柔性傳感器的制備

■文/田全慧，張建青

（1.上海出版印刷高等專科學(xué)校；2.上海健康醫(yī)學(xué)院）

對于傳統(tǒng)的包裝印刷業(yè)來說，既新奇，又充滿了誘惑。下面就讓我們一起來了解一下，最流行的科技熱搜名

詞——柔性傳感器的制備吧！

一、柔性傳感器

傳感器由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、信號調(diào)理轉(zhuǎn)換電路三部分組成。敏感元件指直接感受或響應(yīng)被測量的部分；轉(zhuǎn)換元件指將敏感元件感受或響應(yīng)的被測量轉(zhuǎn)換成適合于傳輸或測量的電信號部分。信號調(diào)理轉(zhuǎn)換電路進行信號調(diào)理與轉(zhuǎn)換，通過放大、運算與調(diào)制之后的測量信號才能進行顯示和參與控制。

如今，隨著半導(dǎo)體器件與集成技術(shù)的發(fā)展，傳感器的信號調(diào)理轉(zhuǎn)換電路與敏感元件可以集成在同一芯片上，成為傳感器模塊和集成電路傳感器，同時，近年來發(fā)展比較迅速的薄膜傳感器，可適應(yīng)更多的應(yīng)用場景，被稱之為柔性傳感器，更是在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。近幾年柔性集成傳感器相關(guān)的研究成果不斷涌現(xiàn)，特別是醫(yī)用傳感器更是在疾病檢測與治療等方面貢獻突出。

2018年9月，美國西北大學(xué)的研究者在《Science Advance》上發(fā)表了使用一次性紗布與吸收墊等進行原位定量分析汗液提取技術(shù)的研究進展。10月，耶魯大學(xué)的機械工程與材料科學(xué)助理教授瑞貝卡·卡萊·莫波提基洛在《科學(xué)·機器人》雜志上發(fā)表了一項新型“機器人皮膚”技術(shù)，日常用品裝備后就可自動形成動作，并完成一系列指定任務(wù)。12月，加州大學(xué)伯克利分校賈維教授及其團隊提出了卷對卷（R2R）凹版印刷電極，可以堅固地貼附在柔性襯底上，優(yōu)化了油墨和電極的電化學(xué)穩(wěn)定性以及機械穩(wěn)定性，這些電極可以通過功能化處理后用于無創(chuàng)檢測生物流體中的離子、代謝物、重金屬和其他小分子的高性能傳感器。這些研究成果為醫(yī)學(xué)等應(yīng)用領(lǐng)域提供了更多的新技術(shù)。如圖1所示為目前一些相對成熟的醫(yī)用傳感器。

圖1傳感器

二、柔性傳感器的制備流程

柔性集成傳感器的生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)標準硅基半導(dǎo)體集成電路工藝是基本相同的，制備工藝主要包括電路設(shè)計、工藝設(shè)計、器件印制、封裝。

（一）電路設(shè)計

據(jù)百度百科介紹，電路（Electricalcircuit），是由電氣設(shè)備和元器件，如電阻、電容、電感、二極管、三極管和開關(guān)等，按一定方式聯(lián)接起來，為電荷流通提供電氣回路。電路設(shè)計是指按照一定規(guī)則，使用特定方法設(shè)計出符合使用要求的電路系統(tǒng)。

電路設(shè)計需要對構(gòu)成電路部分的每個元件都有充分了解，需要極其細心，充分考慮各方面的因數(shù)，比如便于制備與封裝，便于維修和檢查等。電路設(shè)計可以通過軟件完成設(shè)計，如圖2所示。

圖2電路設(shè)計

（二）工藝設(shè)計

工藝設(shè)計跟傳感器使用的材料相關(guān)。柔性傳感器具有良好的柔韌性、延展性、甚至可自由彎曲甚至折疊，因此所使用的材料基材與器件材料都與傳統(tǒng)傳感器有所不同。其中基材一般聚乙烯醇（PVA）、聚酯（PET）、聚酰亞胺（PI）、聚萘二甲酯乙二醇酯（PEN）、紙片、紡織材料等。器件制作的材料分為金屬材料、碳材料、無機材料和有機材料。金屬材料一般為金銀銅等導(dǎo)體材料，主要用于電極和導(dǎo)線（如圖3所示，納米銀材料）。碳材料有碳納米管和石墨烯等（如圖4所，碳納米管材料）。無機半導(dǎo)體材料，以ZnO和ZnS（氧化鋅與硫化鋅）為主，其壓電特性良好。有機材料也稱為導(dǎo)電高分子，通常為導(dǎo)電聚合物，高分子電解質(zhì)，共軛體系聚合物，電荷轉(zhuǎn)移絡(luò)合物和金屬有機螯合物。目前應(yīng)用最為廣泛的是共軛體系聚合物并以PEDOT：PSS（PEDOT是EDOT，即3，4—乙烯二氧噻吩單體）的聚合物，PSS是聚苯乙烯磺酸鹽）作為典型代表（如圖5所示）。

圖3納米銀材料

圖4 碳納米管材料

圖5常見有機導(dǎo)體材料結(jié)構(gòu)

