专利名称：可拉伸和可折叠的电子器件的制作方法
可拉伸和可折叠的电子器件相关申请的交叉参引本申请要求于2008年3月5日递交的第61/033，886号、2008年6月16日递交的 第61/061，978号，以及2008年7月观日递交的第61/084，045号美国临时专利申请的利 益，上述每一个申请以不与本发明发生冲突的程度引入此处。关于政府赞助的研究或开发的声明本发明至少部分是在美国政府支持下做出的，即由美国国家科学基金会赞助 的DMI-0328162和ECCS-0824129号项目，和由美国能源部赞助的DEFG02-91ER45439、 DEFG02-07ER46471和DEFG02-07ER46453号项目。美国政府享有本发明的某些权利。
背景技术：
自从印刷全聚合物晶体管于1994年首次面世以来，人们开始极大地关注一种包 括在塑料衬底上的柔性集成电子器件的潜在新型电子系统。[Garnier，F.、Hajlaoui, R.、 Yassar，A.以及 Srivastava，P.，Science，第 265 卷，第 1684-1686 页]近来，大量研究指向 了开发用于柔性塑料电子器件的导体、电介质和半导体元件的新型的可溶液加工的材料。 但是，柔性电子器件领域的进展并不仅仅由新型可溶液加工的材料的发展来推动，也同样 由新的器件部件结构、有效的器件以及器件部件加工方法，以及能够应用至柔性电子系统 的高分辨率图样化技术来推动。希望这类材料、器件结构以及制造方法将在迅速新兴的新 型柔性集成电子器件、系统和电路中扮演重要的角色。对柔性电子器件领域的关注源自于这一技术提供的诸多重要的优势。例如，这些 衬底材料的固有柔性允许它们集成至许多形状，以提供通过脆性的常规硅基电子器件不可 能形成的大量有用的器件构造。另外，可溶液加工的部件材料与柔性衬底的结合使得通过 连续的、高速印刷技术以低成本在大衬底上制造电子器件成为可能。但是，对具有优良的电子性能的柔性电子器件的设计和制造也存在许多艰难的挑 战。首先，用于制造常规硅基电子器件的成熟方法与大部分柔性材料是不相容的。例如，传 统的优质无机半导体部件——诸如单晶硅或锗半导体——一般是通过在明显超过大多数 塑料衬底的熔化温度或分解温度的温度(> 1000摄氏度)下生长薄膜来形成。此外，大部 分无机半导体在常规溶剂中，并不是固有可溶的，从而允许进行基于溶液的加工和传输。其 次，虽然许多非晶硅、有机或有机-无机混合半导体能够被相容地纳入柔性衬底，且可以在 相对低的温度下加工，但是这些材料并不具有能够提供性能优良的集成电子器件的电子性 能。例如，具有由这些材料制成的半导体元件的薄膜晶体管显示出的场效应迁移率较互补 的基于单晶硅的器件少约三个数量级。由于这些局限性，柔性电子器件当前被限于不要求 高性能的特定应用，诸如用于具有非发光型像素的有源矩阵平板显示器的开关元件，以及 发光二极管。柔性电子电路是在如下多个领域中的一个活跃研究空间，这些领域包括柔性显示 器、任意形状的电活性表面诸如电子织物以及电子皮肤。这些电路通常无法充分适应其周 围环境，因为导电元件不能根据形态变化而拉伸。因此，这些柔性电路容易出现损坏、电子
6退化，以及在严格和/或重复的形态改变下变得不可靠。柔性电路需要在经历拉伸和松弛 的循环下仍能保持完好状态的可拉伸和可弯曲的互联部。能够弯曲并具有弹性的导体通常通过将金属颗粒嵌入诸如硅树脂的弹性体而形 成。这些导电橡胶是同时具有机械弹性和导电性的。导电橡胶的缺陷包括高的电阻率和在 拉伸下发生的显著阻抗变化，因此导致了总体上较差的互联性能和可靠性。Gray等人讨论了使用包覆在硅树脂弹性体中的微制造的曲折线来构造弹性体电 子器件，该微制造的曲折线能够承受最高达到的线性应变且同时保持导电性能。在该 项研究中，所述线被形成为螺旋弹簧状。与在较小的应变(例如，2. 4%)下就断裂的直线 相反，曲折线在明显更大的应变(例如，27. 2% )下仍然保持导电。这样的线结构依赖于线 通过弯曲伸长而非拉伸伸长的能力。那系统在可控地和精确地在其他平面上图样化出不同 形状的能力方面受到了限制，从而限制了将该系统调整至适应不同的应变和弯曲方案的需 求的能力。研究显示，弹性可拉伸金属互联部随着机械应变将出现阻抗的增加(Mandlik等， 2006)。Mandlik等人试图通过将金属薄膜沉积在金字塔形纳米图样化的表面上来使这种阻 抗的改变最小化。但是该研究依赖于浮凸特征(relief feature)来产生影响薄金属线拉 伸性的微狭缝。所述微狭缝通过离开平面的扭曲和变形促进了金属的弹性变形。但是这些 金属狭缝与厚的金属薄膜并不相适应，只是与沉积在图样化弹性体的顶端上的相当窄范围 的金属薄膜(例如，大约小于30纳米)相适应。一种为金属互联部提供拉伸性的方法是，通过在导体(例如，金属)应用中将衬 底预加应变(例如，15% -25% )，然后自然地松开预应变，从而使金属导体互联部形成波 状(见例如 Lacour 等人(2003) ； (2005) ； (2004)，Jones 等人(2004) ；Huck 等人(2000)； Bowden等人(1998))。Lacour等人Q003)报道了，通过首先压缩金条以产生自然皱缩的金 条，电连接在最高达22%的应变下仍被保持(相比较，弹性衬底上的金薄膜在数个百分点 的应变时就断裂)。但是，该研究使用相对较薄层的金属膜(例如，约105纳米)，并且其相 对限制之处在于，该系统仅能潜在地制造可以拉伸约10%的导体。从前文中可以清晰地看出，需要具有改进的拉伸性、电学特性的电子器件，诸如互 联部和其他电子部件，以及用于快速并可靠地制造处于各种不同构造的可拉伸互联部的相 关方法。人们希望柔性电子器件领域的进展在大量重要的不断涌现和已有的技术中扮演关 键角色。但是，柔性电子技术在这些应用上的成功相当程度上依赖于以下方面的持续发展， 即，新型材料、器件构造，以及用于制造在挠曲、变形和弯曲形态下显示出良好的电子、机械 和光学特性的集成电子电路和器件的商业可行制造方法。特别地，需要在折叠、拉伸和/或 收缩的形态下显示出有用的电子和机械特性的高性能的、可机械应变的材料和器件构造。
发明内容
可高度弯曲和拉伸的电子器件以及用于制造这类器件的方法可以通过如下方法 获得，即，控制中性机械表面(neutral mechanical surface)的位置以对应应变敏感层，或 选择性地使用应变隔离层将应变敏感层与所施加的应力和应变隔离开。所述方法和器件可 以用于各种各样的应用和器件，诸如在弯曲系统以及经受机械变形的系统中的电子系统 和光电系统。所述方法和器件将高质量的电子材料——诸如硅纳米带和其他无机纳米材料的对齐阵列——以多层中性机械平面设计和选择性的“波状”结构布局的方式与超薄和弹 性体衬底相结合。根据具体的机械学模型的这类方法促进了使用发展成熟的电子材料设计 和制造各种类型的集成电路以及高度集成的光电系统，否则这些材料的内在脆性、易碎的 机械特性将使它们不可能用在所述应用中。所述系统和方法能够提供具有与构造在脆性半 导体晶片上的现有技术器件相当的性能水平的不受应变限制的电学器件。例如，这里提供 的系统最小化或消除了机械应变对器件性能的影响，从而促进了将这些器件用在各种各样 的应用中，以及使这些器件具有任意几何形状。在其他方面，这里提供的系统获得了共形的 (shape-conforming)电子器件，否则电子器件将会发生由应变引起的机械损坏。或者，这里提供的方法可与常规电子器件制造方法相适应，所述常规电子器件制 造方法本质上是内在平面性的，由于在这些现有制造方法中使用了图样化、沉积、蚀刻、材 料生长以及掺杂方法。这里提供的可拉伸和可压缩的系统通过促进将常规平面几何形状制 造系统几何转变为适用于要求非线性几何形状的应用的任意曲线形状，从而避免了平面几 何形状的限制。因此，这里提供的方法允许将平面器件技术集成至复杂曲线物体的表面。空间非均勻层以及这些层的图样化提供了如所期望地定位中性机械表面(匪S) 的能力，诸如使其邻近、重合或相邻于包括应变敏感材料的层，诸如功能层。在这一方面， “应变敏感”指响应于相对较低水平的应变而断裂或以其他方式破损的材料。在一个方面， WS与功能层重合或邻近。在一个方面，WS与功能层重合，这指的是匪S的至少一部分位 于对于沿匪S的所有横向位置都包括了应变敏感材料的功能层之内。在一个方面，匪S邻近 于功能层，其中虽然WS可以不与功能层重合，但WS层的位置为功能层提供了机械益处， 诸如显著降低了要不是匪S的位置否则将会被施加在功能层上的应变。例如，邻近的匪S 的位置被选择性地定义为距离应变敏感材料如下一距离，该距离对于指定的折叠构造一 诸如器件被折叠使得曲率半径处于大约毫米或厘米量级一为应变敏感材料上的应变提 供至少10%、20%、50%或75%的减小。在另一方面，邻近的匪S的位置可以被限定为常数 项，诸如距离应变敏感材料的距离例如小于若干mm，小于2mm，小于10 μ m，小于1 μ m，或小 于lOOnm。在另一方面，邻近层的位置被相对于相邻于应变敏感材料的层而定义，诸如在最 接近于包括应变敏感材料层的层的50%、25%或10%之内。在一个方面，所述邻近的匪S 被包括在相邻于功能层的层中。另外，功能层中的器件的几何形状一方面被用于提供拉伸性和压缩性。在一个实 施方案中，所述系统是使用被构造为如下结构形状的无机半导体纳米材料的多层器件，该 结构形状能够几何上适应较大的机械变形而不使材料本身受到显著的应变。例如，联接刚 性器件岛的互联部可以是波状或屈曲的，诸如第11/851，182号美国专利申请(美国公开 号2008/015723 进一步描述的，所述文本以引证方式被纳入本说明书。类似地，器件部 件所在的层可以是波状的。