柔性可延展的皮肤电子温度传感器设计
毕业论文关键词 皮肤热性质 温度传感 光子传感 可延展电子器件 可穿戴传感器
Title Soft and Stretchable Electronics for Epidermal Thermal Imaging
Abstract As the largest organ and protective layer of human body, human skin has many sensing capabilities, including tactile, pain, skin temperature and the ability to control body temperature and fluid exchange. Most of the functions are all related to thermal properties of human skin. Traditional methods for skin thermography use either sophisticated and expensive infrared digital cameras, or simple, paste-on temperature sensors for single-point measurements. These and other related technologies have value in certain contexts, but they also have some limitations in clinical use. Previous work has integrated thermochromic liquid crystals and stretchable wireless metal heater for an ultra soft and compliant epidermal sensor device. Such system showed great promise in simple, precise skin thermal property measurements in clinical and daily usage. However, the wireless single heater design is not sufficient and ideal for daily skin property monitoring. This project is aimed to design an ultra stretchable heater array with higher device density based on the concept of self-similar fractal geometry. With the multi-point heating capacity, the liquid crystal sensor system can be useful for a more comprehensive study of skin thermal properties. Integrated with a portable battery system would achieve a low-cost, well-controlled wearable sensor system for commercial applications. Photolithographic technique and electrical characterization has proved the feasibility of this design.
Keywords skin thermal property；temperature sensor ；photonic sensor ；stretchable electronics ；wearable sensor
目次
1绪论..1
1.1课题研究背景.1
1.3课题背景下的研究内容..2
2加热器阵列设计的理论基础5
2.1几何设计理念.5
2.2柔性光子液晶温度传感系统..7
2.3转印技术.9
2.4加热器阵列设计方案的选择10
2.5本章小结...12
3加热器阵列的设计结果..13
3.1加热器阵列的实现...13
3.2加热器阵列的性能...14
3.3结果分析15
3.4本章小结...16
4器件制备和性能表征..17
4.1器件制作步骤...17
4.2代表性实验结果...18
4.3本章小结...20
结论...22
致谢...23
参考文献.24
1 绪论
1.1 课题研究背景 皮肤是隔离人体与外界的第一道屏障且有着多方面的传感能力，如：触觉、痛觉、表皮温度以及有效控制体温和体液交换的能力等，这些都与皮肤的热传导性质相关。因而测量皮肤的相关温度信息和热传导性质可以为临床检测及诊断和人体日常的健康监测ᨀ供重要信息，而相关信息的获取可以通过在皮肤上应用有效的温度传感系统。另外，温度传感系统还可以通过测量血管处表皮温度来揭示血管中血流方向和速度等指标，揭示人体动态生理变化[1]。 其次，皮肤温度传感器同时也具有加热器的功能。例如，皮肤温度传感器可以作为给药系统。将药物置于温度传感器加热器部分，当电磁能量足够强的时候，温度敏感水凝胶挤压药物并释放药物，ᨀ供给人体特定部位[2]。 随着现今社会老龄化与亚健康人口不断增多，医疗产业蓬勃发展，而这意着更多的国家经济投入。如何实时对患者进行日常健康状况监测和诊断并有效地降低医疗成本，成为医学上一个重要问题。同时，由于科学技术的高速进步和社会信息化的不断加速，人与信息的有机融合是未来医学的发展趋势，将医疗需求和高科技的信息获取相结合是医学上的另一挑战。另外，人类生活水平在逐步ᨀ高，医疗模式也应从以治疗为主转变为监测、预防与日常保健为主。考虑到这种医疗模式的转变和当今信息化的飞速进步，人们需要可穿戴的传感系统随时、随地、连续动态地检测自己的身体状况, 并从专家那里得到相应的指导与帮助。这就要求这种可穿戴的传感器足够贴合皮肤、足够轻薄、方便携带并能在环境干扰下ᨀ供准确的人体体征监测信息。 红外热像仪的空间成像或简单粘贴类温度传感器的单点测量是传统的皮肤热成像方式。然而，这些传统的皮肤热成像方式在投入临床使用时由于自身的局限性而限制了他们大范围地推广。例如，红外热像仪可以ᨀ供高精度、高分辨率的红外热像图，然而设备昂贵且要求被测物体静止；单点测量的温度传感器避免了这些限制，但是它在结构和功能异构的皮肤表面ᨀ取有用信息时没有能力执行空间热映射并且有可能会刺激皮肤使得皮肤自然性质受到影响，因而在临床上的应用受到了限制。为有效打破传统的皮肤热成像方式的局限性，柔性皮肤温度传感系统可以ᨀ供舒适、实时、高精度的数据并具备映射功能的特性使得其具有不容忽视的应用意义。