具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

参考图1所示，本发明实施例提供的基于机械声学的无线全集成柔性可拉伸人工喉，包括顶层弹性体1、底层弹性体8、导电凝胶电极2、芯片层3、被动器件层4、隔离绝缘层5、蛇形电极层6和聚酰亚胺(PI)网络层7，其中底层弹性体8上面键合PI网络层7和蛇形电极层6，蛇形电极层6上面印刷隔离绝缘层5、被动器件层4和芯片层3，顶层弹性体1和导电凝胶电极2封装在焊接后的芯片层3和被动器件层4上方。

其中，被动器件层4包括电容、电阻、电感和极性二极管。

蛇形电极层6包括肌电电极61和蛇形导线62。

参考图2，芯片层3包括锂电池31、电源管理芯片32、主控MCU芯片33、加速度传感器芯片34、BLE蓝牙传输模块35，低功耗晶振36和肌电信号采集芯片37。

其中，本实施例中采用3.7V锂电池；电源管理芯片采用3.7转3.3V芯片；主控MCU芯片采用Atmega328P-AU芯片；加速度传感器芯片采用ADXL345芯片；蓝牙传输模块采用PW02型号，低功耗晶振为8MHz晶振；肌电信号采集芯片采用BMD101芯片。

主控MCU芯片33分别连接电源管理芯片32、加速度传感器芯片34、BLE蓝牙传输模块35、低功耗晶振36和肌电信号采集芯片37，电源管理芯片32分别连接锂电池31、主控MCU芯片33、加速度传感器芯片34、BLE蓝牙传输模块35和肌电信号采集芯片37。

其中锂电池31输入3,7V电压经过电源管理芯片32调理成为3.3V的输出电压给主控MCU芯片33、加速度传感器芯片34、蓝牙传输模块35和肌电信号采集芯片37；低功耗晶振36提供8MHz的起振波形给主控MCU芯片33；加速度传感器芯片34采集到的加速度和肌电信号采集芯片37采集到的肌电信号传输至主控MCU芯片33进行处理；主控MCU芯片33将处理完成的数字信号传输至蓝牙传输模块35，进而实现与外部通信。

本实施例中，顶层弹性体1和底层弹性体8采用美国的Ecoflex 00-30硅胶作为可拉伸弹性体，超低的杨氏模量(60kPa)保证了柔性衬底与人体皮肤模量的完美匹配。选择10～20μm厚的铜箔作为激光选择刻蚀的蛇形电极层6基材，并在铜箔一侧旋涂2～4μm厚的PI网络层7作为导电基材与硅胶弹性体粘黏激发的诱导层；选择焊接温度只有138°的低温回流焊锡膏作为蛇形电极层6与芯片和被动器件层4的焊接辅材；利用混合配置的透明水凝胶导电体基体作为肌电电极61与皮肤接触的导体。

参考图1-3，一个实施例中，基于机械声学的无线全集成柔性可拉伸人工喉及其制备方法，包括下列步骤：

步骤1，底层弹性体制备：

分别用酒精和去离子水清洗一块6×6cm²的载玻片1～5min，然后用热吹风吹干备用；通过混合Ecoflex 00-30A和B胶以(0.5～1.5):1的质量分数配置10～30g的硅胶弹性体，用玻璃棒搅拌3～5min至充分混合；将载玻片固定于旋涂机上，将配置好的硅胶弹性体倒置载玻片上，以300～1000r/min的转速旋涂10～30s；然后将旋涂好的硅胶弹性体薄膜置于常温状态下0.5～2h，致使硅胶薄膜固化，得到底层弹性体8。

步骤2，蛇形电极层和PI网络层刻蚀：

1)将聚二甲基硅氧烷(PDMS)、硅胶弹性体固化剂以质量比为(10～20):1配制，使用玻璃棒充分搅拌3～8min；

2)另取一块尺寸为6×6cm²的载玻片按照步骤1中的方法清洗吹干，将适量的PDMS混合材料均匀涂抹在载玻片上，再将涂抹PDMS的载玻片放在匀胶机上以500～1000r/min的转速旋转10～30s。

