1.本发明涉及一种用于柔性传感器中电气互联的可拉伸图案化金属导线及加工工艺，属于柔性电子学、光学、健康监测领域。
背景技术：
2.柔性电子是将有机或无机材料电子器件制作在柔性基板上的新兴电子技术。与传统的电子设备相比，柔性电子器件有更大的灵活性，满足更多的设备要求，有很好的拉伸性，适应设备的形变。电子皮肤领域中对柔性电子学应用很多，柔性电子能和皮肤有更好的贴合性，对皮肤表面的伤害很小，没有刺激，但由于人的运动，可能会造成柔性衬底上导线容易出现断路的问题，而将导线图案化可以大大增强导线的拉伸性，使器件更加稳定，在人体健康检测方面有广阔的前景。
3.目前，许多柔性导线会使用一维结构的图案，但是一维结构由于大大增加了导线的长度会影响图案区域导线的电阻，以及产生的电流之间的干扰，从而影响器件的性能。而二维结构的导线在拉伸性很好的同时保持良好的电学性质。
技术实现要素：
4.发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种用于柔性传感器中电气互联的可拉伸图案化金属导线及加工工艺。本发明的通过呈薄膜状的可拉伸柔性衬底，附着于柔性衬底的微结构金属导线，再通过acf胶带或导电银浆连接有机或无机的电子器件，附着在器件顶端的柔性薄膜用于对器件的保护。通过外部施加电压以及添加信号采集的系统，对所需数据进行提取。
5.技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
6.一种用于柔性传感器中电气互联的可拉伸图案化金属导线，包括可拉伸图案化导线、柔性衬底、柔性薄膜，所述可拉伸图案化导线呈阵列排布在柔性衬底上，而所述柔性薄膜覆盖在可拉伸图案化导线上。所述可拉伸图案化导线包括第一实线端头、第二实线端头、图案化线体，所述第一实线端头设置于图案化线体的一端，所述第二实线端头设置于图案化线体的另一端。所述第一实线端头用于与第一电器件连接，所述第二实线端头用于与第二电器件连接，进而实现第一电器件与第二电器件的电导通。
7.优选的：所述可拉伸图案化导线通过金属以磁控溅射、热蒸镀、电子束蒸镀或喷墨打印在柔性衬底上的方式形成。
8.优选的：所述图案化线体包括蛇形图案线体、六边形图案线体、菱形图案线体或椭圆形图案线体。
9.优选的：所述图案化线体的线宽在30微米至50微米之间。
10.优选的：所述柔性衬底为聚二甲基硅氧烷衬底、聚酰亚胺衬底、聚对苯二甲酸乙二酯衬底、聚氨酯弹性体衬底或橡胶衬底。
11.优选的：所述图案化线体由金、银或铜制成。
12.一种柔性传感器件，包括光电探测器、健康监测电路以及权利要求1所述用于柔性传感器中电气互联的可拉伸图案化金属导线，所述用于柔性传感器中电气互联的可拉伸图案化金属导线的第一实线端头与光电探测器连接，所述用于柔性传感器中电气互联的可拉伸图案化金属导线的第二实线端头与健康监测电路连接。
13.一种用于柔性传感器中电气互联的可拉伸图案化金属导线的加工工艺，包括以下步骤：
14.步骤1，设计可拉伸图案化导线。
15.步骤2，将柔性薄膜平整贴于硅片上作为柔性衬底。
16.步骤3，将步骤2得到的柔性衬底的柔性薄膜上旋涂az5214光刻胶，然后进行烘烤，得到样品。
17.步骤4，将步骤3得到的样品放入mjb4有掩模版光刻机中，选择硬接触模式进行曝光。
18.步骤5，把步骤4曝光后的样品放在烘台上烘烤。
19.步骤6，将步骤5烘烤的样品放入mjb4光刻机中，不放置掩模版，选择软接触模式进行泛曝光。
20.步骤7，把步骤6曝光后的样品放入显影液中进行显影，使用去离子水将显影液冲洗干净，用氮气吹干表面多余的水分。
