基于聚酰亚胺衬底的柔性MEMS技术及在传感器中的应用研究

UDC 编号

中国科学院研究生院

博士学位论文

基于聚酰亚胺衬底的柔性MEMS技术

及在传感器中的应用研究

肖素艳

指导老师李昕欣研究员车录锋研究员

中国科学院上海微系统与信息技术研究所

申请学位级别博士学科专业名称微电子学与固体电子学

论文提交日期2007年 11 月论文答辩日期 2007年12月24日

培养单位中国科学院上海微系统与信息技术研究所

学位授予单位 中国科学院研究生院

答辩委员会A Dissertation Submitted to Chinese Academy of Science for the Degree of

Doctor

A Polyimide-based Flexible MEMS Technology

and its Applications in Sensors

By: Suyan Xiao

Directed by:Prof. Xinxin Li & Prof. Lufeng Che

Shanghai Institute of Microsystems and Information Technology, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200050, P.R.China基于聚酰亚胺衬底的柔性MEMS技术及其在传感器中的应用研究

基于聚酰亚胺衬底的柔性MEMS技术

及在传感器中的应用研究

肖素艳（微电子学与固体电子学）

指导老师：李昕欣研究员车录锋研究员

摘要

传统的MEMS器件大多制作在硅、玻璃等刚性衬底上，然而在实际应用中，对可挠性好、能贴附在任意曲面或不规则物体表面的类皮肤型器件的需求日益增多。因此，研究人员提出将MEMS器件制作在柔性衬底上以实现各种非平面物体表面物理量的实时探测。聚酰亚胺(PI) 和聚二甲基硅氧烷(PDMS)因具有独特的物理和化学性能，是制造柔性MEMS器件的理想材料。因此，对PI和PDMS 在柔性MEMS应用中的关键技术的研究具有重要的现实意义。

本文首先分别对PI和PDMS预聚物在MEMS应用中的关键技术进行了研究，包括液态预聚物的涂覆、固化、表面活化处理、干法刻蚀和湿法刻蚀。在此基础上，分别在PI柔性衬底上成功研制出柔性MEMS铂薄膜温度传感器和柔性电容式触觉力传感器。研究中取得的成果如下：

(1)PI柔性薄膜的制备：采用重叠涂覆液态PI预聚物、变温预固化、并结合热

板和烘箱，对液态PI预聚物涂层实现了“由里及表”的阶梯式的理想热固化方式，最后形成了具有优异的机械性能、良好的厚度均匀性和表面性能的PI柔性薄膜。

(2)非光敏PI的湿法腐蚀和干法刻蚀研究：湿法腐蚀PI时，以正性光刻胶为掩

模，曝光时间增加到光刻胶常规曝光时间的3倍，并采用25%的四甲基氢氧化铵(TMAH)与水的混合液进行腐蚀，实验得到当二者的体积比为1:7时，PI涂覆层的腐蚀厚度能达到30µm。采用STS干法刻蚀完全固化的PI，实验得到了PI比较理想的刻蚀条件为：100% O2流速45sccm，上电极功率500W，压强为60mTorr，平均刻蚀速度约为0.590µm/min。

(3)PDMS薄膜涂覆及厚度测量：用正己烷稀释PDMS (sylgard184) 预聚物，采

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Abstract

中国科学院上海微系统与信息技术研究所博士学位论文

ii 用旋涂法，得到了小于10µm 的各种不同厚度的PDMS 薄膜；当分别用三种不同的方法测量PDMS 薄膜的厚度时，实验表明，对相同的PDMS 涂层试样，采用台阶仪测量时，其探针施加1mg 力时所测得的厚度与电子扫描显微镜测得的厚度相当，而且得到的PDMS 薄膜的厚度与探针压力的关系为近似的双曲线；用光学轮廓仪测量时结果则偏小。

(4) PDMS 的湿法和干法刻蚀研究：湿法刻蚀采用甲基吡咯烷酮(NMP-C 16H 36FN)

和四丁基氟化铵(TBAF-C 5H 9NO) 试剂的混合液腐蚀，实验中发现侧向腐蚀较严重，不能满足MEMS 应用的精度要求；干法刻蚀在低温感应耦合等离子刻蚀系统 (Alcatel 601E ）进行，首次采用光刻胶AZ4620为掩模刻蚀PDMS ，并得到比较理想的刻蚀参数：100% SF 6，流速200sccm ，功率1500W ，压强为0.02mbar ，平均腐蚀速度为0.420µm/min 。

