基于柔性混合电子制造技术的蓝牙传感系统

2020-10-19于浩然顾唯兵

仪表技术与传感器 2020年9期

金潇，金宁，于浩然，顾唯兵，林剑

(1.中国计量大学信息工程学院，浙江省电磁波信息技术与计量检测重点实验室，浙江杭州 310018；2.中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，江苏苏州 215123)

0 引言

近10年来，随着无机纳米材料技术的发展，采用印刷技术制作电子器件或电路的印刷电子技术受到越来越广泛的关注[1-2]，与传统硅基电子技术相比，印刷电子技术具有大面积低成本、基底柔性化、制造工艺简单、生产过程绿色环保等优点，可在许多全新的应用领域发挥作用，如柔性透明触摸屏、薄膜太阳能电池等。然而，用全印刷法制备电子器件如晶体管等由于图形分辨率和加工精细度等局限性，目前仍未达到实用化水平，器件功能不足以实现系统级的应用，而硅基半导体技术的发展已经成功实现芯片的微型化。因此，将印刷电子与传统硅基电子技术结合的柔性混合型电子制造技术是当前实现柔性电子实用化发展的一个研究方向。该法有利于在可延展弯曲的柔性电路板上集成各种硅电路和传感器，实现具有实用功能、轻薄柔性的电子系统。

然而，由于目前部分印刷法制造的电路在耐弯折性方面存在不足，导致产品的柔性化尚未满足实际使用需求。而且，由于可印刷的浆料中含有一定比例的有机化合物或聚合物树脂，导致印刷导线表面的物理和化学性质与铜箔存在着根本性的差异，所以通常很难用常规的焊接方法连接印刷电路与功能元器件，焊接过程中的局部高温也会对印刷电路造成功能性损坏。虽然也有导电性粘结剂和紧钳连接器(clincher connector)之类等特殊技术可用于印刷电路的元器件安装，但是由于缺乏配套的精确沉积方法，难以适用于高密度电路，尚未达到广泛普及。因此，鲜有文献报道利用印刷法做出整套可以工作的柔性功能电路。

随着人们对自身健康状况的重视程度日趋增加[3]，柔性混合电子可将电子器件以服装、配件、皮肤粘贴和植入体内等形式与人体集成[4]，实现在体连续传感测量、数据存储和移动计算等诸多功能，在生命健康监测领域呈现出巨大的应用前景[5-6]。

本文基于印刷电子技术，设计了一种具有柔性可弯折性能的蓝牙传感系统混合电路，该电路采用柔性薄膜作为基底，集成了微型蓝牙芯片DA14580、温度传感器TMP100和心率传感器SON7015等器件，通过控制软件可以实现温度、心率信号的实时连续监测与数据传输。为了提高电路的可靠性和实用性，通过对导电银浆进行优化，有效提高了导电线路的耐弯折性，并在制作工艺上实现了多层印刷线路的关键制备以及柔性电路与硬质芯片的有效结合。

1 系统结构与设计

本文采用混合电路形式实现蓝牙传感电路的柔性化。电子线路采用丝网印刷技术直接在柔性基底上制造，从而使得电路可以舒适、紧密地贴附于皮肤表面，连续测量人体的温度和心率信号，并将所测信号通过蓝牙实时传输给手机或者云端。另一方面，电路上的集成元器件仍然采用传统的硅基芯片，从而有效保证了系统的各方面性能。本文选用DA14580蓝牙芯片，其内嵌16 MHz 32 ARM Cortex M0TM处理器，具有42 kB system SRAM和8 kB retention SRAM，以及超小的尺寸，QFN48封装仅为6 mm×6 mm，扩展性强，最低能在0.9 V电压的条件下工作，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电量，便可以维持整个柔性系统的运行，特别适合对尺寸和功耗有需求的智能穿戴产品。系统原理框图如图1所示，温度传感器TMP100通过I2C接口与DA14580连接，心率传感器采用UART 接口与DA14580连接，手机端应用程序(APP)与电路之间通过无线蓝牙方式传输数据，此外，电路还设计有外加的FLASH、定时、电源管理等外围电路。

