一种多功能柔性可延展电子器件及其制备方法

1.本发明属于柔性电子技术领域，具体是一种多功能柔性可延展电子器件及其制备方法。


背景技术：

2.近年来，由于心血管疾病等慢性疾病患病人数呈现出逐年攀升的态势，所以关于可与人体表皮集成的电子器件引起了科研工作者们的广泛研究。这种具有可延展、生物相容地贴合人体皮肤等特点的柔性可延展电子器件的研究，存在着广泛长足的民生商业价值，将会在健康监测、医疗诊断、人机交互等多个领域发挥重要作用。
3.目前，相继出现在皮肤上的柔性可延展电子器件可以测量体温、心电、肌电等人体生理信号，在对器件在人体皮肤表面的研究主要集中在生物相容性、可延展性上，其中对传感器的回收也主要集中在电子元器件和芯片上，而对传感器本身(包括互联导线、基底和封装层材料)的整体回收以及多信号的采集考虑较少，这就不可避免的会造成环境问题，并且缺乏市场竞争力。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种多功能柔性可延展电子器件及其制备方法。
5.为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
6.一种多功能柔性可延展电子器件，包括由上及下依次设置的phc基底层、一号液态金属线路、二号液态金属线路、电子元件层、phc封装层，所述phc基底层、一号液态金属线路、二号液态金属线路、phc封装层之间黏附连接，所述电子元件层包括若干电子元件及若干芯片，若干电子元件及若干芯片分别设置于液态金属线路对应位置处。
7.第二方面，一种多功能柔性可延展电子器件制备方法，包括以下步骤：
8.s1设计双层结构的电子电路布线图，并加工出掩膜板；
9.s2将phc溶液平摊倒入一次性塑料培养皿中，制备出第一层phc薄膜。
10.s3覆盖第一层掩膜板，印刷第一层液态金属线路；
11.s4封装第一层中将与第二层交叉的液态金属线路以及部分线路拐角处；
12.s5覆盖第二层掩膜板，印刷第二层液态金属线路；
13.s6将电子元器件和芯片放置在液态金属线路对应的位置上；
14.s7对电路进行整体封装，得到心率和血氧传感器。
15.优选的，还包括：
16.s8将心率和血氧传感器黏附于手臂上，测得心率和血氧数据；
17.s9将测完数据的心率和血氧传感器放置在去离子水中，经过夹取、过滤、浓盐酸回收液态金属等步骤，回收掉phc材料、液态金属、电子元器件和芯片，再基于回收的材料重复步骤s1-s7，制备出新的心率和血氧传感器。
18.优选的，所述液态金属为镓铟锡液态金属，各组分质量分数分别为镓：68.5wt％、铟：21.5wt％、锡：10wt％，一次性塑料培养皿的规格为、一次性注射器的规格为1ml&10m。
19.优选的，所述步骤s1中，设计出一种双层结构的心率和血氧电路图，接着用皮秒激光加工设备在pvc不干胶反面上加工出双层液态金属线路的掩膜板。
20.优选的，所述步骤s3中，把phc薄膜放置在80％rh的自制湿度控制箱中30min；
21.将pvc不干胶制备的第一层液态金属掩膜板的离心层一面贴附在phc薄膜上，然后用软印章压印法印刷第一层液态金属线路，印刷好之后，揭离第一层掩膜板。
22.优选的，所述步骤s4中，用带有phc溶液的注射器封装第一层中将与第二层交叉的液态金属线以及部分线路拐角处，并送入鼓风干燥箱4h进行固化。
23.优选的，所述步骤s5中，重复步骤s3，覆盖第二层掩模板和印刷第二层液态金属线路，并保证上下两层液态金属线路互联。
24.优选的，所述步骤s6中，用带有去离子水的注射器对需要放置元器件和芯片的位置注射微量的水，然后用镊子将各种元器件和芯片放置在对应的位置来固定。
25.优选的，所述步骤s7中，用装有phc溶液的注射器对电路进行整体封装，然后送入鼓风干燥箱，30℃温度间隔2h烘烤6～8次，然后从一次性塑料培养皿中揭离、裁剪，即可得到最终的心率和血氧传感器。
26.综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
27.本发明中，通过双层组装的策略来制备柔性电路和以“水焊”的方式固定各种元器件和芯片，最后基于phc薄膜的可回收性回收与重做了心率与血氧传感器，并且制备的全过程和所选择的材料都是绿色、经济的。基于该方案制备的柔性可延展电子器件，不仅凭借着人体汗液可长久稳定的自共形于皮肤表面，具有优异的生物相容性、透明延展性和可回收重做性，而且实现了心率和血氧的同时监测。
