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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利 (10)授权公告号 (45)授权公告日 (21)申请号 201410811947.0 (22)申请日 2014.12.22 (65)同一申请的已公布的文献号 申请公布号 CN 104523227 A (43)申请公布日 2015.04.22 (73)专利权人 浙江智柔科技有限公司 地址 314006 浙江省嘉兴市南湖区亚太路 705号创新大厦A03-06-29 (72)发明人 冯雪 陈颖 苏红宏 陆炳卫 (51)Int.Cl. A61B 5/00(2006.01) A61B 5/01(2006.01) (56)对比文件 JP H08528。
2、16 A,1996.02.27,参见说明书 0014-0019段. US 6855424 B1,2005.02.15,全文. CN 102883970 A,2013.01.16,参见说明书 0002-0003段. 审查员 陈煜 (54)发明名称 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 (57)摘要 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， 属于柔性可延展电子器件技术 领域。 本发明的技术特点是利用生物兼容薄膜作 为柔性可延展电子器件的封装层和基底层， 还可 在封装层和功能层之间设置一层用于增强与功 能层之间界面强度的粘结层以及在生基底层下 面设置一层用于增强器件与待。
3、测物体表面附着 力的附着层； 功能层采用柔性可延展结构； 其制 备过程主要采用基于溶液转印技术实现功能层 与柔性基底集成。 本发明从结构上保持甚至提升 了其柔性可延展性， 同时其防水透气、 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带来的皮肤浸 渍、 发红或其他过敏反应。 权利要求书1页 说明书5页 附图2页 CN 104523227 B 2018.03.09 CN 104523227 B 1.一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(7)和基底层， 其特征在于， 所述封装层采用生物兼。
4、容封装层(1)， 基底层采用生物兼容基底层(5)； 所述的 生物兼容封装层(1)和生物兼容基底层(5)采用生物兼容薄膜； 所述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， 其上分布有直径从几百纳米到几十微米不等的非贯 穿孔,生物兼容薄膜具有防水透气、 低致敏性； 在生物兼容基底层(5)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(6)， 该层由高粘性的材料构成。 2.如权利要求1所述的一种基于生物兼容薄膜的柔性可延展电子器件， 其特征在于， 在 生物兼容封装层(1)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(2)。 3.如权利要求1或2所述的一种基于生物兼容。
5、薄膜的柔性可延展电子器件， 其特征在 于， 生物兼容封装层(1)和生物兼容基底层(5)的厚度相同。 4.如权利要求1所述的一种基于生物兼容薄膜的柔性可延展电子器件， 其特征在于， 所 述功能层(7)采用柔性可延展结构。 5.如权利要求4所述的一种基于生物兼容薄膜的柔性可延展电子器件， 其特征在于， 所 述柔性可延展结构采用岛桥结构、 S型结构或波浪状屈曲结构。 6.如权利要求1所述的一种基于生物兼容薄膜的柔性可延展电子器件， 其特征在于， 所 述功能层包含功能元件(3)、 互联导线(4)和引出电极， 所述功能元件(3)采用具有温阻、 压 阻或压电效应的材料。 7.一种制备如权利要求1所述的基于。
6、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： 1)在硅基片上制备牺牲层； 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； 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； 4)将生物兼容薄膜与硅基片上的功能层贴合； 所述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； 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； 6)在功能层预留的引出电极处接入外接导线； 7)用生物兼容薄膜对器件进行封装， 形成生物兼容封装层(1)， 完成器件制备。 8.如权利要求。
7、7所述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， 其中第4)-5)步功能层与生物兼容基底层(5)集成时利用转印技术实现。 权 利 要 求 书 1/1 页 2 CN 104523227 B 2 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。
8、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， 其研究存 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究兴趣， 相继出现在皮肤上测量水分、 体温、 心电、。
9、 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 部分研究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。
10、不限于： 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。
11、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 说 明 书 1/5 页 3 CN 104523227 B 3 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、。
