CN116939964A - 一种一体化柔性传感电路系统及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种柔性传感电路系统一体化制备方法,该方法将柔性传感器与电子元器件集成于同一块弹性基底上，实现信号传感与处理系统柔性集成。制备方法包括以下步骤：在弹性基底上设置带有目标图案的掩膜版，在目标图案区域改变弹性基底的表面性质以提高液态金属对于目标图案区域的浸润能力；将液态金属铺展于弹性基底表面的目标图案区域；在所需部位使用杨氏模量大于弹性基底的点胶材料固定电子元器件，电子元器件之间以液态金属相连并集成于弹性基底上形成柔性电路；在弹性基底上将柔性电路通过液态金属与柔性传感器相连。本发明能够改善当前柔性传感器与其所需信号处理电路间接口处的信号干扰问题，提高带有柔性传感器的电子系统中的信号传输质量。
Description
技术领域
本发明属于电子电路技术领域，涉及一种一体化柔性传感电路系统及其制备方法。
背景技术
近十年来，随着人机交互、运动健康监测等领域的快速发展，相关产品对于传感器的要求日益提高，目前迫切需要具有柔韧、可弯曲、可拉伸、可回复等特性的柔性传感器，以适应具有复杂结构的环境并使人机交互设备更加安全、舒适。随着新材料和新工艺的发展，柔性传感器的数量与日俱增。这些传感器在实验室测试中表现出了良好的性能，但是相关研究大多着眼于柔性传感器独立测试时的性能，忽略了对于将此类器件稳定集成入电子系统的方法的研究。为了实现一个电子系统整体的功能，柔性传感器件不可避免地需要与具有数据处理、数据传输、数据显示等功能的硬质电子器件相连。由于柔性传感器的制作材料往往与硬质电子器件具有迥异的硬度和可拉伸性，其相连的信号接口处材料结合力不足，常易损坏，也常在轻微的抖动和形变下就出现信号不稳定的问题，该问题在很大程度上阻碍了现有柔性传感器件从实验室走向产业化和实际生活应用的进程。
目前，连接柔性传感器与其所需信号处理电路的方法主要有两种，第一种方法是将极细的传统金属导线(通常其直径小于50微米)或极薄的金属电极片(通常其厚度小于25微米)的一端用导电胶粘合在柔性传感器上，另一端以焊接或插接等方式固定在硬质电路板上。此方法通过降低连接材料直径和厚度的方式使其具有灵活的形变能力从而与柔性传感器配适，然而该方法也导致了连接材料的强度降低，极易损坏。此外，柔性材料、导电胶与连接材料三者的力学性能大不相同，其间的结合能力往往不足，在发生形变时极易脱离或产生相对滑动，进而极大地影响信号的传输质量。连接柔性传感器与电子系统的第二种主要方法是使用可弯曲的电路板(FPCB，Flexible Printed Circuit Board)制作信号接口，使用异方向性导电胶粘连接口与柔性传感器，再将接口处以橡胶类材料包裹固定以防止其损坏或脱离。使用这种方法制作的信号接口虽不易损坏，但其接口处仍由多种力学性能不同的的固体材料压合组成，在形变时各层材料间仍会发生滑移，对信号质量产生的影响依然不容忽视。
发明内容
为了解决上述背景技术中所提出的问题，本发明的目的在于提供一种一体化柔性传感电路系统及其制备方法。该系统具备良好的形变能力和共形贴附能力，由柔性传感器与柔性电路(柔性信号处理电路)共同组成，使用液态金属作为系统内部的导电连接材料，以实现对不同硬度电子器件的一体化集成。本发明将目前发展高度成熟的小体积硬质电子器件以液态金属相连并集成于具有弹性的基底材料，所制得的柔性电路在弯曲、扭转、拉伸等形变状态下能够维持电路的功能，且电路中的液态金属可延伸与柔性传感器相连，实现柔性传感器与其所需信号处理电路之间的一体化，进而解决目前柔性传感器与硬质电子器件之间相连的信号接口这一多层结构在抖动和形变时易损坏且信号传输质量不稳定的问题，改善当前柔性传感器与其所需信号处理电路间接口处由于力学结合不稳定而产生的信号干扰问题，提高了柔性传感系统整体的信号传输质量，为各种柔性传感器稳定地接入电子系统提供了可靠的集成方案。该方案简单易行，可轻易实现量产，在智能穿戴、仿生机器人、人机交互、虚拟现实等前沿领域都有广泛的应用前景。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：一方面，本发明提供了一种一体化柔性传感电路系统的制备方法，所述一体化柔性传感电路系统是将柔性传感器与电子元器件集成于同一块弹性基底上，实现对不同硬度电子器件的一体化集成，所述制备方法包括以下步骤：