这样的几何结构为能够适应这些应力的区域提供了可逆的拉伸 性，同时最小化或消除了其他相对刚性的区域对拉伸性的需要。在一个方面，本发明是一种通过提供如下的多层器件来制造可拉伸和可折叠的电 子器件的方法，所述多层器件包括衬底层、功能层，以及一个或多个中性机械表面调整层， 其中功能层由衬底层承载，同时多层中的至少一层具有空间非均勻特性，其中该空间非均 勻特性定位了重合或邻近于功能层的中性机械表面。可以提供空间非均勻性以影响NMS的 位置改变的特性的示例，包括但不限于以下的一种或几种杨氏Young's)模量、沉积附加层、层厚度、凹陷特征、空间图样化在所述功能层中的器件部件，以及功能层几何结构。影响 这些特性中的一个或多个的改变的任意特性可以被空间地修改。因此，层的孔隙率和交联 可以被空间地改变，从而空间地修改该层的杨氏模量，从而空间地修改匪S的位置。在一个实施方案中，空间非均勻性由包括横向图案化所述层中的任意层的步骤提 供。横向指的是在X-Y平面坐标系之上的变化，其中层厚度被定义为沿垂直于X-Y平面的 Z轴。这样的横向图样化提供了横向空间非均勻性，以影响匪S的位置。在一个方面，横向 图样化由图样化带有一个或多个包括薄膜或附加层的中性机械表面调整层的衬底而提供。 所述图样化选择性地包括一个或多个封装层，一个或多个凹陷特征诸如蚀刻孔，或二者皆 有。空间非均勻性选择性地由横向图样化实现，所述横向图样化选择性地改变衬底层 的厚度或一个或多个中性机械表面调整层的厚度，或者诸如通过调整孔隙率、交联的程度 或杨氏模量来空间地调整衬底层或一个或多个中性机械表面调整层的机械特性。在一个方面，所述一个或多个中性机械表面调整层是一个或多个封装层。这样的 封装层在当器件被置于否则可能破坏器件运行的环境中的应用时，还用于器件隔离。所述 封装层选择性地具有在横向上选择性变化的厚度。如这里所使用的，封装层指的是完整涂 覆器件、仅涂覆电子器件所在的顶表面，或顶表面的一部分。在一个方面，中性机械表面具有如下几何形状，诸如平面或非平面的形状。在另一 方面，任何包括由这里公开的任意方法制造的一个器件的器件都具有非均勻的横截面。在一个实施方案中，非均勻层通过选择性地图样化功能层、衬底层或附加层而形 成，诸如包括将无源或有源的电子部件转印至功能层的图样化步骤。在一个实施例中，图样 化步骤包括选择性地在一个或多个层上布置蚀刻孔，以提供具有高折叠性和拉伸性的对应 的局部器件区域。在另一实施例中，所述方法中的任一个还包括沿一个或多个横向方向图 样化一个层，以提供重合或邻近于功能层的中性机械表面，其中功能层对于应变引起的断 裂是最敏感的。在一个实施方案中，所述方法中的任一个提供了与功能层重合的中性机械表面。在另一个方面，所述方法和器件中的任一个是以机械特征——诸如可折叠性—— 的方式被描述的。在一个方面，该方法提供了如下一个功能层，其能够折叠至1至5mm或更 大的曲率半径而不会不利地降低电子性能或造成机械损坏。在一个方面，这里公开的方法中的任一个涉及如下的器件，该器件包括多个功能 层和分隔所述功能层的衬底层，其中功能层的数目大于或等于2，并小于或等于20。在一个方面，这里提供的方法中的任一个涉及制造超薄器件，诸如具有小于或等 于10 μ m的厚度的器件。这里公开的衬底中的任一个包括PDMS。在一个实施方案中，功能层包括可拉伸和可折叠的电子器件依赖于其的电子器件 部件。在一个方面，器件部件包括在第11/851，182号美国专利申请中公开的、并由其中公 开的一个或多个方法制造的一个或多个可拉伸部件。第11/851，182号美国专利以引证方 式被详细纳入以用于可拉伸部件、器件，以及使用结构性波状或弯曲功能层制造这类可拉 伸器件和部件相关的方法。在一个方面，器件包括多个功能层，例如，诸如大于2、大于8，或 在2和20之间。还提供了如下方法，S卩，通过提供包括衬底层、功能层以及一个或多个中性机械表面调整层的多层器件来制造具有曲面的电子器件的方法，其中功能层由衬底层承载，同时 所述多层中的至少一层具有空间非均勻特性，其中该空间非均勻特性定位了重合或邻近于 功能层的中性机械表面。所述多层器件可以通过这里公开的任意方法制造。由于多层装置 是可折叠和可弯曲的，使用多层器件来共形包覆曲线表面提供了具有对应的曲面的电子器 件。因为这里提供的器件的可弯曲性、可拉伸性以及可折叠性，任意形状的任何曲面都与这 些方法相容，包括但不限于任意曲线表面，半球形或圆柱形表面。在一个实施例中，所述器 件是半球形的光学成像器或电子眼。另外，提供了具有弯曲几何形状的尖端相机，其相比常 规的平面构造的相机可提供了相当的或改进的图像捕获或渲染。这样的具有很好的灵敏度 和操作特征的相机可以被用于多种目标应用，诸如视网膜移植。在一个实施方案中，提供了用于制造电子器件薄片的方法，诸如超薄柔性和可折 叠电路或CMOS电路。本方法的一个实施例是提供载体层表面，将载体层表面的至少一部分 涂覆以牺牲层，将一衬底层附接至该牺牲层，其中所述衬底层承载电子器件的至少一个部 件，图样化穿过衬底层的多个牺牲层入口(access opening)，并通过经由所述入口向牺牲 层引入牺牲层去除材料，将衬底层从载体层表面释放，从而获得可折叠电子器件。在一个方 面，电路是超薄的，诸如小于10 μ m、小于5 μ m,或小于2 μ m。可以使用任意的牺牲层材料， 诸如通过从所述入口引入溶剂而使其可溶解的牺牲层。例如，PMMA的牺牲层可以溶解在丙 酮中，以提供可弯曲的自立式(free-standing)薄片。大体而言，较薄的薄片能够弯曲得 较大。在一个方面，牺牲层包括PMMA，且牺牲层去除材料是PMMA溶剂。在另一方面，可折 叠电子器件是超薄的。在另一方面，制造可折叠电子器件的方法还包括使所释放的衬底层与具有第一水 平的应变的弹性体印模(elastomeric stamp)共形地接触，以将一个或多个部件结合至所 述印模，并向弹性体印模施加一个力，以使印模的应变产生从第一水平的应变到与第一水 平不同的第二水平的应变的变化。所述印模应变水平从第一水平到第二水平的变化导致了 一个或多个部件的弯曲，从而产生了一个或多个可拉伸部件，其中每一部件具有结合至衬 底的第一端和第二端，以及以弯曲构造提供的中心区域。在一个实施方案中，结合步骤包括 在部件上、印模表面上，或在部件和印模表面上都产生结合和非结合区域的图样的步骤，以 产生弯曲的部件的空间图样。在一个方面，所述器件是电路板。在一个实施方案中，代替自立式实施方案，所释放的电子装置可以被处理以获得 波状构造。这种方法的一个示例是——如公开号为2008/0157235号美国专利所述——使所 释放的衬底层与具有第一水平的应变的弹性体印模共形地接触，以将一个或多个部件结合 至印模，并向所述弹性体印模施加一个力以使印模的应变产生从第一水平到与第一水平不 同的第二水平应变的变化，其中从第一水平到第二水平的印模应变水平的变化导致了一个 或多个部件的弯曲，从而产生一个或多个可拉伸部件，其中每个部件均具有结合至衬底的 第一端和第二端，以及以弯曲结构提供的中心区域。这一方法是通过波状特征的几何结构 构造为电子器件提供具有相对高拉伸性的局部区域的一种方法。为了促进受控区域结合， 在部件的一个或两个压印表面上图案化形成有粘合剂。在另一方面，提供了如下的制造可折叠电子器件的方法，即，通过使用锚(anchor) 或承载结构以促进可印刷元件诸如电子部件阵列或元件(例如，半导体)图样的高保真脱离(lift-off)。“高保真”指的是大于约90%的脱离，大于95%或大于97%去除可印刷元 件，以及将它们相关地转移至期望的接收衬底。这一方法尤其适合于如下应用即，其中将 牺牲层溶解在蚀刻溶液中，以最小化可印刷元件在溶液中的损失，和/或减小由于可印刷 元件和其下的承载衬底晶片之间的粘合导致的不希望的粘合剂损失。在这一方面，一种方 法是在承载衬底表面上提供功能层，其中功能层包括电子器件阵列；在功能层中蚀刻一个 或多个入口，朝功能层和入口撒布聚合材料，其中撒布在入口中的聚合物产生了锚，其促进 了阵列从承载衬底表面上高保真脱离；以及使一个弹性体印模与所述聚合材料相接触；以 及沿着远离承载衬底的方向去除弹性体印模，以从衬底去除所述聚合材料，并因此从承载 衬底去除锚定至所述聚合材料的阵列。“阵列”用于指代多个空间变化的元件，或在层内具 有不同形状的元件的连续的薄膜层。在这一方面的一个实施方案中，入口是蚀刻孔。选择性地，本方法还包括将器件的 移除阵列印刷至器件衬底表面。在一个实施方案中，重复该方法以形成多层电子器件。这 里公开的任何方法可选择性地用于GaAs多层太阳能电池的印刷器件。在一个实施方案中，本方法涉及具有平面结构到弯曲表面的印刷电子器件或其部 件。例如，平面结构的器件可以被纳入到由本发明的方法制造的可折叠器件中，并在其中被 转移至曲线表面。在一个方面，转移印模的松弛形状对应于——弯曲印模上的器件被转移 至的——器件衬底的形状，诸如，被撒布在——电子器件或其部件被转移至的——弯曲接 收衬底上的转移元件或印模的形状。本方法的一个实施例是在基本平面的衬底表面上提供 器件，提供具有曲线结构的弹性体印模，使该弹性体印模变形以提供基本平坦的印模表面， 使所述基本平坦的印模表面接触衬底表面上的器件，以及通过沿远离衬底的方向提起印模 将器件从衬底表面上移除，从而将部件从衬底表面转移至基本平坦的印模表面，以及使弹 性体印模松弛，从而将基本平坦的印模表面转变为具有弯曲几何结构的表面。在另一方面，本发明是一种用于将弯曲表面转变为基本平面的表面的器件。“基 本平面”指的是接触表面与真正平坦的最大偏差小于20%、小于5%或小于1%。所述器 件可选择地包括用于可固定地接收弹性体印模的支架，以及可操作地联接至该支架的力发 生器，以在可固定地接收的弹性体印模上产生一个力，该力能够使曲线印模基本变平。可 以使用任何用于使该表面变平的手段。在一个实施例中，适于调节由支架限定的覆盖区 (footprint area)的拉伸台提供了相应的几何结构。支架的几何结构可以根据曲面的结构 而选择。对于半球曲面，覆盖区可以是圆形的以提供使半球表面变平的径向力。部分柱形 表面可以使用具有矩形覆盖区的单轴力发生器以使弯曲表面变平。所述器件选择性地还包括可操作地联接至支架的垂直转换器，以在可固定地接收 的弹性体印模和基本平坦的衬底上的电子部件之间建立共形接触。在一个方面，支架具有 圆形结构。在一个方面，力发生器包括可操作地联接至支架的拉伸台。在一个方面，所述拉 伸台包括多个明轮轮辐(paddle arm)，用于将弹性体印模固定至支架，以及用于传递径向 力以使弯曲表面变平。在另一方面，本发明是一种可拉伸和可折叠器件，其具有具有承载层，其中所述层 是弹性体；一个功能层，其被所述承载层承载；以及一个或多个中性机械表面调整层，其中 所述层中的至少一层或多层具有空间非均勻特性，因此产生了重合或邻近于功能层的中性 机械表面。