3)将涂有PDMS的载玻片从匀胶机中取出，放在真空抽滤机中除去PDMS薄膜内的气泡；抽取完毕后，放在恒温加热台上，在60～110℃条件下加热1～3h，使PDMS薄膜固化，得到覆有PDMS薄膜的载玻片，见图3步骤a，旋涂PDMS；

4)用酒精清洗一张6×6cm²大小的10～20μm厚的铜箔，用旋涂机在铜箔一侧旋涂PI溶液，以2000～4000r/min的转速转动10～30s，得到覆有PI的铜箔；

5)用热压印机在10～30N压力并加热到80～150℃至0.5～2h的条件下，将附有PI的铜箔固定在步骤3)制备的载玻片的PDMS薄膜上，见图3步骤b，热压印覆有PI覆铜箔；

6)将固定铜箔的PDMS薄膜置于紫外光10～30W功率条件下固化10～30min，进一步加强铜箔与PDMS薄膜的粘黏；

7)将固定好PI铜箔的载玻片置于355nm紫外激光器B下，输入预先设计的结构轮廓A，通过调整紫外光的功率至3～5W和切割速度100～600mm/min进行5～20次循环切割，见图3步骤c，激光刻蚀。待全部轮廓切割完成，用镊子剥掉残留的铜箔，清理上述PDMS表面的残留铜箔后，用无尘棉签蘸取酒精清洗导电网络边缘激光刻蚀残留的氧化物，见图3步骤d，残留物剥离。进而得到预设计的表面覆有PI网络层7的蛇形电极层6(覆有PI的蛇形电极层6)。

步骤3，转移覆有PI的蛇形电极层6：

接来下准备一块5×6cm²大小的AQUASOL公司的水溶性胶带C，撕掉胶带一面的保护纸，用胶面去粘黏制备完整的覆有PI蛇形电极层6，将其转移到水溶胶带上，见图3步骤e，覆有PI的蛇形电极层6转印。接下来将转移的覆有PI蛇形电极层6和胶带一面与步骤1制备的底层弹性体8进行粘黏，见图3步骤f，水溶胶带C粘黏；然后置于紫外光5～20W功率条件下照射10～30min，促进PI与硅胶膜的粘黏。然后将带有水溶胶带的硅胶弹性体置于去离子水中浸泡2～5h，直到水溶胶带C完全被去离子水溶解，见图3步骤g，水溶胶带C溶解。然后再用去离子水冲洗硅胶弹性体表面的导电结构5～20min，用热吹风吹干整个导电结构周围的残余水分，由此得到键合在硅胶弹性体8上的覆有PI蛇形电极层6。

步骤4，制备隔离绝缘层：

利用355nm紫外激光器B，分别在芯片层3每个芯片底部以及容易发生短路位置的导电网络处刻蚀一个对应大小的矩形开口形成PET掩膜板，刻蚀的PET薄膜大小为5×6cm²，厚10～50μm，然后将刻蚀的PET掩膜板与步骤3键合的蛇形电极6对准并贴合，接着在PET表面刮涂一层与底层弹性体8相同的硅胶弹性体，剥掉PET掩膜板置于常温条件下固化0.2～1h，得到隔离绝缘层5。

步骤5，芯片层3和被动器件层4与蛇形电极层6低温回流焊接：

根据制备好的蛇形电极层6，通过355nm紫外激光器B刻蚀对应蛇形导线62焊接位置的金属钢板形成具有镂空结构的金属网板，金属网板大小为5×6cm²，厚200～300μm，将刻蚀有网孔的金属网板与蛇形导线62对准，并利用步骤3制备的没有粘黏蛇形电极层6的空余硅胶的范德华力粘住金属网板，用刷子在金属网板表面刷一层助焊剂，然后涂上适量的低温回流焊锡膏，然后用刮板刮平让焊锡膏置于每一个焊接位置，接着剥离金属网板，并将芯片层3和被动器件层4的芯片置于对应的管脚位置，将整个带有芯片层3和被动器件层4的玻璃板置于烘箱中，加热温度为140～210℃，加热时间为5～15min，待所有焊接位置固化取出，得到焊接有芯片层3和被动器件层4的柔性电路。

