类皮肤无线呼吸监测集成器件研究

Currently, most research of flexible biomedical devices is focused on the development of new materials and structures to achieve flexibility and stretchability, yet most devices are discrete which do not meet the clinical demand in integrated device with high performance. Therefore, it is important and necessary to develop design and fabrication strategies for skin-like integrated devices with high performance, and explore their potential in medical applications. Here, we propose to investigate in the skin-like integrated devices with high performance by combining skin-like sensors and stretchable circuits based on unpackaged dies, and then use them for the purpose of breath monitoring. Specifically, the design strategy of skin-like integrated device for breath monitoring will be investigated by combined analysis of mechanics and electrics, and the hybrid fabrication scheme will be developed by jointly using microelectronics and 3D printing technology. Then the failure mechanism and reliability assessment criterion of the device under circumstances of large deformation will be studied by fatigue testing and interface mechanics analysis before conducting clinical experiments in the sleep medical center and building the algorithms for sleeping-breathing monitoring, thus providing technology support and guidance for future research in skin-like and high-performance integrated biomedical devices.

目前，针对柔性生物医疗电子器件的研究主要集中在利用材料和结构设计实现器件的可延展柔性化，研究对象多为分立器件，尚不能满足临床医学对高性能柔性监测器件的需求。因此，有必要发展高性能类皮肤集成器件的设计与制备方法，并深入探索其在临床医学上的应用。本项目提出的研究方案是将类皮肤传感器与基于裸芯片（未封装的集成电路芯片）的可延展柔性电路混合集成，从而得到高性能类皮肤集成器件。具体而言，本项目针对睡眠呼吸监测的临床需求，通过力电耦合分析发展类皮肤无线集成器件的设计方法与精准测量原理，结合微加工技术和3D打印技术发展类皮肤无线集成器件制备方法，分别利用疲劳测试实验方法与界面力学理论研究该集成器件在人体大变形环境下的失效机理与可靠性评估准则，最后将该集成器件用于临床实验以探索其在睡眠医学上的应用，建立睡眠呼吸监测算法，为发展高性能类皮肤集成医疗器件提供科学依据和技术指导。

目前，针对柔性生物医疗电子器件的研究主要集中在利用材料和结构设计实现器件的可延展柔性化，研究对象多为分立器件，尚不能满足临床医学对高性能柔性监测器件的需求。因此，有必要发展高性能类皮肤集成器件的设计与制备方法。本项目提出的研究方案是将类皮肤传感器与基于裸芯片（未封装的集成电路芯片）的可延展柔性电路混合集成，从而得到高性能类皮肤集成器件。研究内容主要包括以下三个方面：.1）建立了类皮肤无线呼吸监测集成器件设计方法与测量原理理论模型。基于人体面部生理特征设计了类皮肤无线呼吸监测集成器件，能够像面膜一样贴附于人体面部，该器件具备呼吸信号传感、采集、放大、模数转换和无线传输等功能，能独立完成人体呼吸实时监测。根据传热学理论建立了器件呼吸监测原理理论模型，可用于预测和分析环境温度变化、体温变化、呼吸频率、呼吸深度等参数和呼吸信号之间的影响关系。.2）发展了高性能类皮肤集成器件制备方法与可靠性评估。针对类皮肤传感器提出了基于2步转印的制备方法，充分利用PDMS/功能层/半透膜之间的界面强度依次增强的特点，利用PDMS作为临时衬底完成了柔性可延展温度传感器的制备，实现了鼻式呼吸监测。利用激光光强成高斯分布的特点，在PDMS薄膜表面扫描刻蚀出多级微结构，制备出兼具高灵敏度和宽线性范围的柔性压力传感器，并研究了其耐疲劳特性，实现了胸式呼吸监测。利用电喷墨打印实现了裸芯片与柔性电路板之间的互连。 .3）探索了类皮肤无线呼吸监测集成器件在睡眠呼吸监测中的应用研究。利用类皮肤无线呼吸监测集成器件完成了静息、运动、睡眠、饮食等多个场景下的呼吸连续测量。在睡眠呼吸监测中，根据美国睡眠协会标准，利用信号处理算法，成功捕捉到呼吸暂停重要异常行为。同时还分析了环境温度变化、佩戴者头部姿态变化对测量信号的影响。.未来通过芯片薄化，可进一步降低柔性集成器件的整体厚度，让芯片与柔性基板协调地变形，实现可与异型表面一体化共融的高性能柔性集成器件。