CN109497969B - 一种多功能无源电子皮肤系统及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多功能无线无源生理健康监测装置，包括压电/热电血压监测模块、热电偶/热电体温测量单元、基于表面电极的电生理势测量模块等。当前模块均是利用生物组织的血压流动、体温变化、以及电生理势差等原理将血压、温度、电生理势直接转化为电压信号，无需外加电源。所设计的多功能无线无源生理健康监测装置，具有一定的拉伸变形能力，主动适应柔软皮肤表面，实时记录人体的生理健康信息（体温、血压、心电图、肌电图等）。本发明还提供一种多功能无线无源生理健康监测装置的加工制备方法，具有柔软与重量轻和长时间、稳定记录人体生理信息等特点，不影响人体的日常行为，提高了器件的舒适性与便携性。

Description

一种多功能无源电子皮肤系统及其制备方法

技术领域

本发明涉及柔性电子制造领域，特别涉及一种多功能无线无源电子皮肤系统及其制备方法。

背景技术

无源与多功能是当前可拉伸电子器件的重要发展趋势，在很多情形下具有独特的优势，在不需要外加电源的情形下，利用压电、热电、热电偶效应和生物电等原理，能够记录人体的血压、体温、人体的电生理势（心电图、肌电图和脑电图等），多功能无线无源生理健康监测装置贴在柔软皮肤表面，主动适应皮肤表面的复杂变形，并与之保持共形，实时记录人体生理健康信息；在皮肤表面发生变形情形下，还能够稳定记录人体生理健康信息，将在生理健康监测与移动医疗等领域得到更广泛的应用，将逐渐渗透到人类生活、工作中，对人类的生活产生深远的影响。

实际中，越来越多的领域对电子器件的供电、无线通信以及拉伸变形能力等提出了需求，例如电子产品的个性化和多样化程度的提高，在人体长时间的生理健康监测过程中，对电子器件的变形能力、稳定性、供电等都提出了要求和挑战。多功能无线无源生理健康监测装置具有超薄、超轻特点，贴合在人体皮肤表面，不影响人体的日常行为，长时间实时监测人体生理健康信息，广泛应用在移动健康等领域，但是存在的最大问题是多功能无源生理健康装置的供电。解决多功能无源生理健康装置的供电问题是为其产品化提供技术支持。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的第一目的在于提供一种多功能无线无源生理健康监测装置，实现长时间、稳定记录人体的血压、体温、心电图、肌电图等生理信息；血压、体温、心电图、肌电图等功能模块均集成在同一块可拉伸弹性基板上，同时记录人体的多种生理健康信号；利用压电功能材料与曲线结构来监测人体的血压信号，压电材料感知人体的血液流动产生的电荷变化，建立血压信息与压电功能模块之间的对应关系，实现人体血压信息的连续测量；利用热电偶与曲线段来监测人体的体温变化，利用蛇形蜿蜒状结构感知记录人体的电生理势，实现人体的心电图、眼电图的测量。多功能装置中的多种感知单元通过曲线段连接，引出生理健康信息，保证多功能装置的整体拉伸变形能力。多功能生理健康监测装置贴合在皮肤表面，不需要外加供电的情形下，特别是人体手腕等变形较大的生理部位，并与之保持共形接触，提高实时采集人体的体温、血压、心电图、肌电图等信号的精度。

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的第二目的在于提供多功能无线无源生理健康监测装置的制备方法，重点在于同一块可拉伸弹性薄膜上面同时集成设计与制备多种功能材料，通过在氧化镁衬底上制备压电薄膜，并利用光刻图案化将压电薄膜制备成条状；然后在氧化镁衬底上依次完成热电偶两端功能材料的制备，压电薄膜引线与电生理势模块的薄膜沉积与图案化，最终在氧化镁衬底上完成压电、热电偶、电生理势等功能模块及其引线互连导线的加工制备；然后通过磷酸溶液将氧化镁衬底溶解掉，实现条状压电薄膜、热电偶、电生理势等功能模块的释放，直接将其转印到弹性聚合物薄膜的指定位置，完成可拉伸多功能无源生理健康监测装置的制备。

一种可拉伸多功能无源生理健康监测装置，包括基于压电的血压监测模块、基于热电偶的体温检测模块和基于网状金属电极的电生理势模块，均集成于同一可拉伸弹性薄膜上，在无需外加电源供电情形，所设计、制备的可拉伸多功能生理健康监测装置能实时采集人体的生理健康信息。

