CN111879341B - 全基于激光诱导石墨烯工艺的自供能传感微系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种全基于激光诱导石墨烯工艺的自供能传感微系统。包括：LIG储能元件层、PI衬底层和LIG功能及采能元件层，PI衬底层作为LIG储能元件层、LIG功能及采能元件层天然的结构连接层与电学绝缘层，将LIG传感功能元件和LIG采能元件制备在系统的正面，将LIG储能元件制备在系统的背面，利用LIG穿孔机制保证系统正反面元件的有效互连。PI衬底层作为激光诱导前驱体，对传感功能元件、采能元件和储能元件分别选取特异性的参数进行LIG电极诱导。本发明的系统利用单步激光诱导PI衬底获取LIG的方式，并结合LIG优异的物理化学性能，实现了包括传感元件、采能元件、储能元件、系统互连线等全套传感微系统组件，实现了便携式电子设备工艺层面与性能层面的集成化。

Description

全基于激光诱导石墨烯工艺的自供能传感微系统

技术领域

本发明涉及传感微系统技术领域，尤其涉及一种全基于激光诱导石墨烯工艺的自供能传感微系统。

背景技术

当下，随着人类对个人健康管理及生活环境质量的密切关注，各类传感器件乃至传感系统的需求日益激增。传感功能元件作为日常生活中实时实地记录各项参量变化及走向的“眼睛”，备受研究人员的关注。与此同时，传感体系从过去的单变量监测、单信号转换机制过渡到如今的多参量多维度相互配合、多转换机制相互协同。此外，合适的材料选取、加工手段、结构设计等为提升传感信号的精密度、多样性和可靠性提供了基础。

目前，现有的传感微系统技术至少存在如下的两个方面的缺点：一方面，现有的传感微系统通常由功能分立的元件直接组合而成，各元件之间的材料选取、加工工艺、工作条件等存在互相不兼容性，系统集成度低，且单独元件的加工工艺繁琐，材料的力学属性和生物兼容性较差，无法真正适用于人体穿戴式/贴肤式应用及更为严苛的自然环境；另一方面，传感微系统的长期稳定工作离不开持续充足的能源供给，而现阶段的电子设备通常使用电池供电，需频繁更换电池及牺牲系统的轻便性来满足供能需求；脱离外加电源激励，巧妙收集生活中的耗散能源为系统自主式供能的研究亟待开展。

发明内容

本发明的实施例提供了一种全基于激光诱导石墨烯工艺的自供能传感微系统，以克服现有技术的问题。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

一种全基于激光诱导石墨烯工艺的自供能传感微系统，包括：

LIG(Laser-induced Graphene，激光诱导石墨烯)储能元件层、PI(polyimide,聚酰亚胺)衬底层和LIG功能及采能元件层，PI衬底层作为LIG储能元件层、LIG功能及采能元件层的结构连接层与电学绝缘层，将LIG传感功能元件与LIG采能元件制备在系统的正面，将LIG储能元件制备在系统的背面，PI衬底层作为激光诱导前驱体，对LIG传感功能元件、LIG储能元件及LIG采能元件分别选取特异性的参数进行LIG电极诱导。

优选地，所述LIG储能元件层、PI衬底层和LIG功能及采能元件层采用岛桥状构型及蛇形互连线结构，相关电路集成在岛桥状构型的正中间岛上。

优选地，所述LIG功能及采能元件层中包括LIG传感功能元件及对应的信号处理电路、无线数据传输电路，LIG采能元件及相应的能量管理电路；LIG储能元件层中包括非对称MSC(Micro-supercapacitor，平面微型超级电容器)阵列。

优选地，所述LIG功能及采能元件层中的LIG传感功能元件、LIG采能元件与LIG储能元件层中的LIG储能元件之间实现有效对接及量化配置，LIG采能元件和LIG储能元件之间利用能量管理电路将LIG采能元件收集到的能量最大化转换成超级电容器MSC能够存储的形式；各个LIG传感功能元件在信号能分辨的前提下，将功耗降到最低，将组件之间的互连引线的串联电阻降到最低，根据LIG传感功能元件的峰值功耗密度，调整LIG采能元件和LIG储能元件的总体积及单位体积能量输出密度。

