CN111898174A - 基于标准化模块及磁学式互连的自由可重构系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于标准化模块及磁学式互连的自由可重构系统。该系统包括：标准传感模块、标准供能模块和标准底板处理电路，标准传感模块分别与标准供能模块和标准底板处理电路利用磁力辅助实现互连自对准，所述标准传感模块用户按需从标准传感模块库中自由选取，标准供能模块根据用户需求从标准供能模块库中自由选取，整个系统实现基于磁学互连的自由可重构。本发明的系统基于单套标准化可控工艺，兼备性能高效、可靠、抗干扰；用户可以根据不同应用场景随时随地“搭建”满足自身需求的集成化智能微系统，实现成本低、多次复用且简便易行的标准化应用，具有多功能、标准化、集成化、自供能、可重构等五大优势。
Description
技术领域
本发明涉及传感微系统搭建技术领域，尤其涉及一种基于标准化模块及磁学式互连的自由可重构系统。
背景技术
当下，随着硅加工技术与其他学科的不断融合，出现的微机电(Micro electromechanical system,MEMS)技术为人类生活带来的诸多便利，已经普及的高精密MEMS器件却摆脱不了硬质的材料属性、不便携的体积、检测功能分立等问题，且出厂后无法根据用户实际所需，自主式选择/更改针对性的功能模块。研究人员提出的“电子皮肤”、“电子纹身”等新兴技术，实现多功能集成化且各功能层一定程度实现重复利用，但各层在替换时是整体置换，无法置换各层中的内部部分；材料粘接的互连模式使得用户很难在置换后实现层与层之间的对准，即无法保证系统有效互连。
随着金属-有机框架材料(Metal Organic Framework,MOF)、钙钛矿(Perovskite)和石墨烯(尤其是激光诱导石墨烯(Laser-induced Graphene, LIG)技术)的出现，由于其突出的物理化学性能，相较于传统硅材料，在性能要求更高更多样化的智能系统面前更具潜力。
目前，现有技术中基于上述某种材料实现的集成系统至少存在以下缺点：
其一，各功能模块尚未实现标准化制备，在搭建集成系统时出现模块工作相互干扰且部分材料工艺互不兼容，模块实现高性能但无法区分且不可靠；
其二，整体搭建时传统的互连模式使得系统功能固定，无法特异性满足用户需求，且模块功耗及系统能源供给没有量化配置，造成资源不匹配甚至浪费。
发明内容
本发明的实施例提供了一种基于标准化模块及磁学式互连的自由可重构系统，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。
一种基于标准化模块及磁学式互连的自由可重构系统，包括：标准传感模块、标准供能模块和标准底板处理电路，所述标准传感模块分别与标准供能模块和标准底板处理电路利用磁力辅助实现互连自对准，所述标准传感模块用户按需从标准传感模块库中自由选取，所述标准供能模块根据用户需求从标准供能模块库中自由选取，整个系统实现基于磁学互连的自由可重构。
优选地，在所述标准底板处理电路的背面设置共用的底板互连线，所述标准传感模块和所述标准供能模块的引脚利用磁力辅助的互连模式与所述底板互连线之间进行自对准连接。
优选地，所述标准传感模块、标准供能模块和标准底板处理电路采用平面多边形或者正投影为多边形的密排布构型，所述标准传感模块和所述标准供能模块的正面加工有源区图形，背面加工引出电极。
优选地，所述标准传感模块根据用户的需求，通过磁学互连的方式从基于单套可控工艺的标准传感模块库中自由选取，所述标准传感模块库包括：物理传感模块和电化学传感模块以及两者的耦合模块，所述标准传感模块库实时根据用户反馈进行更新与完善。
优选地，所述标准供能模块根据用户的需求，通过磁学互连的方式从基于摩擦-电磁复合发电机及超级电容器的标准能量模块库中自由选取，所述标准供能模块库包括用于复合采能的摩擦发电机和电磁发电机，以及用于储能的微型超级电容器，所述标准能量模块库实时根据用户反馈进行更新与完善。
