáng)能電池或光伏陣列、顯示器陣列、光收集器、系統(tǒng)和顯示器。
[0185] “島”或“器件島”指包含多個(gè)半導(dǎo)體元件或有源半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的電子器件的相對(duì)剛性的器件元件或部件。“橋”或“橋結(jié)構(gòu)”指使兩個(gè)或更多個(gè)器件島互連與另一個(gè)器件部件互連或使一個(gè)器件島與另一個(gè)器件部件互連的可拉伸的或柔性的結(jié)構(gòu)。特定的橋結(jié)構(gòu)包括柔性的半導(dǎo)體互連線。
[0186] “包封(encapsulate)”指一個(gè)結(jié)構(gòu)的定向使得它至少部分地、在某些情況下完全地，被一個(gè)或多個(gè)其他結(jié)構(gòu)(諸如襯底、粘合劑層或包封層)包圍?！安糠值匕狻敝敢粋€(gè)結(jié)構(gòu)的定向使得它被一個(gè)或多個(gè)其他結(jié)構(gòu)部分地包圍，例如，其中該結(jié)構(gòu)的30％、或可選地50％、或可選地90％的外部表面被一個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)包圍?！巴耆匕狻敝敢粋€(gè)結(jié)構(gòu)的定向使得它被一個(gè)或多個(gè)其他結(jié)構(gòu)完全地包圍。本發(fā)明包含具有部分地或完全地包封的無(wú)機(jī)半導(dǎo)體部件、金屬導(dǎo)體部件和/或電介質(zhì)部件的器件，例如，通過(guò)包含聚合物包封物，諸如彈性體包封物。
[0187] “阻擋層”指將兩個(gè)或更多個(gè)其他器件部件在空間上分開(kāi)或?qū)⑵骷考c該器件外部的結(jié)構(gòu)、材料、流體在空間上分開(kāi)的器件部件。在一個(gè)實(shí)施方案中，阻擋層包封一個(gè)或多個(gè)器件部件。在一些實(shí)施方案中，阻擋層將一個(gè)或多個(gè)器件部件與水性溶液、生物組織和/或生物環(huán)境分開(kāi)。在一些實(shí)施方案中，阻擋層是無(wú)源器件部件。在一些實(shí)施方案中，阻擋層是功能器件部件、但非有源器件部件。在一個(gè)特定的實(shí)施方案中，阻擋層是濕氣阻擋層。如本文中所使用的，術(shù)語(yǔ)“濕氣阻擋層”指提供對(duì)其他器件部件的保護(hù)使其免受體液、離子溶液、水或其他溶劑的影響的阻擋層。在一個(gè)實(shí)施方案中，阻擋層例如通過(guò)防止泄露電流逸出包封器件部件且到達(dá)外部結(jié)構(gòu)、材料或流體來(lái)提供對(duì)外部結(jié)構(gòu)、材料或流體的保護(hù)。在一個(gè)特定的實(shí)施方案中，阻擋層是熱阻擋層。如本文中所使用的，術(shù)語(yǔ)“熱阻擋層”指用作熱絕緣體的阻擋層，該阻擋層防止、減少或以其他方式限制熱量從一個(gè)器件部件傳遞到另一個(gè)器件部件或從一個(gè)器件部件傳遞到外部結(jié)構(gòu)、流體或材料。有用的熱阻擋層包括含有熱傳導(dǎo)率是0.3W/m〃K或更小的(諸如，在0.0001到0.3W/m〃K的范圍上選擇的熱傳導(dǎo)率)
材料的那些熱阻擋層。在一些實(shí)施方案中，熱阻擋層包括有源冷卻部件，諸如，熱管理領(lǐng)域中已知的部件，諸如，熱電冷卻器件和系統(tǒng)。熱阻擋層還包括包含熱管理結(jié)構(gòu)(諸如，對(duì)于將熱量傳輸遠(yuǎn)離器件或組織的一部分有用的結(jié)構(gòu))的那些阻擋層；在這些實(shí)施方案以及其他實(shí)施方案中，熱阻擋層包括熱傳導(dǎo)材料，例如，具有高熱傳導(dǎo)率的材料，諸如，金屬的熱傳導(dǎo)率特性。
材料的那些熱阻擋層。在一些實(shí)施方案中，熱阻擋層包括有源冷卻部件，諸如，熱管理領(lǐng)域中已知的部件，諸如，熱電冷卻器件和系統(tǒng)。熱阻擋層還包括包含熱管理結(jié)構(gòu)(諸如，對(duì)于將熱量傳輸遠(yuǎn)離器件或組織的一部分有用的結(jié)構(gòu))的那些阻擋層；在這些實(shí)施方案以及其他實(shí)施方案中，熱阻擋層包括熱傳導(dǎo)材料，例如，具有高熱傳導(dǎo)率的材料，諸如，金屬的熱傳導(dǎo)率特性。
[0188] “生物可兼容的”指當(dāng)其被布置在體內(nèi)生物環(huán)境中時(shí)不引起免疫排斥或有害作用(本文中被稱(chēng)作有害免疫反應(yīng))的材料。例如，當(dāng)生物可兼容的材料被移植到人或動(dòng)物內(nèi)時(shí)，指示免疫反應(yīng)的生物標(biāo)記相對(duì)于基準(zhǔn)值變化小于10％，或小于20％，或小于25％，或小于40％，或小于50％。替代地，可以在組織方面確定免疫反應(yīng)，其中通過(guò)視覺(jué)上評(píng)估移植器件中或與移植器件相鄰的標(biāo)記(包括免疫細(xì)胞或在免疫反應(yīng)路徑中涉及的標(biāo)記)來(lái)評(píng)估局部免疫反應(yīng)。在一方面，生物可兼容的器件不明顯改變?cè)诮M織方面確定的免疫反應(yīng)。在一些實(shí)施方案中，本發(fā)明提供被配置成用于在不引起有害的免疫反應(yīng)的情況下長(zhǎng)期移植(諸如，數(shù)周到數(shù)月量級(jí)上)的生物可兼容的器件。該移植的確預(yù)期到一些免疫反應(yīng)以及對(duì)于任何微創(chuàng)手術(shù)可能發(fā)生的相關(guān)聯(lián)的傷疤，只要該免疫反應(yīng)是限定在局部的、暫時(shí)的且不會(huì)導(dǎo)致大范圍炎癥和伴隨的有害影響，且與僅相應(yīng)的物理創(chuàng)傷相比移植的器件不會(huì)大幅增強(qiáng)免疫反應(yīng)。
[0189] “生物惰性”指當(dāng)其被布置在體內(nèi)生物環(huán)境中時(shí)不引起人或動(dòng)物免疫反應(yīng)的材料。例如，當(dāng)生物惰性材料被移植到人或動(dòng)物內(nèi)時(shí)，指示免疫反應(yīng)的生物標(biāo)記維持基本恒定(基準(zhǔn)值上下5％)。在一些實(shí)施方案中，本發(fā)明提供了生物惰性系統(tǒng)、器件以及相關(guān)方法。
[0190] “多路復(fù)用(multiplexed)”指提供對(duì)元件陣列的方便控制的電子電路。例如，專(zhuān)利合作條約公布WO 2011/084450(126-09WO)描述了電生理學(xué)應(yīng)用中的多路復(fù)用電路，該專(zhuān)利合作條約公布以引用的方式特別納入。其他實(shí)例包括美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)公布2003/0149456公開(kāi)了一種多電極心臟導(dǎo)線適配器，其包含允許通過(guò)常規(guī)單引線心臟起搏脈沖發(fā)生器控制的多路復(fù)用電路。類(lèi)似地，美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)公布2006/0173364公開(kāi)了一種多通道電生理學(xué)采集系統(tǒng)，其利用了建立在常規(guī)集成電路上的數(shù)字多路復(fù)用電路。
[0191] “超薄”指展現(xiàn)極端程度的可彎曲性的薄幾何結(jié)構(gòu)的器件。在一個(gè)實(shí)施方案中，超薄指具有小于1μm、小于600nm或小于500nm的厚度的電路。在一個(gè)實(shí)施方案中，一個(gè)超薄的多層器件具有小于200μm、小于50μm或小于10μm厚度。
[0192] “薄層”指至少部分地覆蓋在下面的襯底的材料，其中厚度小于或等于300μm，小于或等于200μm，或小于或等于50μm。替代地，以功能參數(shù)(諸如，足以隔離或大幅減小電子器件上的應(yīng)變)描述該層，且更具體地該層被描述為電子器件中對(duì)應(yīng)變敏感的功能層。
