CN106456358A - 用于自适应热疗法的智能热贴片 - Google Patents

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CN106456358A CN201580023514.1A CN201580023514A CN106456358A CN 106456358 A CN106456358 A CN 106456358A CN 201580023514 A CN201580023514 A CN 201580023514A CN 106456358 A CN106456358 A CN 106456358A
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穆罕穆德穆斯塔发·胡桑
阿弗塔慕斯坦塞·胡桑
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Abstract

本发明提供一种用于自适应热疗法的智能热贴片。在一个实施例中，所述贴片可以是可拉伸的非聚合导电薄膜柔性并且无创的身体结合型移动热加热器，其具有无线控制能力以便可用于提供自适应热疗法。所述贴片在不同的疼痛位置上是在几何形状和空间上可调的。自适应性使得加热量可根据治疗部位的温度进行调节。

Description

用于自适应热疗法的智能热贴片
技术领域
本申请要求于2014年4月28日提交的序列号为61/984,918、名称为“用于自适应疗法的智能热贴片(SMART THERMAL PATCH FOR ADAPTIVE THERMOTHERAPY)”的共同待审的美国临时专利申请的优先权，所述申请的全部内容通过引用结合在本文中。
背景技术
在美国，有5000万人患有关节炎，这其中包括30万儿童。他们一般采用热疗法进行治疗。市售的化学止痛贴根据疼痛位置而具有不同的尺寸，其加热范围有限，不可重复使用，并且有效时间短，总使用寿命较短，易于产生副作用(皮肤刺激，过敏)，并且不适合儿童。还可以使用激光加热；然而在世界上的贫困地区，这些方法不仅昂贵，而且大多难以实现。
发明内容
用于热疗法的网络集成的柔性可拉伸电子产品可提供负担得起的先进医疗保健，例如，用于关节炎、扭伤拉伤引起的疼痛、癌细胞破坏等。为此，我们提供一种智能热贴片。在一个实施例中，所述贴片可以是可拉伸的非聚合导电薄膜柔性并且无创的身体结合型贴片。所述贴片可包括用于热加热的导电材料。所述贴片可为与皮肤轮廓结合的空间可调的移动热贴片。由于低成本互补金属氧化物半导体(CMOS)的兼容性集成，所述贴片可包括无线可控性、自适应性(例如根据身体位置的温度调节热量)、可重复使用性和/或经济可承受性。可包括光刻图案化机械设计，以吸收导电薄膜的变形应变，同时保持高传导性。所述贴片可拉伸并收缩回至其初始形状，使得其作为在几何形状和空间上可调的热贴片在各个疼痛位置上使用。可以包括网络和电池集成，使得其成为一个完全自主移动的低成本(例如1至2美元)智能电子系统，其使用智能手机或移动小工具进行精确的温度控制。
在一个实施例中，提供一种热贴片，其包含：一个加热垫阵列；和多个可拉伸导体，其将所述加热垫阵列中的每一个与相邻的加热垫相互连接。在任何一个或多个方面，所述加热垫阵列可相互连接在多个接触垫之间。所述多个接触垫可通过可拉伸导体连接至相邻的加热垫上。所述热贴片可包括或连接至一个电池。所述热贴片可包括或连接至一个柔性微控制器。所述热贴片可包括或连接至一个无线收发器，所述无线收发器被配置为与移动计算设备进行通信。所述无线收发器可为蓝牙收发器。所述移动计算设备可为智能手机。