(5) 柔性器件释放的新方法：首次在液态PI 衬底和刚性载体之间引进PDMS 涂

覆层作为中间分离层，利用热膨胀系数不匹配产生的热应力，可轻易将PI 柔性器件从载体上分离下来；在实验中，将PI 结构层的完全固化采用器件分离前和分离后两个不连续的加热方式完成，解决了PDMS 不耐高温的问题，并实现了与MEMS 兼容的工艺。该制作方法与常规的牺牲层释放的方法相比，不仅简化了工艺，降低了成本，而且提高了成品率。这种方法为其它基于液态PI 衬底的MEMS 器件的研究提供了非常有价值的经验。

(6) 柔性铂薄膜电阻温度传感器的研制：分别以固态PI 和液态涂覆PI 为衬底成

功研制出三种制作柔性铂薄膜电阻温度传感器的方法。三种方法制作的铂薄膜厚度依次为100nm 、120nm 和120nm ，实验测得三者的电阻温度系数分别约为0.0023/℃、0.00291/℃和0.00280/℃，且均具有良好的线性。并且实验测试得到：当输入电流为10mA 时，第二种方法制作的铂薄膜电阻温度传感器的平均电阻灵敏度分别为1.12Ω/℃；当输入电流为8mA 时，第三种制作的铂薄膜温度传感器的平均电阻灵敏度为0.781Ω/℃。与硅基MEMS 温度传感器相比，简化了结构和制作工艺，降低了制作成本，特别是减小了温度传感器的热容，因而加快了热响应速度。

(7) 柔性电容式触觉力传感器的研制：以PI 为衬底，成功研制出由多层薄膜组

成的电容式触觉力传感器的制作方法。通过工艺优化，在PDMS 介电层上额外涂覆一层PI 薄膜，解决了直接在PDMS 上沉积金属而不可避免将产生

裂纹的问题。最后，在液态PI衬底上首次成功制作出由多层无机薄膜和有机薄膜组成的柔性电容式触觉力传感器；所制作的器件可贴在规则、不规则、刚性或柔性表面，并可同时探测正向力和切向力的大小。最后测得其中两种类型器件的法向力的平均灵敏度分别为24.05mV/N 和19.5mV/N。

关键词：柔性MEMS技术，聚酰亚胺（PI），聚二甲基硅氧烷（PDMS），铂薄膜电阻温度传感器，触觉力传感器

中国科学院上海微系统与信息技术研究所博士学位论文 iii

Abstract

中国科学院上海微系统与信息技术研究所博士学位论文 iv A Polyimide-based Flexible MEMS Technology and

its Applications in Sensors

Suyan Xiao (Microelectronics and Solid-state Electronics)

Supervised by Prof. Xinxin Li and Prof. Lufeng Che

Abstract

While traditional MEMS devices are commonly manufactured on rigid substrates such as silicon and glass, things are changing as the demand for skin-like devices that are flexible and attachable to irregular or arbitrary shape surface is increasing fast in reality. Some researchers have proposed to produce the MEMS device on flexible substrates, thereby achieving the in-time measurement of various non-planar surface physical attributes. PI and PDMS have been suggested as ideal candidates for the flexible substrates because of their unique physicochemical properties. Nevertheless, there is still in lack of in-depth study on the key technologies on using PI and PDMS in flexible MEMS, which prohibits the wide application of flexible MEMS devices.

In view of the situation, research on the key technologies of applying liquid PI and PDMS in MEMS are conducted, including coating, curing, surface activation, dry etching and wet etching techniques. Based thereupon, flexible MEMS platinum film temperature sensor and a flexible capacitive tactile force sensor are developed. Detailed achievement of the study is listed as below:

(1) Manufacturing of PI flexible thin film: with multiple overlapping coated PI

liquid prepolymer and the step pre-curing temperature techniques, a "from the internal to the surface" step type heat curing method is realized by combining a hotplate and an oven. The resultant PI flexible film with different types and thicknesses has excellent mechanical properties, uniform thickness and surface properties.

