柔性传感器的制备

■文/田全慧，张建青

（1.上海出版印刷高等专科学校；2.上海健康医学院）

对于传统的包装印刷业来说，既新奇，又充满了诱惑。下面就让我们一起来了解一下，最流行的科技热搜名

词——柔性传感器的制备吧！

一、柔性传感器

传感器由敏感元件、转换元件、信号调理转换电路三部分组成。敏感元件指直接感受或响应被测量的部分；转换元件指将敏感元件感受或响应的被测量转换成适合于传输或测量的电信号部分。信号调理转换电路进行信号调理与转换，通过放大、运算与调制之后的测量信号才能进行显示和参与控制。

如今，随着半导体器件与集成技术的发展，传感器的信号调理转换电路与敏感元件可以集成在同一芯片上，成为传感器模块和集成电路传感器，同时，近年来发展比较迅速的薄膜传感器，可适应更多的应用场景，被称之为柔性传感器，更是在医学领域广泛应用。近几年柔性集成传感器相关的研究成果不断涌现，特别是医用传感器更是在疾病检测与治疗等方面贡献突出。

2018年9月，美国西北大学的研究者在《Science Advance》上发表了使用一次性纱布与吸收垫等进行原位定量分析汗液提取技术的研究进展。10月，耶鲁大学的机械工程与材料科学助理教授瑞贝卡·卡莱·莫波提基洛在《科学·机器人》杂志上发表了一项新型“机器人皮肤”技术，日常用品装备后就可自动形成动作，并完成一系列指定任务。12月，加州大学伯克利分校贾维教授及其团队提出了卷对卷（R2R）凹版印刷电极，可以坚固地贴附在柔性衬底上，优化了油墨和电极的电化学稳定性以及机械稳定性，这些电极可以通过功能化处理后用于无创检测生物流体中的离子、代谢物、重金属和其他小分子的高性能传感器。这些研究成果为医学等应用领域提供了更多的新技术。如图1所示为目前一些相对成熟的医用传感器。

图1传感器

二、柔性传感器的制备流程

柔性集成传感器的生产工艺和生产标准硅基半导体集成电路工艺是基本相同的，制备工艺主要包括电路设计、工艺设计、器件印制、封装。

（一）电路设计

据百度百科介绍，电路（Electricalcircuit），是由电气设备和元器件，如电阻、电容、电感、二极管、三极管和开关等，按一定方式联接起来，为电荷流通提供电气回路。电路设计是指按照一定规则，使用特定方法设计出符合使用要求的电路系统。

电路设计需要对构成电路部分的每个元件都有充分了解，需要极其细心，充分考虑各方面的因数，比如便于制备与封装，便于维修和检查等。电路设计可以通过软件完成设计，如图2所示。

图2电路设计

（二）工艺设计

工艺设计跟传感器使用的材料相关。柔性传感器具有良好的柔韧性、延展性、甚至可自由弯曲甚至折叠，因此所使用的材料基材与器件材料都与传统传感器有所不同。其中基材一般聚乙烯醇（PVA）、聚酯（PET）、聚酰亚胺（PI）、聚萘二甲酯乙二醇酯（PEN）、纸片、纺织材料等。器件制作的材料分为金属材料、碳材料、无机材料和有机材料。金属材料一般为金银铜等导体材料，主要用于电极和导线（如图3所示，纳米银材料）。碳材料有碳纳米管和石墨烯等（如图4所，碳纳米管材料）。无机半导体材料，以ZnO和ZnS（氧化锌与硫化锌）为主，其压电特性良好。有机材料也称为导电高分子，通常为导电聚合物，高分子电解质，共轭体系聚合物，电荷转移络合物和金属有机螯合物。目前应用最为广泛的是共轭体系聚合物并以PEDOT：PSS（PEDOT是EDOT，即3，4—乙烯二氧噻吩单体）的聚合物，PSS是聚苯乙烯磺酸盐）作为典型代表（如图5所示）。

