基于導電膠封裝的柔性非侵入式血氧傳感器制備*

張瀟龍

（深圳職業技術學院 機電工程學院，廣東 深圳 518055）

據《中國心血管健康與疾病報告2019概要》顯示，我國心血管病患病人數接近3.3億[1]，對心血管疾病防控顯得尤為重要．可穿戴設備適合對人體健康狀態進行長期的實時監測，對心血管疾病防控具有重大的意義．光電容積描記（PPG）技術作為一種簡單低成本的光學技術被廣泛用于開發血氧飽和度、心率等心血管參數的檢測裝置[2-6]．但是大部分的研究主要關注功能的實現以及有關濾波和特征提取的信號處理算法，用于信號采集的傳感器多使用成熟的透射型 PPG傳感器，對傳感器的制造工藝關注較少．

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

可穿戴設備的發展趨勢是柔性化、集成化、小型化、輕量化、高靈敏度、高精確度以及低功耗等．本項目設計了適合集成在可穿戴設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，使用環形對稱布局提升檢測能力．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．與傳統焊料或無鉛焊料技術相比，導電膠封裝具有環保、低毒、低加工溫度、更精細封裝間距等優點[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，因此本項目根據產品需要開發了基于導電膠封裝的制備工藝．

1 實驗部分

1.1 傳感器設計

針對血液中的氧合血紅蛋白（HbO2）和還原血紅蛋白（Hb）對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過人體血液和組織吸收后的反射光，根據強度的不同，描繪出血管內通過血液的體積變化，從而得到的脈搏波形．分別測出紅光LED和紅外光LED激發的脈搏波形信號，再通過程序處理算出相應的比值，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．選用光電二極管（HAMAMATSU，S10357-01）的感光面積達到16 mm2，可以減少電路板制造誤差和貼裝定位誤差對傳感器性能與準確度的影響．如圖1所示，LED數量從傳統設計中常見的2個增加到8個，提高輸入光源的強度，從硬件端減少噪聲；增強抗運動干擾的能力，以適應可穿戴設備的應用環境．LED采用SMD0603封裝規格，可以使用表面貼裝技術，提高生產效率．

圖1 光電器件陣列示意圖

為了盡可能的縮小傳感器尺寸，減少線路間信號干擾，電路板采用雙層電路結構．電路設計遵循以下原則：

1）信號線路的走線盡可能的短；

2）避免尖銳的轉角，使用圓角或者兩段轉折；

3）將元件的正極引腳放在同一個朝向；

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設計后，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，使用數控鉆床在上下層電路聯接處加工出?0.7 mm的通孔．在通孔中填入銀-環氧樹脂體系的各向同性導電膠（ITW Chemtronics，CW2400）以實現垂直電路互聯，使用鋼網印刷將導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

在傳統工藝中（圖2，路徑一），垂直互聯需要單獨的填充和固化工藝流程．為了縮短時間，降低能耗，本項目開發了雙層鋼網印刷工藝以簡化流程（圖2，路徑二）．雙層鋼網印刷工藝如圖3所示，具體流程如下：

圖3 雙層鋼網印刷工藝示意圖

1）將兩張鋼網貼在柔性PCB的兩邊，通過定位銷釘將鋼網上的開孔圖案和柔性PCB對齊；

2）印刷刮刀從上方擠壓導電膠，將其沉積在焊盤上和通孔內；

3）移除上端鋼網；

4）貼裝元件；

5）移除下端鋼網并加熱固化．

為了提高傳感器的可靠性，導電膠除了填充電路板的通孔還需要擴散覆蓋通孔周圍的金屬層，以提高垂直互聯的機械強度和電導率．因此鋼網的開孔需要比電路板上的通孔更大，以沉積足夠的導電膠．本項目對150 mm厚鋼板上不同的開孔尺寸進行了測試．

將貼合了元件的 PCB放入烤箱中進行導電膠固化，為了保護熱敏感的元件和電路板，將固化參數設定為在100oC時保持10分鐘．

完成所有元件的貼裝和固化后，將一個海綿橡膠環放在光電二極管和LED之間以阻擋LED對光電二極管的直射光，在LED表面覆蓋上擴散膜，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 傳感器測試

1.3.1 彎折循環測試

傳感器完全制造和包裝后，進行彎曲試驗，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，在室內環境中以每分鐘10次的頻率進行循環測試．各元件所在電路通道的正向壓降通過萬用表（WAVETEK Ltd.，10XL）上的二極管功能測量．

1.3.2 功能驗證測試

為了快速驗證傳感器的醫學檢測功能，構建了如圖4所示的PPG信號檢測系統．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轉換為電信號，電信號由 4通道PPG 信號采集板（UK Dialog Devices Ltd.，DISCO4）捕獲．捕獲的電信號由數據采集板（National Instruments Co., USB-6009）完成模數轉化．電腦端基于 LabVIEW 7.1（National Instruments Co.）設計了用于PPG板控制、數據接收和圖形顯示的上位機系統．

圖4 信號檢測實驗系統

2 結果與討論

2.1 封裝工藝分析

如圖5所示，采用雙鋼網結構可以保證一次印刷完成通孔的填充和線路金屬層的覆蓋，實現雙面電路的垂直連接．其中鋼網開孔尺寸為?1.8 mm和?1.5 mm時，形成的連接點最大最牢固，但是消耗的導電膠過多．此外因為鋼網和電路板間存在微小縫隙，在印刷過程中受壓力作用會有微量導電膠溢出形成裙邊，所以過大的連接點周圍的裙邊會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，導致容錯率較低，會出現定位偏差導致導電膠的填充不足，在背面電路上無法形成有效覆蓋．在本項目中最優的開孔尺寸是?1 mm，如圖6所示，借助顯微鏡標尺測量，固化后最終形成的導電互聯底部直徑為0.88 mm．完成封裝的傳感器如圖7所示．

圖5 鋼網印刷結果

圖6 ?1 mm開孔鋼網形成的導電互聯顯微鏡照片

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，傳感器在進行100次彎曲循環后，性能穩定，其中各元件的正向壓降變化可以忽略不計，說明元件和導電膠形成的導電互聯具有可靠的機械強度．彎曲測試后，再將傳感器接入檢測系統，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激發的PPG信號，并被檢測系統的軟件記錄，如圖8（b）所示，呈現的脈搏波形具有醫學分析意義．

表1 彎曲測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信號和驅動電流

3 結 論

本項目使用導電膠為互聯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，并在人體額頭處進行血氧飽和度的檢測．彎曲試驗初步證明了本項目開發的基于導電膠的低溫封裝工藝可以保證傳感器在可穿戴醫學監測應用中有合理的使用壽命．改良的雙鋼網印刷工藝將原有的兩道印刷-固化工藝步驟合為一個，縮短加工時間，降低了能耗，使工藝更加環保．