进一步地，所述多功能无线无源生理健康监测装置的制备方法，包括以下步骤：

（1）准备氧化镁衬底，大小尺寸为20mm×20mm，在去离子水、丙酮中采用超声清洗（功率为80瓦，时间为5分钟）氧化镁衬底的表面；

（2）在氧化镁衬底上，通过磁控溅射制备压电功能薄膜（功率为150瓦，时间为2小时，溅射压强为1.0帕），得到压电薄膜的厚度为300纳米。在压电薄膜上旋涂光刻胶AZ5214（转速为3500转/分钟，时间为60秒）；利用光刻掩膜板#1，在ABM光刻机中，通过紫外曝光6.5秒（曝光光强为25mJ/cm2），然后显影完成光刻机AZ5214的图案化，即，图案化的AZ5124光刻胶为压电薄膜的掩膜，然后在盐酸缓冲液中通过湿法刻蚀完成压电薄膜的图案化制备，通过丙酮去掉残留在压电薄膜表面的光刻胶；

（3）在氧化镁衬底上，依次通过磁控溅射和光刻图案化技术（掩膜板#2和#3）完成热电偶对应的两端金属合金（镍铬和镍铜）的薄膜图案化制备；

（4）在氧化镁衬底上，通过磁控溅射和光刻图案化（掩膜板#4）完成压电功能材料、热电偶的引线和电生理势模块的加工制备，最终在氧化镁衬底上集成压电、热电偶和电生理势等功能模块，通过一次磁控溅射薄膜沉积与光刻图案化同时引出可拉伸多功能无源生理健康监测信号；

（5）在氧化镁衬底上旋涂（转速为3000转/分钟）一层超薄的有机聚合物薄膜，得到厚度为1微米的弹性薄膜，这里采用聚二甲基硅氧烷这种弹性硅胶，支撑可拉伸多功能无源生理健康监测装置；

（6）将集成可拉伸多功能无源生理健康监测装置的氧化镁衬底放入在磷酸溶液中，待到氧化镁完全溶解与磷酸溶液中，完成多功能生理健康监测装置的释放；

（7）准备可拉伸弹性基底（采用聚二甲基硅氧烷），将多功能无源生理健康装置转印到可拉伸弹性基板上；

（8）通过紫外线技术实现两层有机聚合物薄膜的层合，完成可拉伸多功能无源生理健康监测装置的封装。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于本发明一种可拉伸多功能无源生理健康监测装置，具有大拉伸变形能力，主动适应柔软皮肤表面；当多功能装置贴合在皮肤表面，并与之保持共形接触，减小多功能无源生理健康装置与皮肤表面之间的运动滑移，提高多功能无源生理健康装置记录电生理信号的稳定性与精度，从而实现人体生理健康的实时监测。进一步地，本发明多功能无源生理健康监测装置采用金属薄膜沉积与光刻图案化和转印工艺制备，通过一步溅射薄膜沉积与光刻图案化实现功能单元的引线加工制备，其设计加工简单易操作，简化多功能装置制备的工艺过程，提高可拉伸多功能生理健康监测装置的制造效率。

本发明可拉伸多功能无源生理健康监测装置，采用有机高分子聚合物进行封装，这种聚合物具有很大的弹性变形能力，同时也具有很大的弯曲变形能力，从而使其贴在人体皮肤、服装等可能产生复杂弹性变形的物体表面，拓展了多功能无源生理健康监测装置的应用范围。

综上所述，本发明多功能无线无源生理健康监测装置，结合柔性薄膜材料既能提供较好的拉伸和压缩性能，为可穿戴电子器件提供更好地舒适性。

附图说明

图1 可拉伸无源多功能模块生理健康装置结构示意图；包括温度、血压和电生理等功能模块。

图2功能模块的工作原理；（a）基于压电材料的血压原理；（b）基于热电偶的温度模块工作原理；（c）基于表面电极的电生理势工作模块。所述功能结构具有自相似结构相连，保证多功能装置的拉伸变形能力。

图3 多层掩膜板的设计图案。（a）体温热电偶模块正电势材料掩膜板#1设计图案；（b）体温热电偶模块负电势材料掩膜板#2设计图案；（c）血压压电掩膜板#3设计图案；（d）电生理模块与可拉伸互连结构掩膜板#4设计图案。所设计的掩膜板尺寸完全一致，并且掩膜板#1-#4的图案与多功能装置结构设计图案一致。

