CN111904395A

CN111904395A - 一种用于生理信息传感的柔性基材及其制造方法

Info

Publication number: CN111904395A
Application number: CN202010725530.8A
Authority: CN
Inventors: 吴德志; 王广顺; 吴益根; 赵扬; 谢瑜
Original assignee: Xiamen University; Shenzhen Research Institute of Xiamen University
Current assignee: Xiamen University; Shenzhen Research Institute of Xiamen University
Priority date: 2020-07-24
Filing date: 2020-07-24
Publication date: 2020-11-10
Anticipated expiration: 2040-07-24
Also published as: CN111904395B

Abstract

一种用于生理信息传感的柔性基材及其制造方法，涉及柔性传感基材。柔性基材从下至上依次为支撑层、缓冲层和结构层；支撑层为柔性薄层材料制备而成，在支撑层上设有多孔微纳结构缓冲层，在缓冲层上设有用于承载传感器件的可自黏附于皮肤表面的超薄结构层；缓冲层设有加强筋连接结构，用于加强柔性基材整体刚度。先采用倒模工艺制备支撑层；再采用微纳制造工艺在支撑层上制备缓冲层以及加强筋连接结构；在缓冲层上沉积结构层。在结构层上构建光电脉搏波、表面肌电和体温等薄膜传感单元与互联导线，通过信号采集和分析，实现生理信息高精度、高保真精准监测。微纳特征结构缓冲层使结构层保持与人体皮肤完好、舒适共形，保证生理信号高精度采集。

Description

一种用于生理信息传感的柔性基材及其制造方法

技术领域

本发明涉及柔性传感基材，尤其是涉及一种用于生理信息传感的柔性基材及其制造方法。

背景技术

将柔性电子应用于人体生理信息监测，实现从症状治疗转向预防为主的早期健康监测与治疗是人类共同追求的目标。当前国内外科研人员探索研究出脉搏、体温、血氧、血糖和汗液等的可穿戴传感器件。传统传感器件为硬质基底，通过柔性基材连接集成。Katragadda等[Sensors and Actuators A:Physical,2018,143(1):169-174]采用MEMS技术在硅基上制造刚性硅岛结构，通过微金属导线电气连接，柔性聚合物封装构建厚度约300μm的多个岛桥结构阵列压力传感器。硬质基底会导致生理信号测量误差巨大，也会给长期佩戴带来不适。降低传感单元器件至微米级可改善柔性，但采用硅、金属等固有硬质材料的器件应变受限，易产生裂纹或失效。以有机或无机纳米材料构建的全柔性传感将是未来生理健康监测的发展方向。

生理信息柔性传感薄层化，可自贴附于人体器官表面，有利于获得高信噪比，降低运动敏感性。Rogers将表面肌电传感器件基材厚度降低到5μm时，接触电阻减少到20kΩ，显示出显著的低接触阻抗[Advanced materials,2013,25(47):6839-6846]。表面共形接触也可有效降低了运动伪影。但过薄基材机械强度低，操作难度大，容易导致整个结构破坏。实现生理信息柔性传感器件共形的同时获得足够的机械强度是一巨大挑战。突破传统设计理念和制造方法，提出一种新的柔性传感基材，实现薄膜高灵敏度生理信息柔性传感，意义重大。

发明内容

本发明的目的在于提供可高精度生理信号采集，同时操作便利的一种用于生理信息传感的柔性基材及其制造方法。

所述用于生理信息传感的柔性基材从下至上依次为支撑层、缓冲层和结构层；所述支撑层为柔性薄层材料制备而成，在支撑层上设有多孔微纳结构的缓冲层，在缓冲层上设有用于承载传感器件的可自黏附于皮肤表面的超薄结构层；所述缓冲层设有加强筋作为支撑层与结构层之间连接结构，用于加强柔性基材整体刚度。

所述支撑层具有很好的柔顺性，支撑层的形状包括但不局限于圆形或多边形；所述多边形包括三角形、正方形、矩形等；所述支撑层的厚度小于1mm，优选小于200μm，弹性模量<5Mpa优选为1Mpa。