在一个方面，非均勻特性选自杨氏aoimg’ s)模量、层厚度、空间图样化的附加 层、凹陷特征、功能层元件位置，以及功能层几何结构中的一项或几项。在一个方面，所述器件选自集成电路、半导体、晶体管、二极管、逻辑门电路、电子 部件阵列，以及光学系统。在一个方面，功能层可以具有纳米带阵列，诸如被屈曲为端部结合至衬底或刚性 岛(island)(诸如用于接收电子器件的接触垫)而中间区域则不结合至所述衬底或刚性岛 的纳米带。这为功能层带来更大的拉伸性。在另一实施方案中，本发明是一种在各种非常规的衬底上制造可拉伸、可弯曲和/ 或可折叠的电子器件的方法。所述器件可以是高性能的，且通过使用策略性放置的应变隔 离层而实现，所述隔离层释放了否则将会出现在电子器件上的不适合的应变和应力，尤其 是在容易遭受由应变引起的损坏的器件的功能层上的应变和应力。在一个方面，本方法包 括在具有第一杨氏模量的接收衬底上涂覆具有第二杨氏模量的隔离层，所述隔离层具有用 于接收电子器件的接收表面，以及第二杨氏模量小于第一杨氏模量。在一个实施方案中， 隔离层是聚合物或弹性体。所述电子器件被以可印刷构造的方式提供在承载衬底上。“可 印刷电子器件”指的是能够例如通过诸如接触转印的方式从一个衬底转移至另一衬底的电 子器件或其部件(例如，电路、CMOS电路、互联部、器件岛、半导体元件/层、晶体管、逻辑电 路，及其阵列)。所述可印刷电子器件诸如通过接触转印被从承载衬底转移至隔离层接收表 面。所述隔离层将转移电子器件的至少一部分与施加的应变——诸如施加至器件接收衬底 的应变——相隔离。在一个方面，本方法被用于在非常规的衬底上提供电子器件及其部件，所述非常 规衬底包括但不限于例如织物、乙烯材料、皮革、橡胶、氨纶、纸张等的接收衬底。在这一 方面，高性能电子电路可以被纳入多种不同的应用，所述应用包括手套、布料、诸如窗户、房 顶、墙纸的建筑材料，制造系统，以及其他的需要曲线结构的电子器件和/或重复应变系统 的应用。在一个实施方案中，所述衬底包括织物。在另一方面，本方法涉及更常规的衬底材 料诸如聚合物、无机聚合物、有机聚合物、半导体材料、弹性体、晶片、陶瓷、玻璃或金属。在一个方面，聚合物包括PDMS。在一个方面，隔离层的杨氏模量(“第二杨氏模 量”)被相对于接收衬底的杨氏模量(“第一杨氏模量”)描述，诸如第一杨氏模量与第二 杨氏模量之比大于或等于约10(例如，隔离层的杨氏模量至少比接收衬底的杨氏模量小十 倍)。在一个方面，隔离层具有的杨氏模量小于或等于5MPa、小于或等于IMPa、在0. OlMPa 和IOOMPa之间、或在约0. IMI^a和5MPa之间。在一个方面，隔离层具有的厚度小于或等于 2mm、小于或等于200 μ m、小于或等于100 μ m，或小于或等于20 μ m。在一个方面，隔离层的 厚度选自以下范围，即10 μ m和2mm之间、40 μ m和200 μ m之间，或50 μ m至150 μ m之间。在一个实施方案中，这里描述的方法和器件涉及提供某一水平的应变隔离。在一 个方面，较之不具有应变隔离层的相应系统，隔离层提供了至少20%或更大，或90%或更 大的应变隔离。在一个方面，应变隔离的上限是一个实际可实现的值。在一个方面，在应 变敏感部件上的应变隔离小于或等于约不带有应变隔离层的系统的100倍(例如，高至约 99%的应变隔离)。在一个方面，可印刷电子器件是电子器件的一个部件，诸如电路是具有附加电路 或其他部件以形成整体电子器件的电子器件的一部分。在一个方面，部件包括多个互联部，诸如具有弯曲结构的多个互联件，其中互联件可操作地联接至应力敏感区域，例如，诸如器 件岛。所述弯曲可以相对于隔离层接收表面在平面内、平面外，或者二者的结合。在一个实施方案中，隔离层至少部分渗透接收衬底。这样的渗透可以用于其中希 望在隔离层和其下的衬底之间具有较高的粘合力的应用，诸如在机械应变和应力相对较 高从而提高了操作中发生分层的风险的情况下。在一个方面，接收衬底具有一表面构造 (surface texture)以增加在隔离层和接收衬底之间的接触面积。“表面构造”被广泛地用 于指称那些功能性地导致增加的表面面积的任意技术。例如，衬底可以固有地或非固有地 具有浮凸特征或其他的表面粗糙度。在一个方面，接收衬底具有孔隙，其中所述孔隙便于隔 离层渗入接收衬底，诸如具有的表面孔隙率大于或等于10%、大于或等于5%、或大于或等 于1%，或在约和10%之间的接收衬底。百分数的孔隙率指代具有孔隙或开口的总表面 积的百分比。在另一方面，接收衬底包括纤维，因此促进了聚合物渗入接收衬底。在这方面 的一个实施方案中，至少部分纤维被嵌入聚合层，诸如较靠近衬底表面的纤维的至少一部 分完全地嵌入已透入衬底表面的聚合物中。这里公开的任意器件和方法选择性地包括封装层，诸如部分地覆盖器件的多个部 分或完全封装了器件的封装层。在一个方面，封装层具有选定的杨氏模量，诸如小于接收衬 底的杨氏模量或小于隔离层杨氏模量的杨氏模量。在一个方面，封装层具有非均勻的杨氏 模量。在这一方面，“非均勻杨氏模量”指的是随空间变化——诸如通过引入某些特征(例 如，浮凸特征)，或选择性地将其他结构置于封装层的表面上或封装层内——的杨氏模量。在另一实施方案中，本发明是可拉伸和可折叠的电子器件，诸如使用这里公开的 任意方法——包括方法的组合——制造的器件。例如，使用中性机械平面机械结构的方法 可以与作为聚合物薄层的应变隔离层相结合，以进一步改进电子器件的机械结构。在一个实施方案中，可拉伸和可折叠电子器件包括接收衬底、至少部分覆盖接收 衬底的一个表面的隔离层，以及至少部分由隔离层承载的电子器件。所述隔离层被配置使 得电子器件(诸如功能层)经受应变隔离，诸如，较之不带有隔离层的器件中的应变，所述 应变隔离被降低至少20%或至少90%。在一个方面，隔离层的厚度小于或等于2mm，杨氏模 量小于或等于lOOMPa。有用器件的实施例包括具有与隔离层相结合的区域的电子器件或功 能层，诸如对应于覆盖有粘合剂或粘合剂前体的器件岛的背面的共价键。例如，有源器件的 岛的背面可以涂覆以Cr/Si02的双分子层，以在由PDMS聚合物形成的隔离层和电子器件结 合区之间形成包括Si-O-Si键的共价键。相应地，非结合区指的是其中在电子器件和隔离 层之间的粘合力(每单位的接触区)远远小于结合区域的粘合力的区域。例如，非结合区 可能未被涂覆以粘合剂或粘合剂前体(诸如Cr/Si02)。非结合区可选择性地对应于联接应 力敏感的相对刚性的相邻器件岛的弯曲互联部。这类弯曲构造还将功能层——诸如相对刚 性的器件岛——与应变或应变引起的应力相隔离。任意器件还选择性地包括封装层，诸如 具有非均勻杨氏模量的封装层。
图1. (A)使用硅纳米带，并能够实现很高水平的弯曲性(从上往下第三图)或完 全可逆的拉伸/压缩性(右下图)的用于超薄CMOS电路的制造过程的概览，(B-D)在载体 晶片和掺杂纳米带(插入图)上的光学图像电路(B)、在从该载体移除之后位于一个细棒上
13的光学图像电路(C)，以及在PDMS上具有波状构造的光学图像电路⑶。图2. (A) :PDMS上的波状Si-CMOS逆变器，其以各种水平的预应变ε 形成，(左 epre = 2.7%，中epre = 3.9%，右epre = 5.7%)。(B)通过以 ε pre = 3. 9%形成的系 统的完整三维有限元模型确定的结构性构造(左)，以及以类似条件制造的样本的立体扫 描电子显微照片(右)。(C)波状Si-CMOS逆变器在受到沿χ和y方向的拉伸应变时的光 学图像。(D)波状逆变器的所测量的(红和黑)以及仿真的(蓝)传递特性(左)，以及 η和ρ沟道MOSFET (左插入图，分别以实线和虚线表示)。对于沿χ和y施加的不同应变的 所测量的(实心圆)和仿真的(空心方形)逆变器阈电压。图3. (A)可拉伸的、波状三阶CMOS环形振荡器的阵列的光学图像(左上)，以及 在沿红色箭头方向定向的不同施加应变之下的一般振荡器的放大图(右图)。振荡器在不 同施加应变下所测量的时域和频域响应。(B)差分放大器的电路图(左上)；对于各种应 变值的输出特征(左下)；波状差分放大器在其制成状态的光学图像(右上)，以及在沿红 色箭头方向施加的应变之下的光学图像(右下)。图4. (A)“可折叠”的超薄Si-CMOS电路的图像，该电路使用包覆在显微镜盖玻片 的边缘的PI封装层。插入图示出了粗略的截面示意图。(B)使用双重中性平面设计的扭 曲(上图)和弯曲(下部插入图)波状Si-CMOS电路的图像。上部的插入图示出了粗略的 截面图。