(1)在弹性基底上设置带有目标图案的掩膜版，在目标图案区域改变弹性基底的表面性质以提高液态金属对于目标图案区域的浸润能力；
(2)将液态金属铺展于弹性基底表面的目标图案区域，实现液态金属在弹性基底表面的图案化；
(3)根据电路设计，在所需部位使用杨氏模量大于弹性基底的点胶材料固定电子元器件，电子元器件之间以液态金属相连并集成于弹性基底上形成柔性电路；(所述点胶材料的杨氏模量大于弹性基底，其目的在于将电子元器件固定于弹性基底表面，并在整体柔性电路板(SPCB)形变时限制电子元器件周围区域的形变量，以保护电子元器件与液态金属和弹性基底的连接。)
(4)在弹性基底上将柔性电路通过液态金属与柔性传感器相连。
进一步地，步骤(1)中所述弹性基底的材料杨氏模量低于1GPa；
优选地，所述弹性基底的材料包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)、Smooth-on系列材料、聚氨酯、橡胶、环氧树脂、聚苯乙烯、聚乳酸(PLA)、聚乙醇酸(PGA)、聚乳酸-乙醇酸共聚物(PLGA)和聚己内酯(PCL)中的一种或多种的混合物；更优选地，所述Smooth-on系列材料包括Ecoflex、DragonSkin、SkinTilt。
进一步地，步骤(1)中设置所述带有目标图案的掩膜版的目的在于遮挡弹性基底表面不需改性处理的区域，仅暴露目标图案区域。
进一步地，步骤(1)中所述掩膜版的材料包括不锈钢、硫酸纸、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚酰亚胺(PI)、乙烯基塑料胶纸中的一种；
优选地，所述掩膜版的厚度不超过100微米；
优选地，所述带有目标图案的掩膜版的制作方式包括激光切割、刀刻、光刻中的一种。
进一步地，步骤(1)中所述改变弹性基底的表面性质的方法包括在弹性基底表面激光蚀刻微结构、在弹性基底表面修饰羟基官能团、在弹性基底表面镀易受液态金属浸润的微纳米级金属薄层；
优选地，所述镀易受液态金属浸润的微纳米级金属薄层的方式包括磁控溅射、热蒸镀、电子束蒸镀；
优选地，所述易受液态金属浸润的微纳米级金属薄层包括铜、金。
进一步地，步骤(1)中所述掩膜版在步骤(2)中根据所使用的液态金属铺展方法决定在铺展前或铺展后从弹性基底上移除。
进一步地，步骤(2)中所述液态金属包括汞、镓、镓金合金、镓锌合金、镓铟合金、镓铟锡合金、铋锡铅铟镉合金中的一种或多种；
优选地，所述液态金属选自镓基合金。
进一步地，步骤(2)中所述液态金属铺展于弹性基底表面的方法包括热蒸镀、电化学法、滚涂、以及将弹性基底浸没于质量百分数为2～5％氢氧化钠溶液与液态金属组成的液体池中。其中热蒸镀和滚涂是铺展后将掩膜版移除，电化学法和将弹性基底浸没于质量百分数为2～5％氢氧化钠溶液与液态金属组成的液体池中是铺展前将掩膜版移除。
进一步地，步骤(3)还包括对电子元器件与液态金属的接触部位进行优化处理，提高接触界面的电学连接质量，其核心在于消除金属氧化层对接触界面的影响；优选地，所述优化处理的方法包括：a)将电子元器件的引脚或导电片浸没于由质量百分数为2～5％氢氧化钠溶液与液态金属组成的液体池中(其中氢氧化钠溶液的作用在于移除液态金属和电子元器件的引脚或导电片表面的氧化层，使液态金属能够浸润粘合于引脚或导电片的表面)，将该电子元器件浸洗于无水乙醇，待晾干后再将引脚或导电片已浸润有液态金属的电子元器件固定在所需部位；b)将电子元器件固定在所需部位后，在电子元器件与液态金属接触部位上方施加微量酸性或碱性蒸汽，以瞬间移除氧化层，引导液态金属浸润于电子元器件的引脚或导电片，形成可靠的电学连接。
