基于柔性电子技术的可穿戴健康监测设备研究

作者简介：谢辉（1993.08—），男，汉族，广西玉林人，本科，讲师，主要研究方向为电子信息技术。999Sep106··第42卷第期2026年月ITREPORT,No.202列，满足高精度医疗监测器件的生产要求。另一方面，印刷电子技术，如丝网印刷、喷墨打印等增材制造方式，因其成本低、适用于大面积生产而备受关注，可直接印制电路与传感器，相较于传统刻蚀减法制造，印刷电子技术材料利用率更高、工艺流程简便，极大降低了柔性可穿戴设备的量产门槛。1.3力学适配设计结构为适配人体复杂形变、规避材料拉伸断裂与信号失效问题，力学适配结构设计是柔性电子器件不可或缺的核心基础。该设计通过优化器件物理结构，缓解外力弯折、拉伸产生的应力，保障设备力学稳定性。主流结构包含蛇形网状结构、波浪褶皱结构与岛桥结构，其中蛇形网状结构可在大幅度拉伸下分散应力，适配肢体大幅度活动；岛桥结构将刚性功能元件作为功能岛，搭配柔性互连桥连接，兼顾电学性能与形变能力。合理的力学结构设计能够大幅提升器件抗疲劳性能，降低反复形变带来的电路损耗，进一步贴合人体曲面，为可穿戴健康监测设备长期稳定工作提供结构保障。2柔性电子技术在可穿戴健康监测设备中的需求运用2.1舒适性与贴合需求柔性设备轻薄、柔软，能像“第二层皮肤”一样贴合人体，消除压迫感，从而确保监测的连续性。从工程角度看，这种贴合不仅要求静态贴合，更需要动态贴合，即在使用者运动时仍能保持紧密接触而不产生滑动。为实现这一目标，需要研究基底材料的模量与人体皮肤模量的匹配关系，通常人体皮肤的杨氏模量在几十到几百千帕范围内，因此理想的柔性基底模量应与之相近，并且最新研究采用多孔弹性体或纺织材料作为基底，既保持了柔韧性，又显著提升了透气性。2.2高质量信号采集需求柔性器件与皮肤的共形接触极大减少了因相对滑动产生的运动伪影，确保了信号界面的稳定性，这对于心电等微伏级生物电信号的精确捕获至关重要。在实际应用中，信号质量还受到多种因素影响，包括电极-皮肤界面阻抗、环境电磁干扰和传感器本身的噪声水平，而柔性干电极相较于传统的湿电极，虽然避免了电解凝胶可能引起的皮肤过敏，但其界面阻抗通常更高。为此，研究人员开发了微结构化的电极表面，如通过微模塑技术在电极表面形成微柱阵列，这些微结构能够轻微刺入皮肤角质层，显著降低接触阻抗，对于光学传感器如血氧传感器，柔性贴合确保了光源和探测器与皮肤保持恒定距离和角度，减少了环境光干扰和运动引起的信号波动。2.3系统集成与可靠性需求柔性混合集成技术允许将多模态传感器、处理电路、无线模块等，高密度地集成在一个超薄柔性系统中，实现一体化设计，加上柔性基底上的刚性芯片在反复弯曲时会产生应力集中，可能导致焊点开裂或芯片损坏，而通过有限元分析优化芯片布局，使用底部填充胶或采用岛-桥结构设计，可有效分散应力［3］。对于环境可靠性测试需模拟实际使用场景，包括弯折测试、汗液浸泡测试、洗涤测试和长期老化测试，最新的自修复材料在封装中的应用，使得设备在产生微小损伤后能够自行修复，大大延长了使用寿命，为真正实现“穿戴即监测”的免维护系统提供了可能。3基于柔性电子技术的可穿戴健康监测设备设计3.1系统架构设计典型系统采用分层模块化架构，其中感知层由与皮肤接触的各类柔性传感器组成，负责原始信号捕获。信号处理与控管层负责对信号进行放大、滤波、数字化等预处理。通信与能源层则集成无线传输模块和供能单元。各层通过柔性互连导线进行电气连接，集成于统一柔性基底，在现代柔性系统中，架构设计趋向于分布式与集中式结合的模式。