附图说明
28.图1是本发明中心率与血氧传感器结构示意图；
29.图2是本发明中心率与血氧传感器制备流程图；
30.图3是本发明中心率与血氧传感器的制备与完全回收示意图；
31.图4是本发明中心率与血氧传感器实物图；
32.图5是本发明中心率与血氧传感器完全回收与重做的实物图。
33.附图标记：1、phc基底层；2、一号液态金属线路；3、二号液态金属线路；4、电子元件层；5、phc封装层。
具体实施方式
34.以下结合附图1，进一步说明本发明一种多功能柔性可延展电子器件及其制备方法的具体实施方式。本发明一种多功能柔性可延展电子器件及其制备方法不限于以下实施例的描述。
35.实施例1：
36.本实施例给出一种多功能柔性可延展电子器件的具体实施方式，如图1所示，包括
由上及下依次设置的phc基底层、一号液态金属线路、二号液态金属线路、电子元件层、phc封装层，所述phc基底层、一号液态金属线路、二号液态金属线路、phc封装层之间黏附连接，所述电子元件层包括若干电子元件及若干芯片，若干电子元件及若干芯片分别设置于液态金属线路对应位置处。
37.实施例2：
38.本实施例给出一种多功能柔性可延展电子器件制备方法的具体实施方式，如图2所示，包括以下步骤：
39.s1设计双层结构的电子电路布线图，并加工出掩膜板；
40.s2将phc溶液平摊倒入一次性塑料培养皿中，制备出第一层phc薄膜。
41.s3覆盖第一层掩膜板，印刷第一层液态金属线路；
42.s4封装第一层中将与第二层交叉的液态金属线路以及部分线路拐角处；
43.s5覆盖第二层掩膜板，印刷第二层液态金属线路；
44.s6将电子元器件和芯片放置在液态金属线路对应的位置上；
45.s7对电路进行整体封装，得到心率和血氧传感器。
46.进一步的，还包括：
47.s8将心率和血氧传感器黏附于手臂上，测得心率和血氧数据；
48.s9将测完数据的心率和血氧传感器放置在去离子水中，经过夹取、过滤、浓盐酸回收液态金属等步骤，回收掉phc材料、液态金属、电子元器件和芯片，再基于回收的材料重复步骤s1-s7，制备出新的心率和血氧传感器。
49.进一步的，液态金属为镓铟锡液态金属，各组分质量分数分别为镓：68.5wt％、铟：21.5wt％、锡：10wt％，一次性塑料培养皿的规格为、一次性注射器的规格为1ml&10m。
50.进一步的，步骤s1中，设计出一种双层结构的心率和血氧电路图，接着用皮秒激光加工设备在pvc不干胶反面上加工出双层液态金属线路的掩膜板。
51.进一步的，步骤s3中，把phc薄膜放置在80％rh的自制湿度控制箱中30min；
52.将pvc不干胶制备的第一层液态金属掩膜板的离心层一面贴附在phc薄膜上，然后用软印章压印法印刷第一层液态金属线路，印刷好之后，揭离第一层掩膜板。
53.进一步的，步骤s4中，用带有phc溶液的注射器封装第一层中将与第二层交叉的液态金属线以及部分线路拐角处，并送入鼓风干燥箱4h进行固化。
54.进一步的，步骤s5中，重复步骤s3，覆盖第二层掩模板和印刷第二层液态金属线路，并保证上下两层液态金属线路互联。
55.进一步的，步骤s6中，用带有去离子水的注射器对需要放置元器件和芯片的位置注射微量的水，然后用镊子将各种元器件和芯片放置在对应的位置来固定。
56.进一步的，步骤s7中，用装有phc溶液的注射器对电路进行整体封装，然后送入鼓风干燥箱，30℃温度间隔2h烘烤6～8次，然后从一次性塑料培养皿中揭离、裁剪，即可得到最终的心率和血氧传感器。
57.原理：
58.如图2所示，本发明提供的一种多功能柔性可延展电子器件制备方法，具体实施步骤如下：
59.步骤1：准备好镓铟锡液态金属(镓：68.5wt％、铟：21.5wt％、锡：10wt％)、各种元器件和芯片、phc溶液、pvc不干胶、自制湿度控制箱、软印章、去离子水、一次性塑料培养皿、一次性注射器(1ml&10ml)、一次性手套、镊子等材料和器材。
60.步骤2：设计出一种双层结构的心率和血氧电路图，接着用皮秒激光加工设备在pvc不干胶反面上加工出双层液态金属线路的掩膜板。此处体现结构特征，双层结构的布线设计和芯片的集成，保证了元器件的有序布置以及可以同时测得心率和血氧数据，实现传感器的多功能。
