CN111006801A - 用于生理信息监测的柔性变模态传感器、应用及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于传感器领域，并公开了一种用于生理信息监测的柔性变模态传感器、应用及制备方法。该传感器包括基底和依次设置在基底下方的上电极层、压电层和下电极层，其中：上/下电极层包括三部分电极，第一部分电极形成闭合蜿蜒蛇形，第二部分和第三部分结构相同，呈敏感栅状，分布在第一引脚的两侧，且第二部分和第三部分的夹角呈90度，压电层与第一部分电极结构相同；上/下电极层可作为电阻式传感器，当测量上电极层上的第一引脚与下电极层上的第一引脚之间的电压或电容时，分别作为压电传感器和电容传感器。通过本发明，实现不同传感模式下多种物理量的测量，有效降低接口数量需求，降低***成本。

Description

用于生理信息监测的柔性变模态传感器、应用及制备方法
技术领域
本发明属于传感器领域，更具体地，涉及用于生理信息监测的柔性变模态传感器、应用及制备方法。
背景技术
现有的柔性传感器功能多比较单一，多功能的柔性传感器通常采用各个功能模块单元叠加分布的方式实现，当前多模态传感单元的排布方式可分为三种：
1)排布方式1：相同类型的传感单元按区域集成，不同区域集成不同功能的传感器。这种传感单元排布不适用于各个类型传感单元需要均布的表皮电子***。例如文章“Kim D H,Lu N,Ma R,et al.Epidermal electronics[J].science,2011,333(6044):838-843.”提出的表皮电子***具备应变检测、温度检测、电信号检测等功能，该器件不同类型的传感单元在同一平面内的不同区域集成不同功能的传感单元，虽然器件功能丰富的同时又较为小巧，但是采用的集成方式为简单的分区排布，这种排布方式应用场合较为局限且器件的空间利用率低；又发明专利 CN201480044882.X提出了一种用于颅内神经检测的集成多模态传感器装置，该器件相同类型的传感单元按照区域集成制备，不同区域有着不同的功能。该装置包含了温度传感器、震动传感器、氧传感器，将衬底划分为三部分，分别在三部分上制备三种传感器，从而实现功能的集成，虽然采用了关联制造方法,并且器件三个传感模块互相之间没有联系，占据了大量的衬底面积并产生大量引脚，从而占用更多的电路资源；
2)排布方式2：不同类型的传感单元在同一平面内交错均匀分布。这样的排布是表皮电子当前经常采用的形式，但这样的排布存在着占用平面面积大，不易于高度集成和岛桥互联网络化以及电路错综复杂的缺点。例如文章“Zhao S,Zhu R.Electronic skin withmultifunction sensors based on thermosensation[J].Advanced Materials,2017,29(15): 1606151.”提出的电子皮肤具备感受温度、震动以及风速等功能；文章“Hua Q,SunJ,Liu H,et al.Skin-inspired highly stretchable and conformable matrixnetworks for multifunctional sensing[J].Nature communications,2018,9(1):244.”提出的仿生皮肤的可伸缩集成矩阵网络多功能传感具备检测温度、平面应变、湿度、光、磁场、震动等功能，以上两种器件的不同类型的传感单元均为在同一平面内交错均匀分布的形式。虽然器件整体功能丰富，但同样是简单地将各个传感单元进行了排布叠加，传感单元密度较小，器件的垂直空间利用率低，接口引线较为复杂；