优选地，所述能量管理电路中包括比较器和LC振荡电路，当输出电位达到比较器的要求，LC振荡电路才对能量进行传递，使得系统的能量输出曲线最大程度展宽。

优选地，选取75μm厚的PI衬底层进行双面LIG诱导，得到以PI衬底为间隔的正反面工作组件电极，在引出极板处加大激光诱导功率，使正反面LIG极板相互连通构成互连孔，并用导电银胶保护及降低通孔处电阻。

优选地，所述系统包括基于LIG工艺的物理传感功能元件、电化学传感功能元件及两者的耦合元件；TENG(Triboelectric nanogenerator,摩擦纳米发电机)采能元件、EMG(Electromagnetic generator，电磁发电机)采能元件和非对称MSC储能元件。

优选地，在基于LIG工艺的非对称MSC中，以LIG作为MSC的引出电极，在电极一侧修饰氧化还原反应材料，并且在电解质中掺入易化学反应的物质提升存储电荷上限，得到非对称电极构型的MSC，并将TENG与EMG采集自然界及人体行进过程中的机械能存储在非对称MSC中。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明提出的全基于单步激光诱导石墨烯工艺的自供能传感微系统技术，极大程度上简化了制备工艺，提升了工艺兼容度，并且各类元件的性能可以根据所需参数化可调，加工低成本，可批量；其次，配合能量管理电路，为当下电子设备供能提供了技术指导，利用TENG&EMG复合采能与MSC高效率储能的方式，为传感器工作、处理电路及无线传输模块运作提供持续的能量供应。因此，本发明真正意义上同时实现了便携式电子设备工艺层面与性能层面的集成化。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种全基于激光诱导石墨烯工艺的自供能传感微系统的结构示意图。

图2为本发明实施例提供的一种全基于激光诱导石墨烯工艺的自供能传感微系统的电极微观/宏观形貌及电极边界轮廓。

图3为本发明实施例提供的两种基于激光诱导石墨烯工艺的物理传感功能元件(a)阻变式温度传感功能元件，(b)阻变式应力传感功能元件。

图4为本发明实施例提供的一种基于激光诱导石墨烯工艺的电化学汗液传感功能元件。

图5为本发明实施例提供的一种基于激光诱导石墨烯工艺的摩擦纳米发电机采能元件及其输出性能。

图6为本发明实施例提供的一种基于激光诱导石墨烯工艺的平面微型超级电容器储能元件及其输出性能。

图7为本发明实施例提供的一种全基于激光诱导石墨烯工艺的自供能传感微系统的原理示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

实施例一

图1为本发明实施例提供的一种全基于LIG工艺的自供能传感微系统的结构示意图，包括：LIG储能元件层、PI衬底层和LIG功能及采能元件层。

在室温正常大气压条件下，利用CO₂激光器单步诱导PI衬底得到的LIG不仅具备工艺简单、成本低、易批量的优势，且材料物理化学属性优异，表现为高导电率，三维网络结构带来的大比表面积且对多种传感参量敏感，亲水特性易在表面沉积其他敏感材料，以及易失电子的属性。这些特性使其普适于传感功能元件、采能元件和储能元件的电极材料——利用单套可控工艺实现整体系统组件是提升系统工艺兼容度必不可少的；此外，通过对各组件性能进行细化改良设计，并配合电路模块提升各组件之间的匹配度，实现系统的多功能、自供能也是系统面向实际应用在性能层面集成的一大迈进。

参照图1，系统整体基于激光辅助式手段加工。以75μm厚的PI衬底层作为激光诱导前驱体，选用该厚度考虑到系统整体的柔性、便携性及加工热形变。对物理传感功能元件、电化学传感功能元件、采能元件、储能元件分别选取特异性的参数进行LIG电极诱导，并且将传感功能元件制备在系统的正面，以增大传感参量与元件有源电极的接触面积——其中，物理传感功能元件结合LIG三维多孔网络具备极大的比表面积且结构易受外界刺激影响而改变电导率的特性；电化学传感元件则基于LIG的碳骨架具备很高的电导率，在其表面淀积电化学敏感材料可以实现对各种参量高灵敏响应；在系统背面制备储能元件并采取串并联方式增大储能容量和输出电位窗口。与此同时，双面加工增加了系统的集成度。