[0193] “聚合物”指由通過(guò)共價(jià)化學(xué)鍵連接的重復(fù)結(jié)構(gòu)單元組成的大分子或一個(gè)或多個(gè)單體的聚合產(chǎn)物組成的大分子，常常由高分子量表征。術(shù)語(yǔ)聚合物包括均聚物，或基本上由單一重復(fù)單體亞單位組成的聚合物。術(shù)語(yǔ)聚合物還包含共聚物，或基本上由兩種或更多種單體亞單位組成的聚合物(如無(wú)規(guī)共聚物、嵌段共聚物、交替共聚物、多嵌段共聚物、接枝共聚物、標(biāo)記共聚物以及其他共聚物。有用的聚合物包含無(wú)定形、半無(wú)定形、結(jié)晶或部分地結(jié)晶狀態(tài)的有機(jī)聚合物或無(wú)機(jī)聚合物。對(duì)于某些應(yīng)用，具有聯(lián)接的單體鏈的交聯(lián)聚合物是特別有用的。在方法、器件和部件中可使用的聚合物包含而非限制于：塑料、彈性體、熱塑性彈性體、彈性塑料、熱塑性塑料和丙烯酸酯。示例性聚合物包含而非限制于：縮醛聚合物、生物可降解聚合物、纖維素聚合物、含氟聚合物、尼龍、聚丙烯腈聚合物、聚酰胺-酰亞胺聚合物、聚酰亞胺、聚芳酯、聚苯并咪唑、聚丁烯、聚碳酸酯、聚酯、聚醚酰亞胺、聚乙烯、聚乙烯共聚物以及改性聚乙烯、聚酮、聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚甲基戊烯、聚苯醚和聚苯硫醚、聚鄰苯二甲酰胺、聚丙烯、聚氨酯、苯乙烯樹(shù)脂、砜基樹(shù)脂、乙烯基樹(shù)脂、橡膠(包括天然橡膠、苯乙烯-丁二烯橡膠、聚丁二烯橡膠、氯丁橡膠、乙烯-丙烯橡膠、丁基橡膠、腈橡膠、(聚)硅氧烷)、丙烯酸、尼龍、聚碳酸酯、聚酯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚烯烴或它們的任意組合物。
[0194] “彈性體印章”和“彈性體轉(zhuǎn)移器件”可互換地使用且指具有能夠接收以及轉(zhuǎn)移材料的表面的彈性體材料。在本發(fā)明的一些方法中有用的示例性共形轉(zhuǎn)移器件包括彈性體轉(zhuǎn)移器件，諸如彈性體印章、模具和掩模。該轉(zhuǎn)移器件影響和/或有助于材料從施主材料轉(zhuǎn)移到受主材料。例如，在一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明的一個(gè)方法在微轉(zhuǎn)移印刷工藝中使用共形轉(zhuǎn)移器件，諸如彈性體轉(zhuǎn)移器件(例如，彈性體印章)，以將一個(gè)或多個(gè)單晶無(wú)機(jī)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)、一個(gè)或多個(gè)電介質(zhì)結(jié)構(gòu)和/或一個(gè)或多個(gè)金屬導(dǎo)體結(jié)構(gòu)從制造襯底轉(zhuǎn)移到器件襯底。
[0195] “彈性體”指可以拉伸或變形且返回到其初始形狀而沒(méi)有顯著永久性變形的聚合物材料。彈性體通常經(jīng)歷顯著彈性變形。有用的彈性體包括包含聚合物、共聚物、復(fù)合材料或聚合物和共聚物的混合物的那些。彈性體層指包括至少一個(gè)彈性體的層。彈性體層還可以包含摻雜物或其他非彈性體材料。有用的彈性體包含而非限制于：熱塑性彈性體、苯乙烯材料、烯屬材料、聚烯烴、聚氨酯熱塑性彈性體、聚酰胺、合成橡膠、PDMS、聚丁二烯、聚異丁烯、聚(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯)、聚氨酯、聚氯丁二烯和(聚)硅氧烷。在一些實(shí)施方案中，彈性體印章包括彈性體。示例性彈性體包含而非限制于，含硅聚合物，諸如包括聚(二甲基硅氧烷)(即，PDMS和h-PDMS)、聚(甲基硅氧烷)、部分烷基化聚(甲基硅氧烷)、聚(烷基甲基硅氧烷)和聚(苯基甲基硅氧烷)的聚硅氧烷、硅改性彈性體、熱塑性彈性體、苯乙烯材料、烯屬材料、聚烯烴、聚氨酯熱塑性彈性體、聚酰胺、人工合成橡膠、聚異丁烯、聚(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯)、聚氨酯、聚氯丁二烯和(聚)硅氧烷。在一個(gè)實(shí)施例中，聚合物是彈性體。
[0196] “楊氏模量”是材料、器件或?qū)拥臋C(jī)械特性，楊氏模量指對(duì)于給定的物質(zhì)的應(yīng)力與應(yīng)變的比?？梢杂上率鍪阶犹峁钍夏Ａ?，式子：
[0197]
[0198] 其中E是楊氏模量，L0是平衡長(zhǎng)度，ΔL是在施加的應(yīng)力下的長(zhǎng)度變化，F(xiàn)是施加的力，且A是上面施加了力的面積。也可以根據(jù)Lame常數(shù)通過(guò)下述等式表達(dá)楊氏模量，等式：
[0199]
[0200] 其中λ和μ是Lame常數(shù)。高楊氏模量(或“高模量”)和低楊氏模量(或“低模量”)是給定的材料、層或器件中楊氏模量的相對(duì)描述符。在一些實(shí)施方案中，高楊氏模量大于低楊氏模量，對(duì)于一些實(shí)施方案優(yōu)選地是高楊氏模量是低楊氏模量的約10倍，對(duì)于其他應(yīng)用更優(yōu)選地是約100倍，且對(duì)于其他應(yīng)用甚至更優(yōu)選地是約1000倍。在一個(gè)實(shí)施方案中，低模量層具有小于100MPa的楊氏模量,可選地小于10MPa,且可選地選自0.1MPa至50MPa的范圍的楊氏模量。在一個(gè)實(shí)施方案中，高模量層具有大于100MPa的楊氏模量，可選地大于10GPa,且可選地選自1GPa至100GPa的范圍的楊氏模量。在一個(gè)實(shí)施方案中,本發(fā)明的器件具有低楊氏模量的一個(gè)或多個(gè)部件，諸如襯底、包封層、無(wú)機(jī)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)、電介質(zhì)結(jié)構(gòu)和/或金屬導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。在一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明的器件具有整體低的楊氏模量。
[0201] “非均勻的楊氏模量”指具有空間上改變(例如，隨表面位置變化)的楊氏模量的材料?？蛇x地，可以按照針對(duì)整個(gè)材料的“總體”楊氏模量或“平均”楊氏模量描述具有非均勻的楊氏模量的材料。
[0202] “低模量”指楊氏模量小于或等于10MPa、小于或等于5MPa或小于或等于1MPa的材料。在一方面，功能材料具有低模量，而遞送襯底具有較高的楊氏模量，諸如是該功能層楊氏模量的10倍、100倍或1000倍。
[0203] “抗彎剛度”是材料、器件或?qū)拥?、描述該材料、器件或?qū)拥挚故┘拥膹澢氐臋C(jī)械屬性。通常，抗彎剛度被定義為系數(shù)與材料、器件或?qū)拥哪Ａ颗c面積慣性矩的乘積。可選地，可以按照針對(duì)整個(gè)材料層的“總體”抗彎剛度或“平均”抗彎剛度描述具有非均勻抗彎剛度的材料。
[0204] 圖9中示意性例示了器件的一個(gè)實(shí)施例。電子器件10包括具有內(nèi)表面30和外表面40的薄彈性體襯底20。功能電子器件50的陣列被例示為由內(nèi)表面30支撐。該陣列包括多種器件部件，諸如曲線配置45的柔性的且可拉伸的互連線。內(nèi)表面30限定殼體60，具有特征尺度諸如直徑70或端部90和95之間的長(zhǎng)度80，或體積。內(nèi)部部分60被認(rèn)為是一個(gè)封閉體積，因?yàn)橐r底20不具有自由移動(dòng)的未限界的端部。相反地，端部80和90的移動(dòng)被約束。如果端部80和90能夠自由移動(dòng)(諸如，如果管被縱向切割)，則該器件被認(rèn)為具有開(kāi)放管體積。內(nèi)部部分60可以容納具有曲面的物體，甚至不規(guī)則形狀的物體(諸如，手指)。優(yōu)選地，直徑70稍微小于內(nèi)部部分60接收的物體的最大直徑。這樣的尺度差要求襯底20拉伸以接收該物體，從而確保在襯底20、功能電子器件50與內(nèi)部部分60內(nèi)的物體表面之間的緊密共形接觸。為了清楚起見(jiàn)，器件50未被示出在外表面40上。然而，如在實(shí)施例1中進(jìn)一步解釋的，可以通過(guò)首先將功能電子器件印刷到外表面40來(lái)提供內(nèi)表面器件50。然后，物理地翻轉(zhuǎn)該襯底表面，其中外表面變?yōu)閮?nèi)表面，且內(nèi)表面變?yōu)橥獗砻妫垣@得圖
9中例示的電子器件10。
9中例示的電子器件10。
[0205] 實(shí)施例1：用于手指尖電子器件的硅納米膜
[0206] 此實(shí)施例涉及用于能夠集成到封閉管幾何結(jié)構(gòu)(具體地被形成以用于安裝在手指尖上)的薄彈性體片上的一類(lèi)電子器件的半導(dǎo)體納米膜的使用、先進(jìn)制造方法和不同尋常的器件設(shè)計(jì)。此類(lèi)型的多功能系統(tǒng)允許用使用硅納米膜(Si NM)二極管被多路復(fù)用的電極陣列進(jìn)行電觸覺(jué)刺激，用Si NM計(jì)進(jìn)行高靈敏度應(yīng)變監(jiān)控，以及用彈性體電容器進(jìn)行觸覺(jué)感測(cè)。在制造/組裝、安裝和使用過(guò)程中，對(duì)力學(xué)的分析計(jì)算和有限元建模量化地捕獲關(guān)鍵行為。該結(jié)果提供了設(shè)計(jì)指導(dǎo)方針，該設(shè)計(jì)指導(dǎo)方針突顯了納米膜幾何結(jié)構(gòu)在實(shí)現(xiàn)所需要的機(jī)械性能中的重要性。此類(lèi)型的技術(shù)與范圍從人機(jī)接口到‘裝有儀器的’手術(shù)手套的應(yīng)用以及許多其他應(yīng)用可兼容。