3)排布方式3：相同类型的传感器在同一平面内均匀分布、不同传感器所在平面进行叠加。这种传感器分布能够解决第二种排布方式占用面积大、不易于高度集成的缺点，但在厚度方向上堆叠多层传感单元，存在工艺过程复杂且厚度成数倍增加的缺点，导致器件的柔性大打折扣，如发明专利CN201711385291.0提出了一种多模态触觉感知装置，该装置采相同类型的传感器在同一平面内均匀分布、不同传感器所在平面进行叠加。包含了图像采集传感器、多阵列震动传感器、发光器、温度传感器，单个器件多阵列震动传感器就高达25个，发光器、温度传感器还要单独占据物理空间和***资源，器件厚度大(非柔性)，并且接口和引线较为复杂。
以上三种排布方式有一个共同的缺陷：传感单元的端口和引线总数均为各个传感单元自有端口和引线数量之和，因此在高密度集成时，要占用大量的硬件资源且排线布局十分困难。
总之，随着传感和激励模块数量的不断增加、柔性传感器的功能数量和功能层(或引线)数量之比低，导致柔性传感器需要实现全部功能的***资源负担高，器件制备工艺复杂程度大，传感器件的空间利用率较低，硬件电路负担大且需要更加高昂的费用，如何实现多种传感激励单元高效集成即能够同时实现器件功能丰富化、工艺过程简化、接线端口精简、提高器件空间利用率实现传感器的多用途、利用同一传感器内不同传感原理的传感功能组合提高同一待测物理量的测量精度和测量稳定性、降低传感器的冗余度，达到柔性电子用于待测对象健康监测的目标需求是本专利的研究目标。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于生理信息监测的柔性变模态传感器、应用及制备方法，通过对上电极层、压电层和下电极层的结构设计，能够通过采集多种物理参数的测量和随机的切换，实现传感器功能的转变，从而实现了一个传感器原位测量多个物理量的目标，提高检测效率。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种用于生理信息监测的柔性变模态传感器，该传感器包括基底和依次设置在基底下方的上电极层、压电层和下电极层，其中：
所述上电极层和所述下电极层的结构相同，所述上/下电极层包括三部分电极，第一部分电极首尾两端相连，形成闭合蜿蜒蛇形，该部分电极设置有一个第一引脚，第二部分和第三部分结构相同，呈敏感栅状，分布在第一引脚的两侧，且第二部分和第三部分的夹角呈90度，第二部分和第二部分的一端均与所述第一引脚相连，另外一端分别设置有第二引脚和第三引脚，所述压电层设置在所述上电极层和下电极层之间，该压电层与所述第一部分电极结构相同；
当测量所述上/下电极层的三个引脚中的两个之间的电阻时，所述上/ 下电极层作为电阻传感器，当测量所述上电极层上的第一引脚与下电极层上的第一引脚之间的电压或电容时，所述传感器分别作为压电传感器和电容传感器。
进一步优选地，所述第一部分电极和压电层上均设置有多个孔径为 100nm～1μm的微孔，当水蒸汽进入该孔中时，改变所述压电层的介电常数，进而改变所述上电极层与下电极层之间的电容。
进一步优选地，所述上电极层的材料优选采用金、铂、银、钛、铌或钽。
进一步优选地，所述下电极层的材料优选采用金、铂、银、钛、铌或钽，上电极层和下电极层的材料不同。
进一步优选地，所述压电层的材料优选采用钛酸钡、钛酸铋钠、铌酸钾钠、铌酸锶钡、铌酸钡钠、钛酸铋、钛酸铋钙或钛酸铋锶，所述基底的材料优选采用PI、PET、PU或PDMS。
进一步优选地，所述上电极层的厚度优选为100nm～200nm，所述下电极层的厚度优选为100nm～200nm。