(2) Wet and dry etching of non-photosensitive PI: for wet etching, with the common

positive photoresist as mask, an increase of approximately two times of the exposure dose that needed for the photoresist alone, Tetramethylammonium hydroxide (TMAH) water solution as the etchant, the experiment also shows that the etch depth attained is as high as 30µm, when the optimal volume ratio of

25% TMAH analytical reagent to the deionized water is 1:7. For dry etching of completely cured PI film in Surface Technology Systems(STS), the desirable etching conditions is obtained-100% O2 with 45sccm flow ratio, the power of upper electrode at 500W, the power of lower electrode at 15W, the pressure at 60mTorr and the average speed of PI dry etching at about 0.590µm/min.

(3)PDMS membrane coating and the measurement of thickness: the PDMS

prepolymer (Sylgard 184) is diluted in hexane and PDMS thin film with different thicknesses less than10µm are obtained with spin-coated approach. The thickness of the spin-coated films is measured with three different methods and the result is as following: the thickness measured with surface profiler with 1mg pressure applied by the stylus is comparable to that obtained with scanning electron microscope (SEM), and the relationship of the PDMS film thickness actual measured and stylus pressure follows a hyperbolic curve approximately.

Meanwhile, the value measured with optical profilometer tends to be smaller than that of the other methods.

(4)Wet and dry etching of PDMS: Wet etching method uses the misture solution of

methyl pyrrolidone (NMP-C16H36FN) and tetrabutyl ammonium fluoride (TBAF - C5H9NO) reagents. Serious drilling corrosion is detected, and it fails to meet the precison requirement for MEMS applications. Dry etching method uses low temperature Inductively Coupled Plasma reactive ion etching system (Alcatel 601E) to etch the PDMS. A positive photoresist AZ4620 is firstly introduced as the etching mask for PDMS dry etch, and then the desirable conditions is attained-with the etching parameters as 100% SF6, flow ratio at 400 sccm, power at 1500W, the pressure at 0.02mbar and the average etch rate at about 0.42µm/min.

(5)Research on a new method to release the flexible devices: a PDMS thin film is

introduced between the liquid coated PI substrate and the rigid carrier as a middle layer. Due to the thermal stress induced by mismatch of thermal expansion coefficients, the PI flexible device can be easily separated from the carrier. In the research, the curing of the PI structure is completed with two non-consecutive heating manner occurred before and after separating the device, thus the difficulty in that PDMS can not endure high temperatures is overcome.

Moreover, the process is compatible with MEMS technology. Compared with the traditional sacrificial layer releasing method, the new method simplifies theprocess, reduces the cost and increases the yield. It will also benefit other development of MEMS devices on liquid-based PI substrates.

(6)Development of the platinum film temperature sensor: Three methods are

successfully developed to fabricate platinum film temperature sensor on both the commercial PI sheet and spin-coated PI substrates. With each method, one platinium film is fabricated, and the thicknesses are 100nm, 120nm and 120nm respectively. The experiments show that the temperature coefficients of resistance of the three platinum films temperature sensors are close to

0.0023/℃,0.00291/℃ and 0.00280/℃, and all of them show good linearity.

Furthermore, the sensor fabricated by the second method has an average resistance sensitivity of 1.12Ω/℃ at a drive current of 10mA, while the sensor fabricated by the third method has an average resistance sensitivity of 0.781Ω/℃at a drive current of 8mA. Compared with the traditional silicon-based MEMS temperature sensor, using PI as flexible substrate simplifies the structure and processes, lowers down the production cost, reduces the heat capacity and increases the thermal response rate.

(7)Development of flexible capacitive pressure sensor: Two methods are

successfully developed to fabricate a capacitive pressure sensor composed of multi-layer thin film is developed. By coating an extra PI thin film on the PDMS dielectric layer, the crack problem that inevitably occurs during depositing metal material on PDMS film directly is solved. As a result, a flexible capacitive tactile sensor composed of multi-layers of inorganic and organic thin film is fabricated on the liquid-coated PI substrate. The device can be attached to the arbitrary or irregular shape, rigid or flexible surface to detect both positive force and tangential force simultaneously. Test shows that the average sensitivities at the normal direction of two types are about 24.05mV/N and 19.5mV/N, respectively.