[0207] 以可以顯著地將基于觸摸的界面中的功能擴(kuò)展至計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的方式，電觸覺(jué)刺激器和觸覺(jué)傳感器作為人操作員與虛擬環(huán)境之間的雙向信息鏈路是令人感興趣的，應(yīng)用在模擬手術(shù)、治療器件、機(jī)器人操縱以及其他方面[1-5]。電觸覺(jué)刺激允許通過(guò)皮膚呈現(xiàn)信息，作為人工觸感，通常被感知為振動(dòng)或刺痛感覺(jué)[6,7]。作為將適當(dāng)調(diào)制的電流通到組織內(nèi)的結(jié)果，這樣的響應(yīng)通過(guò)對(duì)皮膚機(jī)械性感受器的激勵(lì)來(lái)顯示[8]。電觸覺(jué)刺激在20世紀(jì)50年代首先被開(kāi)發(fā)且在20世紀(jì)70年代進(jìn)一步發(fā)展，傳統(tǒng)地其已被開(kāi)發(fā)用于針對(duì)視覺(jué)受損的可編程盲文閱讀器和顯示器以及用于患前庭失調(diào)疾病的個(gè)體的平衡控制[5,9-12]。另一方面，觸覺(jué)傳感器以提供互補(bǔ)信息用于具有電觸覺(jué)過(guò)程的反饋回路中的潛在用途的方式測(cè)量由物理接觸形成的壓力。在這方面可能是重要的其他傳感器類(lèi)型包括用于運(yùn)動(dòng)和溫度的那些傳感器。因此，將這樣的技術(shù)結(jié)合到能夠緊密、非侵入性地安裝在手指尖上的共形皮膚狀器件內(nèi)就代表著有用的成就。柔性的且可拉伸的電子器件的最近進(jìn)展創(chuàng)造了搭建此類(lèi)型的器件的機(jī)會(huì)[13-17]。
[0208] 本文中公開(kāi)的是用于超薄、可拉伸的硅基電子器件和傳感器的材料、制造策略和器件設(shè)計(jì)，其中該超薄、可拉伸的硅基電子器件和傳感器可被安裝在用于直接集成在手指尖上的彈性體封閉管結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面和外表面上。有源部件和互連線包含先進(jìn)的力學(xué)設(shè)計(jì)，該力學(xué)設(shè)計(jì)能夠適應(yīng)管在使用期間的自然變形引起的大應(yīng)變以及在制造過(guò)程中的關(guān)鍵步驟——其中使被專(zhuān)門(mén)成形以匹配手指尖的形狀的管的里面被翻轉(zhuǎn)到外面——期間引起的大應(yīng)變。此‘翻轉(zhuǎn)’過(guò)程允許將最初安裝在管的外表面上的器件反轉(zhuǎn)到內(nèi)表面，在內(nèi)表面處當(dāng)它們被安裝在手指上時(shí)它們可直接壓靠皮膚。分析計(jì)算和有限元建模(FEM)提供對(duì)避免塑性變形或斷裂的設(shè)計(jì)布局的定量啟示。我們展示了多功能手指尖器件中的這些概念，所述多功能手指尖器件包括用硅納米膜(NM)二極管多路復(fù)用的電觸覺(jué)電極陣列、基于硅納米膜計(jì)的應(yīng)變傳感器、以及使用具有低模量、彈性體電介質(zhì)的電容器的觸覺(jué)傳感器陣列。
[0209] 圖1示意性地例示了用于將基于硅納米膜的器件集成在具有彈性體襯底的可拉伸的、互連的幾何結(jié)構(gòu)中的步驟，遵循在其他地方描述的適合的版本的流程[13,18]。該制造使用具有100nm厚的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)涂層的硅晶片作為用于該工藝的最初部分的臨時(shí)襯底。通過(guò)旋轉(zhuǎn)涂布聚(酰胺酸)前體和在惰性氣氛中在250℃下烘烤形成的聚酰亞胺層(PI；1.25微米厚)充當(dāng)用于器件的支撐。電活性材料被沉積(例如，金屬化)或轉(zhuǎn)移印刷(例如，Si納米膜)到PI上且通過(guò)光刻和蝕刻被圖案化。被旋轉(zhuǎn)澆注且固化在器件層的頂部的另一個(gè)PI層(1.25mm厚)提供包封且將器件定位在中性機(jī)械平面(NMP)附近。接下來(lái)，圖案化的反應(yīng)離子蝕刻穿過(guò)整個(gè)多層堆疊(即，PI/器件/PI)限定了一個(gè)開(kāi)放網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)。此相同工藝移除電觸覺(jué)刺激電極的范圍內(nèi)的PI，以允許與皮膚直接接觸。浸入在丙酮浴中，洗滌掉下面的PMMA，從而允許使用先前描述的流程將整個(gè)網(wǎng)孔以單一件升起到聚二甲基硅氧烷(PDMS)的平坦板坯表面上[19,20]。將SiO2層蒸發(fā)到網(wǎng)孔/PDMS上且將(聚)硅氧烷目標(biāo)襯底(Ecoflex 0030,Smooth-On,Inc.)暴露于紫外線-臭氧(以在表面形成反應(yīng)性-OH基團(tuán))使所述兩者之間一經(jīng)物理接觸就能夠鍵合[21]。(低壓力避免了PDMS與手指管之間的接觸，從而允許僅鍵合到網(wǎng)孔)。移除印章完成該轉(zhuǎn)移工藝，如圖1c中所示。
[0210] 電觸覺(jué)電極使用同心設(shè)計(jì)的多個(gè)600nm厚的Au層，該同心設(shè)計(jì)由被外環(huán)(1000μm半徑)圍繞的內(nèi)盤(pán)(400μm半徑)組成，其中該內(nèi)盤(pán)和該外環(huán)之間具有250μm寬的間隙。互連線由蛇形幾何結(jié)構(gòu)(曲率半徑～800μm)中的100μm寬的Au跡線組成；這些跡線將電觸覺(jué)電極連接到硅納米膜二極管(225μm×100μm的橫向尺度和300nm的厚度)。由
1.25μm的PI層隔離的且通過(guò)蝕刻的PI通孔連接的兩個(gè)Au互連線層(200nm厚和600nm
厚)形成了具有疊加的互連線的緊湊布線方案。600nm厚的Au互連層允許通過(guò)PI通孔的穩(wěn)健的電氣接觸。應(yīng)變計(jì)陣列由被圖案化成蛇形形狀(曲率半徑～400μm)的200nm厚、
60μm寬的Au跡線電氣連接的四個(gè)硅納米膜(具有1mm×50μm的橫向尺度和300nm的厚
度的帶)組成。觸覺(jué)傳感器使用電觸覺(jué)陣列幾何結(jié)構(gòu)的200nm厚的Au電極和互連線，但其中由單個(gè)盤(pán)形電極(半徑～1000μm)代替同心電極對(duì)。
1.25μm的PI層隔離的且通過(guò)蝕刻的PI通孔連接的兩個(gè)Au互連線層(200nm厚和600nm
厚)形成了具有疊加的互連線的緊湊布線方案。600nm厚的Au互連層允許通過(guò)PI通孔的穩(wěn)健的電氣接觸。應(yīng)變計(jì)陣列由被圖案化成蛇形形狀(曲率半徑～400μm)的200nm厚、
60μm寬的Au跡線電氣連接的四個(gè)硅納米膜(具有1mm×50μm的橫向尺度和300nm的厚
度的帶)組成。觸覺(jué)傳感器使用電觸覺(jué)陣列幾何結(jié)構(gòu)的200nm厚的Au電極和互連線，但其中由單個(gè)盤(pán)形電極(半徑～1000μm)代替同心電極對(duì)。
[0211] 我們稱(chēng)為手指管的Ecoflex襯底采用的三維形態(tài)專(zhuān)門(mén)匹配塑料手模型上的手指的那些三維形態(tài)。該制造涉及將Ecoflex的聚合物前體澆注到該模型的手指上并在室溫下固化1小時(shí)，以形成～125μm厚的共形片。將第二前體涂層澆注到此片上且再固化1小時(shí)，使該厚度加倍；重復(fù)此過(guò)程4次，形成～500μm的厚度。將Ecoflex從該模型移除且通過(guò)在70℃下加熱2小時(shí)完成固化，形成了自立結(jié)構(gòu)，即手指管，如圖2中例示的一個(gè)。Ecoflex是用于此目的的有吸引力的材料，因?yàn)樗哂械湍Ａ?～60kPa)和大的斷裂應(yīng)變(～900％)。低模量允許與皮膚的柔軟緊密接觸；大的斷裂應(yīng)變使得先前提到的且在隨后章節(jié)中定量詳細(xì)描述的“翻轉(zhuǎn)”過(guò)程成為可能。轉(zhuǎn)移印刷將器件網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)遞送到手指管的外表面，同時(shí)被按壓成平坦幾何結(jié)構(gòu)(圖2b)。然后將整個(gè)集成系統(tǒng)的內(nèi)部翻轉(zhuǎn)到外部，以將該網(wǎng)孔從該管的外表面移動(dòng)到該管的內(nèi)表面，如在圖2c、2d中示出的。多功能器件在內(nèi)側(cè)包括電觸覺(jué)刺激器，而在外側(cè)包括應(yīng)變計(jì)陣列和觸覺(jué)傳感器。