步骤6，顶层器件封装：

将焊接完整的电路置于等离子体处理炉中，以60～100W功率处理3～6min，去除表面的疏水基团，然后将其放置提前打印的矩形金属模具内，在可拉伸肌电电极表面贴合一层对应大小的水溶胶带C，防止硅胶使肌电信号采集电极61断路，利用制备的底层弹性体8对放置于金属模具里面的柔性电路进行浇筑，常温条件下固化1～3h，得到封装好的包括顶层弹性体1的封装器件。

步骤7，导电凝胶电极制备与集成：

用镊子剥离放置肌电信号采集电极61处的水溶性胶带C，形成方形的镂空。然后以2-酮戊二酸、丙烯酰胺、氯化锂、和二甲基-三磺丙基氢氧化铵与离子水以1:(5～3):(200～600):(1500～2500):(3000～4000)的质量分数配比配置50～200mg，充分搅拌2～4h，将得到的水凝胶液体用滴管填满上面肌电信号采集电极61位置的镂空，然后置于紫外光10～30W功率条件下固化2～5h，继而得到带有导电凝胶电极2的柔性可拉伸人工喉。

下面通过具体实施例来进一步说明本发明制备方法。

实施例1

S1，底层弹性体制备：

载玻片预处理，按照质量比为0.5:1将Ecoflex 00-30A和B胶混合配制硅胶弹性体，以800r/min的转速20s将硅胶弹性体旋涂载玻片上，硅胶薄膜固化，得到底层弹性体。

S2，蛇形电极层和PI网络层刻蚀：

按照质量比为15:1将聚二甲基硅氧烷PDMS与硅胶弹性体固化剂混合配制PDMS混合料，以1000r/min的转速旋转20s将PDMS混合料旋涂在清洁的载玻片上；

真空抽滤去除气泡，在90℃条件下恒温加热2h，PDMS薄膜固化，得到覆有PDMS薄膜的载玻片；在清洁的铜箔上以2000r/min的转速转动30s，旋涂PI溶液，得到覆有PI的铜箔；将附有PI的铜箔固定制备的载玻片的PDMS薄膜上，在30N压力、温度为80℃热压印覆有PI覆铜箔；热压2h；将固定铜箔的PDMS薄膜置于功率为20W的紫外光下固化30min；将固定好PI铜箔的载玻片置于紫外激光器下，按照设计结构轮廓，在紫外光的功率为4W、切割速度为100mm/min进行20次循环切割；激光刻蚀，残留物剥离，得到表面覆有PI网络层的蛇形电极层。

S3，转移覆有PI的蛇形电极层：

用水溶性胶带粘黏覆有PI网络层的蛇形电极层，将转移覆有PI蛇形电极层和胶带一面与底层弹性体粘黏，置于紫外光下，功率为5W，照射30min；去离子水中浸泡后，冲洗硅胶弹性体表面的导电结构，吹干，得到键合在硅胶弹性体上的覆有PI蛇形电极层。

S4，制备隔离绝缘层：

分别在芯片层每个芯片底部刻蚀一个PET掩膜板，将刻蚀的PET掩膜板与蛇形电极对准并贴合，在PET表面刮涂一层硅胶弹性体，剥掉PET掩膜板，常温下固化，得到隔离绝缘层。

S5，芯片层、被动器件层和蛇形电极层低温回流焊：

紫外激光刻蚀蛇形电极层，形成具有镂空结构的金属网板，将芯片层和被动器件层的芯片置于对应的管脚位置，在温度为140℃，加热时间为15min加热固化，得到焊接有芯片层和被动器件层的柔性电路。