Key Words: Flexible MEMS Technology, Polyimide, Polydimethylsiloxane, Platinum Film Temperature Sensor, Tactile Force Sensor目录

摘要 (i)

Abstract ......................................................................................................................... i v 引言.. (1)

1.1 微电子机械系统（MEMS）概述 (1)

1.2 柔性MEMS技术研究动机 (2)

1.3 柔性（衬底）材料 (4)

1.3.1 聚合物柔性材料的特点及发展前景 (5)

1.3.2 聚合物柔性材料类型 (6)

1.3.3 非光敏聚酰亚胺PI的性能 (7)

1.3.4 对柔性（衬底）加工的挑战 (8)

1.4 柔性MEMS类皮肤型器件（Skin-like ）的概述 (9)

1.4.1 直接在固态柔性薄膜上制作器件 (9)

1.4.2 将柔性薄膜贴附在刚性载体上 (11)

1.4.3 液态柔性材料直接涂覆在刚性载体上 (12)

1.4.4 在液态柔性材料和刚性载体之间增加牺牲层 (12)

1.4.5 柔性织物传感器技术 (15)

1.4.6 由硅岛组成的柔性器件 (17)

1.5 本论文的主要工作内容及其意义 (21)

第2章聚酰亚胺在MEMS应用中的关键工艺研究 (23)

2.1 前言 (23)

2.2 PI柔性材料的选择 (23)

2.3 PI柔性衬底的准备 (26)

2.3.1 PI预聚物的涂覆 (26)

2.3.2 PI预聚物（PA）的固化 (27)

2.4 PI薄膜的厚度测量 (33)

2.5 PI的表面活化处理 (34)

2.6 PI薄膜的图形化工艺 (35)

2.6.1 PI预聚物湿法腐蚀 (36)2.6.2 PI固化膜干法刻蚀 (40)

2.7 小结 (41)

第3章 PDMS在MEMS应用中的关键技术研究 (42)

3.1 前言 (42)

3.2 PDMS结构与性能 (42)

3.3 PDMS涂覆 (44)

3.4 PDMS厚度测量 (45)

3.4.1 表面轮廓仪/台阶仪测试 (45)

3.4.2 扫描电子显微镜（SEM）测试法 (49)

3.4.3 光学轮廓仪测试法 (50)

3.5 PDMS的表面处理 (51)

3.6 PDMS表面薄膜的沉积 (53)

3.7 PDMS薄膜的刻蚀 (55)

3.7.1 PDMS的湿法刻蚀 (55)

3.7.2 PDMS的干法刻蚀 (56)

3.8小结 (59)

第4章基于聚酰亚胺衬底的柔性MEMS温度传感器的研制 (60)

4.1 前言 (60)

4.2 铂薄膜电阻温度传感器的测温原理 (60)

4.3 铂薄膜电阻温度传感器阵列的优化设计 (62)

4.3.1 金属薄膜电阻率及其影响因素 (62)

4.3.2 金属铂薄膜厚度对其电阻率的影响 (63)

4.3.3 金属铂薄膜电阻温度系数与电阻率的影响 (66)

4.3.4 金属薄膜的几何尺寸与柔性衬底PI与金属的粘附性能 (68)

4.3.5 铂薄膜电阻温度传感器的响应频率 (68)

4.3.6 铂薄膜电阻温度传感器敏感单元及其阵列的结构设计 (69)

4.3.7 铂薄膜温敏电阻结构设计 (73)

4.4 柔性传感器的工艺优化设计 (73)

4.4.1 基于PI-6051固态膜为衬底的制作工艺 (74)4.4.2 以PSG为牺牲层的基于PI5涂覆层衬底制作工艺 (76)

4.4.3 以PDMS为分离层的基于PI5涂覆层衬底的制作工艺 (78)

4.4.4 在PI柔性衬底上三种制作方法的比较 (82)

4.5 实验测试及其讨论 (84)

4.5.1 铂薄膜电阻温度传感器的电阻温度系数TCR的测试 (85)

4.5.2 铂薄膜温敏电阻输入电流与输出电压的关系 (88)

4.5.3 铂薄膜电阻温度传感器的灵敏度 (91)

4.6 小结 (93)

第5章基于柔性衬底的电容式力触觉传感器研制 (94)

5.1 前言 (94)

5.2 柔性电容式传感器结构设计 (94)

5.3 传感器的工艺设计 (100)

5.3.1 基于PI6051的制作方法 (100)

5.3.2 基于液态涂覆ZKPI305II-E柔性衬底的制作方法 (103)

5.4 触觉力传感器的性能测试及讨论 (108)

5.4.1传感器的未施加外力时的初始电容 (108)

5.4.2 传感器正向力（压力）的测试及讨论 (109)

5.5小结 (114)

第6章全文总结及展望 (116)

6.1 本论文的工作及取得的成果 (116)