在一个实施例中，提供一种方法，其包含：(a)在聚合物层上形成掩膜，所述掩膜限定热贴片；(b)蚀刻所述聚合物层；(c)沉积导电材料以形成热贴片的可拉伸导体；以及(d)气相蚀刻以分离所述热贴片。在任何一个或多个方面，所述掩膜可为铝掩膜。所述聚合物层可为聚酰亚胺(PI)层。所述导电材料可为一种金属，优选铜、镍、铬、锡、银、铂或一种金属合金。所述方法可包括湿蚀刻以在沉积所述导电材料之前去除所述掩膜。所述方法可包括沉积用于沉积所述导电材料的籽层。所述气相蚀刻可为XeF2气相蚀刻。在各个实施例的任何一个或多个中，所述一个或多个导体可具有侧向弹簧设计。所述导体的设计可以使它们表现出超弹性，使得所述导体在所施加的应力下拉伸，并且当应力释放时恢复至其通常未拉伸的形状。
参照以下附图和详细说明,本公开的其它系统、方法、特征和优点对于本领域技术人员来说将是显而易见的或变得显而易见。所有这些其他的系统、方法、特征以及优点旨在包括于本说明书中，在本公开的范围内，且受到所附的权利要求书的保护。
附图说明
参照以下附图，能更好地理解本公开的许多方面。附图中的组件不必按照比例绘制，其重点在于清楚地解释本公开的原理。而且，在附图中，相同的参考数字在所有视图中表示相同的部件。
图1是根据本公开的各个实施例的热贴片实例的图示。
图2是根据本公开的各个实施例的图1热贴片的制造实例的图示。
图3包括根据本公开的各个实施例的图1热贴片实例的图像。
图4A和5A是根据本公开的各个实施例的图1热贴片的弹簧伸长率与施加力的对比曲线图实例。
图4B和5B包括根据本公开的各个实施的图4A和5A的弹簧伸长率图像。
图6A至6B和7A至7B是根据本公开的各个实施例的图1热贴片的温度和功率与所施加电压的对比曲线图实例。
图6C和7C是根据本公开的各个实施例的对应不同施加电压的图1热贴片的温度曲线图实例。
图8A至8C是根据本公开的各个实施例的各种施加电压的热贴片100的温度的温度变化曲线图的实例。
图9A和9B是使用根据本公开的各个实施例的智能电话无线控制热贴片的图像。
图9C是根据本公开的各个实施例的图1热贴片随温度变化的电阻变化曲线图实例。
图9D是根据本公开的各个实施例的具有柔性控制器和电池的图1热贴片的实例图像。
具体实施方式
本文公开了用于自适应热疗法的智能热贴片相关的各种实例。现在将详细参考附图中示出的实施例的描述，其中相同的参考数字表示所有视图中相同的部件。
作为化学止痛贴和激光加热的有效替代方案，可以使用无线可控加热器在皮肤上的特定点上或热疗法施加热量。热疗法的使用已经证明其可用于治疗各种严重疾病，如关节炎、癌症等。由于其天然刚性和有限的拉伸性，基于薄膜的热加热器在人体上的使用受到限制。电子产品中使用的多数材料系统本身并非可拉伸的。特别地，铜线通常用于现有技术中电子产品的互连。由于铜具有20至25％的屈服应变，因此在可拉伸的电子产品中使用铜进行互连受到限制。与大形变的兼容性可以由网络集成的柔性可拉伸电子器件提供，其在施加大应力(>100％)时保持其电气特性和热特性。
在一个实施例中，所述贴片可以是可拉伸的非聚合导电薄膜柔性并且无创的身体结合型移动热加热器，其具有无线控制能力并可以用于提供自适应热疗法。所述贴片在各个疼痛位置上可以是在几何形状和空间上可调的。自适应性使得热量可根据治疗部分的温度进行调节。
在一个或多个方面，所述导电薄膜可为金属薄膜。例如，集成了兼容的低成本互补金属氧化物半导体(CMOS)有利于装置的可重复使用性和经济可承受性。与之前的关于可拉伸电子产品(其将多数包括1D纳米线或2D石墨烯的聚合物或复合材料系统用作可拉伸互连、电极、集成电路、发光二极管、超级电容器、人造皮肤及其他)的说明相比，智能热设计使得通过使用设计特征在不影响其低电阻的情况下吸收薄膜中的变形应力，薄膜可以继续用作大小可调的热加热器。在一个方面，金属薄膜可以是铜(Cu)基薄膜。
根据疼痛位置和空间要求，所述空间可调的移动热加热器可延伸以满足用户需求并收缩回其初始形状。膜的金属特性使得其具有更长的使用寿命并可以重复使用。此外，网络技术(诸如先进的蓝牙技术)和电池集成使其成为一个自主移动的智能电子系统，其通过使用智能手机或其他移动界面设备进行精确的温度控制。光刻图案化机械设计吸收铜(或其他类型的金属)和导电薄膜中的变形应力，同时保持其高导电性，使得装置被拉伸并收缩回其初始形状。在几何形状和空间上可调的热贴片可以与各个疼痛位置处的皮肤轮廓无创地贴合。具有拉伸性能的柔性智能热电子系统的可用性使得全球人群(包括患有关节炎或其他更复杂的恶性肿瘤细胞破坏的患者，和忍受身体和/或肌肉疼痛、扭伤和拉伤的个人诸如运动员或士兵)可用其进行每日热疗。例如，所述装置可以用于癌症细胞破坏的热疗法(高热疗法)。而且，我们可以使用可溶解的导电材料(例如钨、铝、钼等)。治疗后，所述装置可以完全溶解在体内，而无需进一步的手术来收回所述装置。
