基于柔性混合电子制造技术的蓝牙传感系统(2)

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DA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。

图5 样品1、样品2、样品3黏度测试

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。

文章来源：《传感技术学报》 网址: http://www.cgjsxb.cn/qikandaodu/2021/0613/422.html