[0212] 先前所描述的器件設(shè)計(jì)具有的優(yōu)點(diǎn)是，它們以將手指管的內(nèi)部表面上的電子器件(在此情況下是電觸覺(jué)刺激電極)自然地按壓成與皮膚緊密接觸的方式與手指共形。翻轉(zhuǎn)過(guò)程代表一個(gè)關(guān)鍵步驟，通過(guò)器件網(wǎng)孔中的精心力學(xué)設(shè)計(jì)使得翻轉(zhuǎn)過(guò)程成為可能。定量力學(xué)建模提供了重要啟示。手指管可以被近似為具有二維對(duì)稱(chēng)性的自平衡、軸對(duì)稱(chēng)管。使用線性彈性殼理論(linear elastic shell theory)的能量最小化來(lái)確定最終形狀。圖3a示出半徑(R軸向)為7.5mm且厚度為500μm的Ecoflex柱狀物在翻轉(zhuǎn)過(guò)程期間的中間點(diǎn)處自身回向彎曲時(shí)的分析和FEM結(jié)果。596μm的最小軸向曲率半徑(R軸向)(如圖3a中指示的)限定了在該管被翻轉(zhuǎn)時(shí)引起最大應(yīng)變的位置。此配置中的內(nèi)表面和外表面上的最大應(yīng)變(如圖3b的顏色表所示出的)是～30-40％(見(jiàn)在stacks.iop.org/Nano處的補(bǔ)充文件)。因此，器件網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)必須能夠適應(yīng)此范圍內(nèi)的應(yīng)變。此要求對(duì)于像本文中所描述的系統(tǒng)不是無(wú)關(guān)緊要的，原因在于這些系統(tǒng)包含了易碎材料諸如硅(斷裂應(yīng)變～1％)。
[0213] 以理論為指導(dǎo)的電路布局可以用于滿足這些要求。作為一個(gè)實(shí)施例，圖3c提供了具有窄蛇形互連線的網(wǎng)孔配置的多路復(fù)用電觸覺(jué)陣列的圖示。橘黃色和藍(lán)色區(qū)域分別對(duì)應(yīng)于Au層和將Au層分開(kāi)的PI層；紅色區(qū)域指示PIN(p-摻雜/本征/n-摻雜)結(jié)構(gòu)的Si納米膜(300nm厚)二極管。所述二極管的短尺度平行于翻轉(zhuǎn)方向，以在翻轉(zhuǎn)過(guò)程期間使得Si中的應(yīng)變最小化。這些優(yōu)化導(dǎo)致針對(duì)Au、PI和Si的最大計(jì)算應(yīng)變分別是0.051％、0.10％和0.040％(參見(jiàn)圖3d)。圖3d中還顯現(xiàn)了計(jì)算出的中性機(jī)械平面的位置。由于器件層的模量比Ecoflex的模量大若干幅度量級(jí)，因此中性機(jī)械平面的位置在很大程度上獨(dú)立于Ecoflex。對(duì)PI層的厚度的適當(dāng)選擇允許中性機(jī)械平面被定位在Si納米膜的位置處，從而使得在此易碎材料中引起的應(yīng)變最小[21，22]。Si納米膜二極管的厚度影響它們經(jīng)受的最大應(yīng)變，如圖3f的分析計(jì)算中示出的。最小值出現(xiàn)在將中性機(jī)械平面放置在距Si納米膜二極管(即，hNMP)的最短距離處時(shí)的厚度。例如通過(guò)改變PI層的厚度可以調(diào)整此最小值的位置。通過(guò)減小器件的長(zhǎng)度可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)變的進(jìn)一步減小。執(zhí)行包含這些考慮的設(shè)計(jì)，并利用具有優(yōu)化的蛇形布局的互連線，確保了整個(gè)制造順序中耐久的器件行為。例如，圖3e示出在翻轉(zhuǎn)過(guò)程之前和之后，Si納米膜二極管的I-V特性(安捷倫4155C半導(dǎo)體參數(shù)分析器)中的可忽略的變化。
[0214] 實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示了電觸覺(jué)陣列中的預(yù)期功能。圖4a示出干燥的人拇指上的觸摸知覺(jué)作為施加在內(nèi)點(diǎn)電極和外部環(huán)電極(圖3d)之間的電壓和頻率的函數(shù)。刺激使用具有20％占空比的單相方波，該方波是使用自定義設(shè)置生成的。插圖提供了器件的圖像，其中通過(guò)柔性各向異性導(dǎo)電膜(ACF)連接到外部的驅(qū)動(dòng)電子器件。用于感覺(jué)的所需電壓隨著頻率增加而降低，與包括并聯(lián)的電阻器和電容器的皮膚阻抗等效電路模型一致。這些電壓的絕對(duì)幅度很大程度上取決于皮膚水合水平、電極設(shè)計(jì)和刺激波形[23]。圖4b示出電觸覺(jué)電極在接觸含水的人拇指時(shí)的I-V特性，該I-V特性是通過(guò)多路復(fù)用電極測(cè)量的。在高的正電壓下，與皮膚相比二極管的電阻是可忽略的；在此，I-V特性曲線的斜率產(chǎn)生對(duì)皮膚電極觸點(diǎn)以及皮膚的電阻的估計(jì)。該值(～40kΩ)在與使用常規(guī)器件的測(cè)量值一致的范圍內(nèi)[24,25]。該二極管穩(wěn)定到至少20V，對(duì)應(yīng)于0.25mA的電流，該電流足以在皮膚和舌頭上進(jìn)行電觸覺(jué)刺激[2,6,7]。
[0215] 根據(jù)圖4c中示意性呈現(xiàn)的方法，這些二極管能夠?qū)崿F(xiàn)多路復(fù)用尋址。每個(gè)單元體由一個(gè)二極管和一個(gè)電觸覺(jué)電極對(duì)組成。圖4d呈現(xiàn)了尋址六個(gè)電觸覺(jué)溝道中的每一個(gè)所需的輸入的表格。例如，可以向輸入A和E施加高電勢(shì)(+5V)且向輸入B、C和D施加低電勢(shì)(0V)激活溝道SDA，從而在此溝道的外環(huán)電極(+5V)和內(nèi)環(huán)電極(0V)兩端形成+5V的偏置。此配置使Si納米膜二極管正向偏置，這導(dǎo)致產(chǎn)生刺激電流，如圖4b中所示。同時(shí)，溝道SEB和SEC在所述電極兩端經(jīng)受-5V的偏壓，但在這些情況下，Si納米二極管是反向偏置的，因此防止產(chǎn)生刺激電流。溝道SDB、SDC和SEA在內(nèi)電極和外電極上具有相同的電勢(shì)，導(dǎo)致零偏置。相鄰溝道之間的電氣隔離是內(nèi)電極與外電極間距(250μm)的結(jié)果，該內(nèi)電極與外電極間距小于溝道之間的距離(6000μm)。每個(gè)刺激溝道使用若干二極管或有源晶體管的先進(jìn)的多路復(fù)用方案與在此概述的制造工藝和設(shè)計(jì)原則可兼容。
[0216] 圖5示出一組直接均勻摻雜的Si納米膜作為用網(wǎng)孔幾何結(jié)構(gòu)的互連線尋址的應(yīng)變計(jì)。在圖5中概述的FEM計(jì)算揭示，在10％的單軸平面內(nèi)應(yīng)變下，Ecoflex上的1×4應(yīng)變計(jì)陣列(豎直條；黃色虛線框和上插圖高亮示出一個(gè)個(gè)體器件)的應(yīng)變分布圖。這些結(jié)果顯示總體應(yīng)變主要是通過(guò)蛇形互連線的形狀的變化且當(dāng)然Ecoflex自身的形狀的變化-3來(lái)適應(yīng)。Si納米膜計(jì)經(jīng)受的應(yīng)變(～10 )是施加的應(yīng)變的十分之一，如在圖5a的插圖中示出的。
[0217] 能夠使用Si納米膜作為可拉伸形態(tài)的高性能應(yīng)變計(jì)是源于與蛇形布局結(jié)合的Si的強(qiáng)壓電電阻特性。這些特性共同確定每一施加應(yīng)變電阻的分?jǐn)?shù)(fractional)變化。相關(guān)聯(lián)的有效應(yīng)變計(jì)因數(shù)(GFeff)可以涉及硅應(yīng)變計(jì)的本征應(yīng)變計(jì)因數(shù)，GFSi＝ΔR/(RεSi)，其中ΔR是電阻的變化，R是初始電阻，且εSi是硅中的應(yīng)變，通過(guò)以下表達(dá)式GFeff＝GFSi(εSi/εapp)，其中εapp是被施加到整個(gè)集成系統(tǒng)的應(yīng)變。在此報(bào)道的設(shè)計(jì)得到遠(yuǎn)小于1的εSi/εapp的值，具體地避免在制造、安裝過(guò)程期間Si中斷裂引起的應(yīng)變，從而在生理學(xué)相關(guān)的應(yīng)變范圍上使用。圖5b示出了實(shí)驗(yàn)性地測(cè)量的ΔR的值(在1V下使用安捷倫
4155C半導(dǎo)體參數(shù)分析器估算)作為εapp的函數(shù)，其對(duì)應(yīng)于GFeff～1。通過(guò)將該實(shí)驗(yàn)結(jié)果和FEM結(jié)果擬合到圖5b，GFSi是～95，與關(guān)于SiNM應(yīng)變計(jì)的最近報(bào)道一致，與柔性塑料片上的以其他方式的類(lèi)似設(shè)計(jì)一致[26]。我們強(qiáng)調(diào)的是，器件設(shè)計(jì)參數(shù)(諸如，該應(yīng)變計(jì)的尺寸和蛇形互連線的尺度能夠?qū)Feff(從與GFSi同樣大的值到那些小得多的值)進(jìn)行工程控制，其中在相應(yīng)地增加的應(yīng)變范圍上的測(cè)量是可能的。
