本发明属于柔性电子皮肤领域，具体涉及一种基于牺牲层工艺的表皮传感器制备方法及制备的产品。
背景技术：
当前，柔性电子器件以其柔软、可拉伸的特点受到了人们的青睐，被应用到越来越广泛的领域当中。表皮传感器就是其中的一类，可以贴附在皮肤上，测量人体的运动、生理信号或作医疗诊断。传统的硬质传感器不具备柔软的特性，无法与皮肤良好地接触，这不仅限制了信号质量的提高，更是阻断了从静态生物检测向动态生物检测的发展。表皮传感器有效克服了上述缺点，不仅可以经由范德华力直接粘附在皮肤上并保持共形接触，保证信号质量，还可以随着人体运动而不产生相对位移，从而应用于动态监测。
表皮传感器多为多层膜结构，由柔性基底和功能器件构成。其中柔性基底是功能器件的载体，为柔软的高聚物材料薄膜，传感器的柔软与可拉伸的特性也是由此实现的。
与传统的硬质基底不同，在传感器的制备过程中柔性基底需要贴附在其他硬质基底上，才能实现其他器件的集成，最终需要将柔性基底从硬质基底上释放。由于表皮传感器本身柔软易变形，如何将其完整无损地剥离是当前的一个技术难题。
传统半导体工艺中常用的牺牲层，如光刻胶等具有很大的毒性，既需要在生产过程中加强操作人员的防护，又需要严格控制产品中的残余量；其次，传统的牺牲层需要采用有机试剂溶解，或使用无机试剂刻蚀，前者一般会引发大多数柔性高聚物材料的溶胀现象，破坏传感器结构，后者则通常具备较强的毒性，难以在后期彻底去除，部分试剂甚至会与柔性基底发生反应，无法使用。可见传统半导体工艺中的牺牲层工艺存在诸多缺陷。
技术实现要素：
针对现有技术以上缺陷或改进需求中的至少一种，本发明提供了一种基于牺牲层工艺的表皮传感器制备方法及制备的产品，可以保证剥离后传感器的完整性，聚乙烯醇牺牲层可溶于水，无毒无害，操作安全可靠，成本低。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于牺牲层工艺的表皮传感器制备方法，包括以下步骤：
步骤(1)，将聚乙烯醇粉末加入到去离子水中溶解，配置成聚乙烯醇溶液，静置备用；
步骤(2)，依次采用丙酮、异丙醇和去离子水对硬质基底进行清洗，之后用氮气吹干；
步骤(3)，将步骤(1)中配置的聚乙烯醇溶液旋涂在硬质基底上，之后将硬质基底放在热板上加热，使得水受热蒸发，聚乙烯醇固化成膜，制得聚乙烯醇牺牲层；
步骤(4)，在聚乙烯醇牺牲层上旋涂柔性高聚物材料之后加热使高聚物材料固化，形成柔性基底；
步骤(5)，在柔性基底上集成传感器元件，制得样品；
步骤(6)，将所得样品放入去离子水中并加热，使得聚乙烯醇牺牲层完全溶解；
步骤(7)，将集成了传感器元件的柔性基底从硬质基底上剥离，至此，表皮传感器制备完成。
优选地，所述步骤(1)中，聚乙烯醇溶液中聚乙烯醇的质量分数为8～12％；
聚乙烯醇溶液的配置方法具体为：用天平称量预定质量的聚乙烯醇粉末，再用量筒量取预定体积的去离子水并倒入烧杯中，之后将聚乙烯醇粉末缓慢加入烧杯中，同时用玻璃棒搅拌；混合均匀后，在溶液中放入磁珠，放在磁力搅拌器上搅拌4～6小时，同时加热促进溶解，加热温度为60～80℃；聚乙烯醇完全溶解后，将溶液在室温下静置备用。
优选地，所述步骤(3)中，聚乙烯醇溶液的旋涂速度为300～1000转/分钟，旋涂时间为2～5分钟，所得聚乙烯醇牺牲层厚度为10～50微米。
优选地，所述步骤(3)中，聚乙烯醇的固化温度为60～120℃，固化时间为5～20分钟。
优选地，所述步骤(2)中，硬质基底包括单晶硅片、多晶硅片、外延片、石英片、玻璃片任意之一。
优选地，所述步骤(4)中，传感器元件的柔性基底厚度为30～200微米。
优选地，所述步骤(4)中，作为传感器元件基底的柔性高聚物材料采用聚二甲基硅氧烷、共聚酯、铂催化硅橡胶中的任意一种；柔性高聚物材料的旋涂速度、旋涂时间、固化温度、固化时间需根据材料的种类进行调整。
优选地，所述步骤(6)中，溶解聚乙烯醇牺牲层时，加热温度为60～90℃，溶解时间为6～10小时。
