柔性可穿戴电子的新进展_卢忠花

１ 柔性可穿戴电子的应用领域
柔性可穿戴电子的应用可大致分为四大领域： 医学监测治疗、运动健身、通信娱乐和航空航天。 其中最广泛的应用则属医学监测治疗领域，其他领 域的进展仍处在初期摸索阶段。 １．１ 医 学 监 测 治 疗
在医学监测治疗领域中，柔性可穿戴电子主 要作用之一便是将检测监控电路印制在衣服或是 其他柔性材料上，作为诊断或监测人体生命信号 的工具，用于对病人进行身体健康数据采集、疾 病监测和康复跟踪监控等。如在高分子聚合物基 础上制备而成的电子皮肤，其有着与人类皮肤相 似 的 感 知 功 能 ， 如 图１ （ａ）［１］所 示 。 应 用 于 体 外 诊 断的可穿戴或皮肤可接触式传感器，如可穿戴式 心 电 呼 吸 传 感 器 ， 如 图 １ （ｂ）［１］所 示 。 应 用 于 医 疗手术的可植入人体器官组织的辅助设备，如用 于心脏治疗的可拉伸的多功能球囊导管表面的电 路 ， 如 图 １ （ｃ）［１］所 示 。 具 有 独 特 特 性 的 传 感 器
在运动健身方面，柔性可穿戴电子主要用于对 用户运动健身数据监测和预警，而最广泛的应用是 柔性可穿戴传感器的设计，如柔性可穿戴的压力监 测鞋垫 （图 ２［７］）、 基 于 柔 性 传 感 器 的 运 动 鞋 信 息 反馈系统 等 ［１２］ 。 对 于 运 动 类 产 品， 要 有 合 理 运 动 量提醒、运动量统计和运动数据分析等功能，而不 是仅拥有一个可以进行运动数据分享的应用玩具。 加之对应 于 相 关 服 务 的 需 求 以 及 产 品 集 成 度 的 要 求，柔性可穿戴电子在运动健身方面的应用更具有 开发潜力。
２０１４年，瑞士 科 学 家 研 发 出 了 一 种 可 以 放 置 在隐形眼镜上的柔性且透明的电路 ， ［３］ 可以用 来 监 测青光眼和检测眼睛压力等。这个电路被印制在只 有１ ｍｍ 厚的聚对二甲苯上，因此不仅具有柔软性 还有一定的透明性。
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 、 ［１］ 可穿戴心脏 除 颤 器 、 ［２］ 置于隐形眼镜中的柔性电路 、 ［３］ 柔性 导 电 织 物键盘 、 ［４］ 可穿戴式心电呼吸传感器 、 ［５］ 笔 状 可 卷 曲显示器 、 ［６］ 柔性压力监测鞋垫 、 ［７］ 薄 膜 晶 体 管［８］ 和透明薄膜柔性门电路 等 ［９］ 。本文主要阐述了 柔 性 可穿戴电子的应用领域，详细介绍了柔性薄膜电子 器件的特性和柔性材料的电子设计，最后分析了柔 性可穿戴电子发展的掣肘，并对其发展前景进行了 展望。
图 １ 柔 性 可 穿 戴 电 子 在 医 学 监 测 治 疗 领 域 中 的 应 用 ［１］ Ｆｉｇ．１ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｗｅａｒａｂｌｅ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ
ｉｎ ｔｈｅ ｍｅｄｉｃａｌ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｆｉｅｌｄ［１］
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柔性显示屏是利用可弯曲的有机发光二极管 （ＯＬＥＤ） 制成的， 具 有 一 定 的 弯 曲 度。 但 是 拥 有 柔性显示屏的手机依然是有一个坚硬的手机外壳做 支撑，只是在显示屏部分采用了柔性材料，这便是 具有部分柔性电子设计的产品。 １．４ 航 空 航 天
柔性可穿戴电子不仅在人们的生活健康领域有 长远的发展前景，而且在航空航天领域也有着至关 重要的 应 用。 如 柔 性 可 穿 戴 的 天 线 系 统 、 ［１３］ 基 于 柔性薄膜传 感 器 的 翼 面 攻 角 测 试 系 统 以 ［１４］ 及 高 速 柔性薄膜 的 温 度 传 感 器 等 ［１５］ 。 航 空 航 天 领 域 的 柔 性电子应用研制需要更加严格的精密度，强调获取 数据的精密性与准确性。
ＤＯＩ：１０．１３２５０／ｊ．ｃｎｋｉ．ｗｎｄｚ．２０１４．１1 ．００１ ＥＥＡＣＣ：０５６０；２０００
０ 引 言
随着电子科学技术的不断发展，人们对健康的
生活需求也不断提高，特别是对日常生活中电子器 件的广泛应用有了更高的要求。在工业革命之前， 人们都不敢想会有脱离手工劳动、进入电气时代的
收 稿 日 期 ：２０１４－０７－０３ 基金项目：国家基础科学人才培养基金资助项目 （Ｊ０７３０３１８） 通 信 作 者 ： 王 卿 璞 ，Ｅ－ｍａｉｌ：ｗａｎｇｑｉｎｇｐｕ＠ｓｄｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
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柔性可穿戴电子的新进展
卢忠花，王卿璞，Βιβλιοθήκη Baidu海瑞，袁 帅，王丹丹
（山东大学 信息科学与工程学院，济南 ２５０１００）
