CN116898452A - 针对心血管疾病健康监测的集成传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了针对心血管疾病健康监测的集成传感器及其制备方法，该集成传感器包括：柔性基底，柔性基底上设有采用蛇形图案结构的Ni基蛇形电阻式薄膜的温度传感器、含有两个圆形金属电极片的心电传感器、三明治结构的呼吸传感器、基于叉指电极结构的平面电容式的汗液量传感器、柔性平面电容式的水负荷传感器的封装传感器。本发明可以实现多种生理物理信号和电信号的汇总输出，该传感器轻巧便捷。
Description
技术领域
本发明涉及传感器集成技术领域，特别是涉及针对心血管疾病健康监测的集成传感器及其制备方法。
背景技术
皮肤是人体最大的器官，它可以感知到来自内部器官、血管、肌肉和真皮/表皮的重要生物信号，典型信号包括生物电信号、生物物理信号和生化信号。柔软、灵活和可拉伸的电子设备提供了一个新颖的平台，可以与软组织连接，用于机器人反馈和控制、再生医学和持续健康监测。运动和健康领域的生命信号监测被认为是可穿戴传感技术领域的研究热点。在运动训练、医学诊断和预防以及康复等领域都有应用。用于健康和运动相关生命信号(例如，ECG、EG、EMG、惯性、身体运动、心率、血液、汗液和组织液)的新兴可穿戴设备和系统现在应用非常广泛。
但是目前生理信息传感器向着小型化和集成化的方向发展，希望能够得到一种可以感知多种信号的集成式传感器，进行布局和机构化设计，选取最优的工艺方案制造出信号优良的集成传感装置用于健康状态的长时间检测。
由于人体皮肤特殊的舒展性，可穿戴的传感器必须具备和皮肤良好的结合性能，所以需要优良的延展性、机械稳定性和耐疲劳性能，针对薄膜加工和纳米技术的最新进展使超薄聚合物、金属和半导体材料的构建和集成成为可能。常用于柔性传感器的薄膜材料包括低维半导体材料，如石墨烯、碳纳米管和过渡金属硫化物，显示出有前途的电学(即高电迁移率)和机械性能(原子薄，断裂强度高)。在金属中，金和铂由于其化学惰性和低接触阻抗而被广泛用于与皮肤界面的电极。铜是大多数互连和天线的首选金属，因为它的电阻率低。镍由于温度响应性能优异，被广泛用于温度传感。
按照传感器信号源/应用可分为：生物电信号传感器(心电图ECG、脑电图EEG)、生物物理信号传感器(肢体弯曲、呼吸、躯体温度)和生物化学信号传感器(汗液成分、血液信息、组织液信号)。目前综合多种信息的集成式传感器主要的实现技术思路有三种：第一种是具有多种功能的单个传感器：凭借某些材料的特殊传感特性，可以在单个设备中实现多种功能。第二种是平面集成式传感器网络。即将传感器设计制作在完全集成、可拉伸、无线的皮肤保形生物电子器件。可以在日常生活中进行连续和便携式压力监测。第三种堆叠成型式多功能传感器。即通过三维堆叠的方式，每一层制备一种传感器然后将多层堆叠起来，可以实现大拉伸性和高面积覆盖率。自由形式的“切割-焊接-粘贴”方法制造的堆叠集成多功能可穿戴设备的每一层都是模块化的，支持拆解和重用。避免了一次性使用后丢弃整个设备造成的浪费。
现有的技术中集成的信号非常有限，多为2～3个信号集成，同时制备的工艺较为复杂，局限于实验室应用，而无法真正适用于实际的医学检测。采用第一种思路设计的传感器信号之间存在很大的影响和干扰，因此需要很多的设计或者后期电路设计区分信号。第三种思路采取的立体设计方案不适应皮肤贴装的表面特性，重重堆叠会造成信号丢失，同时穿戴不方便。第二种平面集成式是目前应用较为广泛且设计合理的思路，但是制备的工艺较为复杂，即现有的技术对于平面集成式的集成传感器并未采取较为清晰的方案规划和设计，同时也缺少应用导向的综合传感器。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明提出了一种针对心血管疾病健康监测的集成传感器，可以通过心电、温度、呼吸、汗液量和水负荷五种传感装置实现五种生理物理信号和电信号的汇总输出，并且方便易于实现。