（三）器件印制

對于現(xiàn)代工藝而言，最新制作工藝為印刷電子，通過傳統(tǒng)的印刷或者現(xiàn)代數(shù)碼打印技術(shù)實現(xiàn)。傳統(tǒng)印刷工藝較常用的為絲網(wǎng)印刷工藝，由于絲網(wǎng)印刷適用多種不同材料印制，同時對于印刷的墨的適應(yīng)性也較強，因此針對傳感器的導(dǎo)電墨與其他特種墨的適應(yīng)性都較好。除絲印外，傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)印技術(shù)也常用于圖案型的傳感器印刷，如圖6所示。

圖6 轉(zhuǎn)印技術(shù)應(yīng)用于圖案型傳感器的印刷

數(shù)碼打印除了使用噴墨打印技術(shù)，目前有一家名為BostonMicroFabrication（BMF）的新初創(chuàng)公司，推出了高分辨率微型3D打印機系列，稱為microArch（如圖7所示）。該設(shè)備與傳統(tǒng)的數(shù)字光處理（DLP）3D打印技術(shù)類似，使用數(shù)字微顯示器投影儀在微尺度上一次固化一層光敏聚合物樹脂，光學(xué)分辨率從2μm到25μm，層高從5μm到50μm，能夠打印比人的頭發(fā)小100倍的物體，并且可以在單個印刷過程中使用多種材料，包括聚合物響應(yīng)性水凝膠，形狀記憶聚合物和生物材料。該新型的3D打印技術(shù)也可實現(xiàn)傳感器的制作。

圖7 microArch P150打印機

印制完成，大多數(shù)器件還需要燒結(jié)工藝處理。燒結(jié)的目的是利用加熱減少或者去除墨水中的穩(wěn)定劑、粘結(jié)表面活性等輔助成分；使功能性的微小顆粒相互融合，形成較大甚至連城一個整體。傳統(tǒng)燒結(jié)是通過烘箱加熱的方式，但是對于一些新型的有機材料加熱會造成器件的功能損壞，因此目前有光子燒結(jié)（如圖8所示）與化學(xué)燒結(jié)（如圖9所示）等其他燒結(jié)技術(shù)。光子燒結(jié)利用納米材料顆粒對寬頻譜紫外至近紅區(qū)的選擇性吸收，使光能快速轉(zhuǎn)化為熱，加熱納米材料到達熔融狀態(tài)，隨后快速冷卻凝固形成功能性薄膜。化學(xué)燒結(jié)在墨水中添加新物質(zhì)，分解或者去除納米顆粒外層包覆有機分子，使得納米顆粒/包覆劑系統(tǒng)失穩(wěn)，從而實現(xiàn)納米顆粒的連接。

圖8光子燒結(jié)工作示意圖

圖9化學(xué)燒結(jié)工作示意圖

（四）封裝

封裝，是把集成電路裝配為最終產(chǎn)品的過程，簡單地說，就是把鑄造廠生產(chǎn)出來的集成電路裸片（Die）放在一塊起到承載作用的基板上，把管腳引出來，然后固定包裝成為一個整體。傳感器的封裝通過機械固定，高溫焊接，膠粘等方式，使傳感器的各部件的相對位置保持不變，成為一個整體，以達到消除由于振動、溫度變化、機械碰撞等因素引起的部件松動。封裝也是防止傳感器可用于惡劣環(huán)境，防止外界有害氣體、液體(油、水、酸等)以及高壓電場對傳感器的損傷。同時，通過封裝，可提高傳感器的性能，使其精度提高，長期穩(wěn)定性改善。

三、總結(jié)

從柔性傳感器的制備工藝看，目前制備一個傳感器，需要傳統(tǒng)印刷工藝配合新型的導(dǎo)電材料，經(jīng)歷一系列復(fù)雜而較難控制的流程才能完成。從流程上看，制備柔性傳感器工藝環(huán)節(jié)多，質(zhì)量控制難度大，生產(chǎn)流程標準化與自動較難實現(xiàn)。同時，在制備柔性傳感器的工藝中還存在：其一，器件中有機半導(dǎo)體材料的電荷遷移率不高，即導(dǎo)電率不理想；而無機納米材料則需要大量的工藝適性改良，以獲得適合印刷的墨水形態(tài)和簡單的后處理工藝。其二，印刷與打印技術(shù)的分辨率與定位精度需要進一步提高，因為傳感器的設(shè)計尺寸都是微米級數(shù)量，設(shè)計的定位與輸出精度對于器件的加工十分關(guān)鍵；同時，輸出的可容納面積與速度也需要提高，以滿足單位面積的電子器件容納程度，增加印刷電子系統(tǒng)的復(fù)雜度和集成度。其三，器件封裝過程也需要開發(fā)更多的低成本且適用于柔性與透明材質(zhì)的封裝技術(shù)，從而更好地改進柔性傳感器器件的穩(wěn)定性和環(huán)境的適應(yīng)性。

目前傳感器的市場價格高，大部分產(chǎn)品主要用于出口和高端醫(yī)用市場。但是相信隨著大家不斷了解并熟悉這些新產(chǎn)品，大量的包裝印刷人士將發(fā)揮專業(yè)優(yōu)勢，拓展工藝改造，研發(fā)針對傳感器的新材料與工藝，為柔性傳感器的大批量生產(chǎn)與應(yīng)用發(fā)揮作用。