进一步优选地，所述柔性变模态传感器为模块化的传感器，由此，通过多个模块的组合可构成多模块柔性变模态传感器。
按照本发明的另一方面，提供了一种上述所述的柔性变模态传感器在测量温度、应变、震动、水合、电势、电刺激和杨氏模量中的应用。
按照本发明的又一方面，提供了一种上述所述的柔性变模态传感器的制备方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
(a)选取硬质基底，在该基底上旋涂牺牲层，在所述牺牲层上采用光刻工艺和磁控溅射的方式成形所述下电极层；
(b)采用溶胶凝胶法在所述下电极层上成形所述压电层；
(c)采用光刻工艺和磁控溅射的方式在所述压电层上成形所述上电极层；
(d)采用溶胶凝胶法在所述上电极层上制备柔性基底；
(e)在所述柔性基底上贴附热释放胶带，采用激光照射所述硬质基底的背面，以此去除所述牺牲层，然后加热使得所述热释放胶带脱落，以此获得所需的柔性变模态传感器，所述热释放胶带在去除所述牺牲层的过程中用于保持所述柔性基底不变形，避免其弯曲变形；
进一步优选地，该方法还包括采用飞秒激光在所述第一部分电极和压电层上进行微孔加工，微纳米级直径的阵列化微孔加工。
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，能够取得下列有益效果：
1、本发明采用将第一部分电极设计为蜿蜒蛇形，蛇形蜿蜒结构是一种能够使薄膜金属电极具备一定拉伸能力的电极，实现超过20％的拉伸能力；将第二部分和第三部分电极设计为敏感栅状，同时第二部分和第三部分的夹角为90度，敏感栅状结构能够使该部分的总长度较大且走向一致，增加该部分的初始电阻值，当产生轴向(平行敏感栅状结构走向的方向)应变时，敏感栅状结构的每条敏感栅都产生相同应变，电阻变化值被放大，而第二部分和第三部分之间形成的90°夹角为平面正交方向的夹角，因而能够测量平面正交方向的两个应变得到应变矢量值；同理当温度变化时，由于敏感栅每个部分的电阻都发生变化，电阻值变化也被放大，因而能够灵敏地检测应变和温度；
2、本发明将传感器的各个功能模块进行有机整合，使每个功能层都具有多个角色，例如电极层可作为传感器或激励器的电极，也同时作为温湿度或者应变传感器等，可以在平面内以及垂直方向上整合传感单元，通过材料的选择或结构的设计高效利用每一个功能层，同一功能层在不同的传感模式中充当不同的角色，最后通过导线互联和切换电路的设计降低硬件采集电路的接口数量，提高电路的资源利用率，切换电路能够根据需求使传感器的不同引线有选择地接入到采集电路中，实现不同传感模式下对应的物理量的测量，使用切换电路能够有效降低采集芯片的接口数量需求，从而降低***成本；
3、本发明相对传统的针对待测对象生理健康监测的多功能传感器或其他领域的多功能传感器的集成方法，实现丰富功能的同时结构简单、制备工艺简单、集成度高；能够实现原位单双向交互，解决集成度低、***资源过分占用，导线复杂交错等问题；对厚度和面积尺寸的有效控制能够减小器件对待测对象生理机能的影响，总之，柔性变模态表皮电子器件的结构设计、相关电路***的设计是实现新一代复合型、高集成度柔性生理信息监测的柔性电子的重要手段，也是迎合市场需求的柔性电子发展的趋势。
附图说明
图1是按照本发明的优选实施例所构建的柔性变模态传感器的功能层三维结构示意图；
图2是按照本发明的优选实施例所构建的上/下电极层的结构示意图；
图3是按照本发明的优选实施例所构建的柔性变模态传感器的截面结构示意图；
图4是按照本发明的优选实施例所构建的第一部分电极的结构示意图；
图5是按照本发明的优选实施例所构建的应变及温度检测的惠斯通全桥电路原理图；
