一种全印刷阵列读出电路及其制备方法

1.本发明涉及柔性传感器领域，具体为一种全印刷阵列读出电路及其制备方法。

背景技术：

2.人工智能、机器人智能感知、人体大健康监测、工业检测等应用领域的飞速发展对高性能柔性传感提出了迫切的需求，其中对于大面积、阵列化柔性传感器件的要求尤为明显，现阶段的柔性大面阵器件通常为在两层柔性读出电极电路之间设置两层力敏层然后封装而成，而读出电极电路的制备通常采取两种方案：上下行列式读出电路与单面叉指电极式读出电路。
3.上下行列式读出电路采用低成本印刷工艺直接实现，但是基于该读出电路所获得的阵列器件存在信号串扰，降低了传感器的灵敏度。
4.单面叉指电极式阵列读出电路通常为聚酰亚胺(pi)衬底的铜基柔性印刷电路(fpc)，可以有效降低行列信号串扰，提高灵敏度与响应速度，但是fpc制备涉及光刻、刻蚀、过孔、丝印等一系列制备工艺及设备，成本相对较高。fpc制备中的过孔将会导致电极容易出现虚焊，同时感生电容会延长信号的上升时间、降低电路的速度，感生电感会削弱旁路电容的贡献、减弱整个电源系统的滤波效用。而且，fpc制备难以实现大面积阵列化读出电路，在柔性传感器领域中的一些使用场景中，fpc的pi衬底无法如皮革或织物一样具有较高的柔弹性。
5.发明专利cn200610066541.x公开了一种三维纳隙网格阵列微电极生物传感芯片：在绝缘层基片上有一组金电极，电极上面覆盖一层纳米量级厚度的绝缘材料薄膜，绝缘材料上有一组与下面电极垂直交叉的电极，上下电极构成网格结构。上下电极交叉处及其周围的绝缘层被去掉，形成生物样品分析流动微型池。整个芯片上利用聚合物构成一个大的样品分析池。两个平面内的电极陈列可任意组合用于生产分离所需的电场，交叉点的上下电极构成纳米间隙阻抗测试传感器。该发明专利中的上下电极垂直交叉，虽然在两层电极之间存在一层纳米量级厚度的绝缘材料薄膜，但是因电极交叉处及其周围的绝缘层被去掉，所以电极在实际工作过程中仍会产生串扰，对信号的精度产生影响。
6.发明专利cn201910280704.1公开了一种三明治型大面积高密度柔性阵列传感器及其制备方法：传感器包括上极板、下极板和设置在上下极板之间的阵列压敏层和绝缘胶层，上、下极板上设有相对应的阵列电极和导线，阵列电极为行列线结构，每列电极通过导线向连接，绝缘胶层对应阵列压敏层的位置镂空。其制备方法为采用丝网印刷工艺制备上、下极板；制备压敏复合材料；采用丝网印刷工艺将未固化的压敏复合材料印刷在其中一个极板上的阵列电极处，形成阵列压敏层；将上、下极板通过绝缘胶贴合。该发明专利中虽然是采用丝网印刷印制行列电极，节约了制作成本，但是上下电极层的电极通过导线连接，所以就会产生串扰，以致降低传感器的测量精度。

技术实现要素：

7.针对上述现阶段柔性传感器阵列式读出电路存在的问题，本发明提供了一种全印刷阵列读出电路及其制备方法，使用该电路与其制备方法得到的柔性传感器将拥有更优越的性能。
8.本发明的技术方案为：
9.一种全印刷电路，包括两个电极层和一个绝缘层，其中：两个电极层包括上方电极层和下方电极层，上方电极层和下方电极层包括单元电极，绝缘层在两个电极层之间，绝缘层包括绝缘带且绝缘带在下方电极层上的单元电极之间，上方电极层最上端的单元电极与下方电极层最上端的单元电极连接，上方电极层上除最上端单元电极外的其余单元电极在绝缘带上。全印刷电路包括行列垂直排线阵列电路或行列平行排线阵列电路。
