本申請(qǐng)要求于2014年4月28日提交的序列號(hào)為61/984,918、名稱為“用于自適應(yīng)療法的智能熱貼片(SMART THERMAL PATCH FOR ADAPTIVE THERMOTHERAPY)”的共同待審的美國臨時(shí)專利申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)，所述申請(qǐng)的全部內(nèi)容通過引用結(jié)合在本文中。

背景技術(shù)：

在美國，有5000萬人患有關(guān)節(jié)炎，這其中包括30萬兒童。他們一般采用熱療法進(jìn)行治療。市售的化學(xué)止痛貼根據(jù)疼痛位置而具有不同的尺寸，其加熱范圍有限，不可重復(fù)使用，并且有效時(shí)間短，總使用壽命較短，易于產(chǎn)生副作用(皮膚刺激，過敏)，并且不適合兒童。還可以使用激光加熱；然而在世界上的貧困地區(qū)，這些方法不僅昂貴，而且大多難以實(shí)現(xiàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

用于熱療法的網(wǎng)絡(luò)集成的柔性可拉伸電子產(chǎn)品可提供負(fù)擔(dān)得起的先進(jìn)醫(yī)療保健，例如，用于關(guān)節(jié)炎、扭傷拉傷引起的疼痛、癌細(xì)胞破壞等。為此，我們提供一種智能熱貼片。在一個(gè)實(shí)施例中，所述貼片可以是可拉伸的非聚合導(dǎo)電薄膜柔性并且無創(chuàng)的身體結(jié)合型貼片。所述貼片可包括用于熱加熱的導(dǎo)電材料。所述貼片可為與皮膚輪廓結(jié)合的空間可調(diào)的移動(dòng)熱貼片。由于低成本互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)的兼容性集成，所述貼片可包括無線可控性、自適應(yīng)性(例如根據(jù)身體位置的溫度調(diào)節(jié)熱量)、可重復(fù)使用性和/或經(jīng)濟(jì)可承受性?？砂ü饪虉D案化機(jī)械設(shè)計(jì)，以吸收導(dǎo)電薄膜的變形應(yīng)變，同時(shí)保持高傳導(dǎo)性。所述貼片可拉伸并收縮回至其初始形狀，使得其作為在幾何形狀和空間上可調(diào)的熱貼片在各個(gè)疼痛位置上使用。可以包括網(wǎng)絡(luò)和電池集成，使得其成為一個(gè)完全自主移動(dòng)的低成本(例如1至2美元)智能電子系統(tǒng)，其使用智能手機(jī)或移動(dòng)小工具進(jìn)行精確的溫度控制。

在一個(gè)實(shí)施例中，提供一種熱貼片，其包含：一個(gè)加熱墊陣列；和多個(gè)可拉伸導(dǎo)體，其將所述加熱墊陣列中的每一個(gè)與相鄰的加熱墊相互連接。在任何一個(gè)或多個(gè)方面，所述加熱墊陣列可相互連接在多個(gè)接觸墊之間。所述多個(gè)接觸墊可通過可拉伸導(dǎo)體連接至相鄰的加熱墊上。所述熱貼片可包括或連接至一個(gè)電池。所述熱貼片可包括或連接至一個(gè)柔性微控制器。所述熱貼片可包括或連接至一個(gè)無線收發(fā)器，所述無線收發(fā)器被配置為與移動(dòng)計(jì)算設(shè)備進(jìn)行通信。所述無線收發(fā)器可為藍(lán)牙收發(fā)器。所述移動(dòng)計(jì)算設(shè)備可為智能手機(jī)。