61.步骤3：将25g的phc溶液平摊的倒入一次性塑料培养皿中，利用相关专利的方法制备出第一层phc薄膜。
62.步骤4：把phc薄膜放置在80％rh的自制湿度控制箱中30min，以湿度来增加其表面粘附力，保证步骤5中的液态金属能轻松的粘附在phc薄膜表面。此处体现制备工艺和材料特征，phc材料室温条件下柔性好、但不粘，随着湿度的增加，会变得越软越粘。
63.步骤5：将pvc不干胶制备的第一层液态金属掩膜板的离心层一面贴附在步骤4中的phc薄膜上，然后用软印章压印法印刷第一层液态金属线路，印刷好之后，揭离第一层掩膜板。此处体现phc薄膜和掩膜板的材料特征和制备工艺特征，不干胶离心层易于与上述增强了粘附性的phc薄膜脱离(像双面胶)，而液态金属与phc薄膜极易粘附，不然会存在着粘附力不够固定不住掩膜板和掩膜板揭不下来或者弄坏液态金属线路的问题。
64.步骤6：用带有phc溶液的注射器封装第一层中将与第二层交叉的液态金属线以及部分线路拐角处，并送入鼓风干燥箱4h进行固化。此处属于制备工艺特征，第一可以避免液态金属线路交叉而造成短路，第二由于phc溶液封装固化时存在水分蒸发导致体积收缩的问题，提前封装好线路拐角处不会导致液态金属线路被拉扯的东倒西歪，保证了线路的平顺性。
65.步骤7：用步骤4、5中同样的方法覆盖第二层掩模板和印刷第二层液态金属线路，并保证上下两层液态金属线路互联。
66.步骤8：用带有去离子水的注射器对需要放置元器件和芯片的位置注射微量的水，然后用镊子将各种元器件和芯片放置在对应的位置来固定，以此来保证连接处的稳定，我们对此操作称为“水焊”。此处属于材料和制备工艺特征，利用材料加湿变粘的特性，用去离子水改变局部的粘性，从而使各元器件和芯片能准确的固定在对应位置上，保证在整体封装和移动时，各元器件和芯片能保持相对固定。
67.步骤9：用装有phc溶液的注射器对电路进行整体封装，然后送入鼓风干燥箱以30℃烤2h停2h的间歇性烘烤6-8次来固化，从而保证封装过程中内部无气泡以及表面的平整性。此处属于材料和制备工艺特征，由于phc溶液在加热固化过快时，会产生一定的气泡，所以这里工艺采用了间歇性烘烤来固化，同时也避免了phc溶液收缩过快而产生的表面不平整问题。
68.步骤10：然后从一次性塑料培养皿中揭离、裁剪，即可得到最终的心率和血氧传感器，黏附于手臂上可以测得心率和血氧数据，见图1所示。此处属于材料特征，由phc薄膜的多功能性可知(相关专利)，透明可延展的传感器黏附于皮肤上，能利用汗液实现自粘和共形效果，能同时实现生理信号检测。
69.步骤11：将测完数据的心率和血氧传感器放置在去离子水中，经过夹取、过滤、浓
盐酸回收液态金属等步骤，即可回收掉phc材料、液态金属、电子元器件和芯片，再基于回收的材料经上述步骤重新制备出新的心率和血氧传感器，实现了制备与回收的闭环，如图3所示，演示了从心率与血氧传感器的制备，再到完全回收的全过程。此处属于材料特征，基于phc薄膜的可回收性(相关专利)，实现了传感器的整体回收与重做。
70.综上所述，本发明优点在于通过双层组装的策略来制备柔性电路和以“水焊”的方式固定各种元器件和芯片，最后基于phc薄膜的可回收性回收与重做了心率与血氧传感器，并且制备的全过程和所选择的材料都是绿色、经济的。得益于phc材料的优良性能和特别的制备工艺，实验证明了基于该方案制备的柔性可延展电子器件，不仅凭借着人体汗液可长久稳定的自共形于皮肤表面，具有优异的生物相容性、透明延展性和可回收重做性，而且实现了心率和血氧的同时监测。
71.实验探究：
72.如图4所示，此实验是将传感器贴附于人体8h，测试人体的心率与血氧数据，该图展示了所制备的心率与血氧传感器能完美的共形在人体皮肤表面，能达到与皮肤共褶皱的效果，并且由于人体皮肤表面存在一定程度的汗液，基于干燥交联机理，可以使得传感器整体与人体皮肤表面牢固接触，不易发生脱粘失效。可以看出，传感器具有良好的自粘性、自共形性、生物相容性以及透明延展性。
73.如图5所示，本实验通过去离子水溶解掉基底与封装层材料，用镊子取出各种电子元器件和芯片，然后利用多次过滤和浓盐酸回收了剩下的液态金属，最终实现了传感器的完全回收，并且再次利用回收的材料通过上述步骤重新制备出了新的传感器，展示了其回收重做的可行性。
74.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。