微流控赋能3D可拉伸热电器件，为可穿戴设备提供温度调节和虚拟痛感
2025-06-21 14:43:06 来源：麦姆斯咨询评论：0 点击：

电子科技大学的研究人员介绍了一种创新的方法：将弹性材料改性技术、3D打印和激光蚀刻技术相结合，将嵌入式微流控通道集成到可拉伸3D热电器件中，从而为高功率应用实现高效散热。

可拉伸柔性电子器件为可穿戴设备开辟了前所未有的可能性，使其能够很好地贴合人体皮肤，提供精确的生理监测或刺激，同时确保舒适的穿戴体验。这些可拉伸电子器件已广泛应用于医疗保健和人机界面领域。然而，由于其聚合物弹性基板通常热导率较低，设备产生的热量无法有效地传导到外部环境。因此，当前对柔性电子的研究主要集中在适合低热设计功率（TDP）的功能，严重限制了其应用场景。

热电器件（TED）能够快速冷却或加热，具有快速温度响应和精确控制能力，在温度调节和虚拟感觉等领域具有巨大潜力。然而，由于柔性器件的TDP极低，运行过程中产生的大量热量无法快速消散，严重限制了柔性热电器件的性能和应用场景。

为了提高可拉伸热电器件的冷却效率，人们已经探索了多种方法，例如改善弹性封装的热导率或添加散热结构。虽然通过掺入高导热纳米材料或液态金属来提高弹性材料的热导率可以在一定程度上降低大功率热电器件与环境之间的热阻，但改善的效果有限。集成大型散热器可以增强热对流，但它们庞大的体积严重影响了人体穿戴体验。使用相变材料进行散热，虽然能暂时提高器件的冷却性能，但受限于能量吸收量，无法长时间内维持高效的稳定冷却。

据麦姆斯咨询介绍，电子科技大学的研究人员介绍了一种创新的方法：将弹性材料改性技术、3D打印和激光蚀刻技术相结合，将嵌入式微流控通道集成到可拉伸3D热电器件中，从而为高功率应用实现高效散热。该研究成果已经以“Microfluidic-enabled three-dimensional stretchable thermoelectrics”为题发表于近期的npj Flexible Electronics期刊。

研究人员通过采用堆叠方法制造出多层热电器件，实现了稳定有效的冷却和精确的温度控制。特别是，所提出的多层架构，具有主动微流控冷却和蛇形互连，实现了高功率运行和改进的可拉伸性，有效解决了先前的可穿戴热电器件设计的关键限制。

当与温度传感器和控制电路集成时，形成的闭环系统在虚拟温度调节和疼痛感知方面显示出应用潜力。所开发的嵌入式微流控设计和制造技术，有助于扩展可穿戴热电器件的应用范围，并为其他高功率可拉伸电子器件的开发提供有益指导。

可拉伸3D器件架构

多维虚拟触感可以极大地增强虚拟现实体验，然而现有的视觉和听觉刺激已无法满足日益增长的体验需求。可拉伸热电器件可提供精确的温度控制，非常适合虚拟触感，但它们当前的设计由于散热不足，无法实现高效和长期稳定的冷却性能。

为了克服这一挑战，研究人员将微流控通道嵌入可拉伸热电器件，显著提升了它们的冷却性能。凭借优异的冷却性能和可拉伸性，3D热电器件非常适合可穿戴虚拟触感应用。结合先进的温度调节解决方案，用户可以体验到制热、冷却以及各种疼痛感。

微流控辅助的3D可拉伸器件架构

微流控辅助的3D可拉伸器件架构。（a）概念示意图，展示了可穿戴于皮肤上的3D热电器件，实现虚拟温度和痛感应用；（b）集成微流控的3D器件示意图，用于高功率可拉伸电子器件，其中，微流控通道采用螺旋结构嵌入热电器件周围，与这些器件的布局相匹配，每个热电器件的上半部分完全整合在微流控通道的侧壁周围，从而确保高效的热交换；（c、d）弯曲和扭曲状态下的可拉伸3D热电器件；（e、f）3D热电器件在弯曲和扭曲时的热成像照片。

凭借微流控技术实现的高效热交换，可拉伸3D热电器件能够实现优异的冷却性能。通过调整微流体流速和驱动功率等参数，3D热电器件可以实现约10 °C的稳定环境降温，以及11 °C的体表温度降低。由于采用了岛桥结构和弹性体封装，该3D热电器件具有可拉伸性，能够根据需要弯曲或扭曲，同时仍能正常工作。

具有单层热电网络的微流控可拉伸器件的表征