所述缓冲层的厚度小于0.1mm；

所述结构层厚度约为1～10μm，弹性模量<5MPa，优选<1MPa；

所述多孔微纳结构包括但不限于微纳纤维或石墨烯多孔结构等。

所述用于生理信息传感的柔性基材的制造方法，包括以下步骤：

1)采用倒模工艺制备支撑层；

2)采用微纳制造工艺在支撑层上制备缓冲层；

3)在缓冲层上沉积制备连续致密的结构层。

在步骤1)中，所述采用倒模工艺制备支撑层的方法可为：将PDMS与固化剂按10︰1比例混合均匀并倒入相应的模具中，真空抽离气泡后放入80℃加热炉中加热固化2h，脱模后即可完成支撑层的制备。

在步骤2)中，所述微纳制造工艺包括但不限于静电纺丝或与激光扫描联合制备；

所述静电纺丝的工艺制备缓冲层的具体步骤可为：将高分子溶液通过注射器以约500μL/h速度输送到纺丝针头，在间距约为10cm的纺丝针头和支撑层之间加载<50kV高压，在电场力的作用下完成纳米纤维膜缓冲层的制备；通过调控溶液输送速度、高压电场幅值和纺丝针头和支撑层之间的距离，最终在支撑层上静电纺丝得到直径在100～500nm的纤维膜缓冲层。

所述静电喷印的工艺制备加强筋的具体步骤为：先将混合均匀的PDMS溶液与正己烷溶液按3︰1质量比混合均匀，然后将混合后的溶液在制备的缓冲层上在电压<5kV、流量<1ml/h条件下进行静电喷印，固化后获得图案化加强筋连接结构。

所述激光扫描制备缓冲层的具体步骤可为：将高分子溶液(如聚酰亚胺)以约15％的质量分数溶解在DMAC溶液中，常温搅拌12h混合均匀后，在电压约25kV,流量200μL/h的下进行静电纺丝，梯度温度固化后获得均匀平整的聚酰亚胺纤维薄膜；在约7.27kw/cm²的功率密度和约1.6mm/s的扫描速率下，利用激光器在聚酰亚胺薄膜上进行扫描，最终可获得激光诱导的多孔石墨烯微纳缓冲层。

在步骤3)中，在缓冲层上沉积制备连续致密的结构层的具体步骤可为：先将混合均匀的PDMS溶液与正己烷溶液按3︰1质量比混合均匀，然后将混合后的溶液在制备的缓冲层上在电压<50kV、流量<5ml/h条件下进行静电喷印，固化后获得表面平整的PDMS薄膜结构层。

本发明制作的柔性基材可在生理信息传感器中应用。

应用时，在柔性基材结构层上构建光电脉搏波、表面肌电、体温和汗液皮质醇等薄膜传感单元与互联导线，通过信号采集和分析，即可实现生理信息高精度、高保真的精准监测。

本发明制备的支撑层、缓冲层和结构层的三层结构。所述支撑层由柔性薄层材料制备而成，为基材提供一定的机械强度；缓冲层分别与支撑层和结构层连接，为结构层自贴附变形提供弹性缓冲支持，使结构层可弯曲共形，同时不会受到较大机械刚度支撑层的影响；然后在缓冲层上沉积制备连续致密的薄膜结构层，用以制备生理信息传感单元与柔性互联导线，经过信号采集、放大滤波和辨识，最终实现生理信息柔性传感器件良好体验感、高灵敏度、高保真和健康状态的精准监测。所述结构层通过在缓冲层沉积制备连续致密的薄膜结构，具有良好的柔性和生理相容性，同时可自粘附与人体皮肤表面。

本发明利用微纳结构薄膜构建机械缓冲层，通过缓冲层使得整体基材既具有一定的机械强度，同时与皮肤直接接触的结构层又可以与皮肤共形，保证了传感器件的高精度生理信号采集和操作的便利性。