10.其中，行列垂直排线阵列电路包括列电极层和行电极层。列电极层包括列电极和排线，列电极包括单元电极且每列列电极上的单元电极左侧引脚之间依次连接，排线与列电极最下端的单元电极的引脚连接。行电极层包括行电极和排线，行电极包括单元电极且每行行电极上的单元电极引脚之间依次连接，排线与行电极最右端的单元电极的引脚连接。列电极层上的排线垂直于行电极层上的排线。
11.进一步的，绝缘层由数条横向绝缘带组成，绝缘带在列电极的单元电极之间沿水平方向排列。
12.进一步的，列电极层上的排线沿竖直方向排列，行电极层上的排线沿水平方向排列。
13.进一步的，列电极层上的单元电极包括左侧一个正向的“f”型电极和右侧一个与所述正向电极中心对称的反向“f”型电极，反向电极的上端分别与行电极上的单元电极连接。两个中心对称的“f”型电极组成叉指电极形状。
14.进一步的，列电极层上的排线在竖直方向上聚集成束，行电极层上的排线在水平方向上聚集成束；列电极层上的排线在竖直方向上分别与铆钉连接，行电极层上的排线在水平方向上分别与铆钉连接。
15.其中，行列平行排线阵列电路包括叉指电极层和行列电极层，叉指电极层包括列向叉指电极，列向叉指电极包括单元叉指电极，且每列列向叉指电极上的单元叉指电极左侧引脚之间依次连接，行列电极层包括行电极与列电极，行电极包括单元电极和排线且每行行电极上的单元电极引脚之间依次连接，排线与行电极最右端单元电极的引脚连接，列电极包括单元电极和排线且每列列电极上的单元电极引脚之间依次连接，排线与列电极最右端单元电极的引脚连接，绝缘层在叉指电极层和行列电极层之间。行列电极层上行电极与列电极相平行。
16.进一步的，绝缘层由数条横向绝缘带组成，绝缘带在单元叉指电极之间沿水平方向排列。
17.进一步的，行列电极层上行电极与列电极的排线都是沿水平方向向右排列。
18.进一步的，每个列电极上就只有一个单元电极，不同列电极上的单元电极分别与不同列的叉指电极的单元电极连接。
19.进一步的，叉指电极层上的单元电极包括左侧一个正向的“f”型电极和右侧一个与所述正向电极中心对称的反向“f”型电极，正向电极与列电极上的单元电极连接，反向电
极分别与行电极上的单元电极连接。
20.两个中心对称“f”型电极形成的叉指电极，一方为产生电极，一方为收集电极，从而能够在电极上实现化学氧化还原循环反应，其特点为具有高灵敏度的cv测量，少量试样的电化学测量，高速响应，降低电路上电极单元之间的串扰，增强信号传输精度。
21.进一步的，行列电极层上行电极和列电极的排线在水平方向上聚集成束，或行电极和列电极的排线在水平方向上分别与铆钉连接。
22.进一步的，电极层由油性导电浆料印刷而成，绝缘层由水性绝缘浆料印刷而成。
23.油性导电浆料包括银浆、碳浆油性导电浆料。
24.水性绝缘浆料包括聚氨酯、丙烯酸酯、环氧树脂、硅橡胶水性绝缘浆料。为了提升水性印刷涂层的电学绝缘性，水性绝缘浆料中包括5％～15％的羟基化二氧化硅纳米颗粒，所述羟基化二氧化硅纳米颗粒的直径50～200nm。基于羟基化二氧化硅纳米颗粒与聚氨酯或者丙烯酸酯或者环氧树脂或者硅橡胶等聚合物水性分散体形成基团链化，并利用100～150℃退火处理，形成高介电特性的绝缘层。
25.油性导电浆料与水性绝缘浆料中的溶剂互为正交溶剂，二者印刷及成膜过程不会对彼此进行溶解而导致读出电路电极短路。
26.进一步的，为了提升读出电路的耐击穿特性，所述绝缘层可以通过2～4次印刷的方式增加绝缘层厚度与绝缘性能，其厚度为5μm
‑
20μm。
27.进一步的，全印刷阵列读出电路为周期性排布或非周期性任意多单元排布，阵列规模为m