6.2 PI在MEMS应用中的工艺研究 (116)

6.3 PDMS在MEMS应用中的工艺研究 (116)

6.4 基于PI衬底的柔性MEMS温度传感器的研究 (117)

6.5 基于PI衬底的柔性电容式力传感器的研究 (117)

6.6 下一步研究设想 (118)

参考文献 (120)

攻读博士学位期间发表的学术论文及申请的专利目录 (129)

致谢 (130)

个人简历 (132)学位论文独创性声明 (133)

学位论文使用授权声明 (133)

引言

1.1微电子机械系统（MEMS）概述

微电子机械系统（Micro-Electro-Mechanical Systems，简称MEMS，美国惯用词）也称为微系统技术(MicrosystemsTechnologies，欧洲惯用词)，是随着半导体集成电路（IC）、微细加工技术和超精密机械加工技术的发展而出现的。MEMS泛指可批量制造、体积微小、集感知外界环境信息的微型传感器、操纵外界环境对象的微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和电源等于一体，并具有多功能的微型器件或微系统。其中信号处理和控制电路部分通过集成电路（IC）工艺如CMOS、双极或BiMOS工艺制造而成，而机械部分则利用与微细加工兼容的工艺，形成机械部分或电子机械部分。

与传统机械技术相比，MEMS技术的主要特点为：

(1)以性能优良的硅为主要材料（但不限于硅）：硅具有优良的材料性能，是高性能

机械应用的理想选择。硅的强度、硬度和杨氏模量与铁相当，密度与铝相近，热传导率接近金属钼和钨；其强度与重量比优于其它工程材料，有助于实现高带宽的机械器件。

(2)微型化：MEMS器件体积小、重量轻、耗能低、惯性小、谐振频率高、响应快。

(3)集成化：能将具有不同功能、不同敏感方向或（与）致动方向的多个器件集成于

一体或阵列化，甚至可将多种功能的器件集成在一起，形成复杂的微系统。(4)批量生产：用微细加工技术，在一片硅片上可同时制造成百上千个微型机电装置

或完整的MEMS，可大大降低生产成本。

(5)多学科交叉：MEMS的制造涉及电子、机械、材料、信息与自动控制、物理、

化学和生物等多种学科，同时MEMS也为上述学科的进一步研究和发展提供了有力的工具，并集约了当今科学技术发展的许多尖端成果。

(6)MEMS 中的“机械”不限于狭义的机械力学中的机械，它也代表各种具有能量转

化、传输等功能的效应，包括力、热、声、光、磁，乃至化学、生物等。

MEMS的发展目标在于通过微型化、集成化来探索新原理、新功能的微型器件和微系统，开辟一个新的技术领域和产业，将MEMS逐步从实验室走向实用化，对工农业、信息、环境、生物、医药、空间技术、国防和科学发展产生重大影响。据预测，未来的二十年里，MEMS产业将得到迅猛发展，在全球的产值可达到10~14亿美元。

1.2柔性MEMS技术研究动机

MEMS技术出现以来，众多研究机构和企业竞相研制和开发了各种微型传感器和执行器。但是，传统的MEMS器件大多数制作在玻璃、硅等刚性衬底上，在很大程度上了对非刚性物体或不规则高弯曲度物体表面的探测，从而不足以满足如智能皮肤、可穿戴器件、航空动力学、生物力学以及机器人传感系统等日益增长的应用需求[1-20]。因此，研究人员提出，将MEMS器件制作在柔性衬底上，这样器件可很好地贴附在任意类型、形状及尺寸的物体表面，甚至可贴附在像人类身体一样的柔软的物体表面。

图1.1是可移植的视觉修补的构思[7]，这是柔性电子技术在医学中典型的应用之一。其原理是由CMOS获取的视觉图像首先经过脑神经网络处理然后传播到内部的眼睛，电刺激芯片是电极阵列，呈现出足够的柔性能够适应并且能弯曲成虹膜的形状。

图1.1 视网膜修补构思[7]在生物测定学、太空探索、医学及机器人等领域的研究中，往往需要同时探测非平面物体表面上小面积范围内的温度、剪切力、压力和湿度等物理参数的实时(real-time)分布。如果采用传统的MEMS技术，唯一的方法则是将许多分离的传感器嵌在所需测量的物体表面进行测量[21-22]，然而这种方法很难实现精确的测量，特别是二维或三维物理量的实时测量。因此，非常必要将传感器制作在柔性衬底上。