位于处于上图的扭曲构造中的样本的中央(左下)和边缘(右下)的逆变器的光 学显微照片。图5 电路制备步骤的示意图。图6 附接在细棒上的超薄器件的电压传递曲线。图7. (A)使用表面轮廓测定法(Sloan Dektak3)的波状超薄器件的波长和振幅测 量；薄金属电极部分(右)；用于PMOS(中)和nMOS(右)的厚器件部分。(B)多层堆叠的 示意图；(C)和⑶对于p-MOSFET和n-MOSFET区域以及金属互联部的中性平面的位置。 (E)和(F)对于具有PI保护层的p-MOSFET和n-MOSFET区域以及金属互联部的中性平面 的位置。图8:在电路的不同层中的最大应变与预应变之间的关系(A)，在金属互联部 p-MOSFET和n-MOSFET区域中的最大应变与预应变之间的关系(B)。图9. (A)沿y方向的拉伸测试的光学图像。(B)沿χ方向的拉伸测试的光学图 像。(C) :NM0S (左)和PMOS (右)器件在不同施加应变值时的传递曲线和迁移率变化。⑶ 对于0%应变的NMOS(左)和PMOS(右)的IV曲线；实线是测量值，虚线是仿真值。图10. (A)疲劳测试的光学图像。⑶疲劳测试中的电压传递曲线(左)和增益 值的变化。图11 超薄波状差分放大器的图像；在施加应变之前的差分放大器的放大图(插 入图)。图12. (A)折叠之前和之后的逆变器的放大图。(B)折叠逆变器的电压转换特 征。(C)折叠金属互联部区域的截面图。(D)具有中性机械平面的示意性波状结构。图13 有限元仿真模型和步骤。图14 用于使用可压缩的硅焦平面阵列和半球形、弹性体的转移元件来制造电子 眼相机的步骤的示意图。上图示出了通过在适合设计的模板上撒布和固化PDMS所制造的这样一个转移元件。沿径向方向拉伸形成了平坦的鼓面膜，其中PDMS的所有点都处于拉伸 状态。将预制造的焦平面阵列和相关联的电子器件从源晶片上提起至这一鼓面的表面，接 着允许PDMS松弛回到其初始形状，从而将平面器件布局转化为半球形。转印至涂覆了光固 性粘合剂(粉红)的薄层的匹配半球形玻璃衬底上，为半球形盖添加以集成的成像透镜，以 及接口连接至外部控制电子器件(这里未示出)，从而完成了相机系统。图15 适于平面到半球变形的可压缩硅和弹性体元件的机械结构。A 在PDMS半 球上的可压缩硅构造的光学图像(中部；凸缘位于周界周围)。硅覆盖了半球的中心区 域，并在这一图像中显示出浅灰色；总体结构的直边清晰可见(箭头)。这一系统由处于 16. 14x16. 14mm方形阵列中的通过带状硅(20x5 μ m ;50nm)相连接的163，216块方形硅元 件O0X20ym;50nm厚)组成，其初始形成在绝缘体上硅结构的晶片的平面表面上。B:在A 中示出的样本的小区域的扫描电子显微照片(SEM)。产生了这里可见的弧形形状的在联接 带中的平面外变形，提供了对于适应平面到半球形变形所必需的可压缩性。C 在一个类似 半球形阵列上的硅元件(500x500 μ m ;1. 2 μ m厚)的空间位置的试验测量图(黑点)，其具 有较粗略的特征和较少的元件。覆盖的网格代表了根据解析机械学模型预测平面到半球形 的变形；网格节点是所预测的阵列的空间位置，线段颜色表示了较之以平面构造所设计的， 在该阵列上的相邻元件之间的距离的变化百分比。结果显示了从小到大的小于约3%的变 化。D :SEM突出显示了阵列中的单个元件，且以彩色覆盖示出了弧形和应力分布的理论结果。图16，基于可压缩无源矩阵布局中的单晶硅光电探测器和阻流p-n结二极管的半 球电子眼相机的布局和电学特性。A 与阵列中的单个单元相关联的硅、金属和聚合物的布 局的分解示意图。阻流二极管(BD)位于单元的中心；光电探测器(PD)以蛇形结构围绕BD。 B:单元的电学特性和光学显微照片。所述数据是通过经由位于系统周界处的衬垫而接触在 半球形阵列中位于这一地址上的行和列电极而被测量的。所述数据(红色曝光；黑色处 于黑暗中)示出了对曝光的高对比响应。同样重要的是，来自阵列中其他像素的反向偏置 电流和漏电流均是很小的，如右插入图所示。C:集成在半球玻璃衬底上的阵列的照片(主 图)，部分阵列的光学显微照片(右上插入图)，和示出了在系统的2x2部分中的BD (黑)、 PD(红)以及电极交叉部(弧形)的电路图。D 在其表面上带有可压缩焦平面阵列的半球 形PDMS转移元件的照片。E 在D中的阵列的一部分的SEM图像，示出了可压缩互联部。图17.半球形电子眼相机的照片和示意性的输出图像。A 安装在印刷电路板(绿 色)上的半球形焦平面阵列(中)的照片，其通过带状电缆(左上)外部联接至计算机(未 示出)。B:相机在与带有简单的、单部件成像透镜(顶部)的透明(为便于观察)半球形 盖相集成之后的照片。C:在B中的系统的特写镜头，如直接穿过成像透镜所观察到的。对 于这里使用的参数，这一透镜将焦平面阵列放大以示出一个小的3x3的像素丛(cluster of pixels)。D、E :使用平面相机(D图)和半球形相机(E图)所获得的灰度图像，所述相机具 有如在与所述焦平面阵列的像素相匹配的表面上所绘制的16x16像素。平面情形中的底部 图像示出了投射在平面屏幕上的图像的——来自商业的IOM像素的数码相机一一的相片， 其沿光轴并从样本后面捕获。对于这一光学设置观察到了几何枕形失真。F 显示在匹配于 探测器表面的半球形表面(上图)和投射在平面上(下图)的使用16x16的半球形相机所 获得的位于视力表中的头两行的灰度图像。左侧和右侧的图像分别是未经扫描和通过扫描(以0.4°的增量在θ和φ方向从-2到2° )获得的。轴线量度(axesscale)以mm计， 并且在每个图像中是相同的。图18 用于有效地将焦平面阵列从SOI晶片上去除的加工流程图。关键步骤是 d_h，其中旋转撒布的聚合物(对于这里的结果是聚酰胺)层渗过预限定的蚀刻孔，以在对 隐埋氧化物进行HF底切蚀刻之后，保持大部分阵列自其下的硅操作晶片悬挂下来。这一策 略避免了否则可能会破坏使阵列脱离的能力的静摩擦力。由聚合物形成的柱(post)防止 了在HF蚀刻过程中阵列的不希望的滑动或皱缩。图19 焦平面阵列布局的示意图，同时示出了关键尺寸。浅棕、深粽和灰色区域分 别对应于聚酰胺、Cr/Au和硅。图20 如下的平面相机的照片(上图)和光学显微照片(下图)，所述相机使用了 与半球形相机类似的加工方法、焦平面阵列设计、互联部方案以及其他特征。这一系统被用 于评估设计和制造技术的各种不同方面。这些图像提供了在半球形结构中较难清晰显示的 某些特征的视图，因为与光学显微镜相关的景深是有限的。图21 用于撒布和固化半球形PDMS转移元件的安装夹具的光学图像。图22 半球形PDMS转移元件的布局的截面图，示出了关键尺寸。图23 半球形PDMS转移元件的布局的顶部示意图，以及在制成构造和径向拉伸构 造中的关键尺寸。该图像的中间部分的覆盖图示出了无源矩阵阵列的局部，其按比例示出。图24:径向拉伸台的计算机辅助设计图。半球形PDMS元件安装在中央。明轮轮 辐径向移动以将半球形扩大至平面鼓面形状。图25 :径向拉伸台和PDMS转移元件的照片(左图)。PDMS元件安装在所述台的 明轮轮辐上(中间图)，对应于以虚线框表示的左边的图像的区域。右帧示出了处于平坦鼓 面构造的在其表面上具有焦平面阵列的PDMS元件。图沈在其表面上带有可压缩焦平面阵列的半球形PDMS转移元件的照片。SEM示 出了部分阵列，图示了可压缩的互联部。图27 用于估算玻璃衬底上的半球形焦平面阵列中的像素元件的空间分布的方 法。该方法从系统的照片(上图)开始，该照片接着被转化为二进制形式(中间图)，接着 使用图像处理软件进行处理以定位像素的中心的空间坐标。图28:球形盖和成像透镜的横截面示意图和计算机辅助设计图，示出了关键尺 寸。图四用于图像获取的多路复用器/多路分解器系统的照片。图30 用于图像获取的电子器件的电路图。图31 用于图像获取的光学设备的照片。图32 用于成像的软件界面的屏幕捕获。图33 将硅元件映射到半球上的示意图。(A)半径R的PDMS半球形盖；(B)所述 盖被首先拉伸成半径^的近似平板。(C)所述平板被接着拉伸成半径r2的平板；(D)硅元 件被转移至所述板上；(E)带有硅元件的板被释放成半径r/的近似平板；(F)进一步释放 形成半径R’的一个新的半球。图34 从半球状态映射到近似平坦状态的有限元分析。㈧对于PDMS半球盖的原 始网格；(B)对于基本变平的板的变形网格；(C)在变平的板上的应变分布；(D)在有限元结果和分析方案之间的映射的对比。图35 通过有限元分析计算的㈧平坦、松弛的PDMS和硅的变形形状，以及⑶半 球形、松弛的PDMS和硅的变形形状。图36 通过映射过程的有限元方法获得的图像。图37 (A)压缩联接部的形状的分析模型，以及(B)硅元件的应变的分析模型。图38示出了通过(A)热传递以及(B)机械变形用于制造可折叠和弹出式可拉伸 电子器件的方法。器件的照片被提供在C-E中。图39总结了可拉伸器件阵列对于各种不同应变的功能特征。图40是通过这里公开的方法所制造的器件在进行扭曲式变形下的照片。图41 用于使用掺杂硅纳米材料的波状互联的CMOS逆变器的制造过程的示意性 比较和概览图；(a)薄片型波状逆变器；(b)由波状PI桥联接的超薄CMOS岛；(c)以波状PI 和金属互联部联接的超薄nMOS和pMOS器件。图42 (a)以波状聚酰胺桥互联的CMOS逆变器的图像；(b)拉伸测试的光学图像； (c)波状CMOS逆变器的电压传递特性(左)，和对于每一施加应变的逆变器阈电压的变化 (右)；插入图示出了单独器件的对数量度的传递曲线。