基于柔性混合電子制造技術(shù)的藍(lán)牙傳感系統(tǒng)

金 瀟，金 寧，于浩然，顧唯兵，林 劍

(1.中國計(jì)量大學(xué)信息工程學(xué)院，浙江省電磁波信息技術(shù)與計(jì)量檢測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州 310018；2.中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所，江蘇蘇州 215123)

0 引言

近10年來，隨著無機(jī)納米材料技術(shù)的發(fā)展，采用印刷技術(shù)制作電子器件或電路的印刷電子技術(shù)受到越來越廣泛的關(guān)注[1-2]，與傳統(tǒng)硅基電子技術(shù)相比，印刷電子技術(shù)具有大面積低成本、基底柔性化、制造工藝簡單、生產(chǎn)過程綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，可在許多全新的應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮作用，如柔性透明觸摸屏、薄膜太陽能電池等。然而，用全印刷法制備電子器件如晶體管等由于圖形分辨率和加工精細(xì)度等局限性，目前仍未達(dá)到實(shí)用化水平，器件功能不足以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)的應(yīng)用，而硅基半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)芯片的微型化。因此，將印刷電子與傳統(tǒng)硅基電子技術(shù)結(jié)合的柔性混合型電子制造技術(shù)是當(dāng)前實(shí)現(xiàn)柔性電子實(shí)用化發(fā)展的一個(gè)研究方向。該法有利于在可延展彎曲的柔性電路板上集成各種硅電路和傳感器，實(shí)現(xiàn)具有實(shí)用功能、輕薄柔性的電子系統(tǒng)。

然而，由于目前部分印刷法制造的電路在耐彎折性方面存在不足，導(dǎo)致產(chǎn)品的柔性化尚未滿足實(shí)際使用需求。而且，由于可印刷的漿料中含有一定比例的有機(jī)化合物或聚合物樹脂，導(dǎo)致印刷導(dǎo)線表面的物理和化學(xué)性質(zhì)與銅箔存在著根本性的差異，所以通常很難用常規(guī)的焊接方法連接印刷電路與功能元器件，焊接過程中的局部高溫也會(huì)對(duì)印刷電路造成功能性損壞。雖然也有導(dǎo)電性粘結(jié)劑和緊鉗連接器(clincher connector)之類等特殊技術(shù)可用于印刷電路的元器件安裝，但是由于缺乏配套的精確沉積方法，難以適用于高密度電路，尚未達(dá)到廣泛普及。因此，鮮有文獻(xiàn)報(bào)道利用印刷法做出整套可以工作的柔性功能電路。

隨著人們對(duì)自身健康狀況的重視程度日趨增加[3]，柔性混合電子可將電子器件以服裝、配件、皮膚粘貼和植入體內(nèi)等形式與人體集成[4]，實(shí)現(xiàn)在體連續(xù)傳感測量、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和移動(dòng)計(jì)算等諸多功能，在生命健康監(jiān)測領(lǐng)域呈現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景[5-6]。

本文基于印刷電子技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種具有柔性可彎折性能的藍(lán)牙傳感系統(tǒng)混合電路，該電路采用柔性薄膜作為基底，集成了微型藍(lán)牙芯片DA14580、溫度傳感器TMP100和心率傳感器SON7015等器件，通過控制軟件可以實(shí)現(xiàn)溫度、心率信號(hào)的實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測與數(shù)據(jù)傳輸。為了提高電路的可靠性和實(shí)用性，通過對(duì)導(dǎo)電銀漿進(jìn)行優(yōu)化，有效提高了導(dǎo)電線路的耐彎折性，并在制作工藝上實(shí)現(xiàn)了多層印刷線路的關(guān)鍵制備以及柔性電路與硬質(zhì)芯片的有效結(jié)合。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