S6，顶层器件封装：

将柔性电路等离子处理，功率为100W，处理时间为3min；利用底层弹性体对柔性电路浇筑，常温下固化，得到顶层封装器件。

S7，导电凝胶电极制备与集成：

剥离肌电信号采集电极处的水溶性胶带，形成镂空电极；然后将水凝胶液体填充镂空电极，水凝胶液体按照质量比为1:4:400:1500:3500将2-酮戊二酸、丙烯酰胺、氯化锂、二甲基-三磺丙基氢氧化铵与离子水混合制备得到；在功率为20W固化4h紫外光下固化，得到带有导电凝胶电极的柔性可拉伸人工喉。

实施例2

S1，底层弹性体制备：

载玻片预处理，按照质量比为1.0:1将Ecoflex 00-30A和B胶混合配制硅胶弹性体，以300r/min的转速30s将硅胶弹性体旋涂载玻片上，硅胶薄膜固化，得到底层弹性体。

S2，蛇形电极层和PI网络层刻蚀：

按照质量比为10:1将聚二甲基硅氧烷PDMS与硅胶弹性体固化剂混合配制PDMS混合料，以700r/min的转速旋转10s将PDMS混合料旋涂在清洁的载玻片上；

真空抽滤去除气泡，在60℃条件下恒温加热3h，PDMS薄膜固化，得到覆有PDMS薄膜的载玻片；在清洁的铜箔上以3000r/min的转速转动20s，旋涂PI溶液，得到覆有PI的铜箔；将附有PI的铜箔固定制备的载玻片的PDMS薄膜上，在20N压力、温度为100℃热压印覆有PI覆铜箔；热压1h；将固定铜箔的PDMS薄膜置于功率为30W的紫外光下固化10min；将固定好PI铜箔的载玻片置于紫外激光器下，按照设计结构轮廓，在紫外光的功率为3W、切割速度为600mm/min进行5次循环切割；激光刻蚀，残留物剥离，得到表面覆有PI网络层的蛇形电极层。

S3，转移覆有PI的蛇形电极层：

用水溶性胶带粘黏覆有PI网络层的蛇形电极层，将转移覆有PI蛇形电极层和胶带一面与底层弹性体粘黏，置于紫外光下，功率为20W，照射20min；去离子水中浸泡后，冲洗硅胶弹性体表面的导电结构，吹干，得到键合在硅胶弹性体上的覆有PI蛇形电极层。

S4，制备隔离绝缘层：

分别在芯片层每个芯片底部刻蚀一个PET掩膜板，将刻蚀的PET掩膜板与蛇形电极对准并贴合，在PET表面刮涂一层硅胶弹性体，剥掉PET掩膜板，常温下固化，得到隔离绝缘层。

S5，芯片层、被动器件层和蛇形电极层低温回流焊：

紫外激光刻蚀蛇形电极层，形成具有镂空结构的金属网板，将芯片层和被动器件层的芯片置于对应的管脚位置，在温度为180℃，加热时间为10min加热固化，得到焊接有芯片层和被动器件层的柔性电路。

S6，顶层器件封装：

将柔性电路等离子处理，功率为60W，处理时间为6min；利用底层弹性体对柔性电路浇筑，常温下固化，得到顶层封装器件。

S7，导电凝胶电极制备与集成：

剥离肌电信号采集电极处的水溶性胶带，形成镂空电极；然后将水凝胶液体填充镂空电极，水凝胶液体按照质量比为1:3:200:2500:3000将2-酮戊二酸、丙烯酰胺、氯化锂、二甲基-三磺丙基氢氧化铵与离子水混合制备得到；在功率为30W固化2h紫外光下固化，得到带有导电凝胶电极的柔性可拉伸人工喉。

实施例3

S1，底层弹性体制备：

载玻片预处理，按照质量比为1.5:1将Ecoflex 00-30A和B胶混合配制硅胶弹性体，以1000r/min的转速10s将硅胶弹性体旋涂载玻片上，硅胶薄膜固化，得到底层弹性体。

