基于导电胶封装的柔性非侵入式血氧传感器制备*

张潇龙

（深圳职业技术学院 机电工程学院，广东 深圳 518055）

据《中国心血管健康与疾病报告2019概要》显示，我国心血管病患病人数接近3.3亿[1]，对心血管疾病防控显得尤为重要．可穿戴设备适合对人体健康状态进行长期的实时监测，对心血管疾病防控具有重大的意义．光电容积描记（PPG）技术作为一种简单低成本的光学技术被广泛用于开发血氧饱和度、心率等心血管参数的检测装置[2-6]．但是大部分的研究主要关注功能的实现以及有关滤波和特征提取的信号处理算法，用于信号采集的传感器多使用成熟的透射型 PPG传感器，对传感器的制造工艺关注较少．

在非侵入透射型血氧检测设备中，被检测部位需要放置于两个发光端与接收端之间[3]．因此透射式血氧传感器使用范围受限，通常只能检测手指，不能在体表其他部位(如额头、手臂、胸部等) 进行血氧饱和度的检测[4,5]，不适合开发为可穿戴设备．反射型血氧传感器将光源和接收器放置于被检测部位的同一侧，通过接收到的来自体表的不同强度反射光进行计算，解决了透射式传感器检测部位受限的问题[4,5]．

可穿戴设备的发展趋势是柔性化、集成化、小型化、轻量化、高灵敏度、高精确度以及低功耗等．本项目设计了适合集成在可穿戴设备中的柔性非侵入式血氧传感器．基于反射型PPG原理，增加了入射光源，使用环形对称布局提升检测能力．使用轻便低成本的柔性电路板安装光电元件以保证传感器的柔性，采用双层电路以缩小传感器的体积．与传统焊料或无铅焊料技术相比，导电胶封装具有环保、低毒、低加工温度、更精细封装间距等优点[7-8]．许多低成本柔性电路基材和光电元件都具有热敏感性，因此本项目根据产品需要开发了基于导电胶封装的制备工艺．

1 实验部分

1.1 传感器设计

针对血液中的氧合血红蛋白（HbO2）和还原血红蛋白（Hb）对不同波长光吸收特性不同的原理[3]，使用650 nm波长的红光LED和900 nm波长的红外光LED作为入射光源．利用光电二极管接收经过人体血液和组织吸收后的反射光，根据强度的不同，描绘出血管内通过血液的体积变化，从而得到的脉搏波形．分别测出红光LED和红外光LED激发的脉搏波形信号，再通过程序处理算出相应的比值，这样就得到了血氧饱和度值[5]．

光电二极管和 LED间中心距的容许误差与光电二极管的感光面积正相关．选用光电二极管（HAMAMATSU，S10357-01）的感光面积达到16 mm2，可以减少电路板制造误差和贴装定位误差对传感器性能与准确度的影响．如图1所示，LED数量从传统设计中常见的2个增加到8个，提高输入光源的强度，从硬件端减少噪声；增强抗运动干扰的能力，以适应可穿戴设备的应用环境．LED采用SMD0603封装规格，可以使用表面贴装技术，提高生产效率．

图1 光电器件阵列示意图

为了尽可能的缩小传感器尺寸，减少线路间信号干扰，电路板采用双层电路结构．电路设计遵循以下原则：

1）信号线路的走线尽可能的短；

2）避免尖锐的转角，使用圆角或者两段转折；

3）将元件的正极引脚放在同一个朝向；

4）避免平行线路以减少寄生电流．

1.2 封装工艺流程

传感器的制备过程如图2，在完成传感器电路架构设计后，使用酸性刻蚀法将以聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）为基底的双面覆铜板制作成双层电路柔性PCB，使用数控钻床在上下层电路联接处加工出Ø0.7 mm的通孔．在通孔中填入银-环氧树脂体系的各向同性导电胶（ITW Chemtronics，CW2400）以实现垂直电路互联，使用钢网印刷将导电胶沉积到电路上形成焊盘，使用倒装键合（flip-chip bonding）来贴装光电二极管和LED元件．

图2 传感器的制备流程图

在传统工艺中（图2，路径一），垂直互联需要单独的填充和固化工艺流程．为了缩短时间，降低能耗，本项目开发了双层钢网印刷工艺以简化流程（图2，路径二）．双层钢网印刷工艺如图3所示，具体流程如下：