图6是按照本发明的优选实施例所构建的水合检测单元三维结构及等效电路原理图；
图7是按照本发明的优选实施例所构建的杨氏模量检测原理图；
图8是按照本发明的优选实施例所构建的电路***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。
如图1所示，一种用于生理信息监测的柔性变模态传感器，该传感器包括上电极层、压电层和下电极层，其中：
所述上电极层和所述下电极层的结构相同，如图2和3所示，所述上/ 下电极层包括三部分电极，第一部分电极首尾两端相连，形成闭合蜿蜒蛇形，该部分电极设置有一个第一引脚，第二部分和第三部分结构相同，呈敏感栅状，分布在第一引脚的两侧，且第二部分和第三部分的夹角呈90度，本实施例中，第二部分电极的方向为x轴方向，第三部分电极的方向为y 轴方向，第二部分和第二部分的一端均与所述第一引脚相连，另外一端分别设置有第二引脚和第三引脚，所述压电层设置在所述上电极层和下电极层之间，该压电层与所述第一部分电极结构相同；
当测量所述上/下电极层的三个引脚中的两个之间的电阻时，所述上/ 下电极层作为电阻传感器，当测量所述上电极层上的第一引脚与下电极层上的第一引脚之间的电压或电容时，所述传感器分别作为压电传感器和电容传感器。
本实施例中，上电极层的引脚为m1,x1和y1，下电极层的引脚为m2， x2和y2，其中，m1和m2为第一部分电极的引脚，可测量上电极层m1和 x1，m1和y1之间的电阻，也可测量下电极层m2和x2，m2和y2之间的电阻。
进一步地，如图4所示，第一部分电极和压电层上均设置有多个孔径为100nm～500nm的微孔，当水蒸汽进入该孔中时，改变所述压电层的介电常数，进而改变所述上电极层与下电极层之间的电容。
进一步地，所述上电极层的材料优选采用金、铂、银、钛、铌或钽。
进一步地，所述下电极层的材料优选采用铂、金、银、钛、铌或钽，上电极层的材料和下电极层的材料不同，否者无法对温度和应变进行解耦。
进一步地，所述压电层的材料优选采用压电材料钛酸钡、钛酸铋钠、铌酸钾钠、铌酸锶钡、铌酸钡钠、钛酸铋、钛酸铋钙或钛酸铋锶，压电传感是一种无需外部电源的自供电的传感方式，与常用的压电材料PZT相比，其具备生物兼容性，与氧化锌和PVDF相比，其具备更高的压电性能，其结构设计为：蛇形蜿蜒结构，其上设置有微孔阵列结构。
所述基底的材料为PI、PET或PDMS等柔性材料。
进一步地，所述上电极层的厚度优选为100-200nm，所述下电极层的厚度优选为100-200nm。
敏感栅状结构可用于测量温度和应变并对彼此造成的误差进行补偿，基于此，下层电极材料可选择为电阻温度系数较大且具有生物兼容性的金属铂，金、银、钛、铌或钽，上电极层材料选择可选择为应变敏感系数较高的金属金、铂、银、钛、铌或钽；同时，为了使得传感器具备良好的可拉伸性，将电极结构设计为蛇形蜿蜒结构保证了较大的占空比和可拉伸能力。
本发明的一种用于生理信息监测的柔性变模态传感器在测量温度、应变、震动、声波、水合、电势、电刺激和杨氏模量中的应用，具体地：
(1)温度检测和应变检测：如图5所示，敏感栅状结构的第二部分电极是电阻式温度应变传感单元，同时测量上下层第二部分电极(或第三部分电极)的电阻值，能够获得器件贴附位置的待测对象的温度及相应轴向的应变，同时测量上下层第二部分电极和第三部分电极的电阻值能够获得贴附位置处产生的X轴向和Y轴向应变，并能够获得两组温度值，可进行平均计算使测得的温度更为精确。