本文采用混合電路形式實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙傳感電路的柔性化。電子線路采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)直接在柔性基底上制造，從而使得電路可以舒適、緊密地貼附于皮膚表面，連續(xù)測量人體的溫度和心率信號(hào)，并將所測信號(hào)通過藍(lán)牙實(shí)時(shí)傳輸給手機(jī)或者云端。另一方面，電路上的集成元器件仍然采用傳統(tǒng)的硅基芯片，從而有效保證了系統(tǒng)的各方面性能。本文選用DA14580藍(lán)牙芯片，其內(nèi)嵌16 MHz 32 ARM Cortex M0TM處理器，具有42 kB system SRAM和8 kB retention SRAM，以及超小的尺寸，QFN48封裝僅為6 mm×6 mm，擴(kuò)展性強(qiáng)，最低能在0.9 V電壓的條件下工作，且具有3.4 mA TX以及3.7 mA RX的低功耗特性，使得只需要很小的耗電量，便可以維持整個(gè)柔性系統(tǒng)的運(yùn)行，特別適合對(duì)尺寸和功耗有需求的智能穿戴產(chǎn)品。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示，溫度傳感器TMP100通過I2C接口與DA14580連接，心率傳感器采用UART 接口與DA14580連接，手機(jī)端應(yīng)用程序(APP)與電路之間通過無線藍(lán)牙方式傳輸數(shù)據(jù)，此外，電路還設(shè)計(jì)有外加的FLASH、定時(shí)、電源管理等外圍電路。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

2 心率、溫度采集，穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)

心率信號(hào)采集與處理電路如圖2所示。電源Vhr與DA14580的I/O口相連，由DA14580控制心率傳感器供電，通過P01口傳輸心率信號(hào)。SON7015是一款低功耗的心率傳感器，其工作電流只有0.2 mA，比同類傳感器功耗節(jié)省10倍到50倍，SON7015均值電壓為3 V，采用光電式容積描記(PPG)的方式感應(yīng)人體的心跳信息并加以提取和輸出。其內(nèi)部電路中具有高靈敏度光感IC模塊，相比較其他光敏器件，具有更好的性能與靈敏度，非常適應(yīng)于可穿戴設(shè)備。

經(jīng)過SON7015采集的脈沖信號(hào)比較微弱，且頻率很低(如脈搏50次/min為0.78 Hz，200次/min為3.33 Hz)，還伴有各種噪聲干擾，故設(shè)計(jì)了圖2中的SON3130后續(xù)信號(hào)處理電路，包括C1隔直流、經(jīng)SON3130二級(jí)放大變換為正弦波、三級(jí)整形濾波放大為方波。SON3130信號(hào)處理電路提供1 MHz的頻率帶寬，工作電流可低至60 mA，偏置電流為10 Pa，配合SON7015心率傳感器可達(dá)到非常低的功耗。

圖2 心率信號(hào)采集電路

溫度信號(hào)采集電路以及穩(wěn)壓電路如圖3所示。TMP100通過P12、P13口與DA14580連接，其片上具有12位ADC，分辨率為0.062 5 ℃，并且具有SMBus，雙線和I2C接口兼容性，電源范圍2.7～5.5 V，符合系統(tǒng)的低功率要求，芯片本身就是溫度感應(yīng)裝置，可以直接輸出溫度值。

圖3 溫度信號(hào)采集電路、穩(wěn)壓電路

穩(wěn)壓電路采用LP3985模塊，LP3985專為便攜式和無線應(yīng)用而設(shè)計(jì)，且針對(duì)電池供電系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，可提供超低噪聲，極低壓差和低靜態(tài)電流。

系統(tǒng)的程序流程圖如圖4所示，系統(tǒng)上電之后，首先進(jìn)行外設(shè)和藍(lán)牙的配置，在配置之后，首先判斷藍(lán)牙是否連接，若無連接，則等待連接。藍(lán)牙連接之后，與APP交互指令，當(dāng)APP發(fā)送采集信號(hào)的指令時(shí)，則開始定時(shí)的采集信號(hào)，并將采集和處理之后的信號(hào)數(shù)據(jù)發(fā)送給APP，若藍(lán)牙斷開，則進(jìn)入休眠，等待藍(lán)牙鏈接。