图3 双层钢网印刷工艺示意图

1）将两张钢网贴在柔性PCB的两边，通过定位销钉将钢网上的开孔图案和柔性PCB对齐；

2）印刷刮刀从上方挤压导电胶，将其沉积在焊盘上和通孔内；

3）移除上端钢网；

4）贴装元件；

5）移除下端钢网并加热固化．

为了提高传感器的可靠性，导电胶除了填充电路板的通孔还需要扩散覆盖通孔周围的金属层，以提高垂直互联的机械强度和电导率．因此钢网的开孔需要比电路板上的通孔更大，以沉积足够的导电胶．本项目对150 mm厚钢板上不同的开孔尺寸进行了测试．

将贴合了元件的 PCB放入烤箱中进行导电胶固化，为了保护热敏感的元件和电路板，将固化参数设定为在100oC时保持10分钟．

完成所有元件的贴装和固化后，将一个海绵橡胶环放在光电二极管和LED之间以阻挡LED对光电二极管的直射光，在LED表面覆盖上扩散膜，使光照均匀化．最后将传感器放入海绵贴片中，以提高使用舒适度．

1.3 传感器测试

1.3.1 弯折循环测试

传感器完全制造和包装后，进行弯曲试验，以模拟贴合在人体表面的日常使用情况．将传感器在半径为25 mm的圆柱体上弯曲并恢复，在室内环境中以每分钟10次的频率进行循环测试．各元件所在电路通道的正向压降通过万用表（WAVETEK Ltd.，10XL）上的二极管功能测量．

1.3.2 功能验证测试

为了快速验证传感器的医学检测功能，构建了如图4所示的PPG信号检测系统．将传感器贴在志愿者额头上，传感器中的光电传感器将人体反射的光信号转换为电信号，电信号由 4通道PPG 信号采集板（UK Dialog Devices Ltd.，DISCO4）捕获．捕获的电信号由数据采集板（National Instruments Co., USB-6009）完成模数转化．电脑端基于 LabVIEW 7.1（National Instruments Co.）设计了用于PPG板控制、数据接收和图形显示的上位机系统．

图4 信号检测实验系统

2 结果与讨论

2.1 封装工艺分析

如图5所示，采用双钢网结构可以保证一次印刷完成通孔的填充和线路金属层的覆盖，实现双面电路的垂直连接．其中钢网开孔尺寸为Ø1.8 mm和Ø1.5 mm时，形成的连接点最大最牢固，但是消耗的导电胶过多．此外因为钢网和电路板间存在微小缝隙，在印刷过程中受压力作用会有微量导电胶溢出形成裙边，所以过大的连接点周围的裙边会引起相邻线路间的短路．Ø0.8 mm的开孔尺寸和电路板上的Ø0.7 mm通孔的尺寸过于接近，导致容错率较低，会出现定位偏差导致导电胶的填充不足，在背面电路上无法形成有效覆盖．在本项目中最优的开孔尺寸是Ø1 mm，如图6所示，借助显微镜标尺测量，固化后最终形成的导电互联底部直径为0.88 mm．完成封装的传感器如图7所示．

图5 钢网印刷结果

图6 Ø1 mm开孔钢网形成的导电互联显微镜照片

图7 封装完成的血氧传感器

2.2 传感器功能分析

如表1所示，传感器在进行100次弯曲循环后，性能稳定，其中各元件的正向压降变化可以忽略不计，说明元件和导电胶形成的导电互联具有可靠的机械强度．弯曲测试后，再将传感器接入检测系统，如图8（a）所示，所有的LED都能正常工作．并且光电二极管能够得接收到红光 LED和红外光LED激发的PPG信号，并被检测系统的软件记录，如图8（b）所示，呈现的脉搏波形具有医学分析意义．

表1 弯曲测试中各元件的正向压降

图8 （a）在暗室中的传感器，红色为红光LED，粉色为红外光LED；（b）红光LED和红外光LED的PPG信号和驱动电流

3 结 论

本项目使用导电胶为互联材料将光电元件组装在PEN基底的柔性电路板，成功制备了柔性非侵入式反射型血氧传感器，并在人体额头处进行血氧饱和度的检测．弯曲试验初步证明了本项目开发的基于导电胶的低温封装工艺可以保证传感器在可穿戴医学监测应用中有合理的使用寿命．改良的双钢网印刷工艺将原有的两道印刷-固化工艺步骤合为一个，缩短加工时间，降低了能耗，使工艺更加环保．