可延展柔性电子器件/人体皮肤组织集成系统的热力耦合研究

Stretchable electronics with the ability to be stretched, bent and twisted while function can ensure their perfect attachment to the human skin and have been widely used to monitor body signs such as body temperature and pressure. One critical issue in the applications of stretchable electronics involving the human skin is that excessive heating may cause high temperature increase and thermal stress, which will induce the discomfort of human body. This proposal aims to investigate the thermal and thermo-mechanical behaviors of stretchable electronics/human skin integrated system. Analytical models will be established to understand the underlying mechanism of heat transfer and thermo-mechanical coupling associated with the integrated system. A novel system of temperature/strain sensors, decoupling the temperature and deformation, based on the strain-isolation design will be fabricated to validate the analytical models and realize the real-time monitoring of body temperature and water content of the human skin.

可延展柔性电子器件可以承受拉伸、弯曲、扭转以及复杂的组合变形，由于其优异的力学性能，可保证柔性电子器件与人体皮肤完美兼容，因此被广泛应用于人体体征信息的监测。但随着应用范围的不断增加，可延展柔性电子器件的热问题日益突出，特别是当电子器件与人体皮肤集成时，温升过高会直接导致人体不适。本项目针对可延展柔性电子器件/人体皮肤组织集成系统，开展其热管理与热力耦合行为研究，建立器件与人体皮肤组织之间热力耦合理论模型，揭示器件与人体皮肤组织的传热及热力耦合作用机理，并基于新型应变隔离方法，制备一种同时具备应变和温度检测功能的集成传感系统，实现温度和应变的精确测量，进一步验证传热及热力耦合理论模型，同时基于所建模型实现实时监测人体体温和皮肤组织含水量。

通过巧妙的力学设计，柔性电子器件在承受任意拉伸、弯曲、扭转及其组合载荷作用时仍能正常工作而不会失效，因此可被贴附在人体组织上，对人体体征进行实时在线监测，广泛应用于健康医疗、飞行人员在线监测等广泛的领域。但随着功能性和集成度不断提升，柔性电子元器件在工作中的热管理问题越来越突出，若设计不合理，温升产生的应力会导致人体不舒适甚至对人体产生伤害，因此热安全性和舒适性的分析与设计成为这类新型柔性器件应用的重要挑战之一。本项目针对高集成度器件，考虑有机聚合物衬底与无机功能元件之间热失配，通过理论、仿真和实验方法研究了典型柔性器件复杂多层结构的稳态和瞬态热力理论模型，得到不同加载条件下柔性器件中的应变分布和温度分布。考虑人体神经传输过程，建立柔性电子器件工作状态与神经动力学判据之间内在联系的理论模型，为柔性器件舒适性设计提供一种新思路。柔性器件的快速升温给人体带来的热安全性问题，本项目提出一种可有效散热的基体材料，通过结构设计调控热流，利用相变材料实现热量吸收，实现对有效降温，为柔性器件的热安全性设计提供理论支撑。