图43 (a)带有金属和PI波状桥的CMOS逆变器的图像，(b)带有SiO2盖(左上) 和带有PI盖(右上)的波状互联逆变器的放大图，(C)对于SiA盖(上图)和PI盖(下 图)的电极边缘的放大图，其对应于图3(b)中的白色虚线框；右侧草图是关于波状互联部 的中性机械平面的位置的示意图。图44: (a)拉伸测试的光学图像。(b)由于在y (左)方向和x(右)方向上施加 的外部应变的泊松效应所产生的轮廓改变。(c)波状互联的CMOS逆变器的电压传递特性 (左)，和对于每一施加应变的逆变器阈电压的变化(右)。图45 (a)波状互联的三阶环形振荡器的图像。(b)拉伸测试的图像。(c)振荡特 征(左不同应变值下的环形振荡，右从时域到频域的振荡的傅立叶变换)。图46 =GaAs MESFET加工流程的示意图。图47 =GaAs MESFET加工的流程图总结。图48 通过PDMS挑选GaAs元件。图49 将GaAs从图48的印模转移到PI涂覆的玻璃衬底。图50 在清洗掉剩下的光刻胶之后，准备好进行第二功能GaAs层的重复处理的施 主的照片。图51 金属化和器件特征化(对于多层的第一层)。图52 :PDMS半球上的可压缩硅结构的照片(中央；高凸缘位于周界边缘)(上图)。 硅覆盖了半球的中央区域，并在这一图像中呈现为浅灰色；整体结构的直线边缘清晰可见 (箭头)。这一系统包括初始形成在绝缘体上硅晶片的平坦表面上的、在16. 14乘以16. 14mm 的方形阵列中由硅带(20乘以4μπι;50ηπι厚)联接的163，216个硅的方形元件(20乘以 20ym;50nm厚)。样本的小区域的扫描电子显微照片(SEM)示出在底部图像上。产生了 这里可见的弧形形状的联接带的平面外变形，提供了适应平面到半球变形所必需的可压缩 性。图53 半球形相机相比于平面相机的增强成图。A 伊利诺伊州大学的“I”标志的高分辨率图像，以及B 使用半球形相机获得的眼睛的图案(右侧的插图示出了从透明薄 膜扫描的原始图像)，C:用于成像的光学设置以及样本光线轨迹，所述样本光线轨迹示出 了穿过图像和透镜到达探测器屏幕(最佳焦面和平面相机)的光线的图样，D 最佳焦面的 光线轨迹预测(绿色圆圈-所计算的焦点，绿色曲线-抛物线轨迹)，半球形相机的检测器 表面的光线轨迹预测(蓝色曲线)，以及平面相机的光线轨迹预测(红色曲线)。E:位于 距透镜不同距离的平面屏幕上的投射图像的高分辨率照片。右图和左图是分别在距离透镜 14. 40和16. 65mm处获得的，并显示了最佳焦点随着探测器位置的变化而调整。一系列这 样的图像被用于估算如在图D中以黑色方块示出的最佳曲线焦面。F、G 使用位于距透镜 16. 65mm的位置(沿光轴)的平面相机(F)和半球形相机(G)所获得的高分辨率图像。所 有的轴线量度以mm计，除了相对于像素数被描述的G，且垂直于图像平面的轴线代表了 ζ方 向(光轴)。图M 当扫描整个投射图像时(以1. 0°的增量在θ和φ方向上，从-40扫描到 40° )，由半球形相机的每一像素所成像的字母“Ε”。该图像覆盖了半球表面的不同部分， 并且如同被投射至平面表面一样进行显示。图55 当扫描整个投射图像时(以1. 0°的增量在θ和φ方向上从-40扫描到 40° )，由半球形相机的每一像素所成像的眼睛图像。该图像覆盖了半球表面的不同部分， 并且如同投射至平面表面一样被显示。图56 在距透镜不同距离的位置的平面屏幕上的高分辨率照片。所述图像是在距 透镜12. 15 (图#1，左)和18. OOmm(图#13，右)之间获得的，并显示了最佳焦面的曲线性质。图57 半球形相机中的16乘16像素的光电探测器阵列的光电响应。在所施加的 4V偏压下的电流响应已在三个不同光强度下针对所有像素被测量，所述三个不同光强度包 括a.最亮激光(514. 5nm) ；b.大约十分之一的明亮情形；以及c.完全黑暗。左边的柱状图 示出了具有特定电流响应的像素的分布，而右边的彩色图示出了具有特定响应的像素在半 球形相机中的映射。图58 平面相机中的16乘16像素的光电探测器阵列的光电响应。a 单元的电学 特性。数据是通过经由系统周界上的衬垫来接触在半球形阵列中位于该位置的行电极和 列电极而被测量的。所述数据(红色曝光；黑色处于黑暗中)示出了对曝光的高对比度 响应。在所施加的4V偏压下的电流响应是在两个不同光强度下针对所有像素被测量的， 所述两个不同光强度包括b.照明情形，其中使用卤素灯背光照明一页白纸，并光学过滤至 620-700nm波长(用于产生图53e-g的相同设置)，以及c.完全黑暗情形。左边的柱状图 示出了具有特定电流响应的像素分布，而右边的彩色图示出了具有特定响应的像素在半球 形相机中的映射。图59 由距透镜不同距离所制造的16乘以16的平面相机所获取的投射图像的照 片。图像是在距透镜12. 15 (图#1，左)和18. OOmm(图#14，右)之间获得的，并显示出最 佳焦面的曲线性质。图60 由距透镜不同距离所制造的16乘以16半球形相机所获取的投射图像的照 片。图像是在距透镜13.95(图#1，左)和19. 80mm(图#14，右)之间获得的。图61 在半球形转移元件上的16乘以16阵列上的硅元件(500x500 μ m，1. 2 μ m厚)的空间位置的试验性测量图(黑点)。所覆盖的彩色网格表示根据分析机械学模型对 于平面到半球形的变形的预测；网格节点是阵列的预测空间位置，以及线段颜色表示了较 之以平面构造所设计的，在该阵列上的相邻元件之间的距离的变化百分比。结果显示了从 小到大的小于约3%的变化。图62 (a)制造步骤的示意图，包括带有可拉伸“波状”互联部的CMOS逆变器逻辑 门电路的草图。还示出了将关键电路元件置于靠近中性机械平面以避免破碎的顶层封装的 策略。(b)带有波状互联部和桥结构的CMOS逆变器的图像。(c)带有波状互联部的CMOS 逆变器的放大图。(d)这一系统的机械结构的三维有限元仿真，示出与试验观察结果良好吻
I=I O图63:拉伸测试。可拉伸CMOS逆变器的传递特性(红色和黑色试验，蓝色仿 真；左)，以及逆变器阈电压对于每一施加的应变的变化(右)，插入图示出了对于单独晶体 管的对数量度的传递曲线。(d)nMOS(左)和pMOS(右)晶体管的电流-电压曲线；实线和 虚线分别对应于试验和仿真。图64:(a)通过使用与弹性体衬底(对于这里示出的情况，为聚二甲基硅氧烷； PDMS)相结合的非共面网格设计获得高水平的可拉伸性的示意电路的制造方法的示意图。
(b)由这一方法产生的CMOS逆变器阵列的SEM图像，处于未变形状态(下图；约20%预应 变)，以及处于对应于由复杂扭曲运动导致的结构(上图)。(c)CMOS逆变器的自由变形可 拉伸阵列的光学图像，突出显示了三个不同类别的变形对角线拉伸、扭曲和弯曲。插入图 提供了每一情形的SEM图像(为便于观察采用不同颜色)。(d)是器件结构的特写视图。图65 :(a)对于沿桥(χ和y)的拉伸，具有非共面网格设计的可拉伸、三阶CMOS环 形振荡器的光学图像。(b)在电路的顶部表面(顶部)、和在金属层的中间点(中间)、以及 底部表面(底部)上的应变分布的FEM模型。(c)在(a)中示出的不同应变配置下，以时 域和频域(插入图)表示的振荡器的电学特征。这里Os和Oe分别指的是在测试的开始和 结束时的0%应变。17x和17y指的是在(a)中表示的沿χ和y方向的17 %的拉伸应变。 (d)对于以45度拉伸至桥的方向(χ和y)，具有非共面网格设计的可拉伸CMOS逆变器的光 学图像。(e)这些运动的FEM仿真。(f)逆变器的传递特性(输出电压V。ut和增益随着输 入电压Vin的变化而变化)。18x和18y指的是在(d)中示出的沿χ和y方向的18%的拉 伸应变。图66 :(a)处于扭曲构造的可拉伸CMOS逆变器阵列的光学图像(左)，和单个逆变 器的放大图，示出了所述变形的性质(右)。(b)对桥构造的扭曲的机械结构的FEM仿真。
(c)处于扭曲构造中的可拉伸、三阶CMOS环形振荡器阵列的SEM图像。(d)处于平面和扭曲 状态的逆变器(上图；增益和输出电压V。ut随着输入电压Vin的变化而变化)和振荡器(下 图；输出电压V。ut随着时间的变化而变化)的电学特征。图67 处于扭曲(a)和平面拉伸(b)布局的可拉伸差分放大器阵列的光学图像。 (c)示意性放大器的倾斜视图的SEM，示出了非共面布局。在沿χ和y方向拉伸之下的光学 图像(d)，以及对于正弦输入(e)，相应的电学输出随着时间的变化而变化。(f)处于复杂 变形模式中的器件的光学图像。这里，17x和17y指的是在(d)中表示的沿χ和y方向的 17%的拉伸应变。图68 :(a)带有具有蛇形布局的非共面桥的可拉伸CMOS逆变器的阵列的SEM图像