×
n，其中m为1,2,3
…
128，n为1,2,3
…
128，m
×
n＞4。
28.一种以上所述的全印刷电路的制备方法，其步骤为：
29.(1)第一次印刷，印刷所述油性导电浆料制备所述下方电极层；
30.(2)第二次印刷，在所述下方电极层上印刷所述水性绝缘浆料制备所述绝缘层；
31.(3)第三次印刷，在所述绝缘层上印刷所述油性导电浆料制备所述上方电极层。
32.其中，制备行列垂直排线阵列电路时，第一次印刷为使用油性导电浆料印刷出最下方的列电极层；第二次印刷为在最下方的电极层上印刷绝缘层；第三次印刷为在绝缘层上使用油性导电浆料印刷行电极层。
33.第一次印刷时印刷出列电极层上的单元电极，单元电极包括左侧一个正向的“f”型电极和右侧一个与正向电极中心对称的反向“f”型电极，同时在列电极层上沿竖直方向制备出列电极引脚的排线。
34.第二次印刷时印刷出绝缘带，将绝缘带沿水平方向印刷在列电极层上的单元电极之间。
35.第三次印刷时印刷出行电极层上的单元电极，将行电极层上的单元电极与列电极层上单元电极的右侧反向“f”型电极的上端连接，同时在行电极层上沿水平方向制备出行电极引脚的排线。
36.特别的，第一次印刷时将列电极层上的排线聚集成束，第三次印刷时将行电极层上的排线聚集成束；或第一次印刷时将列电极层上的排线分别与铆钉连接，第三次印刷时将行电极层上的排线分别与铆钉连接。
37.其中，制备行列平行排线阵列电路时，第一次印刷为使用油性导电浆料制备最下方的叉指电极层，制备出单元电极；第二次印刷为在最下方的叉指电极层上印刷绝缘层；第
三次印刷为在绝缘层上使用油性导电浆料印刷行列电极层。
38.第一次印刷时将叉指电极层中的单元电极印左侧印刷成一个正向的“f”型电极，将右侧印刷成一个与正向电极中心对称的反向“f”型电极。
39.第二次印刷时将绝缘带沿水平方向印刷在叉指电极上的单元电极之间。
40.第三次印刷时在行列电极层上沿水平方向制备出行电极和列电极引脚的排线，并且将行列电极层上的列电极与叉指电极层上单元电极的左端连接，将行列电极层上的行电极与叉指电极层上单元电极的右端连接。特别的，将行列电极层上的排线聚集成束或分别与铆钉连接。
41.进一步的，在第一次印刷、第二次印刷、第三次印刷后对下方电极层、绝缘层、上方电极层进行退火处理，所述退火处理为调整真空烘箱温度为100℃
‑
150℃，然后对下方电极层、绝缘层、上方电极层进行加热固化。
42.本发明的有益之处在于：采用“电极
‑
绝缘层
‑
电极”三次印刷方法构建全印刷阵列读出电路，相比基于pi衬底的fpc印刷成本更低，同时无需使用双层板的过孔工艺，避免了阵列电路在使用时出现虚焊，或因寄生电容延长信号的上升时间和降低电路的速度，或因感生电感削弱旁路电容的贡献和减弱整个电源系统的滤波效用。采用叉指电极作为电路的最下层再配合上中间的绝缘层以及最上层的行电极层或行列电极层，相比于上下行列式读出电路，可有效降低电路的串扰，使制备成的传感器精度更准确、灵敏度更大。“电极
‑
绝缘层
‑
电极”三次印刷的方法可以使制备而成的阵列读出电路的面积更大，从而适用范围更广。而且该制备方法可在柔弹性衬底上直接制备阵列读出电路，使得到的传感器相对于普通工艺制备的其他传感器具有更好的柔弹性。
附图说明
43.图1为一种全印刷行列垂直排线读出电路结构示意图。
44.图2为全印刷行列垂直排线读出电路列电极层示意图。
45.图3为全印刷行列垂直排线读出电路绝缘层示意图。