优选地，所述标准供能模块包括微型超级电容器、摩擦发电机和电磁发电机，利用能量管理电路提高供能模块之间的能量匹配度，并将标准传感模块的耗能和标准供能模块提供的能量进行量化。
优选地，所述标准底板电路包括引出电极、处理电路及无线传输模块，所述引出电极包括物理类传感器、采能模块、储能模块和电化学类传感器的双电极引出，以及电化学类传感器的三电极引出，所述处理电路包括能量管理模块、稳压器、两个低功率运算放大器以及具有蓝牙低功耗功能的可编程化系统芯片。
优选地，所述标准传感模块基于单套工艺制取材料本身参数化可控的电导率，及材料结构网络对多种物理参量敏感的属性，实现物理类传感器；或者，所述标准传感模块基于材料微纳结构具备高比表面积及亲疏水性可调的特性，在其表面淀积电化学敏感材料，实现电化学类传感器；或者，所述标准传感模块结合物理和化学两种传感机制，实现耦合类传感器。
优选地，利用双面材料加工工艺实现所述系统的磁学互连可重构，具体包括：
标准传感模块使用双面材料加工工艺：在已有基底正面加工电极图形，根据传感机制选取外加敏感材料实现传感功能；在基底背面加工引出电极，并通过调节功率实现与正面的工作电极穿通；
在各标准模块背面及底板电路引线面分别淀积柔性复合磁材料，按规定取向充磁，通过控制充磁场强使模块单元与底座间形成磁力吸引，实现界面处的电学接触。
优选地，利用磁学材料复合的方式实现所述系统的磁学互连可重构，具体包括：
在材料预先合成阶段掺入磁性材料颗粒，在材料后处理完毕后，对标准模块和底板电路进行取向充磁，使系统各组成单元本征具备磁性，实现系统磁学辅助互连。
由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明提出的基于标准化模块及磁学式互连的自由可重构系统基于单套标准化可控工艺，设计并集成制备包括多种传感机制在内的标准化传感模块库，兼备性能高效、可靠、抗干扰；尤其是提出的标准单元模块化的加工思想，既可以利用微电子平面加工技术的优势，又能够实现多样化定制化以及灵活性很大的特点。
利用柔性磁学材料与底板标准电路的“互连自对准”设计实现各模块之间的互连及信号处理、传输；附加标准化采能和储能模块，用户可以根据不同应用场景随时随地“搭建”满足自身需求的集成化智能微系统，实现成本低、多次复用且简便易行的标准化应用，具有多功能、标准化、集成化、自供能、可重构等五大优势。
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基于标准化模块及磁学式互连的自由可重构系统原理示意图。
图2为本发明实施例提供的一种基于标准化模块及磁学式互连的自由可重构系统的结果示意图。
图3为本发明实施例提供的用于构建标准化模块库的两种LIG加工模式及相应扫描电子显微镜照片。
图4为本发明实施例提供的一种通过淀积柔性磁性材料实现系统磁学互连可重构的方案。
图5为本发明实施例提供的一种通过本征掺杂磁性颗粒实现系统磁学互连可重构的方案。
图6为本发明实施例提供的一种用于自由可重构系统的标准底板处理电路实现方案及工作框图。
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
本发明实施例提供的一种基于标准化模块及磁学式互连的自由可重构系统的原理示意图如图1所示，结构如图2所示，参照图2，该系统包括标准传感模块、标准供能模块和标准底板处理电路三部分，上述标准传感模块和标准供能模块分别利用磁力辅助与标准底板电路形成互连并“自对准”。在此实施例中，上述标准传感模块、标准供能模块和标准底板处理电路统一采用六边形的密排布构型。技术人员可以根据实际需求选用其他多边形密排布构型；此外，还可以将相近功能的模块或者基于同一待测分析的传感模块集成在立体构型块上，当然此立体块的正投影图形及引出电极应与平面多边形构型一致，以满足“标准化”及“可重构”的需要。