在一个或多个方面，铜可以用作导电元件；由于其在现有CMOS技术中用作金属互连，因此铜可与CMOS工艺兼容。由于铜本身不具有可拉伸性，可使用侧向弹簧设计来引入可拉伸性。在一些实施方式中，还可以使用包括导电金属(例如镍、铬、锡、银、铂或其他金属或合金)的其他导电材料来形成金属互连。
参照图1，示出了热贴片设计100的一个实例。所述设计可以根据缩放参数λ进行缩放以获得不同尺寸的装置。为了说明所述设计的可拉伸性，通过将设计参数λ缩放至100μm和200μm来制造两个版本的设计。如图1所示，制成热贴片装置100a和100b，且分别表征为λ＝100μm和λ＝200μm。热贴片装置100可包括加热垫103的一个或多个阵列或矩阵，所述加热垫103通过可拉伸导体109相互连接在多个接触垫106之间。
导体109可以形成为具有弹簧设计，例如侧向弹簧设计。它们可以以允许导体拉伸或弯曲的尺寸进行卷绕。图1示出了非限制性的实例，其中所述导体109被卷绕，其具有大致形状为“8”的结构以提供侧向弹性设计。本领域的技术人员应认识到可以使用其他形状来提供侧向弹簧设计。例如，所述导体109可以如图1中示出的上部分或下部分所示卷绕成圆形或椭圆形。卷绕设计可以使得一个或多个导体109表现为弹簧。所述弹簧或卷绕设计可以使所述一个或多个导体109具有超弹性，如以下详细的描述。
所述加热垫103可以是尺寸为20λ的正方形。放置所述加热垫103上的铜线112(或其它类型的金属线)，以使得所述导体的长度和电阻最大化。聚酰亚胺(PI)垫115具有直径为100μm的孔，孔(中心至中心)间距为200μm。具有与PI相似特性的其他柔性聚合物也可以用于垫115。比例尺118为1mm。在两种情况下，所述接触垫106为2mm×20mm。可拉伸导体109的弯曲弹簧结构的总长度(Lt)为78.35λ，而弹簧的侧向长度(Ll)仅为10λ。当弹簧被拉伸到其最大量时，弹簧的侧向长度大约等于其总长度。因此，对于各个可拉伸导体109，可拉伸侧向弹簧提供约为800％(Lt/Ll＝7.835)的最大单轴可拉伸性。如图1所示，可拉伸导体109用于在两个方向上提供加热垫103之间的弹性。
为了说明可拉伸铜导体109的使用，可拉伸热贴片100配置有连接相邻加热垫103的可拉伸导体109，以在两个方向上提供弹性。所述加热垫103并为对拉伸起作用，其具有恒定侧向长度20λ，连同互连长度5λ。所示在弹簧两侧为5λ的长度在拉伸前后增加了侧向长度，因此在装置水平上的可拉伸性由下式给出：
因此，通过其包括的加热垫，所述热贴片系统的总可拉伸性为约270％。
接下来参照图2，示出了使用在柔性(例如诸如聚酰亚胺的聚合物)表面上的金属(例如铜)线112直接制造所述热贴片100的CMOS兼容工艺实例，使其成为无转移工艺。从硅(Si)晶片203开始，使用热氧化反应形成二氧化硅(SiO2)层206。然后使用等离子增强化学汽相沉积法(PECVD)形成非晶硅(α-硅)牺牲薄层209。然后将4μm厚的聚酰亚胺(PI)层212旋涂在具有1μm厚的非晶硅牺牲层209的热氧化晶片上。在一些实施方式中，具有与PI相似特性的其他聚合物可用于形成层212。通过沉积和图案化铝硬掩模215以及O2等离子体蚀刻，将PI 212图案化成侧向弹簧设计。湿蚀刻可用于去除所述铝掩膜215。用于电镀铜的籽层218沉积在PI 212上，然后电镀4μm粗的铜线221。使用氩等离子体蚀刻掉籽层218，并且使用例如基于XeF2的气相蚀刻非晶硅牺牲层209来分离热贴片装置100。铜线221的粗细度和PI层212的厚度可被设计为相同，使得弯曲期间的中性轴在铜/PI界面处。PI垫115包括直径为100μm的孔，其(中心到中心)间距为200μm，以减少XeF2气相分离所需的时间。因此，即使在弯曲期间，两种材料的界面也没有应力。
