一种基于生物兼容薄膜的柔性可延展电子器件及制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于生物兼容薄膜的柔性可延展电子器件及其制备方法，可用于但不限于各种体征传感器。
【背景技术】
[0002]医疗保健、健康监测中总是需要各种传感器对人体生理信息进行间断或实时监测，常规测量包括体温、脉搏、心率、心电、血氧等信号。目前，不论是临床上还是健康医疗消费电子中测试相应信号的设备均采用硬对软的接触方式，如水银体温计、指夹脉搏血氧仪、心电电极贴等。它们均采用可靠有效的物理化学原理，但硬对软的接触存在一些不可避免的问题:硬接触给患者带来的不舒适感可能会影响正常生理参数的表现；硬接触的非完美贴合会使检测信号受到接触良好与否的影响；依靠该类仪器设备无法实现24小时舒适又有效的健康监测。因此，可与人体集成的电子器件\元件作为柔性电子的一大分支，其研宄存在广泛长足的民生商业价值。
[0003]自2011年《科学》报道一项关于皮肤电子工作以来，关于可与人体表皮集成电子器件引起众多科研工作者的研宄兴趣，相继出现在皮肤上测量水分、体温、心电、肌电等人体生理信号的柔性传感器。它们采用薄而柔的聚合物薄膜材料作为基底，利用粘结层或范德华力将柔性功能器件与人体皮肤直接或间接接触，在皮肤表层进行各种生理信号采集。该部分研宄内容重点在器件如何实现柔性、可延展性，缺乏对器件在人体表面长时间存在的生物兼容性的考虑。仅利用范德华力进行黏附的柔性器件在长有汗毛的表皮处黏附性较差。利用粘结层进行黏附的柔性器件，由于没有考虑到透气性，很难在人体皮肤表面保持较长时间。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种基于生物兼容薄膜的柔性可延展电子器件及制备方法，以解决柔性可延展电子器件与人体结合时生物兼容性的问题，即包括但不限于:①生物兼容性:不仅包括化学上器件中不含有对人体有害的化学成分，同时在物理上还要具有透气性，使得体表汗液可以正常蒸发，避免浸渍或过敏反应；?)柔性可延展性:柔性要求器件(包括基底层和功能层)的弯曲刚度小，可以不费力地进行弯折以适应人体组织表面天然存在的曲率，可延展性要求器件的拉伸刚度小，可以在面内方向变形以适应非可展的人体组织表面。
[0005]本发明的技术方案如下:
[0006]一种基于生物兼容薄膜的柔性可延展电子器件，含有封装层、功能层和基底层，其特征在于，所述封装层采用生物兼容封装层，基底层采用生物兼容基底层；所述的生物兼容封装层和生物兼容基底层采用生物兼容薄膜。
[0007]本发明的技术特征还在于，在生物兼容封装层和功能层之间设有一层用于增强与功能层之间界面强度的粘结层；在生物兼容基底层下面设有一层用于增强器件与待测物体表面附着力的附着层。
[0008]本发明所述的生物兼容薄膜为具有多孔微结构的聚合物薄膜或生物半透膜；生物兼容封装层和生物兼容基底层的厚度相同。
[0009]本发明所述功能层包含功能元件、互联导线和引出电极；所述功能元件采用具有温阻、压阻或压电效应的材料。
[0010]本发明所述功能层采用柔性可延展结构；所述柔性可延展结构优选采用岛桥结构、S型结构或波浪状屈曲结构。
[0011]本发明一种制备基于生物兼容薄膜的柔性可延展电子器件的方法，其特征在于该方法包括如下步骤:
[0012]I)在硅基片上制备牺牲层；
[0013]2)利用薄膜生长技术在硅基片上进行功能层材料的生长和制备；
[0014]3)利用半导体工艺对功能层材料进行光刻刻蚀，完成图案化，形成功能层；
[0015]4)将生物兼容薄膜与硅基片上的功能层贴合；
[0016]5)将生物兼容薄膜与带有功能层的硅基片一起放入牺牲层刻蚀液中，刻蚀牺牲层，使生物兼容基底层(5)与功能层结合；
[0017]6)在功能层预留的引出电极处接入外接导线；