4155C半導(dǎo)體參數(shù)分析器估算)作為εapp的函數(shù)，其對(duì)應(yīng)于GFeff～1。通過(guò)將該實(shí)驗(yàn)結(jié)果和FEM結(jié)果擬合到圖5b，GFSi是～95，與關(guān)于SiNM應(yīng)變計(jì)的最近報(bào)道一致，與柔性塑料片上的以其他方式的類(lèi)似設(shè)計(jì)一致[26]。我們強(qiáng)調(diào)的是，器件設(shè)計(jì)參數(shù)(諸如，該應(yīng)變計(jì)的尺寸和蛇形互連線的尺度能夠?qū)Feff(從與GFSi同樣大的值到那些小得多的值)進(jìn)行工程控制，其中在相應(yīng)地增加的應(yīng)變范圍上的測(cè)量是可能的。
[0218] 圖5c示出了在位于拇指的關(guān)節(jié)區(qū)域附近的、處于筆直位置(I)和彎曲位置(II)的手指管上的應(yīng)變計(jì)陣列。當(dāng)彎曲時(shí)，所述應(yīng)變計(jì)經(jīng)受拉伸應(yīng)變，導(dǎo)致電阻增加，如圖5d中三個(gè)彎曲周期所示的。相對(duì)電阻變化表明與彎曲相關(guān)聯(lián)的應(yīng)變達(dá)到～6％。如預(yù)期的，一側(cè)到另一側(cè)的運(yùn)動(dòng)不引起變化。圖5e示出了在安裝在拇指的掌骨區(qū)域附近的薄Ecoflex片上的類(lèi)似的陣列。在此，該器件通過(guò)范德瓦爾斯相互作用粘附到皮膚，類(lèi)似于在表皮電子系統(tǒng)中觀察的機(jī)制[13]。圖5e中的圖像對(duì)應(yīng)于拇指處于筆直位置(Ⅲ)和向側(cè)面偏斜的位置(Ⅵ)中的拇指。圖5f中呈現(xiàn)了在三個(gè)一側(cè)到另一側(cè)的運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)針對(duì)1×4陣列的相對(duì)端上的兩個(gè)應(yīng)變計(jì)的電阻的變化。對(duì)于每個(gè)周期，最右邊的應(yīng)變計(jì)的電阻變化指示壓縮應(yīng)變；最左邊的指示對(duì)應(yīng)的拉伸應(yīng)變。結(jié)果表明，應(yīng)變計(jì)陣列不僅可被用來(lái)識(shí)別運(yùn)動(dòng)幅度，而且還可被用來(lái)識(shí)別運(yùn)動(dòng)類(lèi)型。
[0219] 作為最后展示，我們搭建了一種適合集成在手指管平臺(tái)上的觸覺(jué)(壓力)傳感器。所述器件利用與在Ecoflex的內(nèi)表面和外表面上的相對(duì)置的電極相關(guān)聯(lián)的電容變化。施加的壓力減小了Ecoflex的厚度，從而增加此結(jié)構(gòu)的電容。在此，類(lèi)似于用于電觸覺(jué)器件的那些布局的布局充當(dāng)內(nèi)電極；以對(duì)齊的配置安裝在外表面上的此陣列的鏡像限定一個(gè)以Ecoflex作為電介質(zhì)的平行平板電容器的集合。在圖6a中呈現(xiàn)了在手模型的前表面上的這樣的器件的陣列。圖6b和6c示出了內(nèi)電極陣列和外電極陣列的圖像。圖6d呈現(xiàn)了針對(duì)代表性的器件的電容隨著施加的壓力的相對(duì)變化(黑色符號(hào))。在此，電容作為通過(guò)以恒定接觸面積安裝在平臺(tái)上的一系列重物所施加的壓力的函數(shù)被測(cè)量(安捷倫E4980ALCR儀表)，注意將寄生電容的影響最小化且注意消除接地回路。在所研究的范圍上觀察到近似線性行為，與簡(jiǎn)單機(jī)械模型一致，Δ 其中ΔC是電容變化，Co是初始電容，
P是施加的壓力，且 是有效Ecoflex模量。此簡(jiǎn)單模型假設(shè)電介質(zhì)力中沒(méi)有電致伸
縮或應(yīng)變引起的變化(圖6d，黑色線)。由于泊松效應(yīng)，所述器件還響應(yīng)于平面內(nèi)應(yīng)變(ε施加)，如圖6d中示出的(紅色)，與簡(jiǎn)單模型ΔC/Co＝[(EA)系統(tǒng)/(EA)電極]νε施加一致，其中泊松比(ν)是0.496，且(EA)系統(tǒng)和(EA)電極分別是系統(tǒng)和電極的拉伸剛度。此類(lèi)型的技術(shù)提供了對(duì)最近報(bào)道的提供類(lèi)似功能的器件的簡(jiǎn)單替代，但卻是在柔性襯底上，且基于導(dǎo)電彈性體、彈性體電介質(zhì)，或有機(jī)晶體管中的可壓縮的柵極電介質(zhì)。[14,16,18,27,28]。
P是施加的壓力，且 是有效Ecoflex模量。此簡(jiǎn)單模型假設(shè)電介質(zhì)力中沒(méi)有電致伸
縮或應(yīng)變引起的變化(圖6d，黑色線)。由于泊松效應(yīng)，所述器件還響應(yīng)于平面內(nèi)應(yīng)變(ε施加)，如圖6d中示出的(紅色)，與簡(jiǎn)單模型ΔC/Co＝[(EA)系統(tǒng)/(EA)電極]νε施加一致，其中泊松比(ν)是0.496，且(EA)系統(tǒng)和(EA)電極分別是系統(tǒng)和電極的拉伸剛度。此類(lèi)型的技術(shù)提供了對(duì)最近報(bào)道的提供類(lèi)似功能的器件的簡(jiǎn)單替代，但卻是在柔性襯底上，且基于導(dǎo)電彈性體、彈性體電介質(zhì)，或有機(jī)晶體管中的可壓縮的柵極電介質(zhì)。[14,16,18,27,28]。
[0220] 在此呈現(xiàn)的結(jié)果為可被共形地安裝到手指上的電子器件和傳感器建立了某些流程和設(shè)計(jì)規(guī)則。可以類(lèi)似的方式應(yīng)對(duì)身體的其他附肢。此外，力學(xué)和制造中的大多數(shù)考慮對(duì)于特定器件功能或安裝位置是不可知的。因此，這些概念大多可以被共通地應(yīng)用到其他類(lèi)型的系統(tǒng)和使用模式。未來(lái)的挑戰(zhàn)包括針對(duì)無(wú)線電力供應(yīng)和數(shù)據(jù)傳送的能力的開(kāi)發(fā)。
[0221] 實(shí)施例2：制造電子器件的方法：
[0222] 1.電觸覺(jué)陣列：
[0223] a.切割1’×1’SOI晶片((110)，300nm Si)并用丙酮和IPA清潔。
[0224] b.通過(guò)PECVD形成900nm的SiO2層，作為p摻雜的擴(kuò)散掩模。
[0225] c.通過(guò)如下步驟圖案化擴(kuò)散掩模：i.圖案化光刻膠(PR)AZ5214：旋轉(zhuǎn)涂布PR AZ5214(3000rpm，30秒)，預(yù)烘烤(110℃，1分鐘)，對(duì)齊掩模并曝光，用MIF327顯影(40秒)，后烘烤(110℃，3分鐘)。ii.用緩沖氧化蝕刻劑(BOE)(NH4F:HF＝6:1)濕法蝕刻1.5分鐘并用丙酮移除PR。
[0226] d.P型摻雜：i.用Nano-stripTM(Cyantek)清潔晶片，緊挨著硼摻雜源放置，并放入爐中(1000℃)30分鐘。ii.用HF將SiO2掩模完全蝕刻(30秒)，并通過(guò)PECVD形成另一個(gè)900nm SiO2層，作為n摻雜擴(kuò)散掩模。iii.圖案化擴(kuò)散掩模：與1c相同。
[0227] e.N型摻雜：i.用Nano-stripTM清潔晶片，在1000℃下緊挨著磷摻雜源放置10分鐘。ii.用HF將SiO2掩模完全蝕刻(30秒)。
[0228] f.創(chuàng)建用于釋放Si膜的孔(3μm直徑，間距300μm)：i.旋轉(zhuǎn)涂布PR Shipley S1805(3000rpm，30秒)，預(yù)烘烤(110℃，1分鐘)，對(duì)齊掩模并曝光，用MIF327顯影(9秒)，后烘烤(110℃,3分鐘)。ii.用RIE蝕刻Si(50mtorr,40sccm SF6,100W,1分鐘)。
[0229] g.底切SOI的氧化層：i.將晶片浸沒(méi)在HF溶液中15～20分鐘，直到Si層與襯底分離。
[0230] h.用PDMS印章將Si膜從SOI晶片撿起。
[0231] i.制備目標(biāo)Si晶片：i.用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA，3000rpm，30秒，～100nm)旋轉(zhuǎn)涂布Si晶片，在180℃下固化1.5分鐘。ii.旋轉(zhuǎn)涂布聚酰亞胺前體(4000rpm，30秒)且在150℃下部分地固化40秒。