为了制造如图3所示的工作热贴片装置100，起点是热氧化(300nm)的4"硅(100)衬底203。使用PECVD(例如，SiH4、Ar等离子体在250℃下进行25分钟)在所述衬底203上沉积1μm厚的非晶硅层作为牺牲层209。然后以4000rpm的转速旋转晶片与聚酰亚胺(例如，HDMicroSystems PI2611)60秒以获得4μm厚的涂层212。聚酰亚胺(PI)层212随后在90℃固化90秒，在150℃固化90秒，在350℃固化30分钟。在所述晶片上溅射(在10毫托下，25sccm Ar等离子体，500W直流功率)200nm铝层作为用于PI蚀刻的硬掩模215。使用接触光刻来图案化所述铝薄膜，并使用Gravure铝湿蚀刻(Technique France)来蚀刻所述铝薄膜。然后在60℃和800毫托下，使用O2等离子体蚀刻PI层212达16分钟。将Cr/Au(20/200nm)双层沉积在所述晶片上以作为用于电镀铜的籽层218。Cr/Cu双层也可以用作籽层218以减少批量制造的成本。所述晶片用光刻胶旋涂，并且铜覆盖的区域通过显影光刻胶而暴露。使用CuSO4溶液作为电解质和0.698安培电流对4μm厚的铜层221进行电镀达200秒。使用丙酮洗掉光刻胶，并使用Ar(30sccm)等离子体对所述籽层218进行3分钟蚀刻。在4托压力下对所述晶片进行60个周期(每周期30秒)的XeF2蚀刻(例如Xactix X3C)以分离所述热贴片100。
图3包括制造的热贴片100的图像(a)至(k)。所有比例尺303为2cm。分离后的热贴片100的光学图像如图3的图像(a)和(b)所示，分别λ＝100μm和λ＝200μm。图像(a)所示的热贴片100a包括三个接触垫106之间的两个加热垫103阵列。在图像(c)中示出了具有200％侧向应变的图像(a)的热贴片100a在人体皮肤上的应用。图3的图像(d)至(h)示出了图像(b)的热贴片100b在各种位置的人体皮肤上的应用。在图像(d)的情况下，所述热贴片100b没有应力，而在图像(e)中，所述热贴片100b的单轴应变为150％。图3的图像(f)显示了双轴应变下的热贴片100b，其侧向和横向应变均为150％。
图3的图像(g)至(i)示出了当包裹在各种身体特征周围时的制造的热贴片100b的柔性，其弯曲半径低至0.5mm。图像(g)示出了围绕肘关节以6.3cm的弯曲半径适形弯曲的热贴片100b。图像(h)示出了以0.96cm的弯曲半径包裹在两个手指上的热贴片100b。图像(i)示出了以约0.5mm的弯曲半径包裹硅晶片306的热贴片100b。范德华力(van der Waalsforce)使得能够在皮肤微观不规则上适形放置。图3的图像(j)和(k)比较现成的医疗贴片309(WellPatchTM辣椒素疼痛缓解贴片)和图像(a)的热贴片100a。在图像(k)中，示出了具有200％应变的热贴片100a。
对于λ＝200μm和λ＝100μm，可拉伸导体109在单轴拉伸应变下的机械性能分别概述于图4A至4B以及图5A至5B中。如之前所论述的一样，个别弹簧可能具有大约800％的最大拉伸率。这转化为所述装置大约300％的整体最大拉伸率。然而，据观察，此最大点不可逆。相反，所述弹簧的弹性限度被确定为约600％。图4A和5A是可拉伸导体109的弹簧伸长率与横向外加力对比的曲线图实例(数据集403用于λ＝200μm，并且数据集503用于λ＝100μm)和在第一循环中随伸长率变化的电阻的曲线图实例(数据集406用于λ＝200μm，并且数据集506用于λ＝100μm)。为弹簧所获得的力与伸长率对比曲线图403和503很像超弹性的橡胶类材料。屈服点用x标记。插入的曲线图是在弹性限度内的弹簧伸长率与外加力对比。在10次拉伸(高达600％)循环后，可拉伸导体109返回到其原始状态。因此，横向弹簧设计使铜薄膜表现出超弹性。