分布式架构将多个传感节点布置在身体不同部位，各自进行初步信号处理，再通过柔性总线或无线体域网将数据传输至中央处理单元，这种设计降低了布线复杂度，但增加了节点间的同步难度。当前最新的趋势是采用异构集成架构，将传感、处理和通信功能分层集成在不同的柔性衬底上，再通过垂直互联技术堆叠成三维结构，在极小体积内实现复杂功能。3.2柔性传感单元设计生物电信号电极需要低阻抗、稳定的皮肤-电极界面，其中力学信号传感器用于监测脉搏、呼吸等，常采用压阻式等原理，而温度传感器多采用电阻式，对所有传感器的设计都必须考虑其在动态穿戴过程中的机械应力分布，还要考虑对于生物电信号采集，电极设计需综合考虑电化学性能、机械性能和生物相容性。近年来兴起的多孔聚合物-金属复合电极，通过在多孔弹性体中填充导电颗粒，实现了低阻抗和高拉伸性的统一，而对于温度传感器的核心是热敏材料的选择，虽然铂电阻精度高但成本较高，聚合物正温度系数材料成本低且柔韧性好但精度有限，因此多参数融合的传感器设计成为新趋势，例如将温度传感与压力传感集成，可同时监测脉搏波和皮肤温度，并利用温度数据补偿压力传感器的温度漂移。3.3系统集成与封装系统集成是将分立元件转化为可靠产品的关键，芯片的柔性化封装主要有两种策略：一是使用超薄芯片，将硅片减薄至10-50微米，使其能够承受一定弯曲；二是采用岛—桥结构，将刚性芯片放置在柔性基底的“岛”上，芯片之间通过可拉伸的“桥”连接，弯曲应力主要由“桥”承受［4］。封装材料体系也在不断发展，弹性体封装层如聚二甲基硅氧烷可提供良好的柔韧性和生物相容性，但水汽阻隔能力有限；无机薄膜如氧化硅、氮化硅可提供优异的水氧阻隔，但脆性大。目前的研究方向是开发无机/有机复合封装层，如交替沉积的纳米叠层结构，兼具柔韧性和高阻隔性，透气性封装则通过设计微孔结构或使用透气但疏水的材料，在保护电路的同时允许水汽透过。4应用案例与实验验证4.1系统原型构建文中设计并制备了一款可监测心电、脉搏波及皮肤温度的柔性腕带，主要采用聚二甲基硅氧烷作为基底与封装材999Sep107··第42卷第期2026年月ITREPORT,No.202料，通过印刷工艺构建导电网络［5］。其中，心电监测采用柔性干电极；脉搏波监测采用集成光学模块；温度监测采用薄膜铂电阻。信号经柔性混合电路板预处理后，通过蓝牙传输至手机应用程序。在实际构建中，柔性干电极采用银纳米线/聚二甲基硅氧烷复合材料，通过模板法在电极表面形成微锥阵列结构，有效降低电极—皮肤界面阻抗至50kΩ以下［6］。光学脉搏波模块选用波长为530nm的绿光LED和相应光电二极管，绿光对血液中血红蛋白的吸收变化敏感，且受皮肤黑色素影响较小。为减少环境光干扰，在光电二极管上方集成了光学滤波层，温度传感器采用溅射法制备的铂薄膜电阻，线宽5微米，厚度100纳米，在25~40℃范围内温度系数为0.00385/℃，精度可达±0.1℃。所有传感器通过银纳米线导电迹线连接到柔性电路板上的信号调理芯片，该芯片集成了仪表放大器、带通滤波器和24位模数转换器，整体功耗低于1.5mW。设备采用厚度为0.8mm的聚二甲基硅氧烷进行封装，整体重量仅12克。4.2实验设计与分析实验通过招募20名健康志愿者参与实验，年龄分布在22—45岁，男女各半，志愿者同时佩戴该柔性腕带原型与医用级对照设备，实验过程包括静息与步行，同步记录设备数据并进行对比分析［7］。结果显示，在静息状态下，心率测量的平均绝对误差小于每分钟2次，表现出良好的一致性。