[0232] j.將Si轉(zhuǎn)移到目標(biāo)Si晶片：i.按壓印章,使之與目標(biāo)晶片接觸且用手施加力10秒。ii.將印章和目標(biāo)晶片放在110℃的熱板上并在觀察到該印章熱膨脹時(shí)緩慢地釋放該印章。iii.將目標(biāo)晶片(現(xiàn)在具有Si膜)放在150℃的熱板上另一個(gè)5分鐘并用丙酮去除PR(2秒)。4.在惰性氣氛中在250℃下烘烤1小時(shí)。
[0233] k.Si二極管隔離：i.圖案化PR AZ5214。ii.用RIE蝕刻暴露的Si(50mtorr，40sccm SF6，100W，1分鐘)并用丙酮?jiǎng)內(nèi)R。
[0234] I.第一Au互連層：i.用電子束蒸發(fā)器沉積Cr(5nm)/Au(200nm)。ii.圖案化PR AZ5214。iii.濕法蝕刻Au和Cr。iv.用丙酮?jiǎng)內(nèi)R。
[0235] m.帶有通孔的PI絕緣層：i.旋轉(zhuǎn)涂布聚酰亞胺前體(4000rpm,30秒)。ii.在熱板上預(yù)烘烤(150℃，5分鐘)。iii.在250℃下在惰性氣氛中烘烤1小時(shí)。iv.用PR AZ4620旋轉(zhuǎn)涂布PI(3000rpm，30秒)，預(yù)烘烤(110℃，1分鐘)，對(duì)齊通孔掩模并曝光，用3:1稀釋的MIF400顯影(40秒)。v.用RIE(100W,150mTorr,20sccm O2,20分鐘)蝕刻暴露的聚酰亞胺。vi.用丙酮?jiǎng)內(nèi)R。
[0236] n.第二Au互連層：i.用電子束蒸發(fā)器沉積Cr(10nm)/Au(600nm)。ii.圖案化PR AZ5214。iii.濕法蝕刻Au和Cr。iv.用丙酮?jiǎng)內(nèi)R。
[0237] o.最后PI包封和蝕刻：i.形成PI層：與1n相同。ii.圖案化PRAZ4620。iii.用RIE(100W,150mTorr,20sccm O2,50分鐘)蝕刻暴露的聚酰亞胺，以形成PI掩模結(jié)構(gòu)。iv.用丙酮?jiǎng)內(nèi)R.
[0238] p.轉(zhuǎn)移印刷：i.將器件浸沒(méi)在加熱的丙酮浴(100℃)中以底切PMMA。ii.按壓PDMS印章，使其與器件接觸且快速地移除以將器件轉(zhuǎn)移到該印章上。iii.用電子束蒸發(fā)器沉積Cr(5nm)/SiO2(20nm)。iv.紫外線/臭氧(UV-O)處理目標(biāo)襯底(Ecoflex手指管)4分鐘。5.將該P(yáng)DMS印章按壓到Ecoflex上并緩慢地移除印章。
[0239] 2.應(yīng)變計(jì)陣列：
[0240] a.切割1’×1’(110)SOI晶片(300nm Si)并用丙酮和IPA清潔。
[0241] b.P型摻雜：與1d相同，其中摻雜時(shí)間為4分鐘。
[0242] c.將Si轉(zhuǎn)移印刷到目標(biāo)晶片：與1f-j相同。
[0243] d.Si應(yīng)變計(jì)隔離：與1k相同。
[0244] e.Au互連層：與1l相同。
[0245] f.最后包封：與1o相同，其中O2 RIE30分鐘。
[0246] g.轉(zhuǎn)移印刷：與1p相同。
[0247] 3.接觸傳感器陣列：
[0248] a.切割1’×1’Si晶片并用丙酮和IPA清潔。
[0249] b.旋轉(zhuǎn)涂布PMMA(3000rpm，30秒)作為犧牲層。
[0250] c.形成聚酰亞胺層作為襯底：與1m相同。
[0251] d.Au互連層：與1l相同。
[0252] e.最后包封：與2f相同。
[0253] f.轉(zhuǎn)移印刷以與電觸覺(jué)電極疊置：與1p相同。
[0254] 在圖10-13中概述了用于制造在本文中提供的器件和方法中有用的傳感器和致動(dòng)器的多種方法的概述。
[0255] 力學(xué)建模：在翻轉(zhuǎn)過(guò)程期間多路復(fù)用電觸覺(jué)陣列的應(yīng)變。在半徑為R手指的手指模型上將厚度為tsub的彈性體Ecoflex手指管翻轉(zhuǎn)兩次。圖8例示了在翻轉(zhuǎn)過(guò)程期間自平衡、軸對(duì)稱(chēng)的Ecoflex管；AB表示與塑料手的表面接觸的圓柱形部分；外表面DE也是圓柱形的；二者之間的過(guò)渡可以近似為半圓BC(其中半徑R1將在圖8中被確定)和正弦曲線CD(具有待被確定的半波長(zhǎng)L)。對(duì)于圖8中示出的分布圖，線性彈性殼理論給出彎曲能量和膜能量。然后，總能量的最小化給出R1和L。對(duì)于R手指＝7.5mm和tsub＝500μm，對(duì)于Ecoflex的泊松比ν＝0.496，能量最小化給出彎曲半徑R1＝596μm和L＝2.47mm。Ecoflex中的最大拉伸和壓縮應(yīng)變是ε拉伸＝34.4％且ε壓縮＝-49.5％，它們良好地符合FEM結(jié)果(ε拉伸＝35.1％且ε壓縮＝-46.9％)。
[0256] 多路復(fù)用電觸覺(jué)陣列被建模為具有多個(gè)層的復(fù)合梁。從上文分析模型獲得的彎曲力矩和膜力被施加在多路復(fù)用電觸覺(jué)陣列上。這給出了Si和Au中的最大應(yīng)變的分析表達(dá)式，它們是針對(duì)相對(duì)長(zhǎng)的Si二極管由FEM驗(yàn)證的。對(duì)于相對(duì)短的Si二極管，分析表達(dá)式對(duì)Si和Au中的最大應(yīng)變估計(jì)過(guò)高。
[0257] 觸覺(jué)(壓力)傳感器的力學(xué)分析：內(nèi)點(diǎn)電極和外環(huán)電極形成成對(duì)的平行電容器。電容變化與施加的導(dǎo)致Ecoflex電介質(zhì)的厚度減小的壓力有關(guān)
[0258]
[0259] 其中：
[0260] 是Ecoflex電介質(zhì)在單軸拉伸下的有效模量，且E＝60kPa是Ecoflex的楊氏模量。如圖6d中所示，Eq.(S1)良好地符合實(shí)驗(yàn)。
[0261] 對(duì)于施加的拉伸應(yīng)變?chǔ)攀┘樱姌O之間的Ecoflex電介質(zhì)中的應(yīng)變通過(guò)ε施加(EA)系統(tǒng)(EA)電極與系統(tǒng)的拉伸剛度(EA)系統(tǒng)和電極的拉伸剛度(EA)電極有關(guān)。壓力傳感器陣列的單個(gè)元件的電容變化還通過(guò)Ecoflex電介質(zhì)的厚度的減小而被確定，且由下式給出：
[0262]
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[0292] 實(shí)施例3：可共形于生物表面的可安裝于附肢的電子器件
[0293] 在圖14-17中示意性地概括了可安裝于附肢的電子系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例，包括對(duì)應(yīng)于手指或手指尖的附肢。在圖14(A-C)中提供了一個(gè)可安裝于附肢的電子系統(tǒng)10的不同視圖，具有俯視圖(A)，側(cè)橫截面視圖(B)以及從一端看去的橫截面視圖(C)。參照?qǐng)D14的不同視圖，系統(tǒng)10包括柔性的且可拉伸的襯底20，襯底20具有內(nèi)表面30和外表面40。在此實(shí)施例中，電子器件50包括由外表面40支撐的多個(gè)柔性的或可拉伸的傳感器54，以及由內(nèi)表面30支撐的多個(gè)柔性的或可拉伸的致動(dòng)器55。該電子器件還包括多種部件以提供期望的功能和運(yùn)行特性。例如，圖14例示了曲線或蛇形配置的電氣互連線53，它們電氣互連更多個(gè)剛性部件(例如，剛性器件島)，諸如具有內(nèi)盤(pán)形電極(其被定位在環(huán)形電極內(nèi)且與該環(huán)形電極同心)的電極54。圖14B和14C中提供的橫截面視圖例示了電子器件50可以由內(nèi)表面30、外表面40或由這兩個(gè)表面支撐?？蛇x地，該電子器件包括由外表面支撐的傳感器54(諸如，觸覺(jué)傳感器)的陣列和由內(nèi)表面30支撐的刺激器55(諸如，電觸覺(jué)刺激器)的陣列，用于與附肢的表面連系。
[0294] 由內(nèi)表面30限定一個(gè)殼體60。參照?qǐng)D15，殼體60接收附肢61使得該附肢的表面62與襯底20的內(nèi)表面30共形接觸。圖15例示了外表面40上的電子器件50，該電子器件是系統(tǒng)10，具有外表面支撐的傳感器(諸如，觸覺(jué)傳感器)，用于評(píng)估觸覺(jué)參數(shù)(諸如，與外部表面63的接觸力或壓力)?？蛇x地，襯底20可以拉伸以容納殼體60內(nèi)的附肢61?？蛇x地，該殼體不為容納附肢而拉伸。
[0295] 為了比較，圖16示出具有在襯底20的內(nèi)表面30上支撐的電子器件的系統(tǒng)11。所述電子器件可以是與殼體內(nèi)的附肢的有生命的組織連系的電觸覺(jué)刺激器，或用于測(cè)量該附肢的感興趣的參數(shù)(例如，溫度、水合)的傳感器。圖15-16的右側(cè)的面板指示如由系統(tǒng)10的一個(gè)端橫截面視圖例示的在接收該附肢時(shí)該殼體的形狀變化的一個(gè)方面。如期望的，一個(gè)或多個(gè)阻擋層或包封層21可以包封電子器件(諸如，傳感器和/或致動(dòng)器，包括由外表面支撐的那些(在圖15的右上方面板中例示的)和/或由內(nèi)表面支撐的那些的至少一部分。