对可拉伸导体109而言，热贴片100的电阻数据集406和506随应变几乎不变，在弹性限度内变化仅为0.6％。在外加应变下，弹簧的电阻一致可归因于横向弹簧系统的设计。外加应变在弹簧设计变形的过程中被吸收，因此铜互连在任何时间点都不处于应变下。因此，在整个实验过程中金属线(和整个热贴片100)的电阻保持不变。进一步地，图4A和5A中示出的电阻的轻微变化仅是对于第一次拉伸循环。在第一次伸长循环后，电阻变为恒定，并且在多次拉伸循环后保持恒定。特别地，在10次循环后，在应变下弹簧的电阻没有变化。这可归因于前几次循环使弹簧经受了对其金属晶粒的轻微重定向，以适应横向弹簧中的扭转。一旦金属晶粒固定下来，相对于应变，弹簧和热贴片100的电阻不变。
图4B和5B示出了在伸长过程中，分别在λ＝200μm和λ＝100μm情况下的可拉伸导体109的图像。顶部图像409和509示出了在伸长循环开始前的弹簧。图像412和512是松放的弹簧的扫描式电子显微照片(SEM)。中间图像415和515示出了被完全拉伸的弹簧，其中弹簧伸长率为约800％。图像418和518是弹簧在拉力下(应变为200％)的部分的扫描式电子显微照片。可以看出横向弹簧在某些点扭转以吸收应变能。底部图像421和521示出了在10次伸长循环后(在弹簧的弹性限度内伸长率为600％)的弹簧。图4B中，比例尺424a为2cm，并且比例尺424b为50μm。图5B中，比例尺524a为4cm，并且比例尺524b为50μm。
能够为可商购的热疗法限制加热能力和有效操作时间。图6A至6C和7A至7C分别阐明了λ＝100μm和λ＝200μm时热贴片100设计的热性能评价。如图1所示，通过将可拉伸导体109的铜线焊接于所述2mm×20mm的接触垫106而接触所述热贴片100的加热垫103。由所述接触垫106导入所述热贴片装置100的总寄生电阻经测为0.05Ohm(或约为装置总电阻的0.6％)。在评价期间，用一个恒定电压源(例如，安捷伦科技公司(Agilent)的E3631A电源)使所述热贴片100通电，并且用一种Optotherm Mirco热成像系统测量所述热贴片装置100的温度。为了测量在一给定外加电压下所述玻璃衬底的平均温度，定义了正方形面积，其等于所述加热垫103大小的四倍，为一个单位面积。此单位面积的平均温度经标绘与电压相对，以获得所述加热垫在热负载(玻璃衬底)下的热特性。
图6A和7A示出了所述热贴片100温度与外加电压(数据集603用于λ＝100μm，并且数据集703用于λ＝200μm)和为所述外加电压消耗的功率(数据集606用于λ＝100μm，并且数据集706用于λ＝200μm)的对比实例。针对一个外加电压标绘了所述热贴片在空气中和在一个玻璃衬底上(有负载)的最大温度(分别为数据集603a/603b和703a/703b)。图3的图像(i)示出了包裹硅晶片306热贴片100b(图1)。所述平均温度数据603c和703c对应于所述单位面积的温度读数的平均值，所述单位面积被定义为所述加热垫103面积4倍的正方形。
在图6A和7A中可看出，与所述玻璃衬底负载相比，对于相同的外加电压，热贴片100在环境空气中获得了较高的温度。这是可以预期的，因为空气只对所述加热垫103(图1)进行对流冷却，而玻璃衬底通过空气进行对流(顶部)，以及通过所述玻璃衬底进行传导，并且具有较高的热容量。在图6A的情况下(λ＝100μm)，对于1.6V的外加电压(功率消耗为1.5W)，测出了约80℃的最大温度。用所述玻璃衬底作热负载而获得的温度范围为25至53℃。在图7A的情况下(λ＝200μm)，对于3.8V的外加电压(功率消耗为1.4W)记录了102℃的最大温度。在用玻璃衬底作热负载的情况下获得的温度范围为25至66℃。