本发明的另一个目的在于提出一种针对心血管疾病健康监测的集成传感器的制备方法。
为达上述目的，本发明一方面提出一种针对心血管疾病健康监测的集成传感器，包括：
柔性基底，所述柔性基底上设有采用蛇形图案结构的Ni基蛇形电阻式薄膜的温度传感器、含有两个圆形金属电极片的心电传感器、三明治结构的呼吸传感器、基于叉指电极结构的平面电容式的汗液量传感器和柔性平面电容式的水负荷传感器的封装传感器。
另外，根据本发明上述实施例的针对心血管疾病健康监测的集成传感器还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述Ni基蛇形电阻式薄膜的温度传感器的Ni薄膜厚度为430nm；所述温度传感器为蛇形电阻，电阻线宽为70μm，线条间距为50μm，蛇形电阻由42条5mm的直线首尾衔接组成。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述心电传感器的两个圆形金属电极片的半径为5mm，距离为6cm。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述呼吸传感器为长方形石墨烯条带，长度为56mm，宽度为3mm。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述汗液传感器设置五组叉指电极对，每对叉指电极极板长度为4mm，宽度为0.5mm，电极间距为0.3mm，整体尺寸为10mm*5mm的矩形。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述水负荷传感器为圆形单对电极板结构，中心圆半径为0.5mm，外部圆环内、外径分别为2.5mm和3.8mm，电极间距为2.0mm，电极部分为尺寸为半径3.8mm的圆形区域。
为达上述目的，本发明另一方面提出一种针对心血管疾病健康监测的集成传感器的制备方法，包括：
1、版图制备：根据加工需求，第一、二次光刻采取负胶剥离法，制备反图；第三次光刻采取正胶刻蚀法，制备正图，图形部分透光；
2、PI薄膜衬底制备：将四英寸硅片清洗烘干后，使用旋涂机将硅片真空吸附，倒入PI胶，设置旋涂参数，重复旋涂3次，每次旋涂间隔需将硅片放入热板120℃加热3min，旋涂后放入OTF-1200-L高温退火炉中，完全固化处理后随炉冷却，得柔性薄膜衬底，PI膜贴附在硅片上呈现黄色光泽厚度为30μm；
3、第一次光刻：在PI薄膜衬底上旋涂负性光刻胶，用紫外曝光设备曝光，之后用显影液进行显影；
4、金属Ni溅射和图案化剥离：在图案化的光刻胶上溅射430nm金属Ni，再用丙酮浸泡剥离光刻胶及附着在光刻胶上的部分金属Ni，得到图案化的蛇形电阻图案。
5、退火处理：将带有图案化的金属Ni的硅片放入退火炉中，300℃保温4h，减少金属内部缺陷，提升高纯Ni对温度的灵敏度；
6、第二次光刻：同步骤3操作，换用第二块光刻版；
7、金属Pt溅射和图案化剥离：在图案化的光刻胶上溅射20nmNi+100nm金属Pt，金属Ni作为Pt与PI之间的粘附层，再用丙酮剥离光刻胶及附着在光刻胶上的部分金属，得到图案化的金属电极和导线图案：
8、封装层旋涂：电极表面绝缘处理需要旋涂一层较薄的PI，且需要经过刻蚀将电极引脚处开槽，选用的聚酰亚胺前驱体胶在未完全固化时可被正性光刻显影液刻蚀，封装层需要经过光刻刻蚀工艺后再进行完全固化处理，使用薄膜旋涂机制备封装层薄膜工艺参数；
9、第三次光刻与封装层刻蚀：旋涂正性光刻胶，用紫外曝光设备曝光，使用显影液浸泡1min，进行光刻胶显影和PI封装层刻蚀；
10、封装层去胶和完全固化：选取酒精浸泡1min并使用热板烘干的方式去除表面的剩余光刻胶，得到表面均匀且平整的封装层，再放入退火炉中重复步骤2的PI薄膜完全固化程序，得到最终封装完成的柔性器件；
11、衬底屏蔽层制备：使用机械剥离法将PI从硅片上剥离并翻转，在PI薄膜背面覆盖一层约2mm厚度的PDMS层，将贴附于硅片上的柔性薄膜器件完全转移至柔韧有弹性的PDMS基底上；