温度和应变同时对上和下电极层两个金属敏感栅状结构的电阻产生影响，通过联立上和下电极层金属的电阻计算方程形成方程组，对其进行解耦便能够得到精确的温度和应变值，考虑压电层厚度带来的上下层电极与应变中性层的距离产生的影响，其中，应变中性层是应变(或应力)为零的面，在一个板或者一个悬臂梁弯曲后，不同厚度层具有不同的应力，比如向下弯曲的时候，悬臂梁厚度靠上的位置的面内是拉力作用，靠下的位置的面内是压力的作用，那在拉压之间的一定会有一个面是没有任何应力的，称之为中性层或中性面。如图5所示，为电阻检测所使用的惠斯通电桥电路，此外，温度的检测可分别利用X轴向和Y轴向栅状结构的上下层电极求解后求其平均值得到更为精确的温度值，多个变模态单元组合实现生物组织或器官表面温度场和应变云图的分布变化。
温度检测可评估待测对象的状态；当贴附于动物体关节处等位置时可利用应变检测功能获取动物肢体的运动状态。
测量x1和m1,y1和m1,x2和m2,y2和m2之间的电阻，即通过分别检测上和下电极层获得两组X轴向和Y轴向的电阻，解耦得到两组温度数值及X轴向应变值和Y轴向应变值。
(2)震动检测和声波(震动)刺激：上下电极层蛇形蜿蜒部分的第一部分电极与之间的压电层形成压电传感器，微孔能够降低所在区域功能层的垂直刚度，提升压电单元的灵敏度，利用其正、逆压电效应可分别实现震动检测和声波刺激功能。
可利用震动检测功能检测待测对象的呼吸、待测对象内部压力变化、待测对象蠕动特征、待测对象的收缩状态等；声波刺激能够对待测对象皮肤施加触觉反馈，与其他传感功能一起形成双向交互。
对于震动检测，震动引起压电信号的变化，通过一个通路的正负极分别接上下层电极的同一侧蛇形蜿蜒区临近的引脚m1或m2，实现对蛇形蜿蜒区产生的压电电压信号进行采集，对于声波检测，其与震动检测通路的接线方式相同，利用该接线通路的正负极对压电功能层施加电信号，利用逆压电效应形成声波(或震动)，实现触觉反馈等功能。
(3)水合检测：如图6所示，上下电极层的层蛇形蜿蜒结构电极与之间的具有微孔阵列结构的压电层形成电容传感器，下电极层在制备时在功能区的微孔阵列结构区域自然形成相同微孔分布，并不与下电极层形成短路，微孔使得待测对象表面的水的气态分子能够渗入进去，从而改变电容值，通过测量电容值的大小获得器件贴附位置的水合值。
当传感器贴附于待测对象的表面时，测量引脚m1和m2之间电容的变化，能够评估待测对象水合状况。
对于电势、电刺激和杨氏模量的检测可采用多模块柔性变模态传感器，具体如下：
(1)电势检测和电刺激：下电极层直接贴附在待测对象表面，可拉伸蛇形蜿蜒结构的电极部分能够在保证其具备较好可拉伸性同时具备良好的电学性能(有效电极工作区占空比较高)，能够作为电势检测电极和电刺激电极使用，多个变模态单元配合充当多个电势测量点和地极实现多点生物电势检测功能；也能利用变模态单元两两组合，对待测对象施加电场刺激。
选取多个柔性变模态传感器贴附在待测对象表面不同的位置，测量每个传感器上的电压，两个传感器的电压差即为传感器所在处的电势，当将其中一个传感器作为电刺激激励信号时，其它传感器上测量的电压即为电刺激信号。
不同位置处的对于电势的检测，首先确定电势检测点数量a，将多种信号选通电路的a路通道的正极分别接变模态单元的下层电极蛇形蜿蜒区临近的引脚之一m1或m2，将这a路通道的负极同一接地(选择电势比较稳定的部位贴附单个变模态单元按照上述接法作为地极)，实现多点待测对象电势检测。
(2)杨氏模量检测：如图7所示，一个传感器作为激励施加单元，相邻的另一个传感器作为震动检测单元，当待测对象的杨氏模量范围处于 1kPa～1000kPa时有如下公式：
Figure RE-GDA0002371654370000101