参见图6B和7B，示出了所述加热器温度对一个给定的外加电压的瞬态响应的曲线图。还看到所述玻璃衬底对一个特定的外加电压逐步升到某个温度。在所示“通电”时间后开启电源。在图6B中，对所述热贴片100a(λ＝100μm)的外加电压从约1V向约1.6V变化，步长为约0.1V(如箭头所示)。在图7B中，对所述热贴片100b(为200μm)的外加电压从约2.6V向约4V变化，步长为约0.2V(如箭头所示)。图6C和7C分别为λ＝100μm和λ＝200μm的热贴片设计100的热贴片100的温度与各种外加电压的曲线图。在图6C中施加了0.5V(顶部左边)、1.0V(底部左边)、1.5V(顶部右边)和2.0V(底部右边)的电压，并且在图7C中施加了1V(顶部左边)、2V(底部左边)、3V(顶部右边)和4V(底部右边)的电压。比例尺603和703为2mm。
设计了所述热贴片100，使得在所述加热垫103上的铜线112的宽度(50μm)分别为λ＝100μm和λ＝200μm的所述可拉伸导体109上的铜线的一半和四分之一。而且，设计了在所述加热垫103上的铜线112，使其长度最大化。因此跨过所述加热垫103集中了所述热贴片装置100的大部分电阻。这使得在所述加热垫103上耗散的功率值最大化，因此使得正在进行的加热增到最大限度。由于这种设计，热贴片100的总电阻经测为8.85Ohm，包括所述接触金属电阻。对λ＝100μm和λ＝200μm，所述加热垫103和所述可拉伸导体109的电阻比经计算分别为3.35和15.5。电阻比的高度差异可主要归因于铜线宽度较小(与λ＝100μm时为λ/2相比，λ＝200μm时为λ/4)，并且是因为所述加热线长度较大(与λ＝100μm时为14.8cm相比，λ＝200μm时为6.84cm)。因此，对于λ＝200μm和λ＝100μm的设计，在给定的电流下，耗散在所述加热垫上的功率与提供的总功率之比经计算分别为0.92和0.69。因此，根据在所述加热垫上的散热，发现λ＝200μm的设计更有效。
还在一名自愿的成人受试者身上测试了所述λ＝200μm的热贴片(符合制度性的生物伦理学政策(Institutional Bioethics Policy))。使用双面透明胶带将所述热贴片100b贴在所述受试者的手上。使用一个恒压直流电源给所述热贴片100b通电，测量了所述垫和皮肤的温度。参见图8A，示出了在施加电压后60秒时获得的最大温度和平均温度(分别为曲线803和806)与外加电压的对比曲线图。刚切断所述电源就计算了所述热贴片100b整个区域的平均温度。据发现，所述热贴片100b有效地将人体皮肤加热到超过正常温度数度。图8B标绘了在给定的外加电压1V、2V、2.5V和3.5V下所述皮肤温度的瞬态响应。在所示“通电”时间后开启电源。
进一步地，加热效果不仅产生于所述加热垫103下方，而且已经延伸到所述热贴片100B的整个区域。这是通过刚对所述热贴片100b断电后就测量皮肤的平均温度而观察到的。图8C示出了各种用热情况下皮肤温度的实例。顶部左边示出了皮肤和热装置的初始温度情况。底部左边示出了施加1V 60秒后造成的温度变化，并且顶部右边示出了施加2.75V60秒后造成的温度变化。底部右边示出了在已施加2.75V 60秒的情况下刚断电后的温度。比例尺809为2cm。因此，据观察，在实际运用中，在150％的高应变下所述热贴片100b能使人体皮肤温度均匀升高。
所述可拉伸的、柔性的热贴片100在生物医药行业中有多种用途。热贴片100可被拉伸到其原始大小的3倍，并且能被贴于人体的任何部位，随后可用于热疗。在用于实际生活时，有线恒压电源无法使用，将其随身携带以用于热疗可能是不切实际的。因此，实用的热贴片系统可以是无线式的，从而便于携带并易于使用。而且，作为额外的功能，通过使用一种现成的设备，比如，例如，智能手机或平板电脑，所述热贴片100应易于控制。为此目的，检测了通过使用蓝牙激活的、基于安卓的多种智能手机而无线可控的一种热贴片100。通过使用一个开源硬件模块(Arduino Uno)和Seeedstudio的一个蓝牙遮蔽件而实现了无线连接。通过使用PWM输出——其来自所述Arduino系统多个输出中的一个——而控制了施加于所述热贴片100的电压。所述热贴片100也能用于其它要求在限定区域加热的情形。所述热贴片100的弹性允许其被定位于多种不均匀表面的上面或周围，并且被模制以适合所述区域。例如，一种热贴片100可被放在一个管子周围以通过加热而调整或避免所述管子内液体的冻结情况。所述热贴片100的加热温度可被控制以，例如，避免对所加热组件的损害、控制超时的加热变化或维持一个恒定温度。