12、电极引脚焊接：使用导电银浆在电极引脚处焊接导线；
13、呼吸传感器制备：将单个传感器边缘剪切成独立的矩形，在上方长条形空白处涂覆氧化石墨烯分散液，将氧化石墨烯均匀涂覆到条形区域，之后使用商用激光雕刻机将氧化石墨烯还原为石墨烯条带再在传感器部分覆盖一层较薄的PDMS，边缘处用液体PDMS粘结固化，使得石墨烯部分被封装在PDMS内。
本发明实施例的针对心血管疾病健康监测的集成传感器及其制备方法，可以应用于运动检测和疾病监测两大类，尤其是心血管疾病的检测。可以通过心电、温度、呼吸、汗液量和水负荷五种传感装置实现五种生理物理信号和电信号的汇总输出，且采用平面集成式的传感制备策略和胸口贴附式的柔性传感基底，可以进一步转化为柔性可穿戴式心血管疾病或运动检测芯片装置，可以长时间佩戴，成为实用型电子皮肤。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分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
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本发明实施例的针对心血管疾病健康监测的集成传感器的结构示意图；
图2是根据本发明实施例的针对心血管疾病健康监测的集成传感器的实现路径图；
图3是根据本发明实施例的热敏电阻结构示意图；
图4是根据本发明实施例的心电传感器的心电单元结构示意图；
图5是根据本发明实施例的三明治结构的呼吸传感器结构示意图；
图6是根据本发明实施例的平面电容式汗液传感器结构示意图；
图7是根据本发明实施例的圆形单对电极板结构示意图；
图8是根据本发明实施例的最终传感器集成结构示意图；
图9是根据本发明实施例的针对心血管疾病健康监测的集成传感器的制备方法的流程图；
图10是根据本发明实施例的最终封装完成的柔性器件结构示意图；
图11是根据本发明实施例的成品传感器的结构示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的针对心血管疾病健康监测的集成传感器及其制备方法。
图1是本发明实施例的针对心血管疾病健康监测的集成传感器的结构示意图。
如图1所示，该集成传感器10包括，柔性基底，柔性基底上设有采用蛇形图案结构的Ni基蛇形电阻式薄膜的温度传感器100、含有两个圆形金属电极片的心电传感器200、三明治结构的呼吸传感器300、基于叉指电极结构的平面电容式的汗液量传感器400、柔性平面电容式的水负荷传感器500的封装传感器。
可以理解的是，本发明实施例的集成传感器10主要的实现路径如图2所示，即先选取单个传感器兼容性最佳的工艺，经过布局设计设计后绘制版图，然后将传感器的尺寸、位置、材料等确定下来后，经过数值模拟确定单个传感器具体的工艺参数。为了简化工艺措施，需要设计工艺加工路线，即按照先复杂后简单，先高温后低温，先活性后惰性的顺序进行实验工艺的整体设计，最后得到集成传感器的综合路线工艺表。
本实施例的集成传感器实现五种传感器的集成，同时强调非镶嵌式结构，而是设计整体加工一体化成型。以信号为导向，不拘于材料或单一器件的原理，综合选取兼容性最佳的单个传感工艺，但是优势在于多和一体化集成。五种信号独立工作，加工路线合理且可重复，稳定、使用时间长。
在本发明的一个实施例中，该集成传感器10需要用到的柔性材料的部分共有三处，分别为微纳加工制备过程的薄膜衬底，电极器件的绝缘封装层以及柔性衬底屏蔽层。
其中，PI(聚酰亚胺)材料的玻璃化温度可达300℃以上，具有很高的机械强度和化学稳定性，本征介电常数为3.4左右。选用南通晶爱微电子科技公司的标准型聚酰亚胺胶JA-401，粘度为8000-10000cP，控制材料的旋涂参数可实现多种厚度的聚酰亚胺薄膜。
其中，薄膜衬底和绝缘封装层选用聚酰亚胺薄膜，使用薄膜旋涂机制备衬底薄膜工艺参数：(1)转速500转/分钟，旋转7s。(2)转速1000转/分钟，旋转7s。(3)转速1600转/分钟，旋转45s。重复旋涂3次，每次间隔120℃加热3min，经过完全固化处理后可得薄膜衬底厚度为30-35μm左右。