其中，Vsensor作为传感器接收到的电压信号，Vactuator作为激励单元施加的电压信号，e31和k33分别为压电材料的压电系数和介电系数，APVDF和hPVDF分别为PVDF功能区面积和厚度，EPI和Etissue分别为PI基底的杨氏模量和待测对象的杨氏模量，hPI为基底PI层的厚度，d为激励单元和传感单元的间距，通过该公式能够计算待测对象的杨氏模量。
电势检测功能可以用来检测肠电、心电、脑电、肌电等生物电势；电刺激功能可以用来对神经施加有益刺激从而促进器官收缩或抑制其收缩，也可以控制动物体的肢体运动，加快肢体运动机能恢复，也能够在皮肤表面形成电触觉；杨氏模量检测对于生物组织或器官患癌情况、发炎状况以及皮肤健康状况等进行评估。
如图8所示，将本发明中提供的柔性变模态传感器应用于电路中，电路***包括变模态传感器，无关信号补偿单元、多种信号切换选通电路、无线双向通讯单向供能无线模块、主控MCU控制模块。其中,变模态传感器包括多个柔性变模态传感单元，无关信号补偿单元为一个柔性变模态传感单元，无线双向通讯单向供能无线模块包含信号采集处理电路和单一线圈对，无线双向通讯单向供能无线信号采集处理电路包含差分放大电路、滤波电路、算法电路、能量转换电路，线圈对包含体内线圈和体外线圈，主控MCU控制模块包含数据存储模块、蓝牙通讯模块、能量传输电路、便携式电源。
电路***工作流程如下：变模态传感器中的传感单元采集有用信号和无关信号，无关信号补偿单元采集无关信号，通过多种信号选通电路将自身检测到的电势信号和压电信号传递给无线双向通讯单向供能无线信号采集处理电路，通过对采集到的信号进行滤波并与无关信号进行差分得到有用的数据，利用算法电路对有用数据进行编码并通过无线双向通讯单向供能无线的单一线圈对将数据传输至体外的主控MCU模块的数据存储模块并通过蓝牙模块传递给PC或智能手机(APP)。
施加有益激励：智能终端通过接收到的数据对待测对象的状况进行分析处理实时评测，根据分析的结果对具体部位施加针对性的有益电刺激或电触觉刺激，通过将施加电刺激的命令以蓝牙通讯方式传递给主控MCU控制模块，MCU控制模块利用近场通讯的线圈对无线将指令反馈给无线双向通讯单向供能无线模块，经由多种信号选通电路将电信号传递给器件，通过对测试对象的施加电刺激实现逆向反馈，例如，若某处需要进行同步电刺激，则智能终端将刺激编码传递给主控MCU模块通过利用信息的反向传递，将刺激信号传递给无线模块，对传感器施加以电流刺激，通常所需刺激电流大小为3mA，波形为方波，频率为100～200Hz低频电流，施加电流要与生理电势同步，同步刺激的刺激效果最佳。也可以利用电刺激功能对应用对象的表皮施加电刺激从而实现电触觉功能。
能量传递：待测对象内部电路的供能由主控MCU模块将便携式电源的能量通过能量传输电路传递给体外线圈，待测对象外线圈与待测对象内线圈之间通过谐振方式利用电磁场进行体内到体外能量的传输，通过无线双向通讯单向供能无线模块的能量转换电路，能量一部分由电路自身消耗，一部分作为施加交变磁场的能量消耗。
本发明还提供了一种用于生理信息监测的柔性变模态传感器的制备方法，具体步骤如下：
(1)首先在蓝宝石玻璃基底上利用溶胶凝胶法制备牺牲层钛酸钡，厚度为0.6-1μm。；
(2)在制备好牺牲层的蓝宝石玻璃片上利用光刻工艺制备图案化的光刻胶(非下层电极金属沉积区)，磁控溅射工艺过程中先溅射一层粘附性能好的金属，例如钛或者铬，然后再溅射下电极层的金属然后脱胶形成图案化的下电极层；
(3)依照上述步骤(1)，利用溶胶凝胶法制备1-2μm厚的压电功能层；
(4)依照上述步骤(2)，利用光刻工艺和磁控溅射工艺制备上电极层，磁控溅射工艺过程中先溅射一层粘附性能好的金属，例如钛或者铬，然后再溅射上电极层的金属；