参见图9A和9B，示出了通过使用一种安卓智能手机而被无线控制的一种热贴片100的图像。所述图像表明了通过使用所述智能手机而控制所述热贴片100的温度。还通过多名受试者测试了所述基于安卓的温度控制系统。在所述热贴片系统中使用所述现成的Arduino板和其蓝牙屏蔽件可能使所述热贴片变得沉重而不能移动，这可能约束其作为通用的、自主的、便携的热疗解决方案的全部潜力。然而，使用基于沟槽产生-保护-剥离-分离的多种转换性硅电子产品来制造类似于所述Arduino板中微控制器的柔性微控制器能克服这种限制。因此，可以获得一个完整的系统级解决方案。
所述热贴片100的便携性也可能受限于恒压电源的供电。在前面的所述实例中，所述热贴片吸引的最大功率为约1.5W。因此，在最大工作温度下，所述热贴片100能得到一种可商购钮扣电池(例如，日本松下公司(Panasonic)的CR2477)的支持长达2小时的时间。所述电池也可以是柔性的、可拉伸的，并且能被再充电以使得所述热贴片100可被重复使用。图9A和9B示出的对所述热贴片100的控制利用了一个开环控制系统，其中已预先校准了所述热贴片100和控制软件。在某些情况下，所述控制机构可能导致对所述热贴片100的温度控制不精确。为解决此问题，所述热贴片100可用其本身作为温度传感器。
因为所述热贴片100采用铜线进行加热，并且铜的电阻随温度的增加而增加，所以所述热加热装置100的电阻也随上升的温度而增加。在所述PWM运行方式中基于所述热贴片100消耗的电流可检测电阻。例如，在测试中使用一种热夹头探针台机构(例如，CascadeMicrosystems公司的M150)测试了所述热贴片装置100电阻的温度响应。所述热夹头被设于一个特定的温度(每一温度持续5分钟以获得稳定状态)，并且将一种小感应电流施加于所述热贴片100以测量所述热贴片装置100的电阻，并不需要将所述热贴片装置100加热到超过所述热夹头的温度。
图9C示出了所述热贴片100随温度变化的电阻变化的曲线图。误差条表明了测得的电阻(曲线903)和夹头温度(曲线906)的最大值和最小值。如图9C所示，所述热贴片100可用作温度传感器，在所述电阻903的温度响应中非线性度为1.49％。进一步地，所述温度传感器的灵敏度被报告为0.0308Ohm/℃。对铜电阻(α)的温度系数确定为0.00397℃-1。因此所述热贴片100中的电流水平可用于检测所述热贴片100的温度。这种温度反馈可用于实施一种闭环控制系统，使得对所述热贴片100的温度控制精确，这让整个系统具有自适应性。
图9D是一种热贴片设计100实例的图像，所述热贴片设计100具有用于无线温度控制的柔性硅微控制器和作为电源的钮扣电池。比例尺909为2cm。成本计算表明此类自主系统可在约1$至2$的范围内，与许多其它对现状的解决方案或产品相比，这是一种有成本效益的解决方案。可用小而柔性的硅晶片容纳微处理器和其它通信设备，而一种钮扣电池可为所述电子产品以及所述热贴片100供电以运转数小时。最后，整合逻辑处理器和存储器可以增加功能以用于持续监控病人、本地存储数据以及将经现场处理的数据传到另一个计算设备或云计算平台，这使大数据分析成为可能。