为实现上述目的，按照本发明的第二方面，本发明还提供了一种按照如前所述的基于牺牲层工艺的表皮传感器制备方法所制得的表皮传感器产品。
为实现上述目的，按照本发明的第三方面，本发明还提供一种硬质基底易剥离的多层传感器结构，包括从下到上依次连接的硬质基底、聚乙烯醇牺牲层、柔性基底、传感器元件；
聚乙烯醇牺牲层的制备方法为：将聚乙烯醇溶液旋涂在硬质基底上，之后将硬质基底放在热板上加热，使得水受热蒸发，聚乙烯醇固化成膜，制得聚乙烯醇牺牲层；
柔性基底的制备方法为：在聚乙烯醇牺牲层上旋涂柔性高聚物材料之后加热使高聚物材料固化，形成柔性基底；
在柔性基底上集成传感器元件，制得所述多层传感器结构；
该多层传感器结构可通过去离子水溶解聚乙烯醇牺牲层的方式，将集成了传感器元件的柔性基底从硬质基底上剥离。
上述优选技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
1、本发明基于牺牲层工艺的表皮传感器制备方法，工艺简单易操作，成功率高，牺牲层完全溶解后即可轻易将传感器从硬质基底上剥离，牺牲层材料聚乙烯醇与溶解牺牲层的溶剂水均不与柔性基底发生反应或产生溶胀现象，保证了剥离后传感器的完整性；
2、牺牲层采用的材料是聚乙烯醇，这是一种溶于水的有机高聚物材料，无色透明且无毒无害，既避免了对环境的污染，又保证了生产人员和使用者的安全，具有良好的成膜性；
3、聚乙烯醇是一种广泛使用的工业材料，价格低廉，使用这种材料作为牺牲层可以降低成本。
附图说明
图1是本发明的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。下面结合具体实施方式对本发明进一步详细说明。
按照本发明的一个方面，如图1所示，本发明提供一种基于牺牲层工艺的表皮传感器制备方法，包括以下步骤：
步骤(1)，将聚乙烯醇粉末加入到去离子水3中溶解，配置成聚乙烯醇溶液，静置备用。优选地，聚乙烯醇溶液中聚乙烯醇的质量分数为8～12％。聚乙烯醇溶液的配置方法具体为：用天平称量预定质量的聚乙烯醇粉末，再用量筒量取预定体积的去离子水3并倒入烧杯中，之后将聚乙烯醇粉末缓慢加入烧杯中，同时用玻璃棒搅拌；混合均匀后，在溶液中放入磁珠，放在磁力搅拌器上搅拌4～6小时，同时加热促进溶解，加热温度为60～80℃；聚乙烯醇完全溶解后，将溶液在室温下静置备用。
步骤(2)，依次采用丙酮1、异丙醇2和去离子水3对硬质基底4进行清洗，之后用氮气5吹干。优选地，硬质基底4为单晶硅片、多晶硅片、外延片、石英片、玻璃片等。
步骤(3)，将步骤(1)中配置的聚乙烯醇溶液旋涂在硬质基底4上，之后将硬质基底4放在热板上加热，使得水受热蒸发，聚乙烯醇固化成膜，制得聚乙烯醇牺牲层6。优选地，聚乙烯醇溶液的旋涂速度为300～1000转/分钟，旋涂时间为2～5分钟，所得聚乙烯醇牺牲层6厚度为10～50微米。优选地，聚乙烯醇的固化温度为60～120℃，固化时间为5～20分钟。
步骤(4)，在聚乙烯醇牺牲层6上旋涂柔性高聚物材料之后加热使高聚物材料固化，形成柔性基底7。优选地，柔性基底7厚度为30～200微米。优选地，作为传感器元件8基底的柔性高聚物材料采用聚二甲基硅氧烷、共聚酯、铂催化硅橡胶中的任意一种；柔性高聚物材料的旋涂速度、旋涂时间、固化温度、固化时间需根据材料的种类进行调整。
步骤(5)，在柔性基底7上集成传感器元件8，制得样品。传感器元件8为现有的各类传感器元件，比如温度传感器、湿度传感器、压力传感器、嗅敏传感器等等。
步骤(6)，将所得样品放入耐热玻璃器皿9中的去离子水3中并加热，使得聚乙烯醇牺牲层6完全溶解(图1e所示即为溶解中的聚乙烯醇牺牲层)。优选地，溶解聚乙烯醇牺牲层6时，加热温度为60～90℃，溶解时间为6～10小时。
步骤(7)，将集成了传感器元件8的柔性基底7从硬质基底4上剥离，至此，表皮传感器制备完成。