(5)在制备好上层电极的蓝宝石玻璃片上利用溶胶凝胶法制备柔性传感器自身的基底聚酰亚胺薄膜层，厚度2-6μm；
(6)在制备好聚酰亚胺层的蓝宝石玻璃片上贴附热释放胶带TRT胶带，保证在激光剥离过程中剥离的部分不发生难以恢复的卷曲变形，控制剥离过程中的器件不发生塑性变形；
(7)清洗蓝宝石玻璃片的背面，利用准分子面激光照射蓝宝石玻璃片背面，将最下层的钛酸钡牺牲层打掉，从蓝宝石玻璃基底上剥离传感器；
(8)利用极紫外激光沿传感器功能区边线靠外的偏移线进行切割，，仅将器件切穿，而不切穿下层TRT，实现镂空剪裁；
(9)在电势检测区域的电极部分利用飞秒激光进行纳米 (100nm-500nm)级直径的阵列化微孔加工；
(10)加热TRT，125℃-130℃加热10分钟，释放超薄柔性传感器,除去非功能区部分，得到传感器。
下面将结合具体的实施例进一步说明本发明。
(1)加热15ml冰乙酸至80℃，将1.03钛酸钡缓慢导入烧杯搅拌20 分钟，去除烧杯冷却至室温，加入1.53钛酸丁酯继续搅拌5分钟后加入 0.08ml乙酰丙酮并搅拌30分钟，得到黄色透明溶胶，静置五天后进行钛酸钡牺牲层的制备，匀胶转速为3000r/s，固化温度为120℃，时间为5分钟，旋涂匀胶次数为6～10次(0.6～1μm厚)，300℃蒸发溶剂30分钟，然后利用程控式退火炉进行退火，退火温度为700℃，升温速度为5℃/min，退火时间为40min，然后随炉冷却至室温。；
(2)在制备好牺牲层的蓝宝石玻璃片上利用光刻工艺制备图案化的光刻胶(非下层电极金属沉积区)，磁控溅射工艺依次沉积粘附层金属钛，溅射金属钛时，通入氩气后控制腔体压强为0.7～0.8Pa，溅射功率为65W，预溅射3min，正式溅射1.5～3min，使得金属钛的厚度为5～10nm，磁控溅射金属箔时，通入氩气后控制腔体压强为0.7～0.8Pa，溅射功率为65W，预溅射0.5min，正式溅射8～16min，使得金属箔的厚度为100～200nm；
(3)依照上述步骤(1)，利用溶胶凝胶法旋涂匀胶次数为10-20次制备1-2μm厚的压电功能层钛酸钡；
(4)依照上述步骤(2)，利用光刻工艺和磁控溅射工艺制备粘附层金属铬，磁控溅射金属铬时，通入氩气后控制腔体压强为0.7～0.8Pa，溅射功率为65W，预溅射5min,正式溅射1～2min，使得最终获得金属铬的厚度为5～10nm，磁控溅射金属金时，通入氩气后控制腔体压强为0.7～0.8Pa，溅射功率为65W，预溅射0.5min,正式溅射13～26min，使得获得的金属金的厚度为100～200nm，形成上电极层；
(5)在制备好上层电极的蓝宝石玻璃片上利用溶胶凝胶法制备柔性传感器自身的基底聚酰亚胺薄膜层，厚度2～6μm，PI溶液的粘度可选择为 1100cp～1200cp，以转速1200r/s～1500r/s旋涂2～3次，加热固化温度 150℃，退火温度220℃；
(6)在制备好聚酰亚胺层的蓝宝石玻璃片上贴附热释放胶带TRT胶带，保证在激光剥离过程中剥离的部分不发生难以恢复的卷曲变形，控制剥离过程中的器件不发生塑性变形；
(7)清洗蓝宝石玻璃片的背面，利用准分子面激光照射蓝宝石玻璃片背面，准分子激光的能量密度范围：22mj～30mj，每个位置的重复照射次数为5～8次，将最下层的钛酸钡牺牲层打掉，从蓝宝石玻璃基底上剥离传感器；
(8)利用极紫外激光沿传感器功能区边线靠外0.3～0.5mm的偏移线进行切割，切割功率为25W～30W，仅将器件切穿，而不切穿下层TRT，实现镂空剪裁；
(9)在电势检测区域的电极部分利用飞秒激光进行纳米(100nm～ 500nm)级直径的阵列化微孔加工；
(10)加热TRT，加热温度为125℃～135℃，加热时长为5min，释放超薄柔性传感器,除去非功能区部分，得到传感器；