在一個(gè)實(shí)施例中，提供一種方法，其包含：(a)在聚合物層上形成掩膜，所述掩膜限定熱貼片；(b)蝕刻所述聚合物層；(c)沉積導(dǎo)電材料以形成熱貼片的可拉伸導(dǎo)體；以及(d)氣相蝕刻以分離所述熱貼片。在任何一個(gè)或多個(gè)方面，所述掩膜可為鋁掩膜。所述聚合物層可為聚酰亞胺(PI)層。所述導(dǎo)電材料可為一種金屬，優(yōu)選銅、鎳、鉻、錫、銀、鉑或一種金屬合金。所述方法可包括濕蝕刻以在沉積所述導(dǎo)電材料之前去除所述掩膜。所述方法可包括沉積用于沉積所述導(dǎo)電材料的籽層。所述氣相蝕刻可為XeF₂氣相蝕刻。在各個(gè)實(shí)施例的任何一個(gè)或多個(gè)中，所述一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)體可具有側(cè)向彈簧設(shè)計(jì)。所述導(dǎo)體的設(shè)計(jì)可以使它們表現(xiàn)出超彈性，使得所述導(dǎo)體在所施加的應(yīng)力下拉伸，并且當(dāng)應(yīng)力釋放時(shí)恢復(fù)至其通常未拉伸的形狀。

參照以下附圖和詳細(xì)說明,本公開的其它系統(tǒng)、方法、特征和優(yōu)點(diǎn)對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說將是顯而易見的或變得顯而易見。所有這些其他的系統(tǒng)、方法、特征以及優(yōu)點(diǎn)旨在包括于本說明書中，在本公開的范圍內(nèi)，且受到所附的權(quán)利要求書的保護(hù)。

附圖說明

參照以下附圖，能更好地理解本公開的許多方面。附圖中的組件不必按照比例繪制，其重點(diǎn)在于清楚地解釋本公開的原理。而且，在附圖中，相同的參考數(shù)字在所有視圖中表示相同的部件。

圖1是根據(jù)本公開的各個(gè)實(shí)施例的熱貼片實(shí)例的圖示。

圖2是根據(jù)本公開的各個(gè)實(shí)施例的圖1熱貼片的制造實(shí)例的圖示。

圖3包括根據(jù)本公開的各個(gè)實(shí)施例的圖1熱貼片實(shí)例的圖像。

圖4A和5A是根據(jù)本公開的各個(gè)實(shí)施例的圖1熱貼片的彈簧伸長率與施加力的對(duì)比曲線圖實(shí)例。

圖4B和5B包括根據(jù)本公開的各個(gè)實(shí)施的圖4A和5A的彈簧伸長率圖像。

圖6A至6B和7A至7B是根據(jù)本公開的各個(gè)實(shí)施例的圖1熱貼片的溫度和功率與所施加電壓的對(duì)比曲線圖實(shí)例。

圖6C和7C是根據(jù)本公開的各個(gè)實(shí)施例的對(duì)應(yīng)不同施加電壓的圖1熱貼片的溫度曲線圖實(shí)例。

圖8A至8C是根據(jù)本公開的各個(gè)實(shí)施例的各種施加電壓的熱貼片100的溫度的溫度變化曲線圖的實(shí)例。

圖9A和9B是使用根據(jù)本公開的各個(gè)實(shí)施例的智能電話無線控制熱貼片的圖像。

圖9C是根據(jù)本公開的各個(gè)實(shí)施例的圖1熱貼片隨溫度變化的電阻變化曲線圖實(shí)例。

圖9D是根據(jù)本公開的各個(gè)實(shí)施例的具有柔性控制器和電池的圖1熱貼片的實(shí)例圖像。

具體實(shí)施方式

本文公開了用于自適應(yīng)熱療法的智能熱貼片相關(guān)的各種實(shí)例?，F(xiàn)在將詳細(xì)參考附圖中示出的實(shí)施例的描述，其中相同的參考數(shù)字表示所有視圖中相同的部件。

