基于柔性混合电子制造技术的蓝牙传感系统

0 引言

近10年来，随着无机纳米材料技术的发展，采用印刷技术制作电子器件或电路的印刷电子技术受到越来越广泛的关注[1-2]，与传统硅基电子技术相比，印刷电子技术具有大面积低成本、基底柔性化、制造工艺简单、生产过程绿色环保等优点，可在许多全新的应用领域发挥作用，如柔性透明触摸屏、薄膜太阳能电池等。然而，用全印刷法制备电子器件如晶体管等由于图形分辨率和加工精细度等局限性，目前仍未达到实用化水平，器件功能不足以实现系统级的应用，而硅基半导体技术的发展已经成功实现芯片的微型化。因此，将印刷电子与传统硅基电子技术结合的柔性混合型电子制造技术是当前实现柔性电子实用化发展的一个研究方向。该法有利于在可延展弯曲的柔性电路板上集成各种硅电路和传感器，实现具有实用功能、轻薄柔性的电子系统。

然而，由于目前部分印刷法制造的电路在耐弯折性方面存在不足，导致产品的柔性化尚未满足实际使用需求。而且，由于可印刷的浆料中含有一定比例的有机化合物或聚合物树脂，导致印刷导线表面的物理和化学性质与铜箔存在着根本性的差异，所以通常很难用常规的焊接方法连接印刷电路与功能元器件，焊接过程中的局部高温也会对印刷电路造成功能性损坏。虽然也有导电性粘结剂和紧钳连接器(clincher connector)之类等特殊技术可用于印刷电路的元器件安装，但是由于缺乏配套的精确沉积方法，难以适用于高密度电路，尚未达到广泛普及。因此，鲜有文献报道利用印刷法做出整套可以工作的柔性功能电路。

随着人们对自身健康状况的重视程度日趋增加[3]，柔性混合电子可将电子器件以服装、配件、皮肤粘贴和植入体内等形式与人体集成[4]，实现在体连续传感测量、数据存储和移动计算等诸多功能，在生命健康监测领域呈现出巨大的应用前景[5-6]。

本文基于印刷电子技术，设计了一种具有柔性可弯折性能的蓝牙传感系统混合电路，该电路采用柔性薄膜作为基底，集成了微型蓝牙芯片DA、温度传感器TMP100和心率传感器SON7015等器件，通过控制软件可以实现温度、心率信号的实时连续监测与数据传输。为了提高电路的可靠性和实用性，通过对导电银浆进行优化，有效提高了导电线路的耐弯折性，并在制作工艺上实现了多层印刷线路的关键制备以及柔性电路与硬质芯片的有效结合。

1 系统结构与设计

本文采用混合电路形式实现蓝牙传感电路的柔性化。电子线路采用丝网印刷技术直接在柔性基底上制造，从而使得电路可以舒适、紧密地贴附于皮肤表面，连续测量人体的温度和心率信号，并将所测信号通过蓝牙实时传输给手机或者云端。另一方面，电路上的集成元器件仍然采用传统的硅基芯片，从而有效保证了系统的各方面性能。本文选用DA蓝牙芯片，其内嵌16 MHz 32 ARM Cortex M0TM处理器，具有42 kB system SRAM和8 kB retention SRAM，以及超小的尺寸，QFN48封装仅为6 mm×6 mm，扩展性强，最低能在0.9 V电压的条件下工作，且具有3.4 mA TX以及3.7 mA RX的低功耗特性，使得只需要很小的耗电量，便可以维持整个柔性系统的运行，特别适合对尺寸和功耗有需求的智能穿戴产品。系统原理框图如图1所示，温度传感器TMP100通过I2C接口与DA连接，心率传感器采用UART 接口与DA连接，手机端应用程序(APP)与电路之间通过无线蓝牙方式传输数据，此外，电路还设计有外加的FLASH、定时、电源管理等外围电路。

图1 系统原理框图

2 心率、温度采集，稳压电路设计

心率信号采集与处理电路如图2所示。电源Vhr与DA的I/O口相连，由DA控制心率传感器供电，通过P01口传输心率信号。SON7015是一款低功耗的心率传感器，其工作电流只有0.2 mA，比同类传感器功耗节省10倍到50倍，SON7015均值电压为3 V，采用光电式容积描记(PPG)的方式感应人体的心跳信息并加以提取和输出。其内部电路中具有高灵敏度光感IC模块，相比较其他光敏器件，具有更好的性能与灵敏度，非常适应于可穿戴设备。

经过SON7015采集的脉冲信号比较微弱，且频率很低(如脉搏50次/min为0.78 Hz，200次/min为3.33 Hz)，还伴有各种噪声干扰，故设计了图2中的SON3130后续信号处理电路，包括C1隔直流、经SON3130二级放大变换为正弦波、三级整形滤波放大为方波。SON3130信号处理电路提供1 MHz的频率带宽，工作电流可低至60 mA，偏置电流为10 Pa，配合SON7015心率传感器可达到非常低的功耗。

文章来源：《传感技术学报》 网址: http://www.cgjsxb.cn/qikandaodu/2021/0613/422.html