参照图2，该实施例中整个系统底板包括共用的处理电路及互连线(具体互连走线设置在底板背面)，用户按需选取标准传感模块与标准供能模块，利用磁力辅助的互连模式，实现各标准模块引脚与底板互连线之间的自对准，无需额外的电学焊接或者材料之间的粘接即保证了标准模块与底板电路之间的有效电学接触，且标准供能模块可以提供标准传感模块与标准处理电路工作所需的能量。其中，标准传感模块与标准供能模块的敏感电极/工作电极/引出电极材料与整个系统的互连线均基于单套标准工艺，实现了系统整体工艺的兼容及统一化设计；各标准模块均采取正面加工有源区图形，背面加工引出电极的方式满足“标准化”、“简易互连”的目标。为实现系统整体“多功能”及“自供能”，对各标准传感模块功能进行特异型设计，对标准供能模块输出进行量化，对底板处理电路实现标准化接口设计及低功耗优化。
标准传感模块和标准供能模块均根据实际需求从对应的标准模块库中选取。其中，标准传感模块库包括：物理传感模块和电化学传感模块以及两者的耦合模块，并通过封装及其他保护手段提升模块的循环使用寿命。标准供能模块库包括用于复合采能的摩擦发电机和电磁发电机，以及用于储能的微型超级电容器。
上述标准模块库为了普适更多应用场景，可以通过用户反馈实时更新完善。
本发明系统的上述磁学辅助互连模式避免了电学焊接或者材料粘接带来的系统模块固定的局限。利用磁学互连可以使用户根据自己个性化需要任意搭建合适的系统，即在共用模块重复利用基础上，用户可以针对性选择所需的传感模块进行自组装，赋予了系统“可重构”的理念。
上述自由可重构系统通过选择特定的加工模式及工艺参数，保证物理模块中材料优异的物理属性，电化学模块中材料优异的化学属性，为各模块的传感精度及检测量程提供基础；其次，满足实际应用重复性测试需求，在模块高性能和可靠性之间达到权衡统一；再次，各标准模块工作互不干扰且淀积敏感材料的工艺相互兼容；最后，各模块的外形尺寸、最小线宽等保持一致，满足可重构模式基本需求。
上述标准传感模块基于单套工艺制取材料本身参数化可控的电导率，及材料结构网络对多种物理参量敏感的属性，实现物理类传感器；或者，上述标准传感模块基于材料微纳结构具备高比表面积及亲疏水性可调的特性，在其表面淀积电化学敏感材料，实现电化学类传感器；或者，上述标准传感模块结合物理和化学两种传感机制，实现耦合类传感器。
本发明强调的是“标准化模块”及“磁学互连”的思想，为用户按需重构系统做指导，实现“标准化模块”的单套工艺不局限于LIG，利用别的工艺实现“标准化模块”的思想属于本发明的分支，应该属于本发明的权利保护范围。
为了更详实地说明标准化传感模块的设计思路，本实施例以LIG加工模式为例，通过对传感模块分类处理，对应较为合适的激光诱导模式进行特异性加工，以实现模块标准化设计的指标。图3为本发明实施例提供的用于构建标准化模块库的两种特异性激光诱导模式(包括vector模式与raster模式)及相应扫描电子显微镜照片。本实施例实现的标准传感模块主要基于LIG材料的两大传感机制：第一种是直接基于LIG高比表面积、高孔隙度特性的物理类传感器，在激光加工方式上采取vector模式，这样能够保证加工LIG的疏松度及传感灵敏度；第二种是基于LIG电极引出的双电极、三电极电化学类传感器，根据不同的应用场景在此实施例中具体分为环境因子传感元件及生物标志物传感元件，这类传感器对于LIG与敏感有源材料的界面接触及LIG本身的导电率要求是相对严苛的，所以采取另一种raster模式的激光加工模式能够相对好地满足需求。
进一步地，对于基于LIG工艺实现系统标准模块而言，具体的激光源的平扫速度、功率密度、像素密度需要根据传感器的类别及兼顾传感性能和性能可靠性的前提下做出选择，在此实施例中不再赘述。
