2022/03/29

可穿戴电子的一个最主要的应用是在人体健康监测与生理指标测量方面。目前使用的可穿戴式医疗电子基本都是刚性和笨重的。这些系统为临床诊断提供了强大而可靠的功能，但是它们繁琐的布线和与皮肤的不良集成阻碍了移动、舒适和连续的长期精确监测。尽管以集成电路为代表的电子器件本身性能和小型化已取得了进步，但可穿戴装置中的机械设计依然概念陈旧，使用脆性元件或刚性封装，需要带子或胶带固定。为了使这些传感器适应人体表面的形貌变化，近年来开发出大量可贴敷式电子系统或传感器。
这些已经报道的可以直接贴敷在皮肤上的电子系统一般可分为三种类型：“电子纹身”型、混合集成型、功能型，图6-1展示了这三种电子系统的区别。电子纹身是将超薄传感元器件与电极做在超薄超柔的基底材料上，形同“电子皮肤”，如图6-2展示的一些实例。超薄电极比较容易实现，超薄传感器与控制电路则需要依赖薄膜晶体管（ThinFilm Transistor, TFT）技术。TFT可以通过有机、金属氧化物或碳纳米管半导体材料制备，也可以是超薄硅集成电路芯片（硅集成电路芯片可以打薄到只有5微米厚度）。但目前超薄芯片的功能还很有限，电路中不可缺少的电阻电容也没有超薄替代品。所以，图6-2 中收集分析汗液的传感器还要依赖传统的柔性PCB来实现完整的传感器信号处理与发送系统功能（图6-2放大部分）。

图6-1：贴敷式电子系统：a. 三种结构，b. 电子纹身型，c. 混合集成型，d.功能型

图6-2：“电子纹身”型传感器实例

对于贴敷人体皮肤表面的电子系统而言，仅仅柔性还是不够的，还需要系统本身具有一定的可拉伸性。可拉伸电子是近年来柔性电子领域最活跃的一个研究方向。可拉伸电子可分为本征可拉伸，即衬底材料与构成电子元器件的材料都可拉伸，以及系统可拉伸，即只有衬底材料与导电互联部分可拉伸，电子元器件不可拉伸。图6-3a 显示的是一个贴敷式压力传感器（美国斯坦福大学鲍哲楠教授团队工作），其中构成压力传感阵列的有机薄膜晶体管本身也可拉伸，因此是一个本征可拉伸电子系统；图6-3b显示的是一个系统可拉伸实例（美国西北大学John Rogers教授团队工作），其中硅基芯片通过可拉伸的导电结构相互连接，芯片本身不可拉伸，但系统整体可拉伸。

图6-3：可拉伸电子系统的两种形式：a.本征可拉伸（左图），b.系统可拉伸（右图）

图6-3b中的互联导线是采用传统集成电路的加工方法，通过金属导电层镀膜、光刻与腐蚀工艺制备，其可拉伸的特性通过特殊设计的蛇形结构实现。这种可拉伸的互联导线也可以通过印刷加工实现，只要可印刷的导电材料本身能够拉伸即可。图6-4是中科院苏州纳米所印刷电子团队通过印刷制备的可拉伸电子实例。其中团队自主开发的可印刷导电浆料具有一定的可拉伸性，通过印刷将传统电子元器件互联（此处为LED），从而构成可拉伸电子系统。

图6-4：印刷构建的系统可拉伸电子：a.印刷的可拉伸互联导线（左图），b.可拉伸电子系统

贴敷式传感器最成熟的应用并已形成产品的是体温贴。使用纸电池作为电源的智能体温贴像一张略厚的大创可贴，把它往腋下一贴，两个互为备份的传感器可以连续48小时自动监测体温。华健医药的智能体温贴（图6-5a）中包括含有蓝牙的主板在内的超薄设备，传感器收集到的温度信息经过处理可被发送到6米之内的手机上，通过下载专门的“Temp Sense”APP，可以在上面读取温度，而且可以限定温度报警提醒。目前类似柔性智能体温贴的产品很多，有无源的，有源的。有源体温贴包括使用柔性纸电池与柔性锂电池。集成了锂电池的优点是可以反复充电使用。例如，售价398元人民币的康测柔性超薄可充电智能体温计，续航达300次以上。美国硅谷公司VivaLNK的Fever Smart体温贴（图6-5b）已进入超市。

图6-5：智能体温贴

除了体温贴之外，基于薄膜电池的有源可贴敷电子贴还打进化妆领域。以人体表皮作为导电介质，通过施加电场让药用成分充分的渗入皮肤，提高了吸收效果，缩短了作用时间。恩福赛公司推出的离子导入眼贴膜可用于皮肤除皱。与使用相同配方和药液的常规眼膜相比，电场辅助可达到15倍至30倍的吸收率和有效性。与医疗美容的针剂方式相比，具有无刺穿、无疼痛感的优势。眼膜电池可以配合不同的精华液，获得不同的护肤效果。正美集团（Cymmetrik）则开发了无需电池的离子面膜产品AKIMIA。该面膜通过特殊设计的分布式导电电极（电极通过印刷制备），配以该公司专利技术的电解质液，可以在皮肤表面诱导产生微电流，加速皮肤对药液电解质的吸收，达到去皱美容效果。

文章来源：硬科技评论