[发明专利]全基于激光诱导石墨烯工艺的自供能传感微系统

说明书

本发明提供了一种全基于激光诱导石墨烯工艺的自供能传感微系统。包括：LIG储能元件层、PI衬底层和LIG功能及采能元件层，PI衬底层作为LIG储能元件层、LIG功能及采能元件层天然的结构连接层与电学绝缘层，将LIG传感功能元件和LIG采能元件制备在系统的正面，将LIG储能元件制备在系统的背面，利用LIG穿孔机制保证系统正反面元件的有效互连。PI衬底层作为激光诱导前驱体，对传感功能元件、采能元件和储能元件分别选取特异性的参数进行LIG电极诱导。本发明的系统利用单步激光诱导PI衬底获取LIG的方式，并结合LIG优异的物理化学性能，实现了包括传感元件、采能元件、储能元件、系统互连线等全套传感微系统组件，实现了便携式电子设备工艺层面与性能层面的集成化。

技术领域

本发明涉及传感微系统技术领域，尤其涉及一种全基于激光诱导石墨烯工艺的自供能传感微系统。

背景技术

当下，随着人类对个人健康管理及生活环境质量的密切关注，各类传感器件乃至传感系统的需求日益激增。传感功能元件作为日常生活中实时实地记录各项参量变化及走向的“眼睛”，备受研究人员的关注。与此同时，传感体系从过去的单变量监测、单信号转换机制过渡到如今的多参量多维度相互配合、多转换机制相互协同。此外，合适的材料选取、加工手段、结构设计等为提升传感信号的精密度、多样性和可靠性提供了基础。

目前，现有的传感微系统技术至少存在如下的两个方面的缺点：一方面，现有的传感微系统通常由功能分立的元件直接组合而成，各元件之间的材料选取、加工工艺、工作条件等存在互相不兼容性，系统集成度低，且单独元件的加工工艺繁琐，材料的力学属性和生物兼容性较差，无法真正适用于人体穿戴式/贴肤式应用及更为严苛的自然环境；另一方面，传感微系统的长期稳定工作离不开持续充足的能源供给，而现阶段的电子设备通常使用电池供电，需频繁更换电池及牺牲系统的轻便性来满足供能需求；脱离外加电源激励，巧妙收集生活中的耗散能源为系统自主式供能的研究亟待开展。

发明内容

本发明的实施例提供了一种全基于激光诱导石墨烯工艺的自供能传感微系统，以克服现有技术的问题。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

一种全基于激光诱导石墨烯工艺的自供能传感微系统，包括：

LIG(Laser-induced Graphene，激光诱导石墨烯)储能元件层、PI(polyimide,聚酰亚胺)衬底层和LIG功能及采能元件层，PI衬底层作为LIG储能元件层、LIG功能及采能元件层的结构连接层与电学绝缘层，将LIG传感功能元件与LIG采能元件制备在系统的正面，将LIG储能元件制备在系统的背面，PI衬底层作为激光诱导前驱体，对LIG传感功能元件、LIG储能元件及LIG采能元件分别选取特异性的参数进行LIG电极诱导。

优选地，所述LIG储能元件层、PI衬底层和LIG功能及采能元件层采用岛桥状构型及蛇形互连线结构，相关电路集成在岛桥状构型的正中间岛上。

优选地，所述LIG功能及采能元件层中包括LIG传感功能元件及对应的信号处理电路、无线数据传输电路，LIG采能元件及相应的能量管理电路；LIG储能元件层中包括非对称MSC(Micro-supercapacitor，平面微型超级电容器)阵列。

优选地，所述LIG功能及采能元件层中的LIG传感功能元件、LIG采能元件与LIG储能元件层中的LIG储能元件之间实现有效对接及量化配置，LIG采能元件和LIG储能元件之间利用能量管理电路将LIG采能元件收集到的能量最大化转换成超级电容器MSC能够存储的形式；各个LIG传感功能元件在信号能分辨的前提下，将功耗降到最低，将组件之间的互连引线的串联电阻降到最低，根据LIG传感功能元件的峰值功耗密度，调整LIG采能元件和LIG储能元件的总体积及单位体积能量输出密度。

优选地，所述能量管理电路中包括比较器和LC振荡电路，当输出电位达到比较器的要求，LC振荡电路才对能量进行传递，使得系统的能量输出曲线最大程度展宽。