表皮传感器是柔性电子器件的一种，为多层膜结构，由柔性基底和功能器件组成，具备柔软、可拉伸的特性，可以贴附在皮肤表面。其中柔性基底是功能器件的载体，采用聚二甲基硅氧烷等柔软可拉伸的高聚物材料。这类材料具备良好的绝缘性以保证功能器件的稳定工作，同时也有着良好的生物相容性，从而避免引起过敏症状并减小长期穿戴的不适感。通过调整柔性基底的柔软程度，可以使得传感器整体具备与皮肤相近的力学性能，这样传感器就可以通过范德华力紧密贴附在皮肤表面并保持共形接触，还可以随着人体运动与皮肤产生相同的变形而不产生相对位移。相较于传统的硬质传感器，表皮传感器一方面可以与皮肤紧密贴合并保持共形接触，最大限度地增大了传感器与皮肤的接触面积并减小了传感器与皮肤之间的空隙，这样有助于功能器件精确且稳定地采集人体运动与生理信号；另一方面表皮传感器具备良好的可穿戴性，可以随人体运动而不产生相对位移，不仅可以用于运动监测，还可以长期佩戴，采集更丰富完整的信号。由此可见表皮传感器有着极大的应用潜力。
与传统的硬质基底不同，在表皮传感器的制备过程中柔性基底需要贴附在其他硬质基底上，才能实现其他器件的集成，最终需要将柔性基底从硬质基底上释放。由于表皮传感器本身柔软易变形，如何将其完整无损地剥离是当前的一个技术难题。为了解决这个问题，本发明专利提供了一种基于牺牲层工艺的制备方法，保证了剥离后传感器的完整性。牺牲层采用的材料是聚乙烯醇，这是一种溶于水的有机高聚物材料，无色透明且无毒无害，具有良好的成膜性。与传统半导体工艺中常用的牺牲层相比，这种材料具备很多优势。首先，传统的牺牲层如光刻胶等具有很大的毒性，既需要在生产过程中加强操作人员的防护，又需要严格控制产品中的残余量，而聚乙烯醇是一种对人体无害的环保材料，既可以保证生产过程中操作人员的安全，又不必担心产品中这种材料的残留，降低了操作的复杂程度和生产成本。其次，传统的牺牲层需要采用有机试剂溶解，或使用无机试剂刻蚀。前者一般会引发大多数柔性高聚物材料的溶胀现象，破坏传感器结构，后者则通常具备较强的毒性，难以在后期彻底去除，部分试剂甚至会与柔性基底发生反应，无法使用。而聚乙烯醇牺牲层则采用水作为溶剂，既安全无害，又不会与柔性基底发生反应或引起溶胀现象，也不会对环境造成污染。此外，聚乙烯醇是一种广泛使用的工业材料，价格低廉，使用这种材料作为牺牲层可以降低成本。
按照本发明的第二方面，本发明还提供了一种按照如前所述的基于牺牲层工艺的表皮传感器制备方法所制得的表皮传感器产品。
按照本发明的第三方面，本发明还提供一种硬质基底4易剥离的多层传感器结构，包括从下到上依次连接的硬质基底4、聚乙烯醇牺牲层6、柔性基底7、传感器元件8。
聚乙烯醇牺牲层6的制备方法为：将聚乙烯醇溶液旋涂在硬质基底4上，之后将硬质基底4放在热板上加热，使得水受热蒸发，聚乙烯醇固化成膜，制得聚乙烯醇牺牲层6。
柔性基底7的制备方法为：在聚乙烯醇牺牲层6上旋涂柔性高聚物材料之后加热使高聚物材料固化，形成柔性基底7。
在柔性基底7上集成传感器元件8，制得所述多层传感器结构。
该多层传感器结构可通过去离子水3溶解聚乙烯醇牺牲层6的方式，将集成了传感器元件8的柔性基底7从硬质基底4上剥离。
该多层传感器结构可以是本发明制备方法的中间产品，具体工艺步骤可参见前述制备方法。
下面将结合一些具体实施例来更为清楚地解释说明安装本发明的基于牺牲层工艺的表皮传感器制备工艺及其关键工艺参数设计。
作为各实施例的前提，首先需将聚乙烯醇粉末加入到去离子水3中溶解，配置成聚乙烯醇溶液，静置备用。
实施例1：
a选用4英寸单晶硅片作为硬质基底4，依次采用丙酮1、异丙醇2和去离子水3超声清洗硅片的抛光面，每一种试剂清洗时间均为2分钟，最后用氮气5吹干表面，静置备用。
b将质量分数为10％的聚乙烯醇溶液旋涂在硬质基底4上，旋涂速度为500转/分钟，旋涂时间为5分钟。之后将硬质基底4放在热板上加热，加热温度为80℃，时间为20分钟，使得水受热蒸发，聚乙烯醇固化成膜，完成牺牲层的制备。其中聚乙烯醇的生产厂家为上海臣启化工科技有限公司，型号为PVA1788，聚合度为1650～1850，醇解度为88％。