其中，使用薄膜旋涂机制备封装层薄膜工艺参数：(1)转速500转/分钟，旋转7s。(2)转速2000转/分钟，旋转10s。(3)转速4000转/分钟，旋转45s。旋涂一次，完全固化处理后可得厚度为4-5μm左右。
其中，PDMS(聚二甲基硅氧烷)是一种绝缘的硅橡胶材料，具有很高的化学稳定性和很强的拉伸韧性，可以实现不同厚度柔性衬底的制备，符合柔性衬底屏蔽层的需求。PDMS选用的是道康宁公司184PDMS硅橡胶光学胶，将PDMS预聚体与固化剂按照不同的比例混合可得到不同柔弹性的柔性衬底，将混合后的溶液抽空气泡后均匀涂覆在PI薄膜衬底背面，烘烤固化后可得到柔性衬底屏蔽层。
在本发明的一个实施例中，温度传感器，在体温区间(30-42℃)内高纯Ni的电阻－温度系数更高，可达0.7％。且Ni的成本远低于Pt，因此Ni基温度传感器具有广泛的研究价值。
其中，集成传感器的温度传感部分要求精确测量人体0.1℃的体温变化，需要选择灵敏度高的电阻材料和结构，因此最终选取Ni基蛇形电阻式薄膜温度传感器。热敏电阻结构设计如图3所示，采用蛇形图案结构，并引出两个方形的电极焊点。考虑到聚酰亚胺基底的不平度影响和热敏电阻的最优工作阻值区间，Ni薄膜设计厚度选取430nm。温度传感器为蛇形电阻，电阻线宽为70μm，线条间距为50μm，蛇形电阻由42条5mm的直线首尾衔接组成，整体电阻部分尺寸为5mm x5mm的正方形。采用磁控溅射工艺进行金属沉积，并采用光刻剥离工艺进行图案化处理，综合衬底聚酰亚胺的工作温度，选取300℃退火4h处理，以提高Ni基电阻的温度灵敏度。
在本发明的一个实施例中，心电传感器的设计，在多种导联方式中，单导联系统的电极点仅有两个，与人体接触面积小，且电极接线简单，成为长时间心电监测的首选。考虑到整体传感器表面的平整性及后续的优化工艺，设计圆片状Pt基金属电极作为心电单元(如图4所示)。心电传感器为两个圆形金属电极片，设置电极圆片半径为5mm，距离为6cm。
在本发明的一个实施例中，呼吸传感器的设计，设计一种三明治结构的呼吸传感器(如图5所示)，即在底层柔性基底上涂覆充分分散的氧化石墨烯分散液，干燥固化后使用激光雕刻设备进行还原处理，最终得到较为形状规则的石墨烯应变条带，并通过导电金属薄膜制备的导线进行电气外接，实现器件的制备。呼吸传感器设置为长方形石墨烯条带，长度为56mm，宽度为3mm。同时为了保证石墨烯的稳定性以及减少与人体接触摩擦产生的损耗，使用柔性材料在石墨烯条带表面进行封装处理。
在本发明的一个实施例中，汗液传感器的设计，可以将汗液量分为无汗、微汗、大汗三个程度，进行阶段性测量。人体出汗时，从皮肤分泌出的汗液附着在传感器表面，通过检测传感器表面的等效介电常数，可以获得汗液量的信息。我们提出一种基于叉指电极结构的平面电容式汗液传感器，具体的设计结构如图6所示。汗液传感器设置五组叉指电极对，每对叉指电极极板长度为4mm，宽度为0.5mm，电极间距为0.3mm，整体尺寸为10mm x 5mm的矩形。在叉指平面电容的电极表面，涂覆隔水封装PI层，避免被测汗液的存在使电容电极短路。为了减小平面电容传感器背面物质干扰对信号的检测，需要在传感器背面涂覆较厚的封装层，在保持传感器柔性的前提下，避免器件背后物体对电容信号的影响，最终选取PDMS材料作为背面的屏蔽层与柔性基底层。
在本发明的一个实施例中，水负荷传感器的设计，基于汗液传感器的相似原理，提出一种柔性平面电容式传感器，通过测量皮肤与皮下组织的介电特性，获得人体局部的水负荷(即含水量)参数。因此设计了一种圆形单对电极板结构(如图7所示)，所结合电容公式可计算传感器监测范围的相对介电常数。
其中，为了防止传感器表面由于汗液等可能会产生的短路影响，需要在传感器表面覆盖一层PI层，与汗液传感器类似，选取2mm厚度的PDMS材料作为背面的屏蔽层与柔性基底层。水负荷传感器为圆形单对电极板结构，中心圆半径为0.5mm，外部圆环内、外径分别为2.5mm和3.8mm，电极间距为2.0mm，电极部分为尺寸为半径3.8mm的圆形区域。