进一步地，步骤(3)中所述电子元器件组成配适柔性传感器的电路模块包括微机电(MEMS)传感模块、微处理器模块、数据显示模块、无线通讯模块。
进一步地，步骤(4)中：若所述柔性传感器材料采用液态金属，则步骤(1)的所述目标图案包括柔性传感器的结构；若所述柔性传感器材料不采用液态金属，则先改变柔性传感器的表面性质以提高液态金属对所述柔性传感器的浸润性，再将所述柔性传感器嵌入弹性基底或粘于弹性基底表面并与液态金属相连；
优选地，所述改变柔性传感器的表面性质的方法包括在柔性传感器表面激光蚀刻微结构、在柔性传感器表面修饰羟基官能团、在柔性传感器表面镀易受液态金属浸润的微纳米级金属薄层；更优选地，所述镀易受液态金属浸润的微纳米级金属薄层的方式包括磁控溅射、热蒸镀、电子束蒸镀；更优选地，所述易受液态金属浸润的微纳米级金属薄层包括铜、金。
进一步地，步骤(4)中若所述柔性传感器材料采用液态金属，则其柔性传感器部分的液态金属与柔性电路部分的液态金属直接相连；
优选地，所述柔性传感器部分液态金属线路的宽度为20～200微米，厚度为20～200微米。不在此范围内容易导致传感器初始电阻值以及传感时的电阻变化量太小，降低测量精度、增加测量难度。
进一步地，步骤(4)中若所述柔性传感器材料不采用液态金属，则所述柔性传感器先经过改性处理以提高液态金属对所述柔性传感器的浸润性，然后与液态金属线路紧密结合并与柔性电路部分的液态金属直接相连。
进一步地，步骤(4)中所述柔性传感器功能包括生理电信号传感、拉伸传感、弯曲度传感、压力传感、剪切力传感、光学传感、化学物质传感。
进一步地，步骤(4)后还包括：在所述柔性电路和柔性传感器上浇注液态弹性体作为封装材料并待其固化，得到所述一体化柔性传感电路系统。所述封装步骤其目的在于固定液态金属线路的位置、保护液态金属与其它电子器件在弹性基底上的连接。
进一步地，所述封装材料使用与弹性基底的材料相同或结合力很强的材料；
优选地，所述封装材料包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)、Smooth-on系列材料(Ecoflex、DragonSkin、SkinTilt等)、聚氨酯、橡胶、环氧树脂、聚苯乙烯、聚乳酸(PLA)、聚乙醇酸(PGA)、聚乳酸-乙醇酸共聚物(PLGA)和聚己内酯(PCL)。
另一方面，本发明提供了一种一体化柔性传感电路系统，由上述任一所述的制备方法制备得到。
本发明的有益效果是：1)本发明的制备方法可以实现对不同硬度电子器件在弹性基底上的一体化集成；
2)本发明提出的一体化方案能够改善当前柔性传感器与其所需信号处理电路间接口处的信号干扰问题，提高带有柔性传感器的电子系统中的信号传输质量；
3)本发明为各种柔性传感器稳定、可靠地接入电子系统提供了可行的方案；
4)本发明的一体化柔性传感电路系统具有共形贴附性和可拉伸性；
5)本发明的一体化柔性传感电路系统可贴附于人体体表、集成于仿生机械手，可以应用于智能穿戴、仿生机器人、人机交互、虚拟现实等领域。
附图说明
图1为本发明实施例1中一体化柔性传感电路系统的结构示意图；
图2为本发明实施例2中一体化柔性传感电路系统的结构示意图；
图3(a)为本发明实施例2中弹性基底上设置带有目标图案的掩膜版的结构示意图；图3(b)为本发明实施例2中在目标图案区域改变弹性基底的表面性质后的结构示意图；
图4为本发明实施例2中液态金属在弹性基底表面的图案化的结构示意图；
图5为本发明实施例2中柔性电路的结构示意图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明的内容，下面结合具体实施方法对本发明内容作进一步说明，但本发明的保护内容不局限以下实施例。