圖4 系統(tǒng)程序流程圖

由于SON7015是一款光電反射傳感器，傳感器工作時(shí)存在很多自然光，為了提高心率信號(hào)采集的準(zhǔn)確性，需要盡可能的排除自然光的干擾。程序中對(duì)心率采集信號(hào)采用了抗干擾濾波與中位值平均濾波相結(jié)合的混合濾波算法，其原理是：設(shè)置采樣時(shí)間為10 ms，若采樣得到的方波，連續(xù)20次都是低電平，則認(rèn)為此時(shí)為有效光，開始計(jì)算周期；再選擇7個(gè)連續(xù)周期，將周期中最大值和最小值去除，剩下的取平均值，從而得到了心率的有效值。這種算法既可以排除自然光干擾，又具有抑制偶然脈沖干擾的優(yōu)點(diǎn)。

3 柔性線路制備

本系統(tǒng)電路采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)直接在柔性基底上制造。絲網(wǎng)印刷制備電路的原理是通過刮刀對(duì)絲網(wǎng)表面的漿料進(jìn)行移動(dòng)刮壓，使其透過絲網(wǎng)的電路圖案區(qū)域滲透到基底材料表面，從而實(shí)現(xiàn)電路的印刷。因此，制作柔性電子線路的可印刷導(dǎo)電漿料需要兼顧印刷適應(yīng)性、導(dǎo)電性、穩(wěn)定性等要求[7]。

3.1 導(dǎo)電漿料選擇

現(xiàn)有的漿料，不具有較好的抗彎折性，為了提升電路的實(shí)用性，本文在導(dǎo)電性滿足要求的情況下，研究通過改變導(dǎo)電漿料的各種成分的不同比例，達(dá)到印刷性和抗彎折性能等性能的平衡。

本部分所采用絲網(wǎng)導(dǎo)電銀漿 FPE-004S-08(樣品1)，其具有固化時(shí)間短、導(dǎo)電性好、強(qiáng)粘附力、印刷適應(yīng)性好等特點(diǎn)，干燥后的固含量約為 68%，電阻率為 1.78×10-7Ω·m。另外通過向樣品1中加入聚合物溶液的方法，分別配制了含15%的環(huán)氧樹脂(樣品2)與聚酯(樣品3)的稀釋樣品[7]，并在室溫下密閉磁力攪拌 2 h。上述樣品用Kinexus旋轉(zhuǎn)流變儀測試黏度，黏度測試如圖5所示，加入聚酯的樣品與原銀漿變化不大。

為了研究3款銀漿的導(dǎo)電性與抗彎折性，首先通過絲網(wǎng)印刷在柔性基底聚酰亞胺(PI)制備柔性線路，尺寸寬L1為4 mm，長L2為40 mm，厚度d為3 μm，3種印刷銀漿的導(dǎo)電性都可滿足本文對(duì)導(dǎo)電性的要求，彎折測試如圖6所示，彎折半徑為7.5 mm。3種導(dǎo)電銀線電阻率變化與彎折次數(shù)的關(guān)系如圖7所示，可以發(fā)現(xiàn)，加入了聚酯的銀漿抗彎折性能比另外兩種樣品都好，并且在彎折3 000次之后，電阻變化率僅為14.07%，可以滿足日常使用。彎折后，不同導(dǎo)電銀線的掃描電鏡圖如圖8所示，可見即使經(jīng)過3 000次彎折之后，3種樣品銀片之間仍然保持連接，對(duì)導(dǎo)電性影響不大。

圖6 彎折測試

圖7 樣品1、樣品2、樣品3彎折之后電阻變化率

圖8 樣品1，樣品2，樣品3的掃描電鏡圖

3.2 多層電路制備方法

由于絲網(wǎng)印刷的特性，使得印刷出來的電路只是單層電路，無法媲美傳統(tǒng)PCB板的功能復(fù)雜性，本文基于增材制造理念，實(shí)現(xiàn)了后期多層復(fù)雜電路的制備。