46.图4为全印刷行列垂直排线读出电路行电极层示意图。
47.图5为一种铆钉连接的全印刷阵列垂直排线读出电路结构示意图。
48.图6为铆钉连接的全印刷阵列垂直排线读出电路列电极层示意图。
49.图7为铆钉连接的全印刷阵列垂直排线读出电路行电极层示意图。
50.图8为一种全印刷行列平行排线读出电路结构示意图。
51.图9为全印刷行列平行排线读出电路叉指电极层示意图。
52.图10为全印刷行列平行排线读出电路行列电极层示意图。
53.图11为一种铆钉连接的全印刷行列平行排线读出电路结构示意图。
54.图12为铆钉连接的全印刷行列平行排线读出电路叉指电极层示意图。
55.图13为铆钉连接的全印刷行列平行排线读出电路行列电极层示意图。
具体实施方式
56.下面结合附图，对本发明作详细的说明。
57.所举实施例是为了更好地对本发明进行说明，但并不是本发明的内容仅局限于所
举实施例。所以熟悉本领域的技术人员根据上述发明内容对实施方案进行非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
58.实施例1
59.参见图1，为本发明的一种全印刷行列垂直排线读出电路结构示意图。具体地，本实施例的该全印刷行列垂直排线读出电路包括两个电极层、一个绝缘层和排线，绝缘层在两个电极之间，电极层由单元电极组成，排线从两个电极层上的单元电极引出。
60.两个电极层由导电浆料印刷制备而成，两个电极层分别为列电极层和行电极层。如图3所示，为绝缘层示意图。绝缘层在列电极层上的电极单元之间水平排列，行电极在绝缘层上且与列电极上的单元电极右端相交，列电极引出的排线垂直于行电极引出的排线。该阵列电路的阵列规模为8
×
8。
61.如图2、图4所示，列电极层引出的排线在竖直方向聚集成束，行电极层引出的排线在水平方向聚集成束。
62.实施例2
63.参见图5，为本发明的一种铆钉连接的全印刷阵列垂直排线读出电路结构示意图。具体地，本实施例的该全印刷行列垂直排线读出电路包括两个电极层、一个绝缘层和排线，绝缘层在两个电极之间，电极层由单元电极组成，排线从两个电极层上的单元电极引出。
64.两个电极层由导电浆料印刷制备而成，两个电极层分别为列电极层和行电极层，绝缘层在列电极层上的电极单元之间水平排列，行电极在绝缘层上且与列电极上的单元电极右端相交，列电极引出的排线垂直于行电极引出的排线。
65.列电极层引出的排线在竖直方向上与铆钉连接，行电极层引出的排线在水平方向上与铆钉连接，参见图6、图7。
66.实施例3
67.参见图8，为一种全印刷行列平行排线读出电路结构示意图。
68.该全印刷行列平行排线读出电路包括两个电极层、一个绝缘层和排线。
69.绝缘层在两个电极层之间，电极层由单元电极组成，排线从两个电极层上的单元电极引出，两个电极层通过丝网印刷导电浆料制备而成。
70.两个电极层分为叉指电极层和行列电极层，绝缘层在叉指电极层上的单元电极之间水平排列，行列电极层在绝缘层上且列电极与单元电极左端连接，行电极与单元电极右端连接。
71.行列电极层上行电极和列电极引出的排线互相平行，行列电极层上行电极和列电极引出的排线在水平方向上聚集成束。叉指电极层上单元电极为两个中心对称的“f”形，参见图9、图10。
72.实施例4
73.参见图11，为一种铆钉连接的全印刷行列平行排线读出电路结构示意图。
74.该全印刷行列平行排线读出电路包括两个电极层、一个绝缘层和排线。