12、 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 1)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。
13、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。
14、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。
15、能层/ 生物兼容基底层， 其中， 生物兼容封装层1是一类具有生物兼容性的薄膜， 包括但不限于具 说 明 书 2/5 页 4 CN 104523227 B 4 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。
16、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。
17、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1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1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1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。
18、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。 0032 图3是本发明提供的一种基于生物兼容薄膜的柔性可延展电子器件的制备方法的 工艺流程图， 该制备方法包括如下步骤： 0。
19、033 1)在硅基片上制备牺牲层； 0034 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； 0035 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； 0036 4)将生物兼容薄膜与硅基片上的功能层贴合； 0037 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， 形成生物兼容基底层5与功能层结合； 0038 6)在功能层预留引出电极处接入外接导线； 0039 7)用生物兼容薄膜对器件进行封装， 形成生物兼容封装层1， 完成器件制备。 0040 上述制备方法中， 根据不同器件功能设计要求， 如有需要， 可以重复步骤2)3)， 。
20、进行多层制备， 层与层之间采利用绝缘层进行隔离， 或打孔帮助连接。 第4)步转印， 可以采 说 明 书 3/5 页 5 CN 104523227 B 5 用将生物兼容薄膜通过粘结层2与硅基片上的功能层贴合， 再将生物兼容薄膜与硅基片一 起放入牺牲层刻蚀液中， 刻蚀牺牲层， 完成功能层转移到柔性基底上的方法， 也可以利用具 有新型微结构的转印印章实现功能层与柔性基底的集成， 而不使用粘结层2。 第6)步中， 为 实现柔性器件与皮肤的良好接触， 可以采用一层附着层6加固皮肤和生物兼容基底层5之间 的贴合， 而如果器件厚度足够小， 则不用附着层6， 直接依靠范德华力实现器件与皮肤的牢 固贴合。 00。
21、41 该方法利用生物兼容薄膜作为生物兼容基底层5， 功能层采用传统半导体工艺在 硅基片上采用薄膜生长、 光刻等工艺进行制备， 顶部利用生物兼容薄膜作为生物兼容封装 层1， 功能层与生物兼容封装层1之间、 生物兼容基底层5与待测物表面之间采用低致敏粘胶 作为粘结层2和附着层6。 制备时采用转印方法实现功能层与生物兼容基底层5的集成。 0042 制备方法， 利用转印方法实现功能层与生物兼容基底层5的集成。 功能层采用传统 半导体工艺在硅基底上进行制备， 包括薄膜生长、 光刻、 刻蚀等方法。 硅基底上预先制备好 牺牲层， 方便功能层从硅基底上剥离利于转印。 选择牺牲层材料和制备工艺时需要满足的 要求。
22、： 1)能保证功能层制备顺利完成， 即牺牲层平整度、 硬度和玻璃化温度能满足功能部分 薄膜生长条件， 不影响薄膜生长质量； 2)能保证功能部分的图案化刻蚀顺利完成， 即牺牲层 能耐受光刻、 刻蚀过程中物理化学反应， 不发生玻璃化； 3)功能层制备完成后牺牲层能较容 易地被刻蚀掉， 且该反应不影响功能部分图案和材料性质。 0043 具体实施例如下： 0044 实施例一： 一种基于生物兼容薄膜的柔性可延展温度传感器 0045 本实施例是利用金的温阻效应的基于生物兼容薄膜的可延展电子器件。 该器件采 用本发明技术方案中提出的设计方法和制备流程制成， 其中生物兼容封装层1和生物兼容 基底层5均采用50。
23、 m厚的多孔聚氨酯薄膜， 粘结层2和附着层6采用低致敏性、 高粘性的丙烯 酸， 功能层中功能元件3和互联导线4采用图案化的金纳米薄膜， 可以用来测量人体体温。 制 备方法如下： 0046 1)首先在硅基片上制备一层平整的牺牲层， 即用旋涂方式在硅基片上制备一层PI 薄膜， 水平放置烘干水分后作为牺牲层。 0047 2)采用电子束沉积生长一层致密平整的铬作为金属粘结层， 其上生长一层金作为 温阻效应的功能层材料。 铬粘结层使金与基底结合更紧密。 电子束沉积的生长方式中基片 温升较小， 不会使牺牲层的可溶聚合物玻璃化变得不可溶， 保证后面牺牲层容易被刻蚀， 将 功能部分从硅基片上释放。 0048 。
24、3)采用传统半导体微加工工艺光刻、 湿法腐蚀将金/铬薄膜图案化成经过柔性可 延展化设计的图案形成传感器中的温阻效应功能元件3部分和互联导线4部分， 形成功能 层。 0049 4)去掉表面残留光刻胶， 将生物兼容薄膜平整地贴合到制备好的带功能部件的硅 基片上， 准备进行转印。 转印是柔性电子中一种将传统半导体工艺制备的功能层从硅基片 上剥离， 印制到柔性基底上的技术， 借助它可以实现功能层与生物兼容基底层5的集成。 0050 5)利用刻蚀液刻蚀掉牺牲层。 随着刻蚀的完成， 功能层从硅基片上完全释放， 整体 集成到生物兼容基底层5上。 0051 6)最后利用同样厚度的多孔聚氨酯薄膜对器件裸露部分进行封装， 形成生物兼容 说 明 书 4/5 页 6 CN 104523227 B 6 封装层1。 封装起保护功能部分的作用， 同时使得功能层位于最终器件的中性层。 说 明 书 5/5 页 7 CN 104523227 B 7 图1 图2 说 明 书 附 图 1/2 页 8 CN 104523227 B 8 图3 说 明 书 附 图 2/2 页 9 CN 104523227 B 9 。