作為化學(xué)止痛貼和激光加熱的有效替代方案，可以使用無線可控加熱器在皮膚上的特定點(diǎn)上或熱療法施加熱量。熱療法的使用已經(jīng)證明其可用于治療各種嚴(yán)重疾病，如關(guān)節(jié)炎、癌癥等。由于其天然剛性和有限的拉伸性，基于薄膜的熱加熱器在人體上的使用受到限制。電子產(chǎn)品中使用的多數(shù)材料系統(tǒng)本身并非可拉伸的。特別地，銅線通常用于現(xiàn)有技術(shù)中電子產(chǎn)品的互連。由于銅具有20至25％的屈服應(yīng)變，因此在可拉伸的電子產(chǎn)品中使用銅進(jìn)行互連受到限制。與大形變的兼容性可以由網(wǎng)絡(luò)集成的柔性可拉伸電子器件提供，其在施加大應(yīng)力(>100％)時(shí)保持其電氣特性和熱特性。

在一個(gè)實(shí)施例中，所述貼片可以是可拉伸的非聚合導(dǎo)電薄膜柔性并且無創(chuàng)的身體結(jié)合型移動(dòng)熱加熱器，其具有無線控制能力并可以用于提供自適應(yīng)熱療法。所述貼片在各個(gè)疼痛位置上可以是在幾何形狀和空間上可調(diào)的。自適應(yīng)性使得熱量可根據(jù)治療部分的溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

在一個(gè)或多個(gè)方面，所述導(dǎo)電薄膜可為金屬薄膜。例如，集成了兼容的低成本互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)有利于裝置的可重復(fù)使用性和經(jīng)濟(jì)可承受性。與之前的關(guān)于可拉伸電子產(chǎn)品(其將多數(shù)包括1D納米線或2D石墨烯的聚合物或復(fù)合材料系統(tǒng)用作可拉伸互連、電極、集成電路、發(fā)光二極管、超級(jí)電容器、人造皮膚及其他)的說明相比，智能熱設(shè)計(jì)使得通過使用設(shè)計(jì)特征在不影響其低電阻的情況下吸收薄膜中的變形應(yīng)力，薄膜可以繼續(xù)用作大小可調(diào)的熱加熱器。在一個(gè)方面，金屬薄膜可以是銅(Cu)基薄膜。

根據(jù)疼痛位置和空間要求，所述空間可調(diào)的移動(dòng)熱加熱器可延伸以滿足用戶需求并收縮回其初始形狀。膜的金屬特性使得其具有更長的使用壽命并可以重復(fù)使用。此外，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(諸如先進(jìn)的藍(lán)牙技術(shù))和電池集成使其成為一個(gè)自主移動(dòng)的智能電子系統(tǒng)，其通過使用智能手機(jī)或其他移動(dòng)界面設(shè)備進(jìn)行精確的溫度控制。光刻圖案化機(jī)械設(shè)計(jì)吸收銅(或其他類型的金屬)和導(dǎo)電薄膜中的變形應(yīng)力，同時(shí)保持其高導(dǎo)電性，使得裝置被拉伸并收縮回其初始形狀。在幾何形狀和空間上可調(diào)的熱貼片可以與各個(gè)疼痛位置處的皮膚輪廓無創(chuàng)地貼合。具有拉伸性能的柔性智能熱電子系統(tǒng)的可用性使得全球人群(包括患有關(guān)節(jié)炎或其他更復(fù)雜的惡性腫瘤細(xì)胞破壞的患者，和忍受身體和/或肌肉疼痛、扭傷和拉傷的個(gè)人諸如運(yùn)動(dòng)員或士兵)可用其進(jìn)行每日熱療。例如，所述裝置可以用于癌癥細(xì)胞破壞的熱療法(高熱療法)。而且，我們可以使用可溶解的導(dǎo)電材料(例如鎢、鋁、鉬等)。治療后，所述裝置可以完全溶解在體內(nèi)，而無需進(jìn)一步的手術(shù)來收回所述裝置。

在一個(gè)或多個(gè)方面，銅可以用作導(dǎo)電元件；由于其在現(xiàn)有CMOS技術(shù)中用作金屬互連，因此銅可與CMOS工藝兼容。由于銅本身不具有可拉伸性，可使用側(cè)向彈簧設(shè)計(jì)來引入可拉伸性。在一些實(shí)施方式中，還可以使用包括導(dǎo)電金屬(例如鎳、鉻、錫、銀、鉑或其他金屬或合金)的其他導(dǎo)電材料來形成金屬互連。