本发明避免了硬质基底容易产生裂纹或失效的缺陷，在保证生理信息柔性传感器件具有一定机械强度的同时，利用具有微纳特征结构的缓冲层使结构层能够保持与人体皮肤完好、舒适地共形，保证生理信号的高精度采集。

附图说明

图1为本发明制造的用于生理信息传感的柔性基材的结构示意图；

图2为在本发明制造的用于生理信息传感的柔性基材的结构层喷印生理信息传感单元的示意图。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，本发明不仅仅限于此。

所述用于生理信息传感的柔性基材实施例，如图1所示，包括：支撑层1、缓冲层2和结构层3的三层结构。所述支撑层由柔性薄层材料制备而成，具有良好的柔性，并为基材提供一定的机械强度；缓冲层分别与支撑层和结构层连接，缓冲层具有多孔微纳结构特征，为结构层自贴附变形提供弹性缓冲支持，保持良好的弯曲共形性能，使结构层可弯曲共形，同时不会受到较大机械刚度支撑层的影响；在缓冲层上方沉积制备连续致密的薄膜结构层，用于为生理信息传感单元与柔性互联导线的制备提供基底；所述支撑层是将柔性流体材料通过3D打印模具倒模获得；微纳缓冲层通过静电纺丝等工艺制备；结构层可通过静电喷印等方式制备；该柔性基材经过信号采集、放大滤波和辨识，最终实现生理信息柔性传感器件良好体验感、高灵敏度、高保真和健康状态的精准监测。

所述支撑层1与结构层3间设置的连接结构(即缓冲层2)，用于加强整体刚度。

所述支撑层具有很好的柔顺性，实施例中采用矩形，还可以采用圆形或其他多边形。

所述缓冲层具有微纳米结构，可为但不局限于通过静电纺丝或激光制备。

所述结构层厚度比支撑层要薄，刚度更低。

所述结构层通过在缓冲层沉积制备连续致密的薄膜结构，具有良好的柔性和生理相容性，同时可自粘附与人体皮肤表面。

所述支撑层结构厚度小于1mm；缓冲层结构小于0.1mm；结构层小于10μm，具有良好的柔性和生理相容性，可自粘附于人体皮肤表面。

所述支撑层和结构层弹性模量<5MPa。

所述缓冲层2具有微纳结构，可为但不局限于微纳纤维或石墨烯多孔结构等。

本发明制备的柔性基材可在生理信息传感中应用。

首先通过3D打印机制备所需形状的模具，然后将PDMS︰固化剂＝10︰1混合均匀后的液态PDMS浇筑到模具中，真空抽离气泡后加热固化2h，待PDMS固化后脱模制备厚200ìm的支撑层1；然后，将20％的PI溶液以450ìl/h的速度输送到纺丝喷头，纺丝针头和支撑层之间的距离为11cm，在11kV高压电场作用下形成纺丝射流，沉积直径为200～250nm的均匀PI纤维，获得薄膜厚度约10ìm缓冲层2；接着将混合均匀的PDMS溶液与正己烷溶液按3︰1质量比混合均匀，在缓冲层上以电压10kV、流量0.3ml/h和电极间距2mm条件下静电喷印，获得图案化加强筋结构；提高电极间距至10cm继续静电喷印，获得表面平整厚度约5ìm的PDMS薄膜结构层3。最后在结构层3表面上通过MEMS工艺溅射Cu、静电喷印HIL和P3HT等有机材料、直写氧化石墨烯溶液和激光诱导等构建导线/电极、温度传感器31、肌电信号传感器32、有机薄膜光电脉搏传感器33等，如图2所示，通过信号采集和分析，最终可实现生理信息高精度、高保真的精准监测。