图1 系统原理框图

2 心率、温度采集，稳压电路设计

心率信号采集与处理电路如图2所示。电源Vhr与DA14580的I/O口相连，由DA14580控制心率传感器供电，通过P01口传输心率信号。SON7015是一款低功耗的心率传感器，其工作电流只有0.2 mA，比同类传感器功耗节省10倍到50倍，SON7015均值电压为3 V，采用光电式容积描记(PPG)的方式感应人体的心跳信息并加以提取和输出。其内部电路中具有高灵敏度光感IC模块，相比较其他光敏器件，具有更好的性能与灵敏度，非常适应于可穿戴设备。

经过SON7015采集的脉冲信号比较微弱，且频率很低(如脉搏50次/min为0.78 Hz，200次/min为3.33 Hz)，还伴有各种噪声干扰，故设计了图2中的SON3130后续信号处理电路，包括C1隔直流、经SON3130二级放大变换为正弦波、三级整形滤波放大为方波。SON3130信号处理电路提供1 MHz的频率带宽，工作电流可低至60 mA，偏置电流为10 Pa，配合SON7015心率传感器可达到非常低的功耗。

图2 心率信号采集电路

温度信号采集电路以及稳压电路如图3所示。TMP100通过P12、P13口与DA14580连接，其片上具有12位ADC，分辨率为0.062 5 ℃，并且具有SMBus，双线和I2C接口兼容性，电源范围2.7～5.5 V，符合系统的低功率要求，芯片本身就是温度感应装置，可以直接输出温度值。

图3 温度信号采集电路、稳压电路

稳压电路采用LP3985模块，LP3985专为便携式和无线应用而设计，且针对电池供电系统进行了优化，可提供超低噪声，极低压差和低静态电流。

系统的程序流程图如图4所示，系统上电之后，首先进行外设和蓝牙的配置，在配置之后，首先判断蓝牙是否连接，若无连接，则等待连接。蓝牙连接之后，与APP交互指令，当APP发送采集信号的指令时，则开始定时的采集信号，并将采集和处理之后的信号数据发送给APP，若蓝牙断开，则进入休眠，等待蓝牙链接。

图4 系统程序流程图

由于SON7015是一款光电反射传感器，传感器工作时存在很多自然光，为了提高心率信号采集的准确性，需要尽可能的排除自然光的干扰。程序中对心率采集信号采用了抗干扰滤波与中位值平均滤波相结合的混合滤波算法，其原理是：设置采样时间为10 ms，若采样得到的方波，连续20次都是低电平，则认为此时为有效光，开始计算周期；再选择7个连续周期，将周期中最大值和最小值去除，剩下的取平均值，从而得到了心率的有效值。这种算法既可以排除自然光干扰，又具有抑制偶然脉冲干扰的优点。

3 柔性线路制备

本系统电路采用丝网印刷技术直接在柔性基底上制造。丝网印刷制备电路的原理是通过刮刀对丝网表面的浆料进行移动刮压，使其透过丝网的电路图案区域渗透到基底材料表面，从而实现电路的印刷。因此，制作柔性电子线路的可印刷导电浆料需要兼顾印刷适应性、导电性、稳定性等要求[7]。

3.1 导电浆料选择

现有的浆料，不具有较好的抗弯折性，为了提升电路的实用性，本文在导电性满足要求的情况下，研究通过改变导电浆料的各种成分的不同比例，达到印刷性和抗弯折性能等性能的平衡。