21.步骤8，在步骤7所得样品上进行磁控溅射、热蒸镀、电子束蒸镀或喷墨打印金属形成金属薄膜，在丙酮中超声清洗掉光刻胶及光刻胶上多余的金属，得到附着在柔性衬底上的可拉伸图案化导线。
22.步骤9，将柔性材料均匀浇在方形玻璃片上，留出边界，放入真空泵中抽出其中的气泡，在室温中水平放置使柔性材料自流平，之后放入烘箱烘烤，使其固化为柔性薄膜。
23.步骤10，对步骤9得到的柔性薄膜进行剪裁，然后将剪裁后的柔性薄膜覆盖在步骤8得到的附着在柔性衬底上的可拉伸图案化导线上，进而得到用于柔性传感器中电气互联的可拉伸图案化金属导线。
24.优选的：步骤8中在步骤7所得样品上进行磁控溅射、热蒸镀、电子束蒸镀或喷墨打印金属形成金属薄膜前，在步骤7所得样品上先镀一层铬。
25.本发明相比现有技术，具有以下有益效果：
26.本发明可以用在需要的柔性电路电气互联中，图案化的导线可以让柔性器件有更好的拉伸性，可以对人体进行健康监测且不会对皮肤造成伤害。
附图说明
27.图1为六边形结构导线无拉伸与拉伸40％情况对比。
28.图2为蛇形结构导线无拉伸与拉伸40％情况对比。
29.图3为从无拉伸到拉伸40％电阻的变化情况。
30.图4为所测人体ppg信号。
具体实施方式
31.下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本技术所附权利要求所限定的范围。
32.实施例1：
33.一种用于柔性传感器中电气互联的可拉伸图案化金属导线，包括可拉伸图案化导线、柔性衬底、柔性薄膜，所述可拉伸图案化导线呈阵列排布在柔性衬底上，而所述柔性薄膜覆盖在可拉伸图案化导线上。所述可拉伸图案化导线包括第一实线端头、第二实线端头、图案化线体，所述第一实线端头设置于图案化线体的一端，所述第二实线端头设置于图案化线体的另一端。所述第一实线端头用于与第一电器件连接，所述第二实线端头用于与第二电器件连接，进而实现第一电器件与第二电器件的电导通。可拉伸图案化导线的上下表面均有柔性材料对其进行保护。
34.所述图案化线体包括蛇形图案线体、六边形图案线体、菱形图案线体或椭圆形图案线体。微结构(图案)有蛇形，六边形，菱形，椭圆形四种形状。将导线进行图案化设计是模拟剪纸的传统文化，可提高导线的可拉伸性，与柔性衬底有更好的配合，也增强了器件的美观程度。多种图案经过有限元仿真可得到拉伸效果的模拟，经仿真可发现拉伸能力较好的图案为六边形和蛇形导线。图案设计包括蛇形图案，六边形图案，菱形图案与椭圆形图案等，经设计后导线与普通导线从外形上有了明显差异。图案呈高度阵列化，可灵活根据要求制定需要的导线的长度，方向等。利用光刻技术将所需图案加工至柔性衬底上作为模板。
35.可通过改变导线的外观实现更好的性能，与传统电子行业不同，微加工技术的快速发展使得这种小型电路有更多的可能性，这种可拉伸图案化导线与器件相结合可让柔性电子设备产生更多的可能性。可拉伸电路根据不同需求与多种小型器件结合可完成不同的功能。
36.所述图案化线体的线宽在30微米至50微米之间，便于进行微加工工艺，且拥有良好的拉伸特性，可至少承受40％的拉伸情况以及拉伸至40％时依旧稳定的电学特性。
37.所述柔性衬底为聚二甲基硅氧烷衬底、聚酰亚胺衬底、聚对苯二甲酸乙二酯衬底、聚氨酯弹性体衬底或橡胶衬底。图案化线体易于设计在柔性衬底上，如聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二酯、聚氨酯弹性体等或橡胶。图案化线体通过光刻的方法将图案印在柔性衬底上，可通过电子束曝光或mjb4将图案光刻，其中mjb4光刻可以利用正胶s1813与负胶az5214进行实验，对于疏水性表面可先改变其表面亲疏水性之后再进行光刻。