本发明利用微纳结构薄膜构建机械缓冲层，通过缓冲层使得整体基材既具有一定的机械强度，同时与皮肤直接接触的结构层又可以与皮肤共形，保证了传感器件的高精度生理信号采集和操作的便利性。实验证明，本发明用于生理信息传感的柔性基材及其制造方法实现生理信息柔性传感器件可共形的同时基材也具备足够的机械强度(约1MPa)，突破传统设计理念和制造方法，实现薄膜高灵敏度生理信息柔性感知。

Claims

1.一种用于生理信息传感的柔性基材，其特征在于从下至上依次为支撑层、缓冲层和结构层；所述支撑层为柔性薄层材料制备而成，在支撑层上设有多孔微纳结构的缓冲层，在缓冲层上设有用于承载传感器件的可自黏附于皮肤表面的超薄结构层；所述缓冲层设有加强筋作为支撑层与结构层之间连接结构，用于加强柔性基材整体刚度。

2.如权利要求1所述一种用于生理信息传感的柔性基材，其特征在于所述支撑层的形状包括但不局限于圆形或多边形；所述多边形包括三角形、正方形或矩形。

3.如权利要求1所述一种用于生理信息传感的柔性基材，其特征在于所述支撑层的厚度小于1mm，弹性模量<5Mpa；所述缓冲层的厚度小于0.1mm；所述结构层厚度为1～10μm，弹性模量<5MPa。

4.如权利要求3所述一种用于生理信息传感的柔性基材，其特征在于所述支撑层的厚度小于200μm，弹性模量<1Mpa；所述结构层弹性模量<1MPa。

5.如权利要求1所述一种用于生理信息传感的柔性基材，其特征在于所述多孔微纳结构包括但不限于微纳纤维或石墨烯多孔结构。

6.如权利要求1所述一种用于生理信息传感的柔性基材的制造方法，其特征在于包括以下步骤：

1)采用倒模工艺制备支撑层；

2)采用微纳制造工艺在支撑层上制备缓冲层；

3)在缓冲层上沉积制备连续致密的结构层。

7.如权利要求6所述一种用于生理信息传感的柔性基材的制造方法，其特征在于在步骤1)中，所述采用倒模工艺制备支撑层的方法为：将PDMS与固化剂按10︰1比例混合均匀并倒入相应的模具中，真空抽离气泡后放入80℃加热炉中加热固化2h，脱模后即完成支撑层的制备。

8.如权利要求6所述一种用于生理信息传感的柔性基材的制造方法，其特征在于在步骤2)中，所述微纳制造工艺包括但不限于静电纺丝或与激光扫描联合制备；

所述静电纺丝的工艺制备缓冲层的具体步骤可为：将高分子溶液通过注射器以约500μL/h速度输送到纺丝针头，在间距约为10cm的纺丝针头和支撑层之间加载<50kV高压，在电场力的作用下完成纳米纤维膜缓冲层的制备；通过调控溶液输送速度、高压电场幅值和纺丝针头和支撑层之间的距离，在支撑层上静电纺丝得到直径在100～500nm的纤维膜缓冲层；

所述激光扫描联合制备缓冲层的具体步骤可为：将高分子溶液以约15％的质量分数溶解在DMAC溶液中，常温搅拌12h混合均匀后，在电压约25kV，流量200μL/h的下进行静电纺丝，梯度温度固化后获得均匀平整的聚酰亚胺纤维薄膜；在约7.27kw/cm²的功率密度和约1.6mm/s的扫描速率下，利用激光器在聚酰亚胺薄膜上进行扫描，获得激光诱导的多孔石墨烯微纳缓冲层。

9.如权利要求6所述一种用于生理信息传感的柔性基材的制造方法，其特征在于在步骤3)中，在缓冲层上沉积制备连续致密的结构层的具体步骤为：先将混合均匀的PDMS溶液与正己烷溶液按3︰1质量比混合均匀，然后将混合后的溶液在制备的缓冲层上在电压<50kV、流量<5ml/h条件下进行静电喷印，固化后获得表面平整的PDMS薄膜结构层。

10.如权利要求1所述一种用于生理信息传感的柔性基材在制备生理信息传感器中应用。