[0296] 外表面安裝的傳感器的一個(gè)有用的方面是用于與外部表面63連系。對(duì)于是觸覺(jué)傳感器的傳感器54，觸覺(jué)傳感器接口提供了對(duì)傳感器54與外部表面63之間的接觸力或壓力的測(cè)量。對(duì)于其他傳感器類(lèi)型(諸如，溫度傳感器、光學(xué)傳感器、pH傳感器或本文中所公開(kāi)的任何其他傳感器類(lèi)型)，該傳感器提供對(duì)應(yīng)于該傳感器功能的輸出。這通常被稱(chēng)為“外部接口”或外部接口參數(shù)，由64指示。作為對(duì)比，參照?qǐng)D16，由內(nèi)表面支撐的致動(dòng)器55可以與該殼體內(nèi)的附肢的有生命的組織連系。這通常被稱(chēng)為“內(nèi)部接口”或內(nèi)部接口參數(shù)。在一方面，本文中所提供的系統(tǒng)中的任一個(gè)是用于外部接口(圖15)、內(nèi)部接口(16)，或既用于內(nèi)部接口又用于外部接口(圖15和16的組合，如由圖14B和圖14C中的電子器件指示的)。
[0297] 在圖17中示意性例示了用于制造本文中所提供的器件中的任一個(gè)的方法的一個(gè)實(shí)施例。圖17A示出一個(gè)可安裝于附肢的電子系統(tǒng)10，該電子系統(tǒng)10具有支撐在襯底20的外表面40上的電子器件50，其中內(nèi)表面30限定一個(gè)殼體60。可以由特征尺度(諸如直徑70，或端90與95之間的長(zhǎng)度，或殼體60的體積)描述殼體60。在一個(gè)實(shí)施方案中，直徑70稍微小于由內(nèi)部部分60接收的物體的最大直徑。這樣的尺寸差要求襯底20拉伸以接收該物體，從而確保襯底20、電子器件50與內(nèi)部部分殼體60內(nèi)的附肢表面的緊的共形接觸(參見(jiàn)例如圖15-16)。
[0298] 圖17B例示了將外表面40翻轉(zhuǎn)到內(nèi)表面41(相應(yīng)地，如圖17C中例示的，內(nèi)表面30到外表面31)的襯底表面翻轉(zhuǎn)力210的施加。圖17D指示新外表面可以接收另一個(gè)電子器件，使得第一器件陣列271由該外表面支撐，而第二器件陣列272由該內(nèi)表面支撐，以便提供多功能系統(tǒng)12。
[0299] 圖18是用于制造本文中所公開(kāi)的任一個(gè)系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的工藝流程概述。在步驟1800中，提供一個(gè)柔性的且可拉伸的襯底，諸如具有由襯底內(nèi)表面限定的一個(gè)殼體的襯底。一個(gè)電子器件被提供到襯底外表面(步驟1810)。該器件可以由阻擋層部分地包封。根據(jù)感興趣的應(yīng)用，一個(gè)附肢可以被放置在該殼體中，如1820中概述的。然后此器件可被用于與該殼體外部的物體連系，諸如用于表面感測(cè)應(yīng)用。替代地，如果該系統(tǒng)是用于與該附肢連系的應(yīng)用，則可以執(zhí)行翻轉(zhuǎn)(步驟1830)，使得該電子器件在該內(nèi)表面上。如果僅期望與該附肢連系，則緊跟著進(jìn)行步驟1840。替代地，另一個(gè)電子器件可以被提供到該外表面，如1850中指示的，該另一個(gè)電子器件可選地至少部分地或完全由阻擋層包封。以此方式，獲得用于外部和內(nèi)部接口的雙功能(步驟1860)。作為對(duì)比，1820僅用于外部接口，而1840僅用于內(nèi)部接口。如本文中所概述的，諸如通過(guò)多種金屬和半導(dǎo)體部件(優(yōu)選地布局中的可以適應(yīng)彎曲和拉伸的薄部件)的轉(zhuǎn)移印刷將所述電子器件中的任一個(gè)提供給表面。
[0300] 圖20是用于通過(guò)提供物體(其對(duì)應(yīng)于附肢、或附肢的模型或模具)(步驟1900)制造本文中所公開(kāi)的任一個(gè)系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施方案的工藝流程概述。一個(gè)電子器件被提供到物體的表面(步驟1910)。倚靠該物體表面和該電子器件澆注預(yù)聚合物或其他襯底前體(步驟1920)。根據(jù)感興趣的應(yīng)用，該器件隨之準(zhǔn)備好供使用(步驟1930)或可以在外部襯底上接收另一個(gè)電子器件(步驟1940)。如步驟1950、1960和1970指示的，到該外部表面的印刷可以在從在步驟1910中提供的物體移除之前或之后。
[0301] 實(shí)施例4：在外表面和內(nèi)表面上的觸覺(jué)傳感器
[0302] 在另一個(gè)實(shí)施例中，本文中所提供的任何一個(gè)系統(tǒng)在內(nèi)表面和外表面上都具有電子器件，其中內(nèi)表面器件和外表面器件彼此通信，以便功能地提供壓力傳感器或力傳感器。在一個(gè)實(shí)施方案中，該通信是用于一對(duì)相對(duì)置的電極的電氣通信。功能通信的另一個(gè)實(shí)施例包括直接電氣接觸，其中來(lái)自一個(gè)表面上的一個(gè)器件的輸出被提供給外表面上的一個(gè)器件。在另一方面，所述器件彼此處于熱接觸，諸如在熱源和熱傳感器或溫度傳感器之間。
[0303] 本發(fā)明的一個(gè)方面是觸覺(jué)傳感器，該觸覺(jué)傳感器基于兩個(gè)相對(duì)置的電極之間的材料厚度的變化提供關(guān)于接觸力或壓力的信息。實(shí)施例包括基于電容或熱感測(cè)的壓力傳感器。參照?qǐng)D19，第一電子器件610和第二電子器件620由彈性體襯底20的內(nèi)表面和外表面支撐。為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，僅在圖19中例示了該系統(tǒng)的側(cè)視橫截面的一部分，其中共形地接觸一個(gè)附肢(未示出)的一個(gè)殼體體積鄰近第一電子器件610的陣列。為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，圖19例示的電子器件是電極610和620。電氣互連線640(第一多個(gè)電氣互連線)和650(第二多個(gè)電氣互連線)獨(dú)立地或以多路復(fù)用配置向每個(gè)電極提供電氣連接。所述互連線可以是彎曲配置(諸如，蛇形幾何結(jié)構(gòu))。所述互連線可以分別被嵌入在第一包封層660和第二包封層670中?？蛇x地，阻擋層680被用來(lái)進(jìn)一步使所述互連線彼此電氣隔離/或與周?chē)h(huán)境電氣隔離。所述阻擋層和包封層的位置部分地由期望的應(yīng)用確定。例如，是熱阻擋層的阻擋層可以被定位在熱源/熱傳感器和附肢/外部環(huán)境之間，取決于所述傳感器和源的位置。
[0304] 電子器件(例如，熱傳感器/源或電極610和620)可以在空間上相對(duì)于彼此對(duì)齊且由具有限定的厚度630的彈性體襯底20分開(kāi)，從而功能地形成電容隨著厚度630改變的電容器。以此方式，提供基于厚度630的變化測(cè)量壓力或力的壓力傳感器或力傳感器。在此方面，重要的是，襯底20是由厚度會(huì)根據(jù)施加的接觸力或壓力而變化的彈性材料形成的。優(yōu)選地，該材料是彈性體，因?yàn)閺椥泽w的的響應(yīng)特性是可逆的且會(huì)壓縮并以靜置厚度具有最小變化松弛回到未壓縮狀態(tài)。彈性體材料可以幫助提供對(duì)力或壓力更準(zhǔn)確的、穩(wěn)健的且可靠的測(cè)量。力和壓力通常被可互換地使用，因?yàn)榭梢曰诒磉_(dá)式F＝P/A從一個(gè)計(jì)算
2
出另一個(gè)，其中F力(牛頓)，P是壓力(帕斯卡)且A是其上施加壓力的面積(m)。功能
地，熱基系統(tǒng)被類(lèi)似地布置，不同之處在于厚度減小導(dǎo)致溫度增加。類(lèi)似地，光源和檢測(cè)器可以被采用，其中光傳輸依賴(lài)于襯底厚度。以此方式，本文中所提供的系統(tǒng)中的任一個(gè)可以包括上文引用的用于提供觸覺(jué)信息(諸如，施加到外部表面或來(lái)自外部表面的力，包括可以在施加的力的接觸面積區(qū)域上空間改變的壓力)的壓力傳感器中的任一個(gè)。
2
出另一個(gè)，其中F力(牛頓)，P是壓力(帕斯卡)且A是其上施加壓力的面積(m)。功能
地，熱基系統(tǒng)被類(lèi)似地布置，不同之處在于厚度減小導(dǎo)致溫度增加。類(lèi)似地，光源和檢測(cè)器可以被采用，其中光傳輸依賴(lài)于襯底厚度。以此方式，本文中所提供的系統(tǒng)中的任一個(gè)可以包括上文引用的用于提供觸覺(jué)信息(諸如，施加到外部表面或來(lái)自外部表面的力，包括可以在施加的力的接觸面積區(qū)域上空間改變的壓力)的壓力傳感器中的任一個(gè)。