19(左)以及放大图(右)。(b)沿χ和y方向的拉伸测试的光学图像。(C)拉伸之前(35%预 应变)和之后(70%的施加应变)的FEM仿真。(d)在薄PDMS衬底(0. 2mm)上的逆变器阵 列(左)，和在非拉伸(中间；90%预应变)和拉伸(右；140%拉伸应变)下的图像。(e) 在拉伸下对于一个示意性逆变器的传递特性和增益(左)，以及类似器件在最大增益(VM) 下的增益和电压随着拉伸循环的变化而变化的曲线图(右)。图69 多层堆叠的示意图。图70 (a)弹出式桥和(b)岛的分析模型。图71 岛-桥构造的示意图。图72 (a)桥和(b)岛的最大应变与对于10. 7%的预应变的系统水平的所施加应 变的对应关系。图73 =CMOS逆变器的电压传递曲线(a)，以及对于nMOS(b)和pMOS(c)的单独器 件的IV曲线。图74 ㈧在操作晶片上以蛇形网格结构制造的超薄硅电路的示意图(左)和光 学图像(右)。中央的插入图示出了 CMOS逆变器的光学显微照片，其对应于右图中的虚线 框。(B)在图样化沉积了 Cr/Si02之后用于转印电路的过程的示意图(左)，以及在转移之 后的光学图像(右)。中央的插入图示出了对应于右图上的虚线框的已转移的CMOS逆变 器的光学显微照片。(C)在蛇形电路和PDMS之间的结合的示意图(左)。处于弯曲构造的 系统的扫描电子显微照片(右)。(D)对于示意性nMOS(左)和pMOS(右)晶体管的电流 (Id;漏电流)和电压(Vd，漏电压)测量值，所述晶体管是从与在其他图中示出的电路类似 的电路上采集的。实线和虚线对应于测量值和PSPICE仿真。曲线上的标记对应于栅电压 (Vg)。右图的插入图示出了对于nMOS (虚线)和pMOS (实线)器件的以半对数量度绘制的 传递曲线。图75 (A)在各种不同水平的拉伸应变(左上)下的CMOS逆变器电路的光学显微 照片(上图)，以及对应的机械结构的有限元模型(下图)。彩色表示了电路的金属互联部 水平的峰值应变(百分比)。(B)系统中的硅的表面应变的计算比，其在插入图中被示意性 地示为这一层的厚度的函数(黑色实线)，以及硅的长度的函数(红色虚线；PDMS厚度在这 一情况下是100 μ m)。PDMS为硅提供了应变隔离，随着硅长度的减少和PDMS厚度的增加具 有增强的效果。(C)可拉伸和可折叠的电子器件的顶视图。(D)和(E)是分别示出了带有 封装层的可折叠和可拉伸器件的部分封装和全部封装的侧视图。图76 ㈧由CMOS逆变器阵列组成的折叠电路的光学图像(左)和扫描电子显微 照片(中)。右侧的图像提供了在折叠边缘(右上)和侧面(右下)的视图。(B)集成在 涂覆有PDMS薄层的织物衬底上的类似电路的光学图像(上部)，以及放大图(右上)。左 下图提供了示意图。右下图示出了在平坦状态和弯曲状态的示意性逆变器的传递曲线，以 及PSPICE仿真(模型)。图77:对于㈧乙烯、(B)皮革、(C)纸张，和⑶织物衬底，在涂覆PDMS之前的各 种衬底的表面的扫描电子显微照片(左)和对应的在PDMS涂覆之后的冷冻断裂边缘的倾 斜视图(右)。图78 在松弛状态(左)和拉伸状态(右)的位于乙烯㈧和皮革⑶手套的指 关节处的CMOS电路的光学图像。插入图提供了放大图。(C)电压传递曲线(左)，和循环测试结果，其示出了在各种数量的弯曲循环后在平坦状态下测量的逆变器的增益和阈电压 (VM)(右)。图79:㈧在平坦(左上)、弯曲(右上)、折叠(右下)和展开(左下)状态下， 位于纸张上的CMOS逆变器的光学图像。插入图提供了放大视图。⑶电压传递曲线(左)， 和循环测试结果，其示出了在各种数量的弯曲循环后在平坦状态下测量的逆变器的增益和 阈电压(VM)(右)。图80 用于使用可压缩电路网格结构(即，通过窄带互联的岛的阵列)和弹性转 移元件来共形包覆具有复杂形状的曲线衬底——诸如高尔夫球的凹痕表面——的步骤的 示意图。该步骤首先通过在待要包覆的物体(即，母体)上进行双重撒布和热固化以制造弹 性体诸如聚二甲基硅氧烷(PDMS)的转移元件。参见顶部中间的图。径向拉伸所形成的元 件形成了平坦的鼓面膜，其中PDMS的所有点都处于拉伸状态，其应变水平随位置而变化。 使该拉伸的膜与在硅晶片上的平面构造的超薄网格结构的预制电路相接触，接着将该硅晶 片剥落以将电路提起到所述膜上。参见右图。几何地松弛拉伸以使膜和在其表面上的电路 变形为母体的形状。参见底部中间的图。在这一过程中，网格的互联桥采用非共面的弧形 (底部中间插入图)，从而以避免岛区域中的显著应变的方式适应了压缩力。将目标衬底涂 覆以粘合剂薄层，接着将非共面电路网格转移至其表面，从而完成了本方法(左下)。图81 包覆在具有高尔夫球表面形状的PDMS转移元件的表面上的硅电路网格的 照片(a)，以及在使这一元件与高尔夫球的相应区域(在切掉PDMS凸缘之后)相接触之后 的照片(b)。(c和d)在(a)中示出的样本的倾斜视图的扫描电子显微照片。图像被着色 以增强各种区域之间的对比度。灰色、黄色和蓝色分别对应于硅、聚酰胺和PDMS。(e)在 (d)中突出显示的横截面区域上的硅和聚酰胺区域的仿真应变分布。图82 位于具有圆锥形的PDMS转移元件的表面上的硅电路网格在转印至圆锥表 面之前的照片(a)和转印至其之后的照片(b)。(c)在(a和b)中示出的样本的倾斜视图 的扫描电子显微照片。(d和e)图像(c)的突出显示区域的放大的倾斜视图的扫描电子显 微照片。图像被着色以增强各个区域的对比度。灰色、黄色和蓝色分别对应于硅、聚酰胺和 PDMS0 (e)在电路的硅区域和其下的PDMS转移元件——其对应于(a)中示出的系统—— 中的应变的仿真分布。图83 (a)包覆至方锥形衬底的硅电路网格的照片。(b和c) (a)中示出的样本 的倾斜视图的扫描电子显微照片。(b)由(c)图像的左中部区域中的框所表示的区域的放 大图。灰色、黄色和蓝色分别对应于硅、聚酰胺和PDMS。(d)在从上到下依次经受低度、中 度和高度的压缩应变的PDMS衬底上的互联硅岛的线性阵列的顶视图和截面图。(e)绘制 总结性的机械学模型结果。图84 (a)在凸形抛物线衬底上的硅电路网格的照片。(b和c) (a)中示出的样 本的倾斜视图的扫描电子显微照片。(b)由(c)的中央区域的框所表示的区域的放大图。 (d)在凸形抛物线衬底上的硅元件网格的照片。(e和f) :(d)中示出的样本的倾斜视图的 扫描电子显微照片。(e)由(f)的下方中心区域的框所表示的区域的放大图。图b、c、e和 f中的灰色、黄色和蓝色分别对应于硅、聚酰胺和PDMS。图85 :(a和b)在具有从心脏模型获得的复杂曲线结构的PDMS转移元件上的硅 电路网格的照片。(b) :(a)的放大图像。(c和e):(a)中示出的样本的着色的倾斜视图的扫描电子显微照片。(d和e)提供了由(C)中的对应框所表示的区域的放大图。灰色、黄 色和蓝色分别对应于硅、聚酰胺和PDMS。图86 (a)在硅电路网格测试构造的单元中的硅、金属和聚合物层的布局的分解 视图的示意图。(b)通过使连续金属线(a中的红色箭头)和阵列周界的不连续金属线(a 中的黑色箭头)相接触所测量的电流-电压特性。插入图示出了示意性的单独像素的顶视 图光学显微图像。(c和d)转移至具有人手形状的塑料衬底上的指尖的电路网格的照片。 (d) :(c)中的框所表示的区域的放大图。(e)由(d)中的框所表示的区域的放大图，其使 用扫描聚焦技术采集。(f和h) :(c)示出中的样本的着色倾斜视图的扫描电子显微图。(g 和h)由(f)中的虚线框示出的区域的放大图。灰色、黄色和蓝色分别对应于硅、聚酰胺和 PDMS0图87 (a) (a)掺杂硅、(b)CMOS逆变器的互联阵列、(c)覆盖有用于选择性沉积 Cr/Si02的掩膜的被提起的逆变器，以及(d)逆变器的放大图的示意图(左)和对应的光学 图像(右)。图88 带有(a)标准蛇形互联部、(b)具有大振幅的互联部，以及(c)具有大振幅 /波长比、窄宽度和大量弯曲的互联部的CMOS逆变器的光学显微图像和通过FEM仿真估算 的最大理论应变分布。图89 带有(a)共面和(b)非共面结构的CMOS逆变器的光学显微图像和通过FEM 仿真估算的最大理论应变分布；(C)在施加外部应变之前(左)和之后(中和右)的对于 图3(b)的扫描电子显微(SEM)图像；(d)在施加外部应变之前(左)和之后(右)的对于 图3(b)的FEM仿真。图90: (a)在沿x(右)和y(左)方向施加90%外部应变之前和之后的具有非共 面蛇形互联部的CMOS逆变器的光学图像，以及(b)相应的电压传递曲线(左)和循环测试 结果(右)。(c)对于nMOS (左)和pMOS (右)晶体管的电流-电压响应和PSPICE仿真 结果；插入图显示了半对数度量的传递曲线。(d)带有非共面蛇形互联部的差分放大器的 光学图像和电学特征。图91 :(a)用于封装的、直桥非共面互联部的拉伸测试过程的示意图，(b)对于 无封装(左)、软封装(0. IMPa、中间)以及硬封装(1. 8MPa，右)的在零应变(顶)和可见 断裂之前的最大拉伸(底)情况下的所述结构的光学显微图像。(c)通过试验、分析模 型和FEM仿真所确定的作为两个岛之间的距离的函数的桥的高度；右下图示出了通过理论 模型估算的在断裂之前的最大应变，(d)通过FEM仿真的在断裂之前的最大拉伸的变形结 构。图92 对于(a)硬PDMS (模量约1. 8MPa)封装，(b)软PDMS封装(模量约0. IMPa)， 以及(c)覆盖以PDMS的薄固体层的未固化的PDMS预聚物(粘性液体)封装，在零应变 (左)、约50%的应变(中)和约110%的应变(右)下，通过FEM仿真所确定的光学显微 图像和应变分布。