温度传感器是应用最广泛的传感器之一。温度传感器设计需考虑的关键因素包括：(1)如何减少敏感单元与衬底之间的热损耗，以保证器件的高动态响应和灵敏度；

(2) 如何提高温度传感器的分辨率和机械强度，以保证器件在使用过程中遇到弯曲或折叠时不会被破坏。如果采用传统的硅基MEMS温度传感器结构，存在两大困难：一方面，由于硅的热容较大，为提高动态响应，需要设计成如悬臂梁、背腐蚀膜层和微空气桥等复杂的结构以实现有效热隔离作用。这些特殊的结构一般需要制作深达一百多微米的隔离腔体，这明显加大了工艺难度，器件的机械强度也很难得到保证[23]。采用热绝缘性优良的柔性聚合物(如PI)为衬底制作温度传感器可很好地解决这两大困难：柔性衬底具有良好的机械强度，能保证器件在折叠过程中不被损坏；柔性衬底本身热绝缘性好，不需要制作额外的热隔离腔体，这样能简化器件的结构和制作工艺，减小热惯性，加快热响应时间，制作成本也降低了。基于温度传感器上述的研究背景，本论文对基于聚合物衬底的柔性MEMS温度传感器进行了研制，以满足非平面不规则物体测量温度测量的需要。另一方面，触觉是机器人与外界接触的媒介，触觉力传感器在生物机械、医药、食品加工、及肢体康复器件等应用非常广泛[24-28]，一直备受学者们的关注。这些应用中大多数要求器件结构机械强度高、挠性好以便于贴附在像手指和胳膊一样弯曲形状的物体表面；特别是触觉力传感器要求能同时测量法向力和切向力的分布，以全面而准确地评价与环境表面接触的情况。例如，在下肢修补术应用中，残余下肢和与下肢假肢部分之间界面的法向力和切向力的同时测定对于防止疼痛及最终可能产生的褥疮非常重要[24]。

关于触觉力传感器的报道较多，但大多数结构器件仅限于单向力（法向力或者切向力）的测量[29-30]。在仅有的一些关于能同时测量法向力和切向力触觉力传感器的报道中，其中一些器件是非柔性的刚性结构[31-33]，不适用于非平面物体表面接触力的测量；另一些器件虽然是柔性结构的触觉力传感器[5,35-36]，但其结构尺寸比较大，而且其制作工艺与MEMS工艺或ICs工艺不兼容，这很难实现低成本的批量化生产。因此，对能同时探测非平面物体的法向力和切向力的柔性触觉力传感器的研究很有必要。

鉴于触觉力传感器现有的研究状况，本论文进行了能同时探测法向力和切向力的基于聚合物衬底的柔性触觉力传感器的研制，这是本论文另一个重要的研究内容。总之，基于当前柔性MEMS研究背景，为了解决目前应用中遇到的困难，非常有必要研制柔性衬底上的MEMS传感器，即研制柔性MEMS技术，以满足各种不同形状（平面或非平面）、尺寸（大面积或小面积）及类型（刚性或柔软）的物理表面的三维或二维物理量的即时测量。主要目的是开发新的柔性MEMS技术，制造出低成本、重量轻、可弯曲的柔性MEMS温度传感器和柔性MEMS触觉力传感器。

1.3 柔性（衬底）材料

基于以上分析可知，传统的MEMS器件大多数是制作在硅、玻璃、石英等刚性材料衬底上，制作的器件往往是不能折叠或弯曲的刚性结构，从而了MEMS传感器在曲面物体表面的测量；因而采用柔性衬底制作能贴附在任意刚性或非刚性、平面或非平面、规则或不规则物体表面成为必要。图1.2列出了电子器件不同衬底的历史图表，以及各种衬底材料的代表性的潜在的和现有的电子器件[37]。由图可知，从20世纪80年代末至90年代初期间，柔性衬底在电子器件中应用中开始越来越广泛；到21世纪初，三维电子及类皮肤型（skin-like）器件得到了快速发展。很明显，柔性材料的选择是实现理想柔性结构器件的关键。除了某些金属薄膜，如不锈钢和非常薄的硅（硅<30µm时机械柔性好[38]）等无机柔性薄膜，大多数高分子聚合物因弹性模量低、柔性好、成本低、并具有良好的物理和化学综合性能成为柔性衬底材料的理想