上述自由可重构系统中的标准供能模块结合摩擦纳米发电机高电压输出及电磁发电机高电流密度的优势，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微型超级电容器中，为多功能标准传感模块提供驱动电压。标准供能模块同样可基于LIG工艺，以降低工艺复杂度并提升工艺兼容性，其中摩擦发电机利用LIG在起电过程表现出的相对电负性特性，电磁发电机则利用LIG可调的导电特性，超级电容器平面叉指电极则利用LIG的高比表面积的特点。
上述标准供能模块通过优化工艺参数，降低系统互连线的串联电阻及标准传感模块本身的工作能耗；利用能量管理电路提升摩擦-电磁复合发电机与超级电容器之间的能量转换效率；进而实现标准供能模块和标准传感模块之间的有效对接。并将标准传感模块的耗能和标准供能模块提供的能量进行量化，方便用户选择合适输出功率密度的供能模块满足传感系统工作的需要。
实施例二
为满足本发明提出的自由可重构系统搭建模式，需对系统的传感模块、供能模块、电路模块分别做标准化设计。对于传感模块的标准化设计应遵循的规则，包括且不限于如下四个方面，可供技术人员具体实施时做参考：
其一，在外型和尺寸上实现最大限度的统一，在外型上选择规则的多边形使得系统集成时能够密排(密堆积)；尺寸上以加工所能实现的精度作为最小线宽，整体尺寸应满足各类型传感器特异性结构设计的需求；
其二，为实现更多传感功能的额外淀积的敏感材料工艺均需互相兼容，且与用于实现系统整体的工艺相兼容；
其三，需同时考虑各模块的高性能及性能稳定性：
1)对灵敏度要求高但结构以损坏的传感单元，需更加细致地进行参数调节，保证工艺的可重复性和器件的使用寿命；
2)对易受环境干扰(易被湿气、氧气腐蚀)，有源材料易挥发的传感单元需进行恰当的封装，但不能大程度牺牲传感性能；
3)对易受应力影响的模块，需对电极进行可拉伸设计，最大限度上分散应力；
4)对易受多变量干扰的模块选择更加特异的敏感材料；
5)应用到人体及环境监测，加工涉及材料需具备一定的生物和环境兼容性；
6)其他设计细节(自加热、自修复等功能)根据实际所需进行调整；
其四，各模块之间的传感性能不能互相串扰：
1)尤其是避免应力传感对非可形变传感模块的影响；
2)避免电化学传感模块之间有源材料的直接接触；
3)降低电容型传感器互相电容的耦合等。
对于供能模块的标准化设计，同样遵循标准化传感模块的设计规则，并且通过进一步的工艺参数优化，降低传感模块功耗的同时提升供能模块的换能效率。进一步地，对传感模块功耗、系统连线热损耗、处理电路及无线输出模块功耗等进行量化分析，对标准化的供能模块做功率密度量化，从而方便用户为个性化重构的系统挑选合适、足够数目的标准供能模块。
电路模块包括适用于标准供能模块的能量管理电路与适用于标准传感模块的信号稳压、放大、无线传输电路，也相应遵循标准化、低功耗设计。
实施例三
对系统各模块标准化设计后，为更好地适应用户特异性实际需求，重构系统时应遵循的如下规则，包含但不限于如下四点：
1)应遵循重构统一性原则：例如，各模块的尺寸、外型、引线位置应统一标准化；
2)应遵循重构体积最小原则：例如，将易干扰别的模块的标准单元 (如应力传感)独立做成平面(可密排)多边形构型，直接与底板电路进行拼接；同类型可堆叠的传感模块直接堆叠拼接；
3)应遵循重构分类(干扰最小)原则：对于传感类型接近且互相不干扰的模块(例如人体汗液分泌物传感模块，需要统一的汗液提取物)，集成在单个体结构表面(体结构投影与平面结构一致，通过“预拉伸-再屈曲”的三维体结构加工工艺制备)：一方面可以更高效分析待测信息，提高集成度；另一方面，该三维体结构可以沿预拉伸方向拓展，有效分散面内应力对传感单元的影响；对于应力敏感的模块不能进行立体集成的，应统一拼接在应力分布最小位置。