S2，蛇形电极层和PI网络层刻蚀：

按照质量比为20:1将聚二甲基硅氧烷PDMS与硅胶弹性体固化剂混合配制PDMS混合料，以500r/min的转速旋转30s将PDMS混合料旋涂在清洁的载玻片上；

真空抽滤去除气泡，在110℃条件下恒温加热1h，PDMS薄膜固化，得到覆有PDMS薄膜的载玻片；在清洁的铜箔上以4000r/min的转速转动10s，旋涂PI溶液，得到覆有PI的铜箔；将附有PI的铜箔固定制备的载玻片的PDMS薄膜上，在10N压力、温度为150℃热压印覆有PI覆铜箔；热压0.5h；将固定铜箔的PDMS薄膜置于功率为10W的紫外光下固化20min；将固定好PI铜箔的载玻片置于紫外激光器下，按照设计结构轮廓，在紫外光的功率为5W、切割速度为400mm/min进行10次循环切割；激光刻蚀，残留物剥离，得到表面覆有PI网络层的蛇形电极层。

S3，转移覆有PI的蛇形电极层：

用水溶性胶带粘黏覆有PI网络层的蛇形电极层，将转移覆有PI蛇形电极层和胶带一面与底层弹性体粘黏，置于紫外光下，功率为10W，照射20min；去离子水中浸泡后，冲洗硅胶弹性体表面的导电结构，吹干，得到键合在硅胶弹性体上的覆有PI蛇形电极层。

S4，制备隔离绝缘层：

分别在芯片层每个芯片底部刻蚀一个PET掩膜板，将刻蚀的PET掩膜板与蛇形电极对准并贴合，在PET表面刮涂一层硅胶弹性体，剥掉PET掩膜板，常温下固化，得到隔离绝缘层。

S5，芯片层、被动器件层和蛇形电极层低温回流焊：

紫外激光刻蚀蛇形电极层，形成具有镂空结构的金属网板，将芯片层和被动器件层的芯片置于对应的管脚位置，在温度为210℃，加热时间为5min加热固化，得到焊接有芯片层和被动器件层的柔性电路。

S6，顶层器件封装：

将柔性电路等离子处理，功率为80W，处理时间为5min；利用底层弹性体对柔性电路浇筑，常温下固化，得到顶层封装器件。

S7，导电凝胶电极制备与集成：

剥离肌电信号采集电极处的水溶性胶带，形成镂空电极；然后将水凝胶液体填充镂空电极，水凝胶液体按照质量比为1:5:600:2000:4000将2-酮戊二酸、丙烯酰胺、氯化锂、二甲基-三磺丙基氢氧化铵与离子水混合制备得到；在功率为10W固化5h紫外光下固化，得到带有导电凝胶电极的柔性可拉伸人工喉。

本发明基于机械声学的无线全集成柔性可拉伸人工喉的工作模式如下：

利用人工喉集成的加速度传感器捕获肺部呼吸导致胸腔肋骨上移引发的传感器微小振动和微弱的心脏冲击，从而实现对心率和呼吸的准确测量，为呼吸和心率测试方法提供了一种极为新颖、便捷的策略。由于人工喉可以与喉咙皮肤完美贴合，基于加速度传感器宽的响应范围，由此实现对喉咙声音振动以及人体运动特征的获取。另外，肌电电极可以获取喉咙表皮的肌电信号，由此可实现对喉咙周围表皮神经信号的分析，以及根据声音振动情况下的肌电特征的规律变化，由此实现对声音信号的分类与识别。

基于混合集成关键工艺开发了全柔性集成的可拉伸电子，通过设计可拉伸、力学性能稳定的柔性蛇形网络和利用高精度激光加工技术实现高精度微纳电通路制备，有效解决了传感-处理-无线传输-微型供电一体化的柔性全集成难的问题。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。