摘要：综述了近期柔性可穿戴电子的研究进展以及在现代生活中的发展应用，阐明了柔性薄膜电 子在医学和生活娱乐等领域的发展方向和潜在应用，特别是在医疗领域，柔性电子的发展与应用 将是人们未来生命健康监测与治疗的主流方向。详细介绍了以聚酰亚胺等聚合物材料为基底的薄 膜电子器件的发展类型，并且阐述了分别以聚合物薄膜材料和导电织物为基底的柔性电子设计。 论述了制约柔性可穿戴电子在未来发展研究中的问题，并对柔性可穿戴电子的发展趋势进行了 展望。 关键词：柔性可穿戴电子；导电织物；高分子聚合物；薄膜电子器件；柔性传感器 中图分类号：ＴＮ３０４．５２；ＴＮ３０３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７１－４７７６ （２０１４）１０－０６８５－０７
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｗｅａｒａｂｌｅ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｐｐｌｉｃａ－ ｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｍｏｄｅｒｎ ｌｉｆｅ ｗｅｒｅ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｗｅａｒａｂｌｅ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ｉｎ ｔｈｅ ｍｅｄｉｃｉｎｅ，ｅｎｔｅｒｔａｉｎｍｅｎｔ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｆｉｅｌｄｓ ｗｅｒｅ ｉｌｌｕｓｔｒａｔｅｄ． Ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ ｉｎ ｔｈｅ ｍｅｄｉｃａｌ ｆｉｅｌｄ，ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ｗｉｌｌ ｂｅ ｔｈｅ ｍａｉｎｓｔｒｅａｍ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｈｅａｌｔｈ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｆｏｒ ｐｅｏｐｌｅ ｉｎ ｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ．Ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｄｅｖｉｃｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｐｏｌｙｉｍｉｄｅ ｐｏｌｙｍｅｒ ｍａｔｅｒｉａｌ ａｓ ｔｈｅ ｂａｓｅ ｗｅｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ．Ａｎｄ ｔｈｅ ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｄｅｓｉｇｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｐｏｌｙｍｅｒ ｆｉｌｍ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ｆａｂｒｉｃｓ ｗｅｒｅ ｅｌａｂｏｒａｔｅｄ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｒｅｓｔｒｉｃｔｉｎｇ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｗｅａｒａｂｌｅ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ｉｎ ｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ ｗｅｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｔｒｅｎｄ ｏｆ ｔｈｅ ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｗｅａｒａｂｌｅ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ｗａｓ ｐｒｏｓｐｅｃｔｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｗｅａｒａｂｌｅ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ；ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ｆａｂｒｉｃ；ｐｏｌｙｍｅｒ；ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｄｅｖｉｃｅ； ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｓｅｎｓｏｒ
２０１３年，Ｐ．Ｊ．Ｓｏｈ 等 人［１０］研 发 了 一 种 应 用 于 生物医学遥测的只能可穿戴纺织阵列系统，这种系 统与多个传感器联合，可以实现持续有效的病人信 息检测。通过医疗传感器实现了居家患者与门诊监 控人员对健康状况的信息交流。
同年，Ｊ．Ｙ．Ｃｈｅｎｇ 等 人 设 ［１１］ 计 了 用 于 活 动 识 别的敏感可穿戴式电容传感器。它由一个或多个导 电织物垫集成在衣服上，可实现长时间的非侵入式 监测，并在心率、呼吸率监测、手势识别、吞咽监 控和步态分析等应用中具有显著效果。 １．２ 运 动 健 身
２０１３年，中北大 学 王 锋 等 人 对 ［１４］ 基 于 柔 性 薄 膜传感器的翼面攻角测试系统进行研究。他们提出 用多晶硅等薄膜材料，通过薄膜技术制成了一种全 柔性薄膜压力传感器，不仅具有压力传感器的敏感 性，同时具有柔性材料的柔韧性和可折叠性，能够 很方便地应用于飞行器翼面攻角数据记录以及飞行 性能监控。
柔性可穿戴压力监测鞋垫利用脚底压力反馈信 息和步态等因素，在下肢问题诊断、预防运动损伤 及运动再学习治疗上有很重要的应用。 １．３ 通 信 娱 乐
通信娱乐类产品主要满足用户随时的信息沟通 及娱乐需求，如具有柔性电路的隐形眼镜 、 ［３］ 笔 状 可卷曲显示器 （图３，它是一种有 机 电 子 柔 性 显 示 器，不使用时，卷起来像一支钢笔；使用时，展开 成显示器）［６］和 柔 性 显 示 屏 手 机 等 产 品， 也 只 是 在 部分电路功能上实现了柔性设计，还远远不能满足 用户的需求。
６８６ Ｍｉｃｒｏｎａｎｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖｏｌ．５１ Ｎｏ．１１ Ｎｏｖｅｍｂｅｒ ２０１４
卢忠花等：柔性可穿戴电子的新进展
（a） 鞋垫的组成部分图像
（b） 式样脱模
图 ２ 柔 性 可 穿 戴 的 压 力 监 测 鞋 垫 ［７］ Ｆｉｇ．２ Ｗｅａｒａｂｌｅ ａｎｄ ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｉｎｓｏｌｅ ｆｏｒ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｔｈｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ［７］
２ 柔性薄膜电子器件
图 ３ 笔 状 可 卷 曲 显 示 器［６］ Ｆｉｇ．３ Ｐｅｎ ｓｈａｐｅｄ ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｄｉｓｐｌａｙ［６］
早 在 ２００４ 年 普 林 斯 顿 大 学 著 名 教 授 Ｓ．Ｒ．Ｆｏｒｒｅｓｔ［６］提出一 种 利 用 有 机 高 分 子 聚 合 物 的 高度柔韧性设计的柔性电子器件，以及笔状可卷曲 显示器的概念型设计。
系统，如具有透明性、能够自我修复、能够自我 能量采集 的 柔 性 电 路 以 及 能 够 自 我 修 复 的 电 极， 如 图 １ （ｄ）［１］所 示 。
传感器 皮肤可接触
（a） 电子皮肤 附着在器官上
（b） 可穿戴的皮肤可接触式传感器 透明
自我修复
（c） 用于体外诊断的 可植入式器件
（d） 具有独特特性的先进传感器
２０１４年１１月 微纳电子技术第５１卷第１１期 ６８５
卢忠花等：柔性可穿戴电子的新进展
一天。 然而，通过人类无限的创新思维，为满足人们
新需求的各类创新技术层出不穷，柔性可穿戴电子 就是其中之一。相对于传统电子，柔性电子具有更 大的灵活性，能够在一定程度上适应不同的工作环 境，满足客户对于设备的形变要求；但是相应的技 术要求同样制约了柔性电子的发展。首先，柔性电 子在不损坏本身电子性能的基础上的伸展性和弯曲 性，对电路的制作材料提出了新的挑战和要求；其 次，柔性电子的制备条件以及组成电路的各种电子 器件的性能，相对于传统的电子器件来说也是其发 展的一大难题。
Ｎｅｗ Ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｉｎ Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｗｅａｒａｂｌｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ
Ｌｕ Ｚｈｏｎｇｈｕａ， Ｗａｎｇ Ｑｉｎｇｐｕ，Ｌｕ Ｈａｉｒｕｉ，Ｙｕａｎ Ｓｈｕａｉ，Ｗａｎｇ Ｄａｎｄａｎ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉｎａｎ２５０１００，Ｃｈｉｎａ）
２０１４年，北京航 空 航 天 大 学 的 夏 怡 等 人 设 ［１５］ 计了一种基于 高 速 柔 性 薄 膜 电 子 的 ＣＭＯＳ 温 度 传 感器。实验中使用薄膜铂电阻作为敏感元件，制作 在柔性衬底材料上，形成传感器检测阵列。将这种 温度传感器用于机身机翼，可以有效监测飞机飞行 状况，消除飞行隐患。