本发明一体化柔性传感电路系统由柔性传感器和柔性电路共同组成，以液态金属作为内部导电连接材料，使用成熟的小体积贴片电子器件，将柔性传感器与其必要的数据处理和数据传输电子模块集成在同一块弹性基底上，组成一块带有柔性传感器的柔性可拉伸电路板(SPCB，Stretchable Printed Circuit Board)。由于液态金属具有高导电性和本征可形变的液体特性，其电阻率极低且可以与柔性器件共同形变，在形变状态下其自身阻抗的变化对整体电子系统的影响极小，是最适合作为柔性电子系统内部连接的材料。此外，受益于液态金属的液体特性，由其过渡的“柔性材料-液态金属-硬质电子器件”信号接口这一多层复杂结构在抖动和形变时，不会因材料的分层滑移而降低信号的传输质量，能够从根本上消除柔性传感器与其所需信号处理电路之间接口处的连接不稳定、易损坏问题，为各种柔性传感器稳定地接入电子系统提供了可靠的集成方案。
实施例1
一种一体化柔性传感电路系统(柔性传感器材料采用液态金属)，结构示意图如图1所示，由以下步骤制备得到：
(1)在弹性基底上设置带有目标图案的掩膜版，在目标图案区域改变弹性基底的表面性质以提高液态金属对于目标图案区域的浸润能力；所述目标图案包括柔性传感器的结构；
(2)将液态金属铺展于弹性基底表面的目标图案区域，实现液态金属在弹性基底表面的图案化；
(3)根据电路设计，在所需部位使用杨氏模量大于弹性基底的点胶材料固定电子元器件，电子元器件之间以液态金属相连并集成于弹性基底上形成柔性电路部分；
(4)将柔性传感器部分的液态金属与柔性电路部分的液态金属直接相连。
实施例2
一种一体化柔性传感电路系统(柔性传感器材料不采用液态金属)，结构示意图如图2所示，由以下步骤制备得到：
(1)在弹性基底上设置带有目标图案的掩膜版，结构示意图如图3(a)所示，在目标图案区域改变弹性基底的表面性质以提高液态金属对于目标图案区域的浸润能力，结构示意图如图3(b)所示；
(2)将液态金属铺展于弹性基底表面的目标图案区域，实现液态金属在弹性基底表面的图案化，结构示意图如图4所示；
(3)根据电路设计，在所需部位使用杨氏模量大于弹性基底的点胶材料固定电子元器件，电子元器件之间以液态金属相连并集成于弹性基底上形成柔性电路，结构示意图如图5所示；
(4)柔性传感器部分先经过改性处理以提高液态金属对柔性传感器的浸润性，然后与液态金属线路紧密结合并与柔性电路部分的液态金属直接相连。
以上所述仅为本发明的具体实施方式，不是全部的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种一体化柔性传感电路系统的制备方法，其特征在于，所述一体化柔性传感电路系统是将柔性传感器与电子元器件集成于同一块弹性基底上，所述制备方法包括以下步骤：
(1)在弹性基底上设置带有目标图案的掩膜版，在目标图案区域改变弹性基底的表面性质以提高液态金属对于目标图案区域的浸润能力；
(2)将液态金属铺展于弹性基底表面的目标图案区域，实现液态金属在弹性基底表面的图案化；
(3)根据电路设计，在所需部位使用杨氏模量大于弹性基底的点胶材料固定电子元器件，电子元器件之间以液态金属相连并集成于弹性基底上形成柔性电路；
(4)在弹性基底上将柔性电路通过液态金属与柔性传感器相连。
2.根据权利要求1所述的一体化柔性传感电路系统的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述弹性基底的材料杨氏模量低于1GPa；
优选地，所述弹性基底的材料包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)、Smooth-on系列材料、聚氨酯、橡胶、环氧树脂、聚苯乙烯、聚乳酸(PLA)、聚乙醇酸(PGA)、聚乳酸-乙醇酸共聚物(PLGA)和聚己内酯(PCL)中的一种或多种的混合物；更优选地，所述Smooth-on系列材料包括Ecoflex、DragonSkin、SkinTilt。
3.根据权利要求1所述的一体化柔性传感电路系统的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述掩膜版的材料包括不锈钢、硫酸纸、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚酰亚胺(PI)、乙烯基塑料胶纸中的一种；