图4 可拉伸结构形式及电极结构布局形式；（a）三角形栅格网状结构；（b）“#”字形栅格网状结构。

图5 多功能装置加工过程示意图。

图6可拉伸多功能装置实时采集生理健康数据结果。（a）体温测量结果；（b）血压测量结果；（c）电生理势测量结果。

图中符号意义说明如下：11-弹性薄膜；12-表面电生理电极模块；13-热电偶温度模块；14-压电血压脉搏模块；15-可拉伸互连结构。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

参见图1，所设计加工制备的可拉伸多功能无源生理健康装置包括血压模块，温度模块、电生理势模块和弹性基板。

多功能生理健康监测装置依附在可拉伸弹性基板上，当前生理健康监测模块均无需外加供电模块，直接将人体的生理运动转换为电信号，生理健康功能监测装置主要取决于生理监测原理和对应的功能材料。

例如图2（a）所示，所设计加工的血压监测模块，采用压电薄膜与互连微结构设计实现；如图2（b）所示，所设计的温度监测模块采用薄膜热电偶实现；如图2（c）所示，所设计的生理健康监测模块主要依赖于人体皮肤表面的离子活动，利用金属薄膜电极感知并记录人体的电生理势信息。

参见图2，所设计的生理功能监测直接将人体相应的生理活动转化为电信号；同时所设计的可拉伸多功能装置采用蜿蜒结构设计，以保证多功能生理健康装置的拉伸变形能力。

图3中为对应的多功能装置加工制备的掩膜板图案（#1-#4），在具体工艺加工制备过程中，多次运用光刻对准和掩膜图案化工艺流程完成、薄膜热电偶、压电薄膜、电生理电极和互连金属结构的制备与功能集成，完成在可释放硅基衬底上完成多功能装置的制备。

图4中为对应的多功能装置互连结构，用于实现装置的拉伸能力，在具体工艺加工制备过程中，利用光刻技术完成可拉伸结构的图案化。

本发明给出多功能无线无源生理健康监测装置的制备方法，参见图5，包括以下步骤：

（1）准备氧化镁衬底，在去离子水、丙酮中采用超声清洗氧化镁衬底的表面；

（2）在氧化镁衬底上，通过磁控溅射制备压电功能薄膜，然后通过光刻图案化（掩膜板#1）技术在氧化镁衬底上完成条状压电薄膜的制备；

（3）在氧化镁衬底上，依次通过磁控溅射和光刻图案化技术（掩膜板#2和#3）完成热电偶对应的两端金属合金的薄膜制备；

（4）在氧化镁衬底上，通过磁控溅射和光刻图案化（掩膜板#4）完成压电功能材料、热电偶的引线和电生理势模块的加工制备，最终在氧化镁衬底上集成压电、热电偶和电生理势等功能模块；

（5）在氧化镁衬底上旋涂一层超薄的有机聚合物薄膜，支撑可拉伸多功能无源生理健康监测装置；

（6）将集成多功能模块的氧化镁衬底放入在磷酸溶液中，实时观察氧化镁的溶解情况，待到氧化镁完全溶解与磷酸溶液中，完成多功能生理健康监测装置的释放；

（7）准备可拉伸弹性基底，将多功能装置转印到可拉伸弹性基板上；

（8）通过紫外线技术实现两层有机聚合物薄膜的层合，完成多功能装置的封装。

下面结合具体实例和图5对本发明作进一步说明。

图5为本发明可拉伸多功能无源生理健康监测装置制备流程图，其中，（1）准备氧化镁衬底，大小尺寸为20mm×20mm，在去离子水、丙酮中采用超声清洗（功率为80瓦，时间为5分钟）氧化镁衬底的表面；

（2）在氧化镁衬底上，通过磁控溅射制备压电功能薄膜（功率为150瓦，时间为2小时，溅射压强为1.0帕），得到压电薄膜的厚度为300纳米。在压电薄膜上旋涂光刻胶AZ5214（转速为3500转/分钟，时间为60秒）；利用光刻掩膜板#1，在ABM光刻机中，通过紫外曝光6.5秒（曝光光强为25mJ/cm2），然后显影完成光刻机AZ5214的图案化，即，图案化的AZ5124光刻胶为压电薄膜的掩膜，然后在盐酸缓冲液中通过湿法刻蚀完成压电薄膜的图案化制备，通过丙酮去掉残留在压电薄膜表面的光刻胶；