基于LIG电极的TENG采能元件将元件电极之间的相对位移产生的机械能转换成电能输出，EMG采能元件则利用环境或者人体振动带来的磁通量变化作为能量采集来源，因此，将两种LIG采能元件的对电极制备在系统背面，与系统正面的工作电极形成电极对。

此系统中，PI衬底层主要起到三个作用：其一，作为LIG单步诱导的前驱体；其二，作为整个体系的结构支撑层；其三，作为面内电极及正反面电极的天然绝缘层。对于面内器件间的互连线同样选取LIG材料，由于PI衬底本身不具备可拉伸性，将元件间的互连线用激光切割模式加工成蛇形可拉伸结构，赋予了系统可拉伸属性，增加了系统在实际应用时的机械鲁棒性；对于正反面器件间的互连选取穿孔互连方式，增大LIG诱导功率使正反面材料连通构成互连孔，需注意正反面器件加工时上下引出极板应对准保证互连孔有效形成。

参照图1，器件整体选取“岛桥式”构型，有效保护“岛”上各元件的受力稳定性，保证了力学敏感器件的可靠工作。电路部分(包括适用于采能元件与储能元件的能量管理电路；适用于传感功能元件的信号处理电路、无线数据传输电路)集成在体系正中间“岛”上，方便对各部分元件实施调控。最后，正反面元件相互配合，通过电路优化，实现系统自供能、多参量传感、无线数据通讯等指标，可应用于人体健康管理、环境质量监测等需多参量长期实时监控的领域。

图2为本发明实施例提供的一种全基于LIG工艺的自供能传感微系统的电极微观/宏观形貌及电极边界轮廓。参照图2，可知激光单步诱导PI衬底得到LIG多孔网络的可行性，并且LIG图案化电极的边缘轮廓分明，体现了该激光辅助式手段的加工精度。具体LIG电极的厚度、电导率、网络孔隙率、结构强度、亲疏水性等根据功能元件的种类通过激光加工参数可细化调整，所述参数指激光源的速度、功率、图像加工密度、加工模式等。传感功能元件的电极图形可通过对激光加工设备进行编程使其同时满足传感灵敏度、检测范围；采能元件与储能元件则配合激光参数、图形优化使得采能、储能效率最优。

实施例二

图3为本发明实施例提供的两种基于LIG工艺的物理传感功能元件，为了进一步对基于LIG工艺的物理传感功能元件进行举例说明，并不对本发明构成限制。

图3(a)为基于LIG工艺的阻变式温度传感功能元件设计示例，温度感知是皮肤触觉感知的一个重要方面，在机器人和智能假肢中，温度传感可以用于感知本体温度以及外界物体温度；在可穿戴式设备中，可用于实时监测体温，作为发烧、中暑、感染等病症的预警；在环境监测领域，温度则是气象/气候变化的重要指标。基于LIG的温度传感功能元件实现具有连续温度监测，实时用户反馈的能力。其工作原理是基于LIG的热阻效应，该实施例将其设计为螺旋状结构，这样可以通过增加单位器件面积内LIG与空气的接触来放大器件的响应度。石墨烯是带隙为零的半金属，但是其性能更接近本征半导体。在受热时会伴随着电子空穴对的热产生，电子空穴对浓度增加；同时热运动也促进载流子-声子在层间的散射，基于以上原因LIG表现出负温度特性。

图3(b)为基于LIG工艺的阻变式应力传感功能元件设计示例，不管是面内的挤压、弯曲、扭转均可以归结于面内的局部受力过大而导致的LIG网络形变，从而使导电通路数目改变使整体电阻变化。不同形式的应力则可以通过具体的结构设计一一对应。