具体实施例方式术语“可折叠”、“可挠曲”以及“可弯曲”被同义地用于本说明书中，其指的是材料、 结构、器件或器件部件的下述能力其能够变形至弯曲形状而不遭受导致显著应变——诸如表征了材料、结构、器件或器件部件的破坏点的应变——的变形。在一个示例性实施方案 中，柔性材料、结构、器件或器件部件可以变形为弯曲形状而不引入大于或等于约3%的应 变，优选的是在一些应用中不引入大于或等于约的应变，以及更优选的是在一些应变敏 感区域的应用中不引入大于或等于0. 5%的应变。“可拉伸”指的是材料、结构、器件或器件部件发生应变而不断裂的能力。在一个示 例性实施方案中，可拉伸材料、结构、器件或器件部件可以经受大于约0. 5%的应变而不断 裂，优选的是在一些应用中经受大于约的应变而不断裂，以及更优选的是在一些应用中 经受大于或等于约3%的应变而不断裂。“功能层”指的是向器件提供某些功能的包含有器件的层。例如，功能层可以是诸 如半导体层的薄膜。此外，功能层可以包括多层，诸如被承载层分隔的多个半导体层。功能 层可以包括多个图样化元件，诸如在容纳器件的垫或岛之间运行的互联部。所述功能层可 以是非均质的，或可以具有一个或多个非均勻的特性。“非均勻特性”指的是可以在空间上 变化从而影响中性机械表面(匪S)在多层器件内的位置的物理参数。“重合”指的是诸如匪S的表面被置于某一层——诸如功能层、衬底层或其他 层——之内或邻近的位置。在一个方面，匪S位于与最应变敏感的层或该层中的材料一致 的位置。“邻近”指的是，WS紧挨着某一层——诸如功能层、衬底层或其他层——的位置， 同时其仍然提供期望的可折叠性或可弯曲性而不对应变敏感材料的物理特性产生不利影 响。总体而言，具有高应变敏感性的层——其相应地是首先断裂的层——位于功能层中，诸 如包括相对脆性的半导体或其他应变敏感器件元件的功能层。邻近于某一层的NMS不需要 被限制在该层内，但是可以被置于邻近的或充分接近的位置，以在器件折叠时提供降低在 应变敏感器件元件上的应变的功能益处。“电子器件”在这里被广泛用于指称诸如集成电路、成像器或其他光电器件的器 件。电子器件还指的是电子器件的部件，诸如无源或有源部件，诸如半导体、互联部、接 触垫、晶体管、二极管、LED、电路等。本发明涉及以下领域聚光光学器件(collecting optics)、散射光学器件(diffusing optics)、显示器、拾放组件(pick and place assembly)、垂直腔面发射激光器(VCSELQ及其阵列、LED及其阵列、透明电子器件、光伏 阵列、太阳能电池及其阵列、柔性电子器件、显微操作、塑性电子器件、显示器、拾放组件、转 印、LED、透明电子器件、可拉伸电子器件以及柔性电子器件。“部件”被广泛用于指称用于器件中的材料或单个部件。“互联部”是部件的一个 例子，并且其指的是能够与部件建立电连接或者在部件之间建立电连接的导电材料。特别 地，互联部可以在分立的和/或可以相对彼此运动的部件之间建立电连接。根据期望的器 件规格、操作和应用，所述互联部由适合的材料制成。对于要求高导电率的应用，可以使用 典型的互联金属，包括但不限于铜、银、金、铝等诸如此类，以及合金。适合的导电材料可以 包括半导体，诸如硅、铟锡氧化物或GaAs。“可拉伸”的互联部在此被广泛用于指称如下的互联部，即，其能够承受各种力和 应变——诸如在一个或多个方向上的拉伸、弯曲和/或压缩——而不对至或自器件部件的 电连接产生不利影响。相应地，可拉伸的互联部可以由相对脆性的材料诸如GaAs形成，但 即使在暴露至显著的变形力(例如，拉伸、弯曲、压缩)时，由于互联部的几何形状构造，其仍然能够继续发挥作用。在示例性实施方案中，可拉伸的互联部可以经历大于约I^UOW 或约30%或最高达约100%的应变而不折断。在一个实施例中，所述应变通过拉伸所述互 联部的至少一部分所结合至的下层弹性衬底而产生。“器件部件”被广泛地用于指称在电学、光学、机械或热力器件中的单个部件。部 件可以是光电二极管、LED、TFT、电极、半导体、其他光收集/探测部件、晶体管、集成电路、 能够接收器件部件的接触垫、薄膜器件、电路元件、控制元件、微处理器、换能器及其结合中 的一个或多个。器件部件可以以本领域已知的方式——诸如金属蒸镀、引线结合、应用固体 或导电粘合剂——连接至一个或多个接触垫。电学器件一般指的是包含有多个器件部件的 器件，其包括大面积电子器件、印制电路板、集成电路、器件部件阵列、生物和/或化学传感 器、物理传感器(例如，温度、光、辐射等)、太阳能电池或光电阵列、显示器阵列、聚光器、系 统和显示器。“衬底”指的是具有能够承载部件——包括器件、部件或互联部——的表面的材 料。“结合”至衬底的互联部指的是与衬底物理接触的且基本无法相对于其所结合至的衬底 表面移动的互联部中的一部分。相反，未结合部分能够相对于衬底大幅移动。互联部的未 结合部分一般对应于具有诸如由应变导致的互联部弯曲而有的“弯曲构造”的部分。“WS调整层”指的是其主要功能为调整WS在器件中的位置的层。例如，WS调 整层可以是封装层或诸如弹性体材料的附加层。在本说明书的上下文中，“弯曲构造”指的是一个如下结构该结构具有由施加力 而形成的弯曲形态。本发明中的弯曲结构可以具有一个或多个折叠区域、凸形区域、凹形区 域，及其任意结合。例如，本发明中使用的弯曲结构可以被提供为螺旋形态、褶皱形态、屈曲 形态(buckled conformation)和/或波状(即，波纹形状的)构造。弯曲结构诸如可拉伸的弯曲互联部可以以如下形态结合至柔性衬底诸如聚合物 和/或弹性衬底在该形态中所述弯曲结构处于应变状态。在一些实施方案中，该弯曲结构 诸如弯曲带状结构受到的应变等于或小于约30%、等于或小于约10%、等于或小于约5%， 以及在对于一些应用的优选实施方案中，等于或小于约1%。在一些实施方案中，弯曲结构 诸如弯曲带状结构受到的应变选自在从约0.5%到约30%的范围内、从约0.5%到约10% 的范围内、从约0.5%到约5%的范围内。或者，可拉伸的弯曲互联部可以结合至如下衬底， 所述衬底是器件部件的衬底，包括自身非柔性的衬底。所述衬底自身可以是平面的、基本平 面的、弯曲的、具有锐边的，或其结合。可拉伸的弯曲互联部可用于转变到这些复杂衬底表 面形状中的任意一个或多个。“结合点图样”指的是，在空间上将结合手段应用至承载基板表面和/或互联部，以 使被承载的互联部具有与衬底结合的区域以及与衬底不结合的区域。例如，互联部的端部 结合至衬底，而其中央部分不结合至衬底。通过在中央部分提供附加的结合点，从而使非结 合区域被划分为两个不同的中央部分，能够实现进一步的形状控制。结合手段可以包括粘 合剂、粘合剂前体、焊接、光刻、光固化聚合物。通常，结合点可以通过各种技术形成图样，且 可以从以下方面加以描述能够在衬底和特征(例如，互联部)之间提供强粘合力的表面活 性(wa。t)区域，以及其中粘合力相对较弱的表面非活性(Win)区域。以线状粘合形成图样的 衬底可以用wa。t和Win尺寸来描述。这些变量和预应变的量值ε —起影响互联部几何形 状。
“超薄”指的是显示出极高水平的可弯曲性的薄型几何形状的装置。在一个方面， 超薄指的是电路具有的厚度小于Ιμπκ小于eoonm或小于500nm。在一个方面，超薄的多层 装置具有的厚度小于200 μ m、小于50 μ m或小于10 μ m。“弹性体”指的是可以拉伸或变形并回到其原始形状而不发生实质永久变形的聚 合材料。弹性体通常经历基本弹性化的变形。本发明中使用的示例性弹性体可以包括聚合 物、共聚物、聚合物和共聚物的复合材料或混合物。弹性体层指的是包括至少一种弹性体的 层。弹性体层也可以包括掺杂剂和其他非弹性体材料。可用于本发明的弹性体可以包括但 不限于热塑性弹性体、苯乙烯材料、烯烃材料(olefenic materials)、聚烯烃、聚氨酯热塑 性弹性体、聚酰胺、合成橡胶、PDMS、聚丁二烯、聚异丁烯、聚(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯)、 聚氨酯、聚氯丁烯，以及硅树脂。弹性体提供了可用于本方法的弹性体印模。“弹性体印模”或“弹性转移器件(elastomeric transfer device) ”被可互换地使 用，其指代具有能够接收以及转移一个特征的表面的弹性材料。示例性的弹性转移器件包 括印模、模板和掩膜。转移器件影响和/或促进将特征从供体材料转移到受体材料。“弹性 体”或“弹性的”指的是可以拉伸或变形并回到其原始形状而不发生实质永久变形的聚合材 料。弹性体通常经历基本弹性化的变形。可用于本发明的示例性弹性体可以包括，聚合物、 共聚物、聚合物和共聚物的复合材料或混合物。弹性体层指的是包括至少一种弹性体的层。 弹性体层也可以包括掺杂剂和其他非弹性体材料。可用于本发明的弹性体可以包括但不限 于热塑性弹性体、苯乙烯材料、烯烃材料、聚烯烃、聚氨酯热塑性弹性体、聚酰胺、合成橡胶、 包括聚二甲基硅氧烷(PDMQ的硅基有机聚合物、聚丁二烯、聚异丁烯、聚(苯乙烯-丁二 烯-苯乙烯)、聚氨酯、聚氯丁烯，以及硅树脂。“共形包覆(conformal wrapping) ”指的是在表面、涂覆表面，和/或其上沉积 有如下材料的表面之间建立的接触，所述材料可用于转移、装配、组织和集成一衬底表面 上的结构(诸如可印刷的半导体元件)。在一个方面，共形接触涉及使可共形转移器件 (conformable transfer device)的一个或多个接触表面肉眼可见地适配于衬底表面或物 体一诸如可印刷的半导体元件——表面的整体形状。在另一方面，共形接触涉及使可共 形转移器件的一个或多个接触表面显微镜可见地适配于一衬底表面以产生无空隙的紧密 接触。术语共形接触意在与其在软光刻领域中的使用相一致。共形接触可以建立在可折叠 器件的一个或多个裸露的接触表面和衬底表面之间。此外，共形接触可以建立在可共形转 移器件的一个或多个涂覆接触表面——例如转移材料、可印刷的半导体元件、器件部件和 /或器件所沉积的表面——和衬底表面之间。或者，共形接触可以建立在可共形转移器件 的一个或多个裸露或涂覆的接触表面和涂覆有诸如转移材料、固体光刻胶层、预聚物层、液 体、薄膜或流体的材料的衬底表面之间。“低模量”指的是材料具有的杨氏模量小于或等于lOMPa、小于或等于5MPa，或小于 或等于l]\ffa。“杨氏模量”是材料、器件或层的机械特性，其指的是特定物质的应力/应变比。杨 氏模量可以由以下表达式提供
权利要求