多層電路制備的關(guān)鍵在于交叉處的跳線處理，如圖9所示。首先通過絲網(wǎng)印刷將制備好的銀漿在PI基底上印刷出預(yù)先設(shè)定好的電路結(jié)構(gòu)，并在120 ℃烘烤0.5 h[8-9]。之后用激光打孔的微粘膜進(jìn)行絕緣保護(hù)層的孔版印刷，使其完全覆蓋除了跳線可能交叉的區(qū)域，并在120 ℃的烘箱中烘烤0.5 h，使絕緣膠固化。然后再用類似的方法進(jìn)行垂直方向銀漿導(dǎo)線的孔版印刷，并通過0.5 h的120 ℃烘箱處理烘干銀漿，從而實(shí)現(xiàn)雙層跳線電路。

圖9 跳線示意圖

4 柔性線路與芯片的集成

為了制作出整套可以工作的柔性電路，柔性線路與芯片的集成至關(guān)重要。對(duì)于引腳在0.15 mm之上的微型芯片，采用傳統(tǒng)的導(dǎo)電粘結(jié)劑便可實(shí)現(xiàn)柔性線路與芯片的集成。為保證導(dǎo)電粘結(jié)劑沉積的準(zhǔn)確性和均勻性，仍然用激光模切機(jī)，將微粘膜在每個(gè)焊盤的位置上打孔以作為孔版印刷的模板。在操作時(shí)，將微粘膜孔版貼于柔性線路的上側(cè)，保證每個(gè)孔的位置和焊盤的位置一一對(duì)應(yīng)。之后將具有粘結(jié)劑的銀膏，用刮刀涂敷在柔性線路對(duì)應(yīng)的焊盤位置，揭掉微粘膜。緊接著將各類硅基芯片貼在對(duì)應(yīng)的銀膏上面，實(shí)現(xiàn)芯片和柔性線路的結(jié)合。為了在刮涂銀膏中，銀膏不會(huì)使其他線路短路，必須確保銀膏精準(zhǔn)的覆蓋在線路的焊盤上，此時(shí)便須確保微粘膜切割的邊緣足夠光滑，形變量最小，測試了不同功率檔位的激光效果，如圖10所示，功率越大，形變量越大，但是當(dāng)功率不足4時(shí)，無法打穿微粘膜，因此最終使用功率4制作孔板。

圖10 不同功率激光效果圖

另外，對(duì)于引腳在0.15 mm之下的微型芯片，很難實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的貼合，因此選擇用ACF膠涂敷在芯片的引腳上，并引腳朝上置于顯微鏡下方，利用柔性基底透明的特點(diǎn)，將柔性線路上的引腳與芯片的引腳一一對(duì)應(yīng)。ACF膠具有上下導(dǎo)通，左右不導(dǎo)通的特點(diǎn)，對(duì)應(yīng)之后便可使芯片與柔性基底初步貼合。將柔性基底置于熱壓機(jī)下方，使涂有ACF膠的芯片，剛好在熱壓機(jī)探頭的下側(cè)，并根據(jù)不同尺寸的芯片選擇對(duì)應(yīng)的熱壓參數(shù)，熱壓的作用時(shí)間為30 s，從而完成柔性線路與硅基芯片的集成。

5 測量結(jié)果與討論

柔性藍(lán)牙傳感系統(tǒng)實(shí)物圖與測量圖如圖11所示，其實(shí)測數(shù)據(jù)如表1所示，該數(shù)據(jù)顯示了用本柔性藍(lán)牙傳感系統(tǒng)和市面上的智能手環(huán)和體溫計(jì)分別測得5個(gè)不同人員心率和體溫?cái)?shù)值，可以看出本系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)可靠，運(yùn)行良好，從而驗(yàn)證了系統(tǒng)的實(shí)用性和可靠性。

圖11 柔性藍(lán)牙傳感系統(tǒng)實(shí)物圖

表1 實(shí)測數(shù)據(jù)對(duì)比

6 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種基于印刷電子技術(shù)的體溫和心率藍(lán)牙傳感系統(tǒng)。通過對(duì)印刷電路的材料和制備工藝進(jìn)行研究，提高了樣品的抗彎折性能，并在柔性PI基底上成功制作了完整的混合制造電路。經(jīng)過實(shí)測證明，該系統(tǒng)測量準(zhǔn)確。將柔性電子與傳統(tǒng)硅基電子技術(shù)結(jié)合的研究為穿戴柔性電子技術(shù)的實(shí)用化提供參考。