c在聚乙烯醇牺牲层6上旋涂聚二甲基硅氧烷作为传感器的基底，旋涂速度为500转/分钟，旋涂时间为3分钟，之后加热使其固化，制得柔性基底7。聚二甲基硅氧烷的生产厂家为道康宁公司，型号是Sylgard 184，预聚体与固化剂的质量比为10:1。固化温度为80℃，固化时间为1小时。在此条件下柔性基底7厚度为55微米。
d在柔性基底7上集成传感器元件8。
e将上述样品放入去离子水3中，90℃加热7小时，待聚乙烯醇牺牲层6完全溶解。
f将传感器从硅片上剥离。至此，表皮传感器制备完成。
本实例所得传感器的柔性基底7厚度为55微米。
实施例2：
a选用4英寸单晶硅片作为硬质基底4，依次采用丙酮1、异丙醇2和去离子水3超声清洗硅片的抛光面，每一种试剂清洗时间均为2分钟，最后用氮气5吹干表面，静置备用。
b牺牲层的材料与制备方法与实施例1相同。
c在聚乙烯醇牺牲层6上旋涂铂催化硅橡胶作为传感器的基底，旋涂速度为800转/分钟，旋涂时间为3分钟，之后在室温下静置2小时使其固化，制得柔性基底7。铂催化硅橡胶的型号为Ecoflex 00-30，两组分质量比为1:1。在此条件下基底厚度为50微米。
d在柔性基底7上集成传感器元件8。
e将上述样品放入去离子水3中，80℃加热8小时，待聚乙烯醇牺牲层6完全溶解。
f将传感器从硅片上剥离。至此，表皮传感器制备完成。
本实例所得传感器的柔性基底7厚度为50微米。
实施例3：
a选用直径60mm的石英片作为硬质基底4，依次采用丙酮1、异丙醇2和去离子水3超声清洗石英片表面，每一种试剂清洗时间均为2分钟，最后用氮气5吹干表面，静置备用。
b牺牲层的材料与制备方法与实施例1相同。
c在聚乙烯醇牺牲层6上旋涂聚二甲基硅氧烷作为传感器的基底，旋涂速度为650转/分钟，旋涂时间为3分钟，之后加热使其固化。聚二甲基硅氧烷的生产厂家为道康宁公司，型号是Sylgard 184，预聚体与固化剂的质量比为10:1。固化温度为80℃，固化时间为1小时。在此条件下基底厚度为45微米。
d在柔性基底7上集成传感器元件8。
e将上述样品放入去离子水3中，90℃加热7小时，待聚乙烯醇牺牲层6完全溶解。
f将传感器从石英片上剥离。至此，表皮传感器制备完成。
本实例所得传感器的柔性基底7厚度为45微米。
实施例4：
a选用直径60mm的石英片作为硬质基底4，依次采用丙酮1、异丙醇2和去离子水3超声清洗石英片表面，每一种试剂清洗时间均为2分钟，最后用氮气5吹干表面，静置备用。
b牺牲层的材料与制备方法与实施例1相同。
c在聚乙烯醇牺牲层6上旋涂铂催化硅橡胶作为传感器的基底，旋涂速度为1000转/分钟，旋涂时间为3分钟，之后在室温下静置2小时使其固化，制得柔性基底7。铂催化硅橡胶的型号为Ecoflex 00-30，两组分质量比为1:1。在此条件下基底厚度为40微米。
d在柔性基底7上集成传感器元件8。
e将上述样品放入去离子水3中，80℃加热8小时，待聚乙烯醇牺牲层6完全溶解。
f将传感器从石英片上剥离。至此，表皮传感器制备完成。
本实例所得传感器的柔性基底7厚度为40微米。
实施例5：
a选用直径60mm的石英片作为硬质基底4，依次采用丙酮1、异丙醇2和去离子水3超声清洗石英片表面，每一种试剂清洗时间均为2分钟，最后用氮气5吹干表面，静置备用。
b牺牲层的材料与制备方法与实施例1相同。
c在聚乙烯醇牺牲层6上旋涂聚二甲基硅氧烷作为传感器的基底，旋涂速度为1000转/分钟，旋涂时间为2分钟，之后加热使其固化，制得柔性基底7。聚二甲基硅氧烷的生产厂家为道康宁公司，型号是Sylgard 184，预聚体与固化剂的质量比为10:1。固化温度为80℃，固化时间为1小时。在此条件下基底厚度为30微米。
d在柔性基底7上集成传感器元件8。
e将上述样品放入去离子水3中，90℃加热7小时，待聚乙烯醇牺牲层6完全溶解。
f将传感器从石英片上剥离。至此，表皮传感器制备完成。
本实例所得传感器的柔性基底7厚度为30微米。
实施例6：
与其他实施例不同的是，步骤c中，采用共聚酯作为传感器的基底，其他工艺参数做适应性调整。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。