柔性電子器件和可穿戴設備發展和應用研究

鄒洛珂 胥燁菲 許思丹 章怡

（浙江萬里學院,浙江 寧波 315100）

一、引言

伴隨著科學技術的發展進步，電子設備以及計算機技術的普及，電子技術已經廣泛應用于我國工業、科技、醫療以及國防等多種方面。雖然電子設備讓生活更方便，但是存在著很多弊端：設備大，硬度強，防水性弱，性能強卻要多次儲存電量。未來的科技應該是智能設備與人的更有機的結合，可穿戴電子設備呈現出巨大的市場前景，于是柔性可穿戴電子設備應運而生。柔性電子，對于難以實現彎曲性材料制作的傳統芯片，在不損壞本身電子性能的基礎上實現傳統芯片難以實現的伸展性和彎曲性，通過在結構上設計出可以承受拉伸的微電路芯片，然后再將其植入到可彎曲的材料后，形成一種伸展性和彎曲性極強的軟設備，并在底層制成一層新的粘合層，可粘著并固定于人體的各個部位，能夠直接與皮膚緊密貼合的高精尖可佩戴柔性電子產品，不管是在生活、工作、學習及身體上滿足人體適應環境所需要的高分辨、高靈敏、快速響應等功能性集全的設備，可進行實時調整，實現真正的人機交互。

二、柔性電子可穿戴設備的可行性及應用

目前，柔性可穿戴電子的研究應用體現在人類生活的很多方面，如電子皮膚、可穿戴生理監測治療裝置、柔性導電織物、薄膜晶體管和透明薄膜柔性門電路等。柔性電子的研究已經從起步階段邁入實質性發展階段。

（一）柔性電子材料的研究與發展

現階段，國內外對于柔性電子行業的研究熱度一直居高不下，中國科學家也一直在著手這一方面的研究，如中國科學院青島能源所黃長水團隊，就首次設計并合成了一種新型的柔性石墨炔二維電極材料。石墨炔是一種具有大量分子內孔道的二維材料，這使得它具有較高的蓄電量，這彌補了其他的二維材料中原子分布緊密以至于鋰離子無法正常自由通行的缺點。黃長水的科研團隊利用氟取代改性的方式制備了這種具有良好的電化學性能的新型柔性石墨炔電極材料，為更加優異的柔性電極材料和新型儲能器件提供了新的思路和方向。

（二）柔性可穿戴設備的可行性

據麥姆斯咨詢報道，醫療保健領域最早采用該項技術，集成了柔性傳感器的技術是遠程監測和跟蹤患者康復系統的組成部分。這種新型柔性傳感器已被證實可通過良好的柔性與監測效果，改善患者的治療狀況，從而得到更快速有效的康復。

1.溫度檢測

人體皮膚對溫度的感知幫助人們維持體內外的熱量平衡。電子皮膚的概念最早由 Rogers 等提出，由多功能二極管、無線功率線圈和射頻發生器等部件組成。這樣的表皮電子對溫度和熱導率的變化非常敏感，可以評價人體生理特征的變化，比如皮膚含水量，組織熱導率，血流量狀態和傷口修復過程。表皮溫度傳感器可以貼合在皮膚上，并且將環境的影響最小化，精確地測量體溫。基于表皮電子學的概念和柔性電子技術，現已開發出部分可穿戴溫度傳感器，這些傳感器有望在疾病診斷和人類保健中發揮重要作用。

2.脈搏檢測

在脈搏監測領域，可穿戴傳感器具有以下應用優勢:(1)在不影響人體運動狀態的前提下長時間的采集人體日常心電數據，實時的傳輸至監護終端進行分析處理;(2)數據通過無線電波進行傳輸，免除了復雜的連線。可以粘附在皮膚表面的電學矩陣在非植入健康監測方面具有明顯優勢，而且超輕超薄，利于攜帶。

3.運動檢測

監測人體運動的策略可以分為兩種:一種是監測大范圍運動，另一種是監測像呼吸，吞咽和說話過程中胸和頸的細微運動。適用于這兩種策略的傳感器必須具備好的拉伸性和高靈敏度。所以，具備好的拉伸性和高靈敏度的柔性可穿戴電子傳感器在運動監測領域至關重要。

三、柔性電子可穿戴設備研究出現的問題及對策方向

（一）柔性電子電路的性能

現階段，柔性材料的研究取得了一定程度的前進，如柔性石墨材料、碳納米管和氧化鋅等材料等，柔性電子電路在很多柔性設備中也取得了很不錯的進展成果，但是在制作條件和性能方面還需要有所提升和突破。

（二）柔性可穿戴電子設備能耗

高設備和高強度的柔性可穿戴電子設備在當下長時間佩戴需要高能耗的技術來支持，在獨特的性能及方便舒適的特點面前，唯有高能耗的電池支撐，新型長時間微型化的技術還需進一步加深，在保證電子可穿戴設備性能及特點的前提下，降低能耗，延長設備工作時間，讓設備更好的為需求者服務。

（三）柔性可穿戴電子設備與人體皮膚的適應

隨著技術進步，人對設備舒適程度的要求也越來越高，對設備也越來越挑剔，外界對人體的刺激也越來越大，柔性穿戴電子設備具備機械柔性并且能夠直接或間接與皮膚緊密貼合的電子裝置或設備，需要與人體皮膚更好的接觸融合，這無異于對設備提出了更加精準的要求，具有良好的接觸感，透氣性，舒適度以及安全特征必不可少，從而減少人體對設備的不適應和排斥問題。