[0018]7)用生物兼容薄膜对器件进行封装，形成生物兼容封装层，完成器件制备。
[0019]本发明的所述方法中，其中第4)-5)步功能层与生物兼容基底层集成时利用转印技术实现。
[0020]本发明相比于传统柔性可延展电子器件具有以下优点及突出性的技术效果:采用本发明方法所设计制备的器件采用生物兼容封装层和生物兼容基底层为传统柔性可延展电子器件引入良好的生物兼容性，同时保持甚至提升其柔性可延展性。它的防水透气、低致敏性等生物兼容特性使得它可以在人体表面正常工作长达24小时以上，而不带来异物感和不舒适感，可以避免由于生物兼容性差(不透气)带来的皮肤浸渍、发红或其他过敏反应。
【附图说明】
[0021]图1是本发明中提出的一种基于生物兼容薄膜的柔性可延展电子器件的分层立体结构示意图。
[0022]图2是本发明中提出的一种基于生物兼容薄膜的柔性可延展电子器件的分层截面示意图。
[0023]图3是本发明中提出的一种基于转印的制备工艺流程方案。
[0024]图中:1_生物兼容封装层；2_粘结层；3_功能元件；4_互联导线；5_生物兼容基底层；6-附着层；7-功能层。
【具体实施方式】
[0025]下面结合附图和实施例进一步说明本发明具体内容。
[0026]图1、图2分别为本发明提出的一种基于生物兼容薄膜的柔性可延展电子器件的分层立体和分层截面示意图，该柔性可延展电子器件的基本结构是生物兼容封装层/功能层/生物兼容基底层，其中，生物兼容封装层I是一类具有生物兼容性的薄膜，包括但不限于具有多孔微结构的聚合物薄膜(如多孔聚氨酯薄膜)或生物半透膜(如具有选择性透过的生物组织膜)，厚度为几十微米，主要特征在于其上分布有直径从几百纳米到几十微米不等的非贯穿孔，氧气、水蒸气可以通过，而液态水、细菌无法通过，因此该类薄膜具有生物兼容性及防水透气功能，应用于人体体表时具有良好生物兼容性。
[0027]生物兼容基底层5亦采用上述具有生物兼容性薄膜制成，用于承托功能元件3和互联导线4 ;功能元件3和互联导线4均经过柔性可延展性设计，不可延展的功能元件3可采用设计缓冲层来隔离应变，互联导线4通过S型的分形设计实现延展性。S型分形设计的导线通过在面内方向增大波长、减小波幅适应基底面内拉伸变形。
[0028]采用生物兼容薄膜作为柔性基底层，利用生物兼容薄膜的透气防水性、低致敏性提供整体器件的生物兼容性，使得器件可以在人体组织(包括但不限于皮肤)表面工作时间长达24小时以上。生物兼容基底层5上是集成的器件功能层，包括各类功能元件3、互联导线4和引出电极。每类功能元件3及其互联导线4均经过柔性可延展的结构设计，如岛桥结构、离面屈曲结构或面内弯曲排布结构等设计。封装时采用生物兼容封装层1，以保护功能器件的结构完整，不被外部液体破坏电路功能和生物兼容性，封装可以对器件整体进行封装，也可以只对功能元件3和互联导线4存在部位进行局部封装。
[0029]采用与生物兼容基底层5厚度相同的生物兼容封装层I对器件进行最后封装，不仅可以保证器件整体生物兼容性，还可以使得器件中功能元件3和互联导线4位于整体结构的力学中性层，减少弯曲变形载荷下功能元件3所受的应力应变。
[0030]位于生物兼容封装层I和功能层之间选择性存在的粘结层2，厚度约为几微米，若生物兼容封装层I和功能层都足够薄时可利用范德华力实现结合，而不需使用粘结层2。生物兼容基底层5和待测物体表面(人体皮肤)之间选择性存在的附着层6，用于增强器件与待测物体表面附着力，该层由粘性较强、致敏性极低的材料组成，使得器件整体与人体组织表面牢固接触，不易发生脱粘失效。
[0031]功能层中的元件可以是利用金属温阻效应的温度传感部件，半导体\金属压阻效应的应变传感部件，或者压电材料压电效应的能量收集部件等，不同功能材料和结构形态可以实现不同种类的信号采集功能。单独功能或多种功能兼有的生物兼容柔性可延展电子器件元件均可采用图3中所示制备流程进行制备。