利用光刻胶为模板进行磁控溅射、热蒸镀、电子束蒸镀、喷墨打印等方法在柔性衬底上形成金属薄膜。在模板下进行磁控溅射、热蒸镀、电子束蒸镀，喷墨打印等方法覆盖一层金属薄膜，通过采用磁控溅射、热蒸镀、电子束蒸镀，喷墨打印等方法，使得金属薄膜与柔性衬底有良好附着性，当柔性衬底被拉伸时，金属薄膜也随着柔性衬底被拉伸，有效的防止金属薄膜与柔性衬底的分离，避免金属薄膜形成的图案化线体由于受力不均被拉断的现象。金属采用金、银、铜等，也可选择在底层先镀一层铬使上层的金、银、铜有更好的附着性，再进行剥离工艺去除光刻胶。
38.所述图案化线体由金、银或铜制成。金属薄膜需选择有良好拉伸性、导电性，且与衬底有良好附着性的金属，如金、银、铜等，也可选择在底层先镀一层铬使上层的金、银、铜
有更好的附着性。金属薄膜在蒸镀或溅射后需通过剥离工艺清洗掉底层的光刻胶得到最终的导线结构，一般利用丙酮浸泡或超声清洗对样品进行处理，得到最终的结构化导线。
39.一种柔性传感器件，包括光电探测器、健康监测电路以及权利要求1所述用于柔性传感器中电气互联的可拉伸图案化金属导线，所述用于柔性传感器中电气互联的可拉伸图案化金属导线的第一实线端头与光电探测器连接，所述用于柔性传感器中电气互联的可拉伸图案化金属导线的第二实线端头与健康监测电路连接。用于柔性传感器中电气互联的可拉伸图案化金属导线可直接与其他电子器件进行连接，得到所需柔性电子器件，可以对人体进行健康监测。
40.可以根据需要与其他小型器件如led灯与光电探测器相连接，组成完整的柔性传感器件。可以用于人体监测所需的柔性传感器的电气互联设计，是组成可拉伸传感器件的关键部分，拥有合适的线宽，让导线能承受较大的拉伸力且保持良好的电学特性。拥有高度阵列性，灵活适配电路需求。
41.一种用于柔性传感器中电气互联的可拉伸图案化金属导线的加工工艺，采用可拉伸导线与光电探测器和波长660nm与850nm的led组合测量人体ppg信号。
42.以拉伸形状为六边形的导线为例，附图1展示了六边形图案的拉伸性，可看到在40％拉伸情况下依然有良好的应力状态，以此图案为基础对导线进行图案化，在实际电路中，只留出边缘部分为实线与排线进行连接。
43.步骤1，设计需要的电路，包括660nm与850nm的led灯阴极连线与两led灯的共阳极连线，以及光电探测器(pd)的阴极连线与阳极连线，光电探测器与两个led之间间隔1cm。
44.步骤2，将聚酰亚胺(pi)薄膜平整贴于硅片上作为衬底。
45.步骤3，在pi表面旋涂az5214光刻胶，旋涂速度为2500rpm/min，旋涂时间为45s，在100℃的烘台上烘烤100s(前烘)。
46.步骤4，将样品放入mjb4有掩模版光刻机中进行曝光，选择硬接触模式，曝光时长为2s。
47.步骤5，把曝光后的样品放在110℃的烘台上烘烤120s，作为后烘。
48.步骤6，将样品放入mjb4光刻机中进行泛曝光，选择软接触模式，不放置掩模版，曝光时长为11s。
49.步骤7，之后将样品迅速放入显影液中进行显影，显影时间为30s，使用去离子水将显影液冲洗干净，用氮气吹干表面多余的水分。
50.步骤8，在所得样品上热蒸镀150nm的铜，在丙酮中超声清洗掉光刻胶及光刻胶上多余的铜。
51.步骤9，此时就得到了线宽为30-50微米的蜂窝图案的导线。
52.步骤10，利用comsol有限元仿真对图案进行电学分析，可得到附图2所示电阻曲线，其中delta为80微米时代表拉伸度为40％。
53.步骤11，在所得电路上利用acf胶带与导电银浆将660nm与850nm的led与光电探测器(pd)接入电路中。