75.绝缘层在两个电极层之间，电极层由单元电极组成，排线从两个电极层上的单元电极引出，两个电极层通过丝网印刷导电浆料制备而成。
76.两个电极层分为叉指电极层和行列电极层，绝缘层在叉指电极层上的单元电极之间水平排列，行列电极层在绝缘层上且列电极与单元电极左端连接，行电极与单元电极右
端连接。
77.行列电极层上行电极和列电极引出的排线互相平行，行列电极层上行电极和列电极引出的排线在水平方向上与铆钉连接。叉指电极层上单元电极为两个中心对称的“f”形，参见图12、图13。
78.实施例5
79.一种通过三次印刷制备垂直阵列读出电路的方法，具体地，制备步骤为：
80.(1)为第一次印刷和第三次印刷制备油性银浆，为第二次印刷制备水性聚氨酯浆料。水性聚氨酯浆料中包括聚氨酯，同时为了提升水性印刷涂层的电学绝缘性，添加5％～15％的羟基化二氧化硅纳米颗粒，纳米颗粒的直径50～200nm。基于羟基化二氧化硅纳米颗粒与聚氨酯水性分散体形成基团链化。
81.(2)第一次印刷：在衬底上丝网印刷油性银桨，制备出最下方的列电极层，同时制备出列电极层上的单元电极以及引出排线，单元电极为两个中心对称的“f”型，排线沿竖直方向且聚集成束。
82.(3)第二次印刷为在最下方的列电极层上印刷水性聚氨酯绝缘层，绝缘层水平印刷在列电极上单元电极之间
83.(4)第三次印刷为在水性聚氨酯绝缘层上丝网印刷油性银桨，制备出最上方的行电极层，同时制备出行电极层上的单元电极以及引出排线。行电极层上的单元电极与列电极层上的单元电极的右端连接。行电极层的排线沿水平方向且聚集成束。
84.(5)在三次印刷完成后将阵列电路放入150℃的真空烘箱中进行加热固化成膜。
85.最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

技术特征：

1.一种全印刷阵列读出电路，其特征在于，包括两个电极层和一个绝缘层，其中：所述两个电极层包括上方电极层和下方电极层，所述上方电极层和下方电极层包括单元电极，所述绝缘层在所述两个电极层之间，所述绝缘层包括绝缘带且所述绝缘带在所述下方电极层上的所述单元电极之间，所述上方电极层最上端的单元电极与所述下方电极层最上端的单元电极连接，所述上方电极层上除最上端单元电极外的其余单元电极在所述绝缘带上。2.根据权利要求1所述的全印刷阵列读出电路，其特征在于，所述全印刷电路包括行列垂直排线阵列电路或行列平行排线阵列电路，其中：所述行列垂直排线阵列电路包括列电极层和行电极层，所述列电极层包括列电极和排线，所述列电极包括单元电极且每列所述列电极上的单元电极左侧引脚之间依次连接，所述排线与所述列电极最下端的单元电极的引脚连接，所述行电极层包括行电极和排线，所述行电极包括单元电极且每行所述行电极上的单元电极引脚之间依次连接，所述排线与所述行电极最右端的单元电极的引脚连接，所述列电极层上的排线垂直于所述行电极层上的排线；所述行列平行排线阵列电路包括叉指电极层和行列电极层，所述叉指电极层包括列向叉指电极，所述列向叉指电极包括单元叉指电极，且每列所述列向叉指电极上的单元叉指电极左侧引脚之间依次连接，所述行列电极层包括行电极与列电极，所述行电极包括单元电极和排线且每行所述行电极上的单元电极引脚之间依次连接，所述排线与所述行电极最右端单元电极的引脚连接，所述列电极包括单元电极和排线且每列所述列电极上的单元电极引脚之间依次连接，所述排线与所述列电极最右端单元电极的引脚连接，所述绝缘层在所述叉指电极层和所述行列电极层之间。3.