（3）在氧化镁衬底上，依次通过磁控溅射和光刻图案化技术（掩膜板#2和#3）完成热电偶对应的两端金属合金（镍铬和镍铜）的薄膜图案化制备；

（4）在氧化镁衬底上，通过磁控溅射和光刻图案化（掩膜板#4）完成压电功能材料、热电偶的引线和电生理势模块的加工制备，最终在氧化镁衬底上集成压电、热电偶和电生理势等功能模块，通过一次磁控溅射薄膜沉积与光刻图案化同时引出可拉伸多功能无源生理健康监测信号；

（5）在氧化镁衬底上旋涂（转速为3000转/分钟）一层超薄的有机聚合物薄膜，得到厚度为1微米的弹性薄膜，这里采用聚二甲基硅氧烷这种弹性硅胶，支撑可拉伸多功能无源生理健康监测装置；

（6）将集成可拉伸多功能无源生理健康监测装置的氧化镁衬底放入在磷酸溶液中，待到氧化镁完全溶解与磷酸溶液中，完成多功能生理健康监测装置的释放；

（7）可拉伸弹性基底（采用聚二甲基硅氧烷）通过旋涂制备（速度为800转/分钟，然后在75℃的热板下烘烤30分钟），利用制备好的弹性基底将多功能无源生理健康装置拾取起来，完成可拉伸多功能无源生理健康装置的制备；

（8）通过紫外线技术实现两层有机聚合物薄膜的层合，完成可拉伸多功能无源生理健康监测装置的封装。

（9）可拉伸多功能生理健康监测装置贴合在皮肤表面，并与之保持共形接触，同时监测人体的体温、血压、心电图和肌电图等生理信息。

通过图5所示的加工制备工艺方法，说明可拉伸无线无源多功能生理监测装置在人体生理健康监测中的应用。其在可拉伸弹性基板上集成压电传感器、热电偶和电生理势等功能的多功能生理健康装置，可拉伸多功能生理健康监测装置贴合在皮肤表面，并与之保持共形接触，完成生理健康的实时监测。所述装置能同时记录人体的血压脉搏信息，体温，心电图、肌电图等生理信息。图6为可拉伸装置同时记录到人体对应的血压，体温和电生理信号。（a）为记录到的血压信号，从中可以看到舒张压与收缩压信息；（b）为手腕肱二头肌部位对应的肌电信号，在握拳与松开情形下其对应的生理信号特征区分明显；（c）为可拉伸热电偶在0-100℃温度变化范围下的电压输出性能。所述多功能生理健康监测装置同时记录多种生理信号，有助于揭示人体在同一时间段内不同生理信号之间的对应的关系。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种多功能无线无源生理健康监测装置，包括压电功能模块、热电偶模块、电生理势功能模块，所述电生理势功能模块用于采集心电图和肌电图信号；在无需外加电源情形下，同时记录人体血压、温度和具备心电图、肌电图感知功能的电生理信息，将人体皮肤表面变形或者肌肉运动信号转化为电压信号，所述生理健康监测装置与皮肤表面纹理保持共形接触，能提高采集生理信号的精度与稳定性。

2.一种权利要求1所述的多功能无线无源生理健康监测装置的制备方法，所述生理健康监测装置的引线与所述电生理势功能模块采用一次镀膜与光刻图案化完成，简化生理健康装置的加工制备工艺过程，主要步骤如下：

（1）准备氧化镁衬底，在去离子水、丙酮中采用超声清洗氧化镁衬底的表面；

（2）在氧化镁衬底上，通过磁控溅射制备压电功能薄膜，然后通过基于掩膜板#1的光刻图案技术实现在氧化镁衬底上完成条状压电薄膜的制备；

（3）在氧化镁衬底上，依次通过磁控溅射和基于掩膜板#2、掩膜板#3的光刻图案化技术完成热电偶对应的两端金属合金的薄膜制备；

（4）在氧化镁衬底上，通过磁控溅射和基于掩膜板#4的光刻图案化技术完成压电功能材料、热电偶的引线和电生理势模块的加工制备，最终在氧化镁衬底上集成压电、热电偶和电生理势等功能单元；

（5）在氧化镁衬底上旋涂一层超薄的有机聚合物薄膜，支撑可拉伸多功能无线无源生理健康监测装置；

（6）将集成多功能模块的氧化镁衬底放入磷酸溶液中，实时观察氧化镁的溶解情况，待到氧化镁完全溶解与磷酸溶液中，完成多功能生理健康监测装置的释放；

（7）准备可拉伸弹性基底，将多功能装置转印到可拉伸弹性基板上；

（8）通过紫外线技术实现两层有机聚合物薄膜的层合，完成多功能装置的封装。

Images