1.一种制造可拉伸和可折叠的电子器件的方法，所述方法包括a.将具有第一杨氏模量的接收衬底涂覆以具有第二杨氏模量的隔离层，所述隔离层具 有接收表面，其中所述第二杨氏模量小于所述第一杨氏模量；b.在承载衬底上提供可印刷的电子器件；c.将所述可印刷的电子器件从所述承载衬底转移至所述隔离层接收表面；其中所述隔离层将所述被转移的电子器件的至少一部分与施加的应变隔离开来。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述接收衬底包括从下组中选出的材料聚合物、 弹性体、陶瓷、金属、玻璃、半导体、无机聚合物，以及有机聚合物。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述接收衬底包括从下组中选出的材料织物、乙 烯材料、胶乳、弹力纤维、皮革和纸张。
4.根据权利要求1所述的方法，其中与没有所述应变隔离层的器件相较，所述隔离层 提供了至少20%或更大的应变隔离。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一杨氏模量与所述第二杨氏模量之比大于 或等于10。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述可印刷电子器件包括电子器件的部件，其中 所述部件包括多个互联部。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述互联部的至少一部分具有弯曲的几何结构。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述隔离层包括聚合物，且所述聚合物至少部分 地渗透所述接收衬底。
9.根据权利要求8所述的方法，其中接收衬底包括纤维，其中所述纤维的至少一部分 被埋在所述隔离层中。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述接收衬底具有一表面构造，以增加在所述隔 离层和所述接收衬底之间的接触面积。
11.根据权利要求1所述的方法，其中还包括将所述被转移的电子器件的至少一部分 封装在一个封装层内，其中所述封装层具有的杨氏模量小于或等于所述第二杨氏模量。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述封装层具有非均勻的杨氏模量。
13.一种可拉伸和可折叠的电子器件，包括a.接收衬底；b.隔离层，其至少部分涂覆了所述接收衬底的一个表面，所述隔离层的杨氏模量小于 或等于所述接收衬底的杨氏模量；以及c.电子器件，其至少部分被所述隔离层承载；其中当所述器件被拉伸或折叠时，与没有所述隔离层的器件相比较，所述隔离层能够 提供至少20%或更大的应变隔离。
14.根据权利要求13所述的器件，其中所述电子器件包括结合至所述隔离层的结合区域。
15.根据权利要求13所述的器件，其中所述电子器件包括联接相邻的结合区域的非结 合区域，所述非结合区域包括弯曲的互联部。
16.根据权利要求13所述的器件，其中还包括封装层，该封装层至少部分地封装所述 电子器件，所述封装层具有的杨氏模量小于或等于所述隔离层的杨氏模量。
17.根据权利要求16所述的器件，其中所述封装层具有非均勻的杨氏模量。
18.—种制造可拉伸和可折叠的电子器件的方法，所述方法包括a.提供一种多层器件，其包括衬底层、功能层以及一个或多个中性机械表面调整层，其 中所述功能层被衬底层承载，同时所述多层中的至少一层具有空间非均勻特性，其中所述 空间非均勻特性将中性机械表面定位在与功能层重合或邻近的位置。
19.根据权利要求18所述的方法，其中还包括a.在所述空间非均勻层上产生具有空间非均勻特性的图样，以在所述器件上提供一个 或多个柔性和可折叠的区域，以及在所述器件上提供一个或多个刚性区域。
20.根据权利要求18所述的方法，其中非均勻特性选自以下一项或几项a.杨氏模量；b.沉积附加层；c.层厚度；d.凹陷特征；e.在所述功能层中空间地图样化器件部件，或f.在所述功能层中的电子部件的几何结构。
21.根据权利要求18所述的方法，其中空间非均勻性由包括横向图样化任意所述层的 步骤提供。
22.根据权利要求21所述的方法，其中所述横向图样化通过以包括了薄膜或附加层的 一个或多个中性机械表面调整层来图样化所述衬底而提供。
23.根据权利要求21所述的方法，其中所述横向图样化通过包括了一个或多个封装层 的一个或多个中性机械表面调整层来图样化所述衬底而提供。
24.根据权利要求21所述的方法，其中所述横向图样化通过在所述衬底上图样化一个 或多个凹陷特征来提供。
25.根据权利要求M所述的方法，其中所述一个或多个凹陷特征是蚀刻孔。
26.根据权利要求21所述的方法，其中所述层中的每一个具有一厚度，且所述横向图 样化通过选择性地改变所述衬底层厚度的厚度或所述一个或多个中性机械表面调整层的 厚度来提供。
27.根据权利要求21所述的方法，其中所述横向图样化通过调制所述衬底层的机械特 性或所述一个或多个中性机械表面调整层的机械特性来提供；其中所述机械特性从下组中 选出孔隙率、交联的程度和杨氏模量。
28.根据权利要求18所述的方法，其中所述一个或多个中性机械表面调整层是一个或 多个封装层。
29.根据权利要求观所述的方法，其中所述封装层的厚度在横向方向上选择性地变化。
30.根据权利要求18所述的方法，其中所述功能层包括弹出式互联部。
31.根据权利要求18所述的方法，其中还包括将中性机械平面定位为重合或邻近于对 应变引起的损坏最敏感的功能层。
32.—种制造具有弯曲表面的电子器件的方法，所述方法包括a.提供一种多层器件，其包括衬底层、功能层以及一个或多个中性机械表面调整层，其中所述功能层被衬底层承载，同时所述多层中的至少一层具有空间非均勻特性，其中所述 空间非均勻特性将中性机械表面定位在与功能层重合或邻近的位置；b.提供曲线表面；以及c.使用所述多层器件共形地包覆所述曲线表面，从而产生带有弯曲表面的电子器件。
33.一种制造可折叠电子器件的方法，所述方法包括a.提供载体层表面；b.使用牺牲层涂覆所述载体层表面的至少一部分；c.将衬底层附接至所述牺牲层，其中所述衬底层承载所述电子器件的至少一个部件；d.图样化穿过所述衬底层的牺牲层多个入口；以及e.通过经由所述入口向所述牺牲层引入牺牲层去除材料，以将所述衬底层从所述载体 层释放；从而获得可折叠的电子器件。
34.一种在表面上图样化电子器件阵列的方法，所述方法包括a.在承载衬底表面上提供功能层，其中所述功能层包括一个电子器件阵列；b.在所述功能层中蚀刻一个或多个入口；c.对所述功能层和入口撒布聚合材料，其中在所述入口中的所述聚合材料产生了锚， 所述锚便于将所述阵列从所述承载衬底表面上高保真地脱离；d.使一个弹性体印模与所述聚合材料接触；以及e.在远离所述承载衬底的方向上去除弹性体印模，以将所述聚合材料从所述衬底上去 除，从而将所述锚定在所述聚合材料上的阵列从承载衬底上去除。
35.一种用于将平面电子器件印刷至弯曲表面的方法，所述方法包括a.在基本平坦的衬底表面上提供器件；b.提供具有曲线几何结构的弹性体印模；c.变形所述弹性体印模，其中所述变形提供了基本平坦的印模表面；d.使基本平坦的印模表面与在所述衬底表面上的所述器件相接触；e.通过沿远离衬底的方向提起印模来从所述衬底表面去除所述器件，从而将所述部件 从所述衬底表面转移至所述基本平坦的印模表面；以及f.松弛所述弹性体印模，从而将所述基本平坦的印模表面转化为具有弯曲结构的表
36.根据权利要求35所述的方法，其中在所述衬底表面上的所述器件包括可压缩互联 部，该可压缩互联部包括联接至第一刚性器件岛的一个端部，以及联接至第二刚性器件岛 的第二端部。
37.根据权利要求36所述的方法，其中所述互联部具有在所述弹性体印模表面上空间 地变化的几何结构。
38.根据权利要求35所述的方法，其中所述变形步骤包括 a.向所述曲线印模施加横向力，从而使所述印模基本变平。
39.根据权利要求35所述的方法，其中具有曲线几何结构的所述弹性体衬底是通过以 下方式提供的a.提供具有弯曲表面的接收衬底，以及b.在所述接收衬底的弯曲表面上撒布所述弹性体印模，从而提供具有曲线几何结构的所述印模。
40.一种用于向曲线弹性体印模施加力以基本使印模变平的装置，所述装置包括a.支架，其用于固定地接收所述弹性体印模；以及b.力发生器，其可操作地连接至所述支架，用于在固定接收的弹性体印模上产生一个 力，所述力能够使所述曲线印模基本变平。
41.可拉伸和可折叠的电子器件，包括a.承载层，其中所述层是弹性体的；b.功能层，其由所述承载层承载；c.一个或多个中性机械表面调整层；其中任意所述层中的至少一个或多个具有空间非均勻性的特性，从而产生重合或邻近 于所述功能层的中性机械表面。
42.根据权利要求41所述的器件，其中所述非均勻层特性提供了散布在一个或多个机 械刚性岛区域之间的一个或多个柔性或弹性的器件区域。
43.根据权利要求41所述的器件，其中所述功能层包括纳米带阵列。
44.根据权利要求43所述的器件，其中所述纳米带是屈曲的，并具有联接至第一刚性 岛区域的第一端部，以及联接至第二刚性岛区域的第二端部。
全文摘要
这里公开的是可拉伸、可折叠和选择性地可印刷的用于制造如下器件的方法和如下的器件，所述器件能够在拉伸、压缩、弯曲或其他变形时提供良好的性能，诸如半导体、电子电路以及其部件。应变隔离层向功能器件层提供良好的应变隔离。多层器件被构造以将中性机械表面定位在重合或邻近于功能层的位置，该功能层具有对应力导致的损坏敏感的材料。中性机械表面通过具有空间非均匀性的特性的一个或多个层被定位，诸如通过图样化多层器件中的任意层被定位。
文档编号H01L21/20GK102113089SQ200980116128
公开日2011年6月29日 申请日期2009年3月5日 优先权日2008年3月5日
发明者J·A·罗杰斯, M·斯托伊克维奇, 安钟贤, 宋吉舟, 崔元默, 金大亨, 高兴助, 黄永刚 申请人:伊利诺伊大学评议会