根据权利要求2所述的全印刷阵列读出电路，其特征在于：所述行列垂直排线阵列电路中，所述绝缘带在所述列电极的单元电极之间沿水平方向排列；所述列电极层上的排线沿竖直方向排列，所述行电极层上的排线沿水平方向排列；所述列电极层上的单元电极包括左侧一个正向的“f”型电极和右侧一个与所述正向电极中心对称的反向“f”型电极，所述反向电极的上端分别与所述行电极上的单元电极连接；所述列电极层上的排线在竖直方向上聚集成束，所述行电极层上的排线在水平方向上聚集成束；或所述列电极层上的排线在竖直方向上分别与铆钉连接，所述行电极层上的排线在水平方向上分别与铆钉连接。4.根据权利要求2所述的全印刷阵列读出电路，其特征在于：所述行列平行排线阵列电路中，所述行电极平行于所述列电极；所述绝缘带在所述单元叉指电极之间沿水平方向排列；所述行列电极层上行电极与列电极的排线沿水平方向排列；每个所述列电极上包括一个单元电极，所述列电极的单元电极分别与不同列的所述叉指电极的单元电极连接；所述叉指电极层上的单元电极包括左侧一个正向的“f”型电极和右侧一个与所述正向电极中心对称的反向“f”型电极，所述正向电极与所述列电极上的单元电极连接，所述反向电极分别与所述行电极上的单元电极连接；所述行列电极层上的排线在水平方向上聚集成束或所述行列电极层上的排线在水平方向上分别与铆钉连接。5.根据权利要求1所述的全印刷阵列读出电路，其特征在于，所述电极层由油性导电浆料印刷而成，所述绝缘层由水性绝缘浆料印刷而成，其中：所述油性导电浆料包括银浆、碳浆油性导电浆料；所述水性绝缘浆料包括聚氨酯、丙烯酸酯、环氧树脂、硅橡胶水性绝缘浆料，所述水性
绝缘浆料中包括5％～15％的羟基化二氧化硅纳米颗粒，所述羟基化二氧化硅纳米颗粒的直径50～200nm。6.根据权利要求1所述的全印刷阵列读出电路，其特征在：所述绝缘层通过印刷所述水性绝缘浆料2
‑
4次而成，其厚度为5μm
‑
20μm。7.根据权利要求1所述的全印刷阵列读出电路，其特征在：所述全印刷阵列读出电路为周期性排布或非周期性任意多单元排布，阵列规模为m
×
n，其中m为1,2,3
…
128，n为1,2,3
…
128，m
×
n＞4。8.根据权利要求1
‑
7任意一项所述的全印刷阵列读出电路的制备方法，其特征在于，包括步骤：(1)第一次印刷，印刷所述油性导电浆料制备所述下方电极层；(2)第二次印刷，在所述下方电极层上印刷所述水性绝缘浆料制备所述绝缘层；(3)第三次印刷，在所述绝缘层上印刷所述油性导电浆料制备所述上方电极层。9.根据权利要求8所述的全印刷阵列读出电路的制备方法，其特征在于：步骤(1)中第一次印刷时制备出下方电极层上的单元电极，所述下方电极层上的单元电极包括左侧一个正向的“f”型电极和右侧一个与所述正向电极中心对称的反向“f”型电极。10.根据权利要求8所述的全印刷阵列读出电路的制备方法，其特征在于：在所述第一次印刷、第二次印刷、第三次印刷后对所述下方电极层、绝缘层、上方电极层进行退火处理，所述退火处理为调整真空烘箱温度为100℃
‑
150℃，然后对所述下方电极层、绝缘层、上方电极层进行加热固化。

技术总结

本发明公开了一种全印刷阵列读出电路及其制备方法。其中读出电路包括两个电极层和一个绝缘层，电极层包括单元电极和排线，绝缘层在两个电极层之间，两个电极层引出的排线相互垂直或平行。其中制备方法为先印刷最下方的电极层制备出单元电极，然后在最下方的电极层上印刷绝缘层，最后在绝缘层上印刷最上方的电极层。本发明的全印刷阵列读出电路采用“电极