通过上述的多种传感器的集成设计，并根据布局最优化原则，将单个传感器的尺寸结合电极引脚同侧化处理，设置电极引脚为2mm*2mm的正方形。最终传感器集成设计如图8所示，整体尺寸为60mm*20mm的矩形。
本发明实施例的针对心血管疾病健康监测的集成传感器，采用聚酰亚胺(PI)作为柔性基底，然后通过布局设计和工艺设计得到最佳方案。该设计如下：
(1)将温度电阻置于中间，汗液传感器旋转90°后平放，可与温度传感器完全占据中心部分面积。
(2)使得汗液和水负荷传感器保持一定间距，减小二者的信号干扰。
(3)心电传感器放置于矩形两侧，两圆形电极片圆心间距为4cm，保证两电极能够接受心电的电势差信号，避免由于距离过近产生电势重叠。
(4)呼吸传感器条带置于最上侧，可以实现最大程度地感知器件的弯曲应变，提高灵敏度。
(5)将所有传感器经由金属导线连接至电极引脚，保证电极引脚均在下方同侧，便于后期接线。
将传感器的材料生长转移到柔性基底上，进行图案化、电极化处理，最后再进行表面封装，由此得到针对心血管疾病健康监测的集成传感器。
根据本发明实施例的针对心血管疾病健康监测的集成传感器，针对穿戴式心脏健康监测设备应用，设计基于石墨烯等新材料的多种类、新型柔性生理参数传感器、传感器阵列，及其集成与封装技术，增加心脏健康监测设备获取生理信息的种类和冗余度，提高设备的可靠性与易用性，降低功耗和成本。
为了实现上述实施例，如图9所示，本实施例中还提供了针对心血管疾病健康监测的集成传感器的制备方法，该方法借助微纳加工平台超净实验室，完成集成路线中的微纳加工处理，并在湿法实验室完成后续的加工处理，加工路线如下：
S1、版图制备。选用DWL66+激光直写系统制备版图，共三块版图，根据加工需求，第一、二次光刻采取负胶剥离法，制备反图。第三次光刻采取正胶刻蚀法，制备正图，图形部分透光。
S2、PI薄膜衬底制备。将四英寸硅片清洗烘干后，使用旋涂机将硅片真空吸附，倒入PI胶，设置旋涂参数：(1)转速500转/分钟，旋转7s。(2)转速1000转/分钟，旋转7s。(3)转速1600转/分钟，旋转45s。重复旋涂3次，每次旋涂间隔需将硅片放入热板120℃加热3min，旋涂后放入OTF-1200-L高温退火炉中，完全固化处理后随炉冷却，可得柔性薄膜衬底，PI膜贴附在硅片上呈现黄色光泽厚度约为30μm。
S3、第一次光刻。在PI薄膜衬底上旋涂NR9-3000PY型负性光刻胶，用MABA8型紫外曝光设备曝光，之后用RD6显影液进行显影。
S4、金属Ni溅射和图案化剥离。在图案化的光刻胶上溅射430nm金属Ni，再用丙酮浸泡剥离光刻胶及附着在光刻胶上的部分金属Ni，得到图案化的蛇形电阻图案。
S5、退火处理。将带有图案化的金属Ni的硅片放入退火炉中，300℃保温4h，减少金属内部缺陷，提升高纯Ni对温度的灵敏度。
S6、第二次光刻。同步骤S3操作，换用第二块光刻版。
S7、金属Pt溅射和图案化剥离。在图案化的光刻胶上溅射20nmNi+100nm金属Pt，金属Ni作为Pt与PI之间的粘附层。再用丙酮剥离光刻胶及附着在光刻胶上的部分金属，得到图案化的金属电极和导线图案。
S8、封装层旋涂。电极表面绝缘处理需要旋涂一层较薄的PI，且需要经过刻蚀将电极引脚处开槽。选用的聚酰亚胺前驱体胶在未完全固化时可被正性光刻显影液刻蚀，因此封装层需要经过光刻刻蚀工艺后再进行完全固化处理。使用薄膜旋涂机制备封装层薄膜工艺参数：(1)转速500转/分钟，旋转7s。(2)转速2000转/分钟，旋转10s。(3)转速4000转/分钟，旋转45s。旋涂一次，之后120℃初步固化7min。
S9、第三次光刻与封装层刻蚀。旋涂AZ-601型正性光刻胶，用MABA8型紫外曝光设备曝光，使用319显影液浸泡1min，进行光刻胶显影和PI封装层刻蚀。