本部分所采用丝网导电银浆 FPE-004S-08(样品1)，其具有固化时间短、导电性好、强粘附力、印刷适应性好等特点，干燥后的固含量约为 68%，电阻率为 1.78×10-7Ω·m。另外通过向样品1中加入聚合物溶液的方法，分别配制了含15%的环氧树脂(样品2)与聚酯(样品3)的稀释样品[7]，并在室温下密闭磁力搅拌 2 h。上述样品用Kinexus旋转流变仪测试黏度，黏度测试如图5所示，加入聚酯的样品与原银浆变化不大。

为了研究3款银浆的导电性与抗弯折性，首先通过丝网印刷在柔性基底聚酰亚胺(PI)制备柔性线路，尺寸宽L1为4 mm，长L2为40 mm，厚度d为3 μm，3种印刷银浆的导电性都可满足本文对导电性的要求，弯折测试如图6所示，弯折半径为7.5 mm。3种导电银线电阻率变化与弯折次数的关系如图7所示，可以发现，加入了聚酯的银浆抗弯折性能比另外两种样品都好，并且在弯折3 000次之后，电阻变化率仅为14.07%，可以满足日常使用。弯折后，不同导电银线的扫描电镜图如图8所示，可见即使经过3 000次弯折之后，3种样品银片之间仍然保持连接，对导电性影响不大。

图6 弯折测试

图7 样品1、样品2、样品3弯折之后电阻变化率

图8 样品1，样品2，样品3的扫描电镜图

3.2 多层电路制备方法

由于丝网印刷的特性，使得印刷出来的电路只是单层电路，无法媲美传统PCB板的功能复杂性，本文基于增材制造理念，实现了后期多层复杂电路的制备。

多层电路制备的关键在于交叉处的跳线处理，如图9所示。首先通过丝网印刷将制备好的银浆在PI基底上印刷出预先设定好的电路结构，并在120 ℃烘烤0.5 h[8-9]。之后用激光打孔的微粘膜进行绝缘保护层的孔版印刷，使其完全覆盖除了跳线可能交叉的区域，并在120 ℃的烘箱中烘烤0.5 h，使绝缘胶固化。然后再用类似的方法进行垂直方向银浆导线的孔版印刷，并通过0.5 h的120 ℃烘箱处理烘干银浆，从而实现双层跳线电路。

图9 跳线示意图

4 柔性线路与芯片的集成

为了制作出整套可以工作的柔性电路，柔性线路与芯片的集成至关重要。对于引脚在0.15 mm之上的微型芯片，采用传统的导电粘结剂便可实现柔性线路与芯片的集成。为保证导电粘结剂沉积的准确性和均匀性，仍然用激光模切机，将微粘膜在每个焊盘的位置上打孔以作为孔版印刷的模板。在操作时，将微粘膜孔版贴于柔性线路的上侧，保证每个孔的位置和焊盘的位置一一对应。之后将具有粘结剂的银膏，用刮刀涂敷在柔性线路对应的焊盘位置，揭掉微粘膜。紧接着将各类硅基芯片贴在对应的银膏上面，实现芯片和柔性线路的结合。为了在刮涂银膏中，银膏不会使其他线路短路，必须确保银膏精准的覆盖在线路的焊盘上，此时便须确保微粘膜切割的边缘足够光滑，形变量最小，测试了不同功率档位的激光效果，如图10所示，功率越大，形变量越大，但是当功率不足4时，无法打穿微粘膜，因此最终使用功率4制作孔板。

图10 不同功率激光效果图

另外，对于引脚在0.15 mm之下的微型芯片，很难实现精准的贴合，因此选择用ACF胶涂敷在芯片的引脚上，并引脚朝上置于显微镜下方，利用柔性基底透明的特点，将柔性线路上的引脚与芯片的引脚一一对应。ACF胶具有上下导通，左右不导通的特点，对应之后便可使芯片与柔性基底初步贴合。将柔性基底置于热压机下方，使涂有ACF胶的芯片，刚好在热压机探头的下侧，并根据不同尺寸的芯片选择对应的热压参数，热压的作用时间为30 s，从而完成柔性线路与硅基芯片的集成。