柔性电子器件和可穿戴设备发展和应用研究

邹洛珂 胥烨菲 许思丹 章怡

（浙江万里学院,浙江 宁波 315100）

一、引言

伴随着科学技术的发展进步，电子设备以及计算机技术的普及，电子技术已经广泛应用于我国工业、科技、医疗以及国防等多种方面。虽然电子设备让生活更方便，但是存在着很多弊端：设备大，硬度强，防水性弱，性能强却要多次储存电量。未来的科技应该是智能设备与人的更有机的结合，可穿戴电子设备呈现出巨大的市场前景，于是柔性可穿戴电子设备应运而生。柔性电子，对于难以实现弯曲性材料制作的传统芯片，在不损坏本身电子性能的基础上实现传统芯片难以实现的伸展性和弯曲性，通过在结构上设计出可以承受拉伸的微电路芯片，然后再将其植入到可弯曲的材料后，形成一种伸展性和弯曲性极强的软设备，并在底层制成一层新的粘合层，可粘着并固定于人体的各个部位，能够直接与皮肤紧密贴合的高精尖可佩戴柔性电子产品，不管是在生活、工作、学习及身体上满足人体适应环境所需要的高分辨、高灵敏、快速响应等功能性集全的设备，可进行实时调整，实现真正的人机交互。

二、柔性电子可穿戴设备的可行性及应用

目前，柔性可穿戴电子的研究应用体现在人类生活的很多方面，如电子皮肤、可穿戴生理监测治疗装置、柔性导电织物、薄膜晶体管和透明薄膜柔性门电路等。柔性电子的研究已经从起步阶段迈入实质性发展阶段。

（一）柔性电子材料的研究与发展

现阶段，国内外对于柔性电子行业的研究热度一直居高不下，中国科学家也一直在着手这一方面的研究，如中国科学院青岛能源所黄长水团队，就首次设计并合成了一种新型的柔性石墨炔二维电极材料。石墨炔是一种具有大量分子内孔道的二维材料，这使得它具有较高的蓄电量，这弥补了其他的二维材料中原子分布紧密以至于锂离子无法正常自由通行的缺点。黄长水的科研团队利用氟取代改性的方式制备了这种具有良好的电化学性能的新型柔性石墨炔电极材料，为更加优异的柔性电极材料和新型储能器件提供了新的思路和方向。

（二）柔性可穿戴设备的可行性

据麦姆斯咨询报道，医疗保健领域最早采用该项技术，集成了柔性传感器的技术是远程监测和跟踪患者康复系统的组成部分。这种新型柔性传感器已被证实可通过良好的柔性与监测效果，改善患者的治疗状况，从而得到更快速有效的康复。

1.温度检测

人体皮肤对温度的感知帮助人们维持体内外的热量平衡。电子皮肤的概念最早由 Rogers 等提出，由多功能二极管、无线功率线圈和射频发生器等部件组成。这样的表皮电子对温度和热导率的变化非常敏感，可以评价人体生理特征的变化，比如皮肤含水量，组织热导率，血流量状态和伤口修复过程。表皮温度传感器可以贴合在皮肤上，并且将环境的影响最小化，精确地测量体温。基于表皮电子学的概念和柔性电子技术，现已开发出部分可穿戴温度传感器，这些传感器有望在疾病诊断和人类保健中发挥重要作用。

2.脉搏检测

在脉搏监测领域，可穿戴传感器具有以下应用优势:(1)在不影响人体运动状态的前提下长时间的采集人体日常心电数据，实时的传输至监护终端进行分析处理;(2)数据通过无线电波进行传输，免除了复杂的连线。可以粘附在皮肤表面的电学矩阵在非植入健康监测方面具有明显优势，而且超轻超薄，利于携带。

3.运动检测

监测人体运动的策略可以分为两种:一种是监测大范围运动，另一种是监测像呼吸，吞咽和说话过程中胸和颈的细微运动。适用于这两种策略的传感器必须具备好的拉伸性和高灵敏度。所以，具备好的拉伸性和高灵敏度的柔性可穿戴电子传感器在运动监测领域至关重要。

三、柔性电子可穿戴设备研究出现的问题及对策方向

（一）柔性电子电路的性能

现阶段，柔性材料的研究取得了一定程度的前进，如柔性石墨材料、碳纳米管和氧化锌等材料等，柔性电子电路在很多柔性设备中也取得了很不错的进展成果，但是在制作条件和性能方面还需要有所提升和突破。

（二）柔性可穿戴电子设备能耗

高设备和高强度的柔性可穿戴电子设备在当下长时间佩戴需要高能耗的技术来支持，在独特的性能及方便舒适的特点面前，唯有高能耗的电池支撑，新型长时间微型化的技术还需进一步加深，在保证电子可穿戴设备性能及特点的前提下，降低能耗，延长设备工作时间，让设备更好的为需求者服务。

（三）柔性可穿戴电子设备与人体皮肤的适应

随着技术进步，人对设备舒适程度的要求也越来越高，对设备也越来越挑剔，外界对人体的刺激也越来越大，柔性穿戴电子设备具备机械柔性并且能够直接或间接与皮肤紧密贴合的电子装置或设备，需要与人体皮肤更好的接触融合，这无异于对设备提出了更加精准的要求，具有良好的接触感，透气性，舒适度以及安全特征必不可少，从而减少人体对设备的不适应和排斥问题。