应遵循重构优先级原则：例如，湿度传感模块应尽量拼接在外侧，最大程度接触环境水汽；界面温度传感和表面张力传感模块则需紧贴界面，如实反应界面信息；不同重构方案中均需最先放置优先级最高的模块单元；对于拼接位置无要求的模块优先级相对靠后。
实施例四
本发明的系统根据标准传感模块具体的材料加工工艺，实现磁学互连的方式包括淀积磁学材料或者磁学材料本征掺杂两种方式，第一种方式比较适用于对已有基底进行再加工获取传感敏感材料的工艺，第二种方式更适用于材料先合成在进行修正获取敏感特性的工艺。
本实施例将具体阐述两种基于磁学互连的自由可重构系统的方案，两种方案均基于LIG工艺为例，各有利弊，且不对本发明构成限制。
图4为本发明实施例提供的一种通过淀积柔性磁性材料实现系统磁学互连可重构的方案。具体实现方式如下：
1)首先，标准传感模块使用双面LIG工艺：在PI(Polyimide,聚酰亚胺)基底正面诱导电极图形，根据传感机制合理淀积有源材料实现传感功能；在PI基底背面诱导引出电极，并通过调节功率实现与正面的工作电极穿通——这样最大程度上缩短了引线路径；利用双面材料加工工艺和磁学材料复合的手段，在模块衬底正面加工有源电极图形的同时，在背面穿通加工引出电极，利用磁力将标准传感模块和标准底板电路中的引出电极形成充分的电学接触；通过对磁学材料进行加固和保护提升磁学互连的可靠性和可重复性。
2)其次，在各标准模块引脚面及底板电路引线面(避免引线交叉，采用正反面同时走线)分别淀积柔性复合磁材料(聚二甲基硅氧烷 (Polydimethylsiloxane,PDMS)与磁性钕铁硼(NdFeB)颗粒的复合薄膜)，按规定取向充磁，且控制充磁场强，使模块单元与底座间形成足够的磁力，实现界面处充分的电学接触，并结合电学测试使得引入的接触电阻降到最低。此外，需对磁吸处的电极材料进行表面保护，避免在多次重复拆卸-拼接过程中应耗损使得电学接触退化。
3)该方案可以保证充分的电学接触，但淀积磁性薄膜会增加系统整体厚度，影响系统柔性及部分传感器工作。
图5为本发明实施例提供的一种通过本征掺杂磁性颗粒实现系统磁学互连可重构的方案，即通过将磁性NdFeB颗粒直接掺杂到聚(酰胺酸) (poly(amic acid),PAA)溶液中，通过成膜工艺自行制备本征带磁性的PI膜，但该种方法由于磁颗粒的掺入，对后续LIG诱导质量产生影响。
实施例五
图6为本发明实施例提供的一种用于自由可重构系统的标准底板处理电路的实现方案及工作框图。为了对该系统标准底板处理电路做进一步解释说明，不应对本发明构成限制。
标准底板电路主要包括引出电极、处理电路及无线传输模块这几部分：
1)引出电极具体设计：物理类传感器、采能模块、储能模块及部分电化学类传感器双电极引出设计；三电极电化学类传感器引出电极设计
2)具体处理电路、无线传输模块实现：电路系统包括能量管理模块、稳压器、两个低功率运算放大器以及具有蓝牙低功耗(Bluetooth low energy,BLE)功能的可编程化系统芯片(Programmable system onchip,PSoC)。图6(c)显示了各模块之间系统级程序框图。摩擦发电机(Triboelectric nanogenerator,TENG)在工作过程中，会产生周期性的交流信号，通过整流桥将其转换为直流信号，并通过能量采集芯片(Power managementintegrated circuit,PMIC)为后端超级电容器充电。三个串联的电阻可以设置可编程电压阈值和滞后电压，当超级电容器两端的VSTORE达到3.5V时，PMIC控制单元将超级电容器连接到负载，实现VOUT输出。而当VSTORE降低至2.2V 时，超级电容器与负载连接断开，只有当其再次充电至3.5V时，才开启下一轮驱动过程。这个过程中，PMIC所需电流仅为250nA。之后，稳压器将输出电压调节为2.2V，提供稳定的电压为BLE PSoC模块和运算放大器供能。两个运算放大器与传感器阵列连接，两个工作电极分别接两个运算放大器正极输入，参比电极则同时接负极输入，PSoC的模数转换器(Analog-digital converter, ADC)读取两个传感器的电位信号，并通过BLE广播，在电脑、手机等后端设备接收读取。