为了对不同物理参量实现传感可区分，可以引入容变式传感机制，实现与阻变式传感功能元件同时工作。

实施例三

图4为本发明实施例提供的一种基于LIG工艺的电化学传感功能元件，为了进一步对基于LIG工艺的电化学传感功能元件进行举例说明，同样不对本发明构成限制。

自然界中存在的多种待检测物均可以找到对应的敏感材料形成特异的电化学反应。特定的目标物作为敏感源，电极作为转换媒介，通过分子间特异性识别将反应信号转换为电信号，并通过后端信号处理软件进行浓度分析。

众所周知，循环营养素和新陈代谢物是人体中重要的健康指标，在生物体液中的浓度被广泛用于临床风险评估、疾病诊断、病情预判以及治疗后监测等医学环节。其中，尿酸和酪氨酸是衡量人体健康状况的重要指标，尿酸是引发心血管疾病、II型糖尿病及各类肾脏疾病的潜在风险，在治疗影响全球数千万人的痛风疾病中得到了广泛研究；选取针对性的电化学传感功能元件实现汗液尿酸与酪氨酸等化学信号有效传感的同时，利用实施例二中的物理传感功能元件对温度、呼吸频率、脉搏等物理信号的同步探测，搭建多模态传感的集成化健康监测系统，实现动态化实时健康监测和辅助式医疗管理。

实施例四

该实施例将重点阐述基于LIG工艺的自供能模块的实现，取代传统的电子设备需外接能源激励或频繁更换电池的弊端，该系统利用采能元件自主式采集日常生活中被忽视的机械能，转换成电能并存储在储能元件内，为信号传感、处理、传输提供长期、稳定供能。

图5为本发明实施例提供的一种基于LIG工艺的TENG采能元件及其输出性能。对TENG而言，在异种材料“接触-分离”界面处由于材料电负性的差别，电子会在界面处发生转移，使其中一种材料带上正电荷，而另一种材料则带上相反极性的电荷，外接负载电路，则每一次“接触-分离”就会发生一个周期的电荷转移，即对外形成能量输出。LIG最为一种典型的易失电子材料，寻找另一种电负性较强的材料(该实施例选取了PU(Polyurethane,聚氨酯))则可以与之构成简易的能量采集元件，该设计中LIG充当了摩擦层和电极引出层两个角色。

EMG采能元件则基于法拉第静电感应原理。由于LIG的高电导率，可以直接对激光源编程，直扫得到LIG线圈。设计与TENG类似的“接触-分离”结构，在结构另一侧淀积磁性材料，当结构由于环境外力发生形变时，磁性材料切割磁感线得到感应电流输出。

选择上述两种技术，是因为TENG以高的开路电压著称，而EMG的短路电流则比摩擦发电机高出好几个数量级，两者可以有效互补作为高效采能的方案。

图6为本发明实施例提供的一种基于LIG工艺的MSC储能元件及其输出性能。传统的物理双电层构型的MSC以高的充放电速度以及长的循环使用寿命著称，但是其存储的能量密度相对于电池技术低。因此，结合电池构型中化学反应引入的高能量密度，以LIG作为超级电容器的引出电极(高的比表面积可以促进电荷的转移和存储)，在电极一侧修饰氧化还原反应材料，并且在电解质中掺入易化学反应的物质提升存储电荷上限。最后得到的MSC以非对称的电极构型，兼并高功率密度和高能量密度两大优势，能够最大限度存储采能元件收集的能量。

结合TENG高电压输出及EMG高电流密度的优势，该系统可以采集自然界及人体行进过程中的机械能并存储在MSC中，为多模态传感功能元件及相关电路提供驱动电压。其中，TENG利用LIG易失电子的特性，EMG利用LIG线圈良好导电性优势，MSC平面叉指电极则利用LIG的高比表面积的特点。

图7为本发明实施例提供的一种全基于LIG工艺的自供能传感微系统的原理示意图。首先，TENG采能元件采取降压电路降低其匹配负载，从而增强其与EMG采能元件复合采集能量的匹配度；其次，TENG与EMG复合采能元件通过能量管理电路，将采集的能量最大限度转换成MSC能够存储的形式；再次，实施例二与实施例三中的基于LIG工艺的传感功能元件均在功能可实现的基础上降低器件功耗，同时降低信号处理电路，选取低功耗蓝牙无线发射模块，以及降低互连线的串联电阻，使得供能模块能够真正意义上驱动后端无线传感模块，达成性能层面的有效集成。