当前的公开描述了多种具有无线控制能力的热贴片100的实例。为克服被广泛使用的低成本金属薄膜铜拉伸能力有限的缺点，使用了以平版印刷形成图案的机械设计以解除变形应变的吸附，在维持其高传导性的同时允许800％的拉伸率。使用所述柔性弹簧设计策划了一种在几何形状和空间上可调的、随时可用的、负担得起的、用于热疗的热贴片100。通过给发炎区域的不规则皮肤轮廓以及不规则尺寸和形状提供适形贴附，产生的所述热贴片100可用于人体的各个位置。通过基于所述发炎区域的测量温度而调整疗法，所述热接触区域——可用作一个温度传感器——允许所述贴片适应所述发炎区域的情况。无线接口和电池集成使所述系统形成一个自主的、便携式的和自适应的单元，其通过使用智能手机或移动设备而具有精确的温度控制。
应强调，本公开的上述这些实施例仅是为清楚了解本公开的原理而阐述的实施手段的合理实例。在实质不背离本公开的精神和原理的情况下可对上述的一个或多个实施例作出多种变更和修改。在此所有此类变更和修改应包括于本公开的范围内并且受到以下权利要求书的保护。
应注意，本文中可用一种范围格式表示比例、浓度、数据和其他数值数据。应了解，此类范围格式是为了方便和简洁而使用，因此应以灵活的方式将其理解为不仅包括被明确列为所述范围极限的数值数据，而且包括处于该范围内的所有数值数据或子范围，就像明确列出每个数值数据和子范围一样。举例如下，一种浓度范围“约0.1％至约5％”应被理解为不仅包括明确列出的约0.1重量％至约5重量％的浓度，还包括在所示范围内的单独的浓度(例如，1％、2％、3％和4％)和子范围(例如，0.5％、1.1％、2.2％、3.3％和4.4％)。此外，短语“约‘x’至‘y’”包括“约‘x’至约‘y’”。
应强调，上述这些实施例仅是合理的实施手段的实例。在不背离本公开的原则的情况下可对上述这些实施例作出多种变更和修改。本文中所有此类变更和修改应包括于此公开的范围内并且受到以下权利要求书的保护。

Claims (15)

1.一种热贴片，其包含：
一个加热垫阵列；和
多个可拉伸导体，其将所述加热垫阵列中的每一个与相邻的加热垫相互连接。
2.根据权利要求1所述的热贴片，其中所述加热垫阵列相互连接在多个接触垫之间。
3.根据权利要求1或2所述的热贴片，其中所述多个接触垫通过可拉伸导体连接至相邻的加热垫上。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的热贴片，其还包含一个电池。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的热贴片，其还包含一个柔性微控制器。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的热贴片，其还包含一个无线收发器，所述无线收发器被配置为与移动计算设备进行通信。
7.根据权利要求6所述的热贴片，其中所述无线收发器为蓝牙收发器。
8.根据权利要求6所述的热贴片，其中所述移动计算设备为智能手机。
9.一种方法，其包含：
在聚合物层上形成掩膜，所述掩膜限定热贴片；
蚀刻所述聚合物层；
沉积导电材料以形成热贴片的可拉伸导体；以及
气相蚀刻以分离所述热贴片。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述掩膜为铝掩膜。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其中所述聚合物层为聚酰亚胺(PI)层。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的方法，其中所述导电材料为一种金属，优选铜、镍、铬、锡、银、铂或一种金属合金。
13.根据权利要求9至12中任一项所述的方法，其还包含湿蚀刻以在沉积所述导电材料之前去除所述掩膜。
14.根据权利要求10所述的方法，其还包含沉积用于沉积所述导电材料的籽层。
15.根据权利要求9至14中任一项所述的方法，其中所述气相蚀刻为XeF2气相蚀刻。
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Application publication date: 20170222

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