3)优选地，将不同传感模块特异性的信号采集、降噪电路模块搭建在标准单元内部，这样可最大限度简化底板引出电路且统一化信号处理。
实施例六
表1为本发明实施例提供的自由可重构系统面向人体健康管理应用所涉及的关键特性。表2为本发明实施例提供的自由可重构系统面向人体健康管理应用所涉及的常见生物标志物。两个表格为了对该自由可重构系统进行应用示范，并不对其丰富的应用前景构成限制。
表1
表2
随着医疗保健的重点转向疾病的早期监测及预防，以及慢性病的长期监测，可穿戴/便携式的生物传感器已经从物理生物标志物(例如温度、应力等)发展到针对疾病的更多应用，例如糖尿病/冠心病等的治疗。结合具有高选择性和灵敏度的“生物受体”，以监测与疾病相关的痕量水平靶标，将极大拓宽可穿戴传感器在数字健康领域的影响。针对健康管理的标准传感模块库开发将遵循表1的关键特性。
血液及其他非侵入性体液中含有丰富的生物分析物，已被证明可有效地预测，诊断和预后各种局部和全身性疾病。唾液、汗液和泪液是三种主要的生物流体，可穿戴设备通过特殊设计可以容易地以非侵入性方式收集它们，并可以连续或高频地对其进行访问，参见表2，是非侵入性生理液中存在的常见生物标志物。
结合标准微流控芯片技术，采集上述的三种生物流体，尤其是体表的汗液和泪液(对于唾液采集，由于会将传感系统置于口腔内环境，可以将系统集成在人工牙套上，并对整体进行封装)。对于各类生物标志物，选取特异性的敏感材料，基于物理/电化学机制(甚至抗原-抗体结合机制)进行浓度标定，并结合处理电路进行标准化长期稳定反馈。不同健康状况的人群可以根据所关注的病症种类从标准传感库中选取特异性的监测模块，对疑难病症进行提前预防及对慢性疾病进行长期跟踪。
进一步地，可以搭配标准物理传感模块辅助健康管理。例如，选取温度模块对体温的波动，伤口的愈合情况，病症引起的突发性体温变化等实时监控；选取应力模块对呼吸、脉搏、心跳、眼球转动、喉部吞咽等体表微弱的应变起伏信号进行记录。
综上所述，本发明提出的基于标准化模块及磁学式互连的自由可重构系统实现方法，全基于单套可控工艺及其制备材料突出的物理化学特性，构建了包括物理传感、化学传感及两者耦合的传感模块库。通过调控各传感模块的加工参数，在传感高性能和性能可靠性之间找到平衡，并通过封装及其他保护手段达到传统微电子工艺级的性能涨落，实现模块标准化，且相较于传统硅加工工艺在材料属性、工艺复杂度、系统集成度上均有质的提升。
各标准单元利用柔性磁学材料与底板引出电路实现良好的电学连接，用户可以“搭建”满足自身需求的传感集成系统，并可简易化实现“互连自对准”。相较于传统的电学互连，无需电学焊接、材料粘接且共用模块可重复利用、特异模块个性化选择。因而本发明除了具备微电子工艺“标准化”的特色，还赋予了“可重构”的理念。
本发明的系统满足中端传感模块标准化的同时，利用标准供能模块实现前端能源输入自提供，规范设计模块间的信号干扰及信号处理、传输，实现后端处理电路统一化。结合标准化模块库用户按需可重构的特点，本发明的系统不仅可以实现对人体基本的参数实现系统化监测，通过特异性电化学传感将有望对人体慢性疾病(高血压、糖尿病、通风等)管理有指导意义；不仅局限于此，本发明将针对性满足更多应用情景(例如环境指标特异性监测等)的个性化、特异性的需求，并根据实际反馈动态化改进和优化系统性能。
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 (10)