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。

Claims (10)

1.一种用于生理信息监测的柔性变模态传感器，其特征在于，该传感器包括基底和依次设置在基底下方的上电极层、压电层和下电极层，其中：
所述上电极层和所述下电极层的结构相同，所述上/下电极层包括三部分电极，第一部分电极首尾两端相连，形成闭合蜿蜒蛇形，该部分电极设置有一个第一引脚，第二部分和第三部分结构相同，呈敏感栅状，分布在所述第一引脚的两侧，且第二部分和第三部分的夹角呈90度，第二部分和第二部分的一端均与所述第一引脚相连，另外一端分别设置有第二引脚和第三引脚，所述压电层设置在所述上电极层和下电极层之间，该压电层与所述第一部分电极结构相同；
当测量所述上/下电极层的第一引脚和第二引脚之间，或者第一引脚与第三引脚之间的电阻时，所述上/下电极层作为电阻传感器；当测量所述上电极层上的第一引脚与下电极层上的第一引脚之间的电压或电容时，所述传感器分别作为压电传感器和电容传感器。
2.如权利要求1所述的一种用于生理信息监测的柔性变模态传感器，其特征在于，所述第一部分电极和压电层上均设置有多个孔径为100nm～1μm的微孔，当气态水分子进入该孔中时，改变所述压电层的介电常数，进而改变所述上电极层与下电极层之间的电容。
3.如权利要求1所述的一种用于生理信息监测的柔性变模态传感器，其特征在于，所述上电极层的材料优选采用金、铂、银、钛、铌或钽。
4.如权利要求4所述的一种用于生理信息监测的柔性变模态传感器，其特征在于，所述下电极层的材料优选采用金、铂、银、钛、铌或钽，上电极层和下电极层的材料不同。
5.如权利要求1所述的一种用于生理信息监测的柔性变模态传感器，其特征在于，所述压电层的材料优选采用钛酸钡、钛酸铋钠、铌酸钾钠、铌酸锶钡、铌酸钡钠、钛酸铋、钛酸铋钙或钛酸铋锶，所述基底的材料优选采用PI、PET、PU或PDMS。
6.如权利要求1所述的一种用于生理信息监测的柔性变模态传感器，其特征在于，所述上电极层的厚度优选为100nm～200nm，所述下电极层的厚度优选为100nm～200nm。
7.如权利要求1所述的一种用于生理信息监测的柔性变模态传感器，其特征在于，所述柔性变模态传感器为模块化的传感器，由此，通过多个模块的组合可构成多模块柔性变模态传感器。
8.一种权利要求1-7任一项所述的柔性变模态传感器在测量温度、应变、震动、水合、电势、杨氏模量和施加电刺激中的应用。
9.一种如权利要求1-7任一项所述的柔性变模态传感器的制备方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
(a)选取硬质基底，在该基底上旋涂牺牲层，在所述牺牲层上采用光刻工艺和磁控溅射的方式成形所述下电极层；
(b)采用溶胶凝胶法在所述下电极层上成形所述压电层；
(c)采用光刻工艺和磁控溅射的方式在所述压电层上成形所述上电极层；
(d)采用溶胶凝胶法在所述上电极层上制备柔性基底；
(e)在所述柔性基底上贴附热释放胶带，采用激光照射所述硬质基底的背面，以此去除所述牺牲层，然后加热使得所述热释放胶带脱落，以此获得所需的柔性变模态传感器，所述热释放胶带在去除所述牺牲层的过程中用于保持所述柔性基底不变形，避免其弯曲变形。
10.如权利要求9所述的制备方法，其特征在于，该方法还包括采用采用飞秒激光在所述第一部分电极和压电层上进行微孔加工，纳米级直径的阵列化微孔加工。
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