[0305] 對(duì)于內(nèi)電子器件610和外電子器件620之間的對(duì)齊程度存在容限，特別是當(dāng)容易地通過(guò)施加已知的力或壓力且觀察產(chǎn)生的電容、溫度或光學(xué)傳輸變化來(lái)校準(zhǔn)所述系統(tǒng)時(shí)(例如，參見(jiàn)圖6(d))。在一方面，該襯底是至少部分半透明的或透明的以便于在將面向外的電子器件印刷到具有面向內(nèi)的電子器件的外表面期間對(duì)齊。
[0306] 使用對(duì)齊的電極陣列對(duì)提供電容器陣列，從而允許通過(guò)憑借由不同的電容器檢測(cè)的襯底厚度630的在空間上改變的變化來(lái)檢測(cè)系統(tǒng)表面上的力或壓力分布。
[0307] 關(guān)于納入?yún)⒖嘉墨I(xiàn)和變體的聲明
[0308] 在該整個(gè)申請(qǐng)中引用的所有參考文獻(xiàn)(例如，專(zhuān)利文件，其包含公開(kāi)的或授權(quán)的專(zhuān)利或等同物；專(zhuān)利申請(qǐng)公布；以及非專(zhuān)利文獻(xiàn)文件或其他來(lái)源材料)在此以引用的方式整體納入，就如同以引用的方式單獨(dú)地納入，在一定程度上，每個(gè)參考文獻(xiàn)至少部分地與本申請(qǐng)中的公開(kāi)內(nèi)容不一致(例如，通過(guò)引用納入部分不一致的參考文獻(xiàn)中除了該參考文獻(xiàn)的部分不一致的部分以外的部分)。
[0309] 本文中已經(jīng)采用的術(shù)語(yǔ)和表達(dá)被用作對(duì)術(shù)語(yǔ)的描述而非限制，且并非意在使用這些術(shù)語(yǔ)和表述排除所示出的和所描述的特征或其部分的任何等同物，而且應(yīng)認(rèn)識(shí)到，在本發(fā)明要求保護(hù)的范圍內(nèi)可以有多種改型。因此，應(yīng)理解，盡管通過(guò)優(yōu)選實(shí)施方式、示例性實(shí)施方案和可選的特征具體公開(kāi)了本發(fā)明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員可以采用本文中所公開(kāi)的概念的改型以及變體，且這樣的改型和變體被認(rèn)為在由所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的范圍內(nèi)。本文中提供的具體實(shí)施方案是本發(fā)明的有用的實(shí)施方案的實(shí)施例，且本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)明了，可以使用本說(shuō)明書(shū)中闡明的器件、器件部件以及方法步驟的大量變體來(lái)執(zhí)行本發(fā)明。如對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見(jiàn)的是，對(duì)本方法有用的方法和器件能夠包括大量可選的組成和處理元件和步驟。
[0310] 當(dāng)本文公開(kāi)了一組取代基時(shí)，應(yīng)該理解，分別公開(kāi)了該組和所有子組的所有個(gè)體成員。當(dāng)本文中使用馬庫(kù)什分類(lèi)或其他分類(lèi)法時(shí)，該組的所有個(gè)體成員和該組可能的所有組合和子組合意在被單獨(dú)地包含在本公開(kāi)內(nèi)容中。化合物的特定名稱(chēng)意在是示例性的，因?yàn)楸绢I(lǐng)域的普通技術(shù)人員能夠以不同的方式命名相同的化合物。
[0311] 除非另有聲明，否則本文中所描述的或示例的部件的每個(gè)構(gòu)成或組合可以被用來(lái)實(shí)踐本發(fā)明。
[0312] 每當(dāng)在本說(shuō)明書(shū)中給出范圍(例如物理屬性范圍、尺寸范圍、溫度范圍、時(shí)間范圍、成分范圍或濃度范圍)時(shí)，所有中間范圍和子范圍，以及包含在給定的范圍中的所有個(gè)體值都意在被包含于本公開(kāi)內(nèi)容中。應(yīng)理解，包含本說(shuō)明書(shū)中包含的一個(gè)范圍或子范圍中任何子范圍或個(gè)體值能夠被從本文的權(quán)利要求排除。
[0313] 說(shuō)明書(shū)中提及的所有專(zhuān)利和公布都指示本發(fā)明所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員的程度。本文中引用的參考文獻(xiàn)以整體引用的方式納入本文以指示自它們公布或提交日期起的現(xiàn)有技術(shù)且如果需要?jiǎng)t旨在可以被本文采用以排除現(xiàn)有技術(shù)中的特定實(shí)施方案。例如，當(dāng)要求保護(hù)物質(zhì)的組合物時(shí)，應(yīng)理解，申請(qǐng)人的發(fā)明之前的現(xiàn)有技術(shù)中已知的且可用的化合物(包括在本文中引用的參考文獻(xiàn)中為其提供了啟示公開(kāi)內(nèi)容的化合物)并非旨在被包含于本文中的物質(zhì)的組合物權(quán)利要求。
[0314] 如本文所使用的，“包括”是與“包含”“含有”或“其特征在于”同義的，且是包括性的或開(kāi)放式的，并且不排除附加的、未列舉的元件或方法步驟。如本文所使用的，“由...組成”排除了權(quán)利要求元素中未指定的任何元素、步驟或組成。如本文所使用的，術(shù)語(yǔ)“基本上由...組成”不排除不會(huì)實(shí)質(zhì)上影響權(quán)利要求的基礎(chǔ)和新穎特性的材料或步驟。在本文中的每種情況下，術(shù)語(yǔ)“包含”、“基本上由...組成”和“由...組成”可以用其它兩個(gè)術(shù)語(yǔ)中的任何一個(gè)代替。能夠在缺少本文中未具體地公開(kāi)的任何元件或多個(gè)元件、一個(gè)限制或多個(gè)限制的情況下恰當(dāng)?shù)貙?shí)施本文示例描述的發(fā)明。
[0315] 本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)理解，可以在不做過(guò)度試驗(yàn)的情況下，在本發(fā)明的實(shí)踐中采用除具體示例那些以外的起始材料、生物材料、試劑、合成方法、純化方法、分析方法、化驗(yàn)方法以及生物方法。任何這樣的材料與方法的所有本領(lǐng)域已知的功能等同物旨在被包含在本發(fā)明中。已經(jīng)被采用的術(shù)語(yǔ)和表達(dá)被用作對(duì)術(shù)語(yǔ)的描述而非限制，且并非意在使用這些術(shù)語(yǔ)和表述排除示出和描述的特征或其各部分的任何等同物，而且應(yīng)認(rèn)識(shí)到，在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以有多種改型。因此，應(yīng)理解，盡管通過(guò)優(yōu)選實(shí)施方式和可選的特征具體公開(kāi)了本發(fā)明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員可以采用本文所公開(kāi)的概念的改型以及變體，但這樣的改型和變體仍被認(rèn)為在由所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的范圍內(nèi)。
[0316] 以下專(zhuān)利和專(zhuān)利申請(qǐng)以整體引用的方式納入本文：7,195,733；7,622,367；7,557,367；7,799,699；7,943,491；7,521,292；8,367,035；8,217,381；7,932,123；
7,972,875；8,198,621；7,704,684；7,982,296；8,039,847；7,705,280；2010/0002402；
2010/0052112；2010/0317132；2012/0105528；2012/0157804；2008/0055581；
2011/0230747；2011/0187798；2013/0072775；13/624,096(于2012年9月21日提交)。
7,972,875；8,198,621；7,704,684；7,982,296；8,039,847；7,705,280；2010/0002402；
2010/0052112；2010/0317132；2012/0105528；2012/0157804；2008/0055581；
2011/0230747；2011/0187798；2013/0072775；13/624,096(于2012年9月21日提交)。
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