1.一种基于标准化模块及磁学式互连的自由可重构系统，其特征在于，包括：标准传感模块、标准供能模块和标准底板处理电路，所述标准传感模块分别与标准供能模块和标准底板处理电路利用磁力辅助实现互连自对准，所述标准传感模块用户按需从标准传感模块库中自由选取，所述标准供能模块根据用户需求从标准供能模块库中自由选取，整个系统实现基于磁学互连的自由可重构。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，在所述标准底板处理电路的背面设置共用的底板互连线，所述标准传感模块和所述标准供能模块的引脚利用磁力辅助的互连模式与所述底板互连线之间进行自对准连接。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述标准传感模块、标准供能模块和标准底板处理电路采用平面多边形或者正投影为多边形的密排布构型，所述标准传感模块和所述标准供能模块的正面加工有源区图形，背面加工引出电极。
4.根据权利要求1或者2或者3所述的系统，其特征在于，所述标准传感模块根据用户的需求，通过磁学互连的方式从基于单套可控工艺的标准传感模块库中自由选取，所述标准传感模块库包括：物理传感模块和电化学传感模块以及两者的耦合模块，所述标准传感模块库实时根据用户反馈进行更新与完善。
5.根据权利要求1或者2或者3所述的系统，其特征在于，所述标准供能模块根据用户的需求，通过磁学互连的方式从基于摩擦-电磁复合发电机及超级电容器的标准能量模块库中自由选取，所述标准供能模块库包括用于复合采能的摩擦发电机和电磁发电机，以及用于储能的微型超级电容器，所述标准能量模块库实时根据用户反馈进行更新与完善。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述标准供能模块包括微型超级电容器、摩擦发电机和电磁发电机，利用能量管理电路提高供能模块之间的能量匹配度，并将标准传感模块的耗能和标准供能模块提供的能量进行量化。
7.根据权利要求1或2或者3所述的系统，其特征在于，所述标准底板电路包括引出电极、处理电路及无线传输模块，所述引出电极包括物理类传感器、采能模块、储能模块和电化学类传感器的双电极引出，以及电化学类传感器的三电极引出，所述处理电路包括能量管理模块、稳压器、两个低功率运算放大器以及具有蓝牙低功耗功能的可编程化系统芯片。
8.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述标准传感模块基于单套工艺制取材料本身参数化可控的电导率，及材料结构网络对多种物理参量敏感的属性，实现物理类传感器；或者，所述标准传感模块基于材料微纳结构具备高比表面积及亲疏水性可调的特性，在其表面淀积电化学敏感材料，实现电化学类传感器；或者，所述标准传感模块结合物理和化学两种传感机制，实现耦合类传感器。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，利用双面材料加工工艺实现所述系统的磁学互连可重构，具体包括：
标准传感模块使用双面材料加工工艺：在已有基底正面加工电极图形，根据传感机制选取外加敏感材料实现传感功能；在基底背面加工引出电极，并通过调节功率实现与正面的工作电极穿通；
在各标准模块背面及底板电路引线面分别淀积柔性复合磁材料，按规定取向充磁，通过控制充磁场强使模块单元与底座间形成磁力吸引，实现界面处的电学接触。
10.根据权利要求9所述的系统，利用磁学材料复合的方式实现所述系统的磁学互连可重构，具体包括：
在材料预先合成阶段掺入磁性材料颗粒，在材料后处理完毕后，对标准模块和底板电路进行取向充磁，使系统各组成单元本征具备磁性，实现系统磁学辅助互连。
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