S10、封装层去胶和完全固化。选取酒精浸泡1min并使用热板烘干的方式去除表面的剩余光刻胶，得到表面均匀且平整的封装层。再放入退火炉中重复步骤S2的PI薄膜完全固化程序，得到最终封装完成的柔性器件(如图10所示)。
S11、衬底屏蔽层制备。使用机械剥离法将PI从硅片上剥离并翻转，在PI薄膜背面覆盖一层约2mm厚度的PDMS层。PDMS采用道康宁184型硅橡胶，可将贴附于硅片上的柔性薄膜器件完全转移至柔韧有弹性的PDMS基底上。
S12、电极引脚焊接。使用导电银浆在电极引脚处焊接导线。
S13、呼吸传感器制备。将单个传感器边缘剪切成独立的矩形，在上方长条形空白处涂覆氧化石墨烯分散液。将氧化石墨烯均匀涂覆到条形区域，之后使用商用激光雕刻机将氧化石墨烯还原为石墨烯条带再在呼吸传感器部分覆盖一层较薄的PDMS，边缘处用液体PDMS粘结固化，使得石墨烯部分被封装在PDMS内。
通过本发明实施例的针对心血管疾病健康监测的集成传感器的制备方法，最终成品如图11所示。最终得到一种平面集成式的心血管疾病监测传感器。
进一步地，采用磁控溅射工艺进行金属沉积，并采用光刻剥离工艺进行图案化处理，综合衬底聚酰亚胺的工作温度，选取300℃退火4h处理，以制备Ni基蛇形电阻式薄膜的温度传感器。
进一步地，在叉指平面电容的电极表面，涂覆隔水封装PI层，在汗液传感器的背面涂覆较厚的封装层，并选取PDMS材料作为背面的屏蔽层与柔性基底层制备汗液传感器；通过检测汗液传感器表面的等效介电常数得到汗液量信息。
进一步地，在水负荷传感器表面覆盖一层PI层，选取2mm厚度的PDMS材料作为背面的屏蔽层与柔性基底层；利用电容公式计算水负荷传感器监测范围的相对介电常数以得到人体局部的水负荷参数。
根据本发明实施例的针对心血管疾病健康监测的集成传感器的制备方法，实现五种传感器的集成，设计整体加工一体化成型。以信号为导向，不拘于材料或单一器件的原理，综合选取兼容性最佳的单个传感工艺。五种信号独立工作，加工路线合理且可重复，稳定、使用时间长。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
Claims (10)
1.一种针对心血管疾病健康监测的集成传感器，其特征在于，包括：柔性基底，所述柔性基底上设有采用蛇形图案结构的Ni基蛇形电阻式薄膜的温度传感器、含有两个圆形金属电极片的心电传感器、三明治结构的呼吸传感器、基于叉指电极结构的平面电容式的汗液量传感器和柔性平面电容式的水负荷传感器的封装传感器。
2.根据权利要求1所述的集成传感器，其特征在于，所述Ni基蛇形电阻式薄膜的温度传感器的Ni薄膜厚度为430nm；所述温度传感器为蛇形电阻，电阻线宽为70μm，线条间距为50μm，蛇形电阻由42条5mm的直线首尾衔接组成。
3.根据权利要求1所述的集成传感器，其特征在于，所述心电传感器的两个圆形金属电极片的半径为5mm，距离为6cm。
4.根据权利要求1所述的集成传感器，其特征在于，所述呼吸传感器为长方形石墨烯条带，长度为56mm，宽度为3mm。
5.根据权利要求1所述的集成传感器，其特征在于，所述汗液传感器设置五组叉指电极对，每对叉指电极极板长度为4mm，宽度为0.5mm，电极间距为0.3mm，整体尺寸为10mm*5mm的矩形。
6.根据权利要求1所述的集成传感器，其特征在于，所述水负荷传感器为圆形单对电极板结构，中心圆半径为0.5mm，外部圆环内、外径分别为2.5mm和3.8mm，电极间距为2.0mm，电极部分为尺寸为半径3.8mm的圆形区域。
7.一种针对心血管疾病健康监测的集成传感器的制备方法，包括：
1)、版图制备：根据加工需求，第一、二次光刻采取负胶剥离法，制备反图；第三次光刻采取正胶刻蚀法，制备正图，图形部分透光；
2)、PI薄膜衬底制备：将四英寸硅片清洗烘干后，使用旋涂机将硅片真空吸附，倒入PI胶，设置旋涂参数，重复旋涂3次，每次旋涂间隔需将硅片放入热板120℃加热3min，旋涂后放入OTF-1200-L高温退火炉中，完全固化处理后随炉冷却，得柔性薄膜衬底，PI膜贴附在硅片上呈现黄色光泽厚度为30μm；