实验设计分为三个阶段：第一阶段为静息状态，志愿者静坐15分钟，记录基线数据；第二阶段为轻度运动状态，在跑步机上以4km/h的速度步行10分钟；第三阶段为恢复期，再次静坐15分钟。除了心率，还分析了心率变异性的时域指标SDNN和频域指标LF/HF比值，对于脉搏波，提取了脉搏波传播时间，该参数与血压有一定相关性。温度数据则用于评估设备的长期稳定性，数据分析采用Bland-Altman图评估两种设备测量结果的一致性界限，计算均方根误差和相关系数作为量化指标。运动状态下的数据分析特别关注了运动伪影的抑制效果。4.3相关数据性能可视化呈现以下的工作流程图概括了从数据采集到应用的核心流程，如图一所示：图1工作流程图如图1，该模型清晰地展示了信息从采集到最终应用呈现的核心路径，在实际应用中，数据采集层同时获取心电、光电容积脉搏波、温度和加速度信号；信号处理层完成信号的放大、滤波、数字化和初步特征提取；数据分析层在手机或云端进行进一步处理，包括噪声去除、特征提取和生理参数计算；应用呈现层则通过健康报告和可视化图表展示结果。图2展示连续24小时心率和体温监测数据的趋势变化。图2连续24小时心率和体温监测数据此模型图展示了柔性可穿戴设备连续24小时监测心率和体温的数据趋势。中轴为时间轴，从0:00到24:00，每4小时一个数据点。下侧纵轴为心率轴，单位是次/分钟，展示了全天心率的变化趋势：睡眠期间心率较低，早晨活动后心率上升，日间活动时心率维持在较高水平，傍晚开始下降。上侧纵轴为体温轴，单位是摄氏度，显示了体温的生理节律变化：睡眠期间体温较低，日间活动时体温上升，午后达到峰值，夜间逐渐回落。5结语文章叙述了从技术基础到实验验证的研究内容，证实了基于柔性电子的设备在精准、连续监测方面的优势，实验表明柔性电子技术通过其本质的柔性与可拉伸特性，显著提升了可穿戴健康监测设备的佩戴体验与信号质量，正推动该领域向更人性化的方向发展。然而，该技术要实现大规模临床应用，仍需克服一系列挑战。主要包括：柔性集成的系统性能与可靠性需进一步提升；长效使用的材料稳定性问题需深入研究；低成本制造工艺有待突破；以及如何与人工智能深度结合，实现智能健康洞察。未来，随着多学科的深度融合，柔性可穿戴健康监测设备还可依托材料科学、机械工程与生物医学工程的交叉赋能，为居家康养、慢性病长期监测和运动健康管理等多元化场景提供可靠技术支撑。参考文献：［1］段辛茹,汪青燕,刘彤.可穿戴设备中的柔性电子材料及其应用研究进展［J］.大众标准化,2025(7):130-132.［2］许君,鹿楠,李婷,等.基于人体呼吸力学的柔性可穿戴呼吸监测技术研究进展［J］.纺织学报,2025,46(1):217-226.［3］夏香姣.柔性可穿戴传感器的构建及其在健康监测中的应用［D］.安徽:中国科学技术大学,2022.［4］吴官庭,郭荣辉.纤维基可穿戴电子设备的研究进展［J］.纺织科学与工程学报,2025,42(1):113-121.［5］何子俊,曾庆,巩泽,等.基于柔性传感器的可穿戴设备在康复领域中的应用［J］.康复学报,2021,31(3):258-264.［6］沈志莹,李成媛,王莎,等.可穿戴式柔性设备在护理安全管理中的应用进展［J］.中华护理杂志,2025,60(17):2073-2078.［7］段辛茹,汪青燕,刘彤.可穿戴设备中的柔性电子材料及其应用研究进展［J］.大众标准化,2025(7):130-132.999Sep108