图3纳米银材料

图4 碳纳米管材料

图5常见有机导体材料结构

（三）器件印制

对于现代工艺而言，最新制作工艺为印刷电子，通过传统的印刷或者现代数码打印技术实现。传统印刷工艺较常用的为丝网印刷工艺，由于丝网印刷适用多种不同材料印制，同时对于印刷的墨的适应性也较强，因此针对传感器的导电墨与其他特种墨的适应性都较好。除丝印外，传统的转印技术也常用于图案型的传感器印刷，如图6所示。

图6 转印技术应用于图案型传感器的印刷

数码打印除了使用喷墨打印技术，目前有一家名为BostonMicroFabrication（BMF）的新初创公司，推出了高分辨率微型3D打印机系列，称为microArch（如图7所示）。该设备与传统的数字光处理（DLP）3D打印技术类似，使用数字微显示器投影仪在微尺度上一次固化一层光敏聚合物树脂，光学分辨率从2μm到25μm，层高从5μm到50μm，能够打印比人的头发小100倍的物体，并且可以在单个印刷过程中使用多种材料，包括聚合物响应性水凝胶，形状记忆聚合物和生物材料。该新型的3D打印技术也可实现传感器的制作。

图7 microArch P150打印机

印制完成，大多数器件还需要烧结工艺处理。烧结的目的是利用加热减少或者去除墨水中的稳定剂、粘结表面活性等辅助成分；使功能性的微小颗粒相互融合，形成较大甚至连城一个整体。传统烧结是通过烘箱加热的方式，但是对于一些新型的有机材料加热会造成器件的功能损坏，因此目前有光子烧结（如图8所示）与化学烧结（如图9所示）等其他烧结技术。光子烧结利用纳米材料颗粒对宽频谱紫外至近红区的选择性吸收，使光能快速转化为热，加热纳米材料到达熔融状态，随后快速冷却凝固形成功能性薄膜。化学烧结在墨水中添加新物质，分解或者去除纳米颗粒外层包覆有机分子，使得纳米颗粒/包覆剂系统失稳，从而实现纳米颗粒的连接。

图8光子烧结工作示意图

图9化学烧结工作示意图

（四）封装

封装，是把集成电路装配为最终产品的过程，简单地说，就是把铸造厂生产出来的集成电路裸片（Die）放在一块起到承载作用的基板上，把管脚引出来，然后固定包装成为一个整体。传感器的封装通过机械固定，高温焊接，胶粘等方式，使传感器的各部件的相对位置保持不变，成为一个整体，以达到消除由于振动、温度变化、机械碰撞等因素引起的部件松动。封装也是防止传感器可用于恶劣环境，防止外界有害气体、液体(油、水、酸等)以及高压电场对传感器的损伤。同时，通过封装，可提高传感器的性能，使其精度提高，长期稳定性改善。

三、总结

从柔性传感器的制备工艺看，目前制备一个传感器，需要传统印刷工艺配合新型的导电材料，经历一系列复杂而较难控制的流程才能完成。从流程上看，制备柔性传感器工艺环节多，质量控制难度大，生产流程标准化与自动较难实现。同时，在制备柔性传感器的工艺中还存在：其一，器件中有机半导体材料的电荷迁移率不高，即导电率不理想；而无机纳米材料则需要大量的工艺适性改良，以获得适合印刷的墨水形态和简单的后处理工艺。其二，印刷与打印技术的分辨率与定位精度需要进一步提高，因为传感器的设计尺寸都是微米级数量，设计的定位与输出精度对于器件的加工十分关键；同时，输出的可容纳面积与速度也需要提高，以满足单位面积的电子器件容纳程度，增加印刷电子系统的复杂度和集成度。其三，器件封装过程也需要开发更多的低成本且适用于柔性与透明材质的封装技术，从而更好地改进柔性传感器器件的稳定性和环境的适应性。

目前传感器的市场价格高，大部分产品主要用于出口和高端医用市场。但是相信随着大家不断了解并熟悉这些新产品，大量的包装印刷人士将发挥专业优势，拓展工艺改造，研发针对传感器的新材料与工艺，为柔性传感器的大批量生产与应用发挥作用。