54.步骤12，afe4900是可用于ecg、ppg信号采集的模拟前端，其中ppg信号链可以达到支持多达四个可切换led与最多三个光电探测器(pd)进行工作，利用排线将afe4900与设计好的电路进行连接，通过控制660nm与850nm的led灯电流检查led灯与光电探测器是否可以
正常工作。
55.步骤13，将聚二甲基硅氧烷预聚物(pdms，常用型号为sylgard 184，预聚物与交联剂比例为10：1)均匀浇在一边长为50mm正方形玻璃片上，留出边界，放入真空泵中抽出其中的气泡，在室温中水平放置三小时使pdms自流平，之后放入烘箱中60摄氏度烘烤2小时，使其固化为一层薄膜。
56.步骤14，用小刀将pdms薄膜裁至合适的大小，对所搭电路进行封装与保护。
57.步骤15，将手指轻轻放在所搭电路上，交替给660nm的led灯与850nm的led灯通入30s电流，大小为100ma，1分钟后将光电探测器(pd)采集到的数据保存下来，整理可得附图3所示图像，证明器件可以很好的测量人体ppg信号，后续可以通过计算ppg信号波峰和波谷估算。
58.实施例2
59.采用可拉伸导线与光电探测器和波长750nm以及850nm的led组合测量人体组织氧饱和度的绝对量(rso2)。
60.以拉伸形状为蛇形的导线为例，附图4展示了蛇形图案的拉伸性，可看到在40％拉伸情况下依然有良好的应力状态，以此图案为基础对导线进行图案化，在实际电路中，只留出边缘部分为实线与排线进行连接。
61.步骤1，设计需要的电路，包括750nm与850nm的led灯阴极连线与两led灯的共阳极连线，以及远近两个光电探测器(pd)的阴极连线与阳极连线，此时两个光电探测器与两个led之间间隔分别为1cm与2cm。
62.步骤2，将聚酰亚胺(pi)薄膜平整贴于硅片上作为衬底。
63.步骤3，在pi表面使用磁控溅射溅射150nm的金。
64.步骤4，在金表面旋涂s1813光刻胶，旋涂速度为4000rpm/min，旋涂时间为45s，在115℃烘台上烘烤60s。
65.步骤5，将样品放入mjb4有掩模版光刻机中进行曝光，选择硬接触模式，曝光时长为7s。
66.步骤6，之后将样品放入显影液中进行显影，显影时间为40s，使用去离子水将显影液冲洗干净，用氮气吹干表面多余的水分。
67.步骤7，利用碘化钾溶液刻蚀掉未被光刻胶覆盖的多余的金，之后在丙酮溶液中浸泡5min，除去表面的光刻胶。
68.步骤8，此时就得到了线宽为30-50微米的蛇形图案的导线。
69.步骤9，在所得电路上利用acf胶带与导电银浆将750nm与850nm的led与两个光电探测器(pd)接入电路中。
70.步骤10，利用排线将afe4900与设计好的电路进行连接，通过控制750nm与850nm的led灯电流检查led灯与光电探测器是否可以正常工作。
71.步骤11，制作pdms薄膜对电路进行封装和保护。
72.步骤12，将器件贴于小臂前臂上，分别将750nm与850nm的led灯通入1分钟50ma的电流，可以得到两光电探测器探测到的数据，由此算出人体组织氧饱和度绝对量(rso2)。
73.本发明可用于多种柔性传感器。此发明可对导线除去外部连接的部分进行图案化设计，图案化部分具有高可拉伸性的特点，以及良好的电气传输性质，可以与体积较小的无
机或有机器件进行结合组成需要的传感器，将需要的电路小型化，柔性化。在结合了信号采集，信号处理等手段后，可以根据需要测量多种数据，又因其体积小，可拉伸性强等优点，不会对皮肤造成损伤，也无需医院多种仪器接线等复杂监测条件的限制，在人体健康监测上有重要意义。
74.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。