优选地，所述掩膜版的厚度不超过100微米；
优选地，所述带有目标图案的掩膜版的制作方式包括激光切割、刀刻、光刻中的一种。
4.根据权利要求1所述的一体化柔性传感电路系统的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述改变弹性基底的表面性质的方法包括在弹性基底表面激光蚀刻微结构、在弹性基底表面修饰羟基官能团、在弹性基底表面镀易受液态金属浸润的微纳米级金属薄层；
优选地，所述镀易受液态金属浸润的微纳米级金属薄层的方式包括磁控溅射、热蒸镀、电子束蒸镀；
优选地，所述易受液态金属浸润的微纳米级金属薄层包括铜、金。
5.根据权利要求1所述的一体化柔性传感电路系统的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述掩膜版在步骤(2)中根据所使用的液态金属铺展方法决定在铺展前或铺展后从弹性基底上移除。
6.根据权利要求1所述的一体化柔性传感电路系统的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述液态金属包括汞、镓、镓金合金、镓锌合金、镓铟合金、镓铟锡合金、铋锡铅铟镉合金中的一种或多种；
优选地，所述液态金属选自镓基合金。
7.根据权利要求1所述的一体化柔性传感电路系统的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述液态金属铺展于弹性基底表面的方法包括热蒸镀、电化学法、滚涂、以及将弹性基底浸没于质量百分数为2～5％氢氧化钠溶液与液态金属组成的液体池中。
8.根据权利要求1所述的一体化柔性传感电路系统的制备方法，其特征在于，步骤(3)还包括对电子元器件与液态金属的接触部位进行优化处理，提高接触界面的电学连接质量；
优选地，所述优化处理的方法包括：a)将电子元器件的引脚或导电片浸没于由质量百分数为2～5％氢氧化钠溶液与液态金属组成的液体池中，将该电子元器件浸洗于无水乙醇，待晾干后再将引脚或导电片已浸润有液态金属的电子元器件固定在所需部位；b)将电子元器件固定在所需部位后，在电子元器件与液态金属接触部位上方施加微量酸性或碱性蒸汽，以瞬间移除氧化层，引导液态金属浸润于电子元器件的引脚或导电片，形成可靠的电学连接。
9.根据权利要求1所述的一体化柔性传感电路系统的制备方法，其特征在于，步骤(4)中：若所述柔性传感器材料采用液态金属，则步骤(1)的所述目标图案包括柔性传感器的结构；若所述柔性传感器材料不采用液态金属，则先改变柔性传感器的表面性质以提高液态金属对所述柔性传感器的浸润性，再将所述柔性传感器嵌入弹性基底或粘于弹性基底表面并与液态金属相连；
优选地，所述改变柔性传感器的表面性质的方法包括在柔性传感器表面激光蚀刻微结构、在柔性传感器表面修饰羟基官能团、在柔性传感器表面镀易受液态金属浸润的微纳米级金属薄层；更优选地，所述镀易受液态金属浸润的微纳米级金属薄层的方式包括磁控溅射、热蒸镀、电子束蒸镀；更优选地，所述易受液态金属浸润的微纳米级金属薄层包括铜、金。
10.一种一体化柔性传感电路系统，其特征在于，由权利要求1-9任一项所述的制备方法制备得到。
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| CN202210365638.XA CN116939964A (zh) | 2022-04-08 | 2022-04-08 | 一种一体化柔性传感电路系统及其制备方法 |
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| CN116939964A true CN116939964A (zh) | 2023-10-24 |
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2022
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