3)、第一次光刻：在PI薄膜衬底上旋涂负性光刻胶，用紫外曝光设备曝光，之后用显影液进行显影；
4)、金属Ni溅射和图案化剥离：在图案化的光刻胶上溅射430nm金属Ni，再用丙酮浸泡剥离光刻胶及附着在光刻胶上的部分金属Ni，得到图案化的蛇形电阻图案。
5)、退火处理：将带有图案化的金属Ni的硅片放入退火炉中，300℃保温4h，减少金属内部缺陷，提升高纯Ni对温度的灵敏度；
6)、第二次光刻：同步骤3操作，换用第二块光刻版；
7)、金属Pt溅射和图案化剥离：在图案化的光刻胶上溅射20nmNi+100nm金属Pt，金属Ni作为Pt与PI之间的粘附层，再用丙酮剥离光刻胶及附着在光刻胶上的部分金属，得到图案化的金属电极和导线图案：
8)、封装层旋涂：电极表面绝缘处理需要旋涂一层较薄的PI，且需要经过刻蚀将电极引脚处开槽，选用的聚酰亚胺前驱体胶在未完全固化时可被正性光刻显影液刻蚀，封装层需要经过光刻刻蚀工艺后再进行完全固化处理，使用薄膜旋涂机制备封装层薄膜工艺参数；
9)、第三次光刻与封装层刻蚀：旋涂正性光刻胶，用紫外曝光设备曝光，使用显影液浸泡1min，进行光刻胶显影和PI封装层刻蚀；
10)、封装层去胶和完全固化：选取酒精浸泡1min并使用热板烘干的方式去除表面的剩余光刻胶，得到表面均匀且平整的封装层，再放入退火炉中重复步骤2的PI薄膜完全固化程序，得到最终封装完成的柔性器件；
11)、衬底屏蔽层制备：使用机械剥离法将PI从硅片上剥离并翻转，在PI薄膜背面覆盖一层约2mm厚度的PDMS层，将贴附于硅片上的柔性薄膜器件完全转移至柔韧有弹性的PDMS基底上；
12)、电极引脚焊接：使用导电银浆在电极引脚处焊接导线；
13)、呼吸传感器制备：将单个传感器边缘剪切成独立的矩形，在上方长条形空白处涂覆氧化石墨烯分散液，将氧化石墨烯均匀涂覆到条形区域，之后使用商用激光雕刻机将氧化石墨烯还原为石墨烯条带再在传感器部分覆盖一层较薄的PDMS，边缘处用液体PDMS粘结固化，使得石墨烯部分被封装在PDMS内。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，采用磁控溅射工艺进行金属沉积，并采用光刻剥离工艺进行图案化处理，综合衬底聚酰亚胺的工作温度，选取300℃退火4h处理，以制备Ni基蛇形电阻式薄膜的温度传感器。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在叉指平面电容的电极表面，涂覆隔水封装PI层，在汗液传感器的背面涂覆较厚的封装层，并选取PDMS材料作为背面的屏蔽层与柔性基底层制备汗液传感器；通过检测汗液传感器表面的等效介电常数得到汗液量信息。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在水负荷传感器表面覆盖一层PI层，选取2mm厚度的PDMS材料作为背面的屏蔽层与柔性基底层；利用电容公式计算水负荷传感器监测范围的相对介电常数以得到人体局部的水负荷参数。
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| CN118024306A (zh) * | 2024-04-11 | 2024-05-14 | 中北大学 | 一种自动辅助抓握的夹层式仿生软体抓手及其制备方法 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN118024306A (zh) * | 2024-04-11 | 2024-05-14 | 中北大学 | 一种自动辅助抓握的夹层式仿生软体抓手及其制备方法 |
| CN118024306B (zh) * | 2024-04-11 | 2024-06-07 | 中北大学 | 一种自动辅助抓握的夹层式仿生软体抓手及其制备方法 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |