張瀟龍

（深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 深圳 518055）

據(jù)《中國心血管健康與疾病報(bào)告2019概要》顯示，我國心血管病患病人數(shù)接近3.3億[1]，對(duì)心血管疾病防控顯得尤為重要．可穿戴設(shè)備適合對(duì)人體健康狀態(tài)進(jìn)行長期的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)心血管疾病防控具有重大的意義．光電容積描記（PPG）技術(shù)作為一種簡(jiǎn)單低成本的光學(xué)技術(shù)被廣泛用于開發(fā)血氧飽和度、心率等心血管參數(shù)的檢測(cè)裝置[2-6]．但是大部分的研究主要關(guān)注功能的實(shí)現(xiàn)以及有關(guān)濾波和特征提取的信號(hào)處理算法，用于信號(hào)采集的傳感器多使用成熟的透射型 PPG傳感器，對(duì)傳感器的制造工藝關(guān)注較少．

在非侵入透射型血氧檢測(cè)設(shè)備中，被檢測(cè)部位需要放置于兩個(gè)發(fā)光端與接收端之間[3]．因此透射式血氧傳感器使用范圍受限，通常只能檢測(cè)手指，不能在體表其他部位(如額頭、手臂、胸部等) 進(jìn)行血氧飽和度的檢測(cè)[4,5]，不適合開發(fā)為可穿戴設(shè)備．反射型血氧傳感器將光源和接收器放置于被檢測(cè)部位的同一側(cè)，通過接收到的來自體表的不同強(qiáng)度反射光進(jìn)行計(jì)算，解決了透射式傳感器檢測(cè)部位受限的問題[4,5]．

可穿戴設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)是柔性化、集成化、小型化、輕量化、高靈敏度、高精確度以及低功耗等．本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了適合集成在可穿戴設(shè)備中的柔性非侵入式血氧傳感器．基于反射型PPG原理，增加了入射光源，使用環(huán)形對(duì)稱布局提升檢測(cè)能力．使用輕便低成本的柔性電路板安裝光電元件以保證傳感器的柔性，采用雙層電路以縮小傳感器的體積．與傳統(tǒng)焊料或無鉛焊料技術(shù)相比，導(dǎo)電膠封裝具有環(huán)保、低毒、低加工溫度、更精細(xì)封裝間距等優(yōu)點(diǎn)[7-8]．許多低成本柔性電路基材和光電元件都具有熱敏感性，因此本項(xiàng)目根據(jù)產(chǎn)品需要開發(fā)了基于導(dǎo)電膠封裝的制備工藝．

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 傳感器設(shè)計(jì)

針對(duì)血液中的氧合血紅蛋白（HbO2）和還原血紅蛋白（Hb）對(duì)不同波長光吸收特性不同的原理[3]，使用650 nm波長的紅光LED和900 nm波長的紅外光LED作為入射光源．利用光電二極管接收經(jīng)過人體血液和組織吸收后的反射光，根據(jù)強(qiáng)度的不同，描繪出血管內(nèi)通過血液的體積變化，從而得到的脈搏波形．分別測(cè)出紅光LED和紅外光LED激發(fā)的脈搏波形信號(hào)，再通過程序處理算出相應(yīng)的比值，這樣就得到了血氧飽和度值[5]．

光電二極管和 LED間中心距的容許誤差與光電二極管的感光面積正相關(guān)．選用光電二極管（HAMAMATSU，S10357-01）的感光面積達(dá)到16 mm2，可以減少電路板制造誤差和貼裝定位誤差對(duì)傳感器性能與準(zhǔn)確度的影響．如圖1所示，LED數(shù)量從傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中常見的2個(gè)增加到8個(gè)，提高輸入光源的強(qiáng)度，從硬件端減少噪聲；增強(qiáng)抗運(yùn)動(dòng)干擾的能力，以適應(yīng)可穿戴設(shè)備的應(yīng)用環(huán)境．LED采用SMD0603封裝規(guī)格，可以使用表面貼裝技術(shù)，提高生產(chǎn)效率．

圖1 光電器件陣列示意圖

為了盡可能的縮小傳感器尺寸，減少線路間信號(hào)干擾，電路板采用雙層電路結(jié)構(gòu)．電路設(shè)計(jì)遵循以下原則：

1）信號(hào)線路的走線盡可能的短；

2）避免尖銳的轉(zhuǎn)角，使用圓角或者兩段轉(zhuǎn)折；

3）將元件的正極引腳放在同一個(gè)朝向；

4）避免平行線路以減少寄生電流．

1.2 封裝工藝流程

傳感器的制備過程如圖2，在完成傳感器電路架構(gòu)設(shè)計(jì)后，使用酸性刻蝕法將以聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）為基底的雙面覆銅板制作成雙層電路柔性PCB，使用數(shù)控鉆床在上下層電路聯(lián)接處加工出?0.7 mm的通孔．在通孔中填入銀-環(huán)氧樹脂體系的各向同性導(dǎo)電膠（ITW Chemtronics，CW2400）以實(shí)現(xiàn)垂直電路互聯(lián)，使用鋼網(wǎng)印刷將導(dǎo)電膠沉積到電路上形成焊盤，使用倒裝鍵合（flip-chip bonding）來貼裝光電二極管和LED元件．

圖2 傳感器的制備流程圖

在傳統(tǒng)工藝中（圖2，路徑一），垂直互聯(lián)需要單獨(dú)的填充和固化工藝流程．為了縮短時(shí)間，降低能耗，本項(xiàng)目開發(fā)了雙層鋼網(wǎng)印刷工藝以簡(jiǎn)化流程（圖2，路徑二）．雙層鋼網(wǎng)印刷工藝如圖3所示，具體流程如下：

圖3 雙層鋼網(wǎng)印刷工藝示意圖

1）將兩張鋼網(wǎng)貼在柔性PCB的兩邊，通過定位銷釘將鋼網(wǎng)上的開孔圖案和柔性PCB對(duì)齊；

2）印刷刮刀從上方擠壓導(dǎo)電膠，將其沉積在焊盤上和通孔內(nèi)；

3）移除上端鋼網(wǎng)；

4）貼裝元件；

5）移除下端鋼網(wǎng)并加熱固化．

為了提高傳感器的可靠性，導(dǎo)電膠除了填充電路板的通孔還需要擴(kuò)散覆蓋通孔周圍的金屬層，以提高垂直互聯(lián)的機(jī)械強(qiáng)度和電導(dǎo)率．因此鋼網(wǎng)的開孔需要比電路板上的通孔更大，以沉積足夠的導(dǎo)電膠．本項(xiàng)目對(duì)150 mm厚鋼板上不同的開孔尺寸進(jìn)行了測(cè)試．

將貼合了元件的 PCB放入烤箱中進(jìn)行導(dǎo)電膠固化，為了保護(hù)熱敏感的元件和電路板，將固化參數(shù)設(shè)定為在100oC時(shí)保持10分鐘．

完成所有元件的貼裝和固化后，將一個(gè)海綿橡膠環(huán)放在光電二極管和LED之間以阻擋LED對(duì)光電二極管的直射光，在LED表面覆蓋上擴(kuò)散膜，使光照均勻化．最后將傳感器放入海綿貼片中，以提高使用舒適度．

1.3 傳感器測(cè)試

1.3.1 彎折循環(huán)測(cè)試

傳感器完全制造和包裝后，進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，以模擬貼合在人體表面的日常使用情況．將傳感器在半徑為25 mm的圓柱體上彎曲并恢復(fù)，在室內(nèi)環(huán)境中以每分鐘10次的頻率進(jìn)行循環(huán)測(cè)試．各元件所在電路通道的正向壓降通過萬用表（WAVETEK Ltd.，10XL）上的二極管功能測(cè)量．