综上所述，本发明提出的全基于激光诱导石墨烯工艺的自供能传感微系统，相较于传统的传感微系统加工工艺而言，仅利用单步激光诱导PI衬底获取LIG的方式，并结合LIG本身优异的导电性能，三维网络结构带来的大比表面积以及其他参数化可调的优异性能，实现了包括传感功能元件、采能元件、储能元件、系统互连线等全套传感微系统组件，避免了额外的加工环境，加工掺杂/添加剂及不同工艺间引入的不兼容性问题，使传感微系统达到真正工艺层面集成。

本发明的系统选用复合采能的方式，最大化采集日程生活中的废弃机械能并通过能量管理电路高效率存储进非对称构型的MSC中，为整套传感体系(包括传感功能元件、处理电路、无线传输电路)提供稳定的能量来源，免除外加能量激励，使传感微系统达到真正性能层面集成。

本发明的系统采用岛桥状构型设计、双面加工方式和通孔互连机制，在提高系统整体集成度同时，赋予系统额外的可拉伸性能。因此该全基于单套工艺、具备多参量传感、自主式供能的传感微系统可面向人体日常健康实时管理、环境指标精确监测等诸多实际领域。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种全基于激光诱导石墨烯工艺的自供能传感微系统，其特征在于，包括：

激光诱导石墨烯LIG储能元件层、聚酰亚胺PI衬底层和LIG功能及采能元件层，PI衬底层作为LIG储能元件层、LIG功能及采能元件层的结构连接层与电学绝缘层，将LIG传感功能元件与LIG采能元件制备在系统的正面，将LIG储能元件制备在系统的背面，PI衬底层作为激光诱导前驱体，对LIG传感功能元件、LIG储能元件及LIG采能元件分别选取特异性的参数进行LIG电极诱导；

LIG储能元件层、PI衬底层和LIG功能及采能元件层采用岛桥状构型及蛇形互连线结构，相关电路集成在岛桥状构型的正中间岛上；

所述LIG功能及采能元件层中包括LIG传感多模态功能元件及对应的信号处理电路、无线数据传输电路，LIG复合采能元件及相应的能量管理电路；LIG储能元件层中包括非对称平面微型超级电容器MSC阵列，

所述LIG功能及采能元件层中的LIG传感功能元件、LIG采能元件与LIG储能元件层中的LIG储能元件之间实现有效对接及量化配置，LIG采能元件和LIG储能元件之间利用针对且匹配的能量管理电路将LIG采能元件收集到的能量最大化转换成平面微型超级电容器MSC能够存储的形式；各个LIG传感功能元件在信号能分辨的前提下，将组件之间的互连引线的串联电阻降到最低，根据LIG传感功能元件的峰值功耗密度，调整LIG采能元件和LIG储能元件的总体积及单位体积能量输出密度；

选取75μm厚的PI衬底层进行双面LIG诱导，得到以PI衬底为间隔的正反面工作组件电极，在引出极板处加大激光诱导功率，使正反面LIG极板相互连通构成互连孔，并用导电银胶保护及降低通孔处电阻。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述能量管理电路中包括比较器和LC振荡电路，当输出电位达到比较器的要求，LC振荡电路才对能量进行传递，使得系统的能量输出曲线最大程度展宽。

3.根据权利要求1至2任一项所述的系统，其特征在于，所述系统包括基于LIG工艺的物理传感功能元件、电化学传感功能元件及两者的耦合元件；摩擦纳米发电机TENG采能元件、电磁发电机EMG采能元件和非对称MSC储能元件。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，在基于LIG工艺的非对称MSC中，以LIG作为MSC的引出电极，在电极一侧修饰氧化还原反应材料，并且在电解质中掺入易化学反应的物质提升存储电荷上限，得到非对称电极构型的MSC，并将TENG与EMG采集自然界及人体行进过程中的机械能存储在非对称MSC中。

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