1.3.2 功能驗(yàn)證測(cè)試

為了快速驗(yàn)證傳感器的醫(yī)學(xué)檢測(cè)功能，構(gòu)建了如圖4所示的PPG信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)．將傳感器貼在志愿者額頭上，傳感器中的光電傳感器將人體反射的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，電信號(hào)由 4通道PPG 信號(hào)采集板（UK Dialog Devices Ltd.，DISCO4）捕獲．捕獲的電信號(hào)由數(shù)據(jù)采集板（National Instruments Co., USB-6009）完成模數(shù)轉(zhuǎn)化．電腦端基于 LabVIEW 7.1（National Instruments Co.）設(shè)計(jì)了用于PPG板控制、數(shù)據(jù)接收和圖形顯示的上位機(jī)系統(tǒng)．

圖4 信號(hào)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

2 結(jié)果與討論

2.1 封裝工藝分析

如圖5所示，采用雙鋼網(wǎng)結(jié)構(gòu)可以保證一次印刷完成通孔的填充和線路金屬層的覆蓋，實(shí)現(xiàn)雙面電路的垂直連接．其中鋼網(wǎng)開孔尺寸為?1.8 mm和?1.5 mm時(shí)，形成的連接點(diǎn)最大最牢固，但是消耗的導(dǎo)電膠過多．此外因?yàn)殇摼W(wǎng)和電路板間存在微小縫隙，在印刷過程中受壓力作用會(huì)有微量導(dǎo)電膠溢出形成裙邊，所以過大的連接點(diǎn)周圍的裙邊會(huì)引起相鄰線路間的短路．?0.8 mm的開孔尺寸和電路板上的?0.7 mm通孔的尺寸過于接近，導(dǎo)致容錯(cuò)率較低，會(huì)出現(xiàn)定位偏差導(dǎo)致導(dǎo)電膠的填充不足，在背面電路上無法形成有效覆蓋．在本項(xiàng)目中最優(yōu)的開孔尺寸是?1 mm，如圖6所示，借助顯微鏡標(biāo)尺測(cè)量，固化后最終形成的導(dǎo)電互聯(lián)底部直徑為0.88 mm．完成封裝的傳感器如圖7所示．

圖5 鋼網(wǎng)印刷結(jié)果

圖6 ?1 mm開孔鋼網(wǎng)形成的導(dǎo)電互聯(lián)顯微鏡照片

圖7 封裝完成的血氧傳感器

2.2 傳感器功能分析

如表1所示，傳感器在進(jìn)行100次彎曲循環(huán)后，性能穩(wěn)定，其中各元件的正向壓降變化可以忽略不計(jì)，說明元件和導(dǎo)電膠形成的導(dǎo)電互聯(lián)具有可靠的機(jī)械強(qiáng)度．彎曲測(cè)試后，再將傳感器接入檢測(cè)系統(tǒng)，如圖8（a）所示，所有的LED都能正常工作．并且光電二極管能夠得接收到紅光 LED和紅外光LED激發(fā)的PPG信號(hào)，并被檢測(cè)系統(tǒng)的軟件記錄，如圖8（b）所示，呈現(xiàn)的脈搏波形具有醫(yī)學(xué)分析意義．

表1 彎曲測(cè)試中各元件的正向壓降

圖8 （a）在暗室中的傳感器，紅色為紅光LED，粉色為紅外光LED；（b）紅光LED和紅外光LED的PPG信號(hào)和驅(qū)動(dòng)電流

3 結(jié) 論

本項(xiàng)目使用導(dǎo)電膠為互聯(lián)材料將光電元件組裝在PEN基底的柔性電路板，成功制備了柔性非侵入式反射型血氧傳感器，并在人體額頭處進(jìn)行血氧飽和度的檢測(cè)．彎曲試驗(yàn)初步證明了本項(xiàng)目開發(fā)的基于導(dǎo)電膠的低溫封裝工藝可以保證傳感器在可穿戴醫(yī)學(xué)監(jiān)測(cè)應(yīng)用中有合理的使用壽命．改良的雙鋼網(wǎng)印刷工藝將原有的兩道印刷-固化工藝步驟合為一個(gè)，縮短加工時(shí)間，降低了能耗，使工藝更加環(huán)保．