參照?qǐng)D1，示出了熱貼片設(shè)計(jì)100的一個(gè)實(shí)例。所述設(shè)計(jì)可以根據(jù)縮放參數(shù)λ進(jìn)行縮放以獲得不同尺寸的裝置。為了說明所述設(shè)計(jì)的可拉伸性，通過將設(shè)計(jì)參數(shù)λ縮放至100μm和200μm來制造兩個(gè)版本的設(shè)計(jì)。如圖1所示，制成熱貼片裝置100a和100b，且分別表征為λ＝100μm和λ＝200μm。熱貼片裝置100可包括加熱墊103的一個(gè)或多個(gè)陣列或矩陣，所述加熱墊103通過可拉伸導(dǎo)體109相互連接在多個(gè)接觸墊106之間。

導(dǎo)體109可以形成為具有彈簧設(shè)計(jì)，例如側(cè)向彈簧設(shè)計(jì)。它們可以以允許導(dǎo)體拉伸或彎曲的尺寸進(jìn)行卷繞。圖1示出了非限制性的實(shí)例，其中所述導(dǎo)體109被卷繞，其具有大致形狀為“8”的結(jié)構(gòu)以提供側(cè)向彈性設(shè)計(jì)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識(shí)到可以使用其他形狀來提供側(cè)向彈簧設(shè)計(jì)。例如，所述導(dǎo)體109可以如圖1中示出的上部分或下部分所示卷繞成圓形或橢圓形。卷繞設(shè)計(jì)可以使得一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)體109表現(xiàn)為彈簧。所述彈簧或卷繞設(shè)計(jì)可以使所述一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)體109具有超彈性，如以下詳細(xì)的描述。

所述加熱墊103可以是尺寸為20λ的正方形。放置所述加熱墊103上的銅線112(或其它類型的金屬線)，以使得所述導(dǎo)體的長度和電阻最大化。聚酰亞胺(PI)墊115具有直徑為100μm的孔，孔(中心至中心)間距為200μm。具有與PI相似特性的其他柔性聚合物也可以用于墊115。比例尺118為1mm。在兩種情況下，所述接觸墊106為2mm×20mm?？衫鞂?dǎo)體109的彎曲彈簧結(jié)構(gòu)的總長度(L_t)為78.35λ，而彈簧的側(cè)向長度(L_l)僅為10λ。當(dāng)彈簧被拉伸到其最大量時(shí)，彈簧的側(cè)向長度大約等于其總長度。因此，對(duì)于各個(gè)可拉伸導(dǎo)體109，可拉伸側(cè)向彈簧提供約為800％(L_t/L_l＝7.835)的最大單軸可拉伸性。如圖1所示，可拉伸導(dǎo)體109用于在兩個(gè)方向上提供加熱墊103之間的彈性。

為了說明可拉伸銅導(dǎo)體109的使用，可拉伸熱貼片100配置有連接相鄰加熱墊103的可拉伸導(dǎo)體109，以在兩個(gè)方向上提供彈性。所述加熱墊103并為對(duì)拉伸起作用，其具有恒定側(cè)向長度20λ，連同互連長度5λ。所示在彈簧兩側(cè)為5λ的長度在拉伸前后增加了側(cè)向長度，因此在裝置水平上的可拉伸性由下式給出：

因此，通過其包括的加熱墊，所述熱貼片系統(tǒng)的總可拉伸性為約270％。

接下來參照?qǐng)D2，示出了使用在柔性(例如諸如聚酰亞胺的聚合物)表面上的金屬(例如銅)線112直接制造所述熱貼片100的CMOS兼容工藝實(shí)例，使其成為無轉(zhuǎn)移工藝。從硅(Si)晶片203開始，使用熱氧化反應(yīng)形成二氧化硅(SiO₂)層206。然后使用等離子增強(qiáng)化學(xué)汽相沉積法(PECVD)形成非晶硅(α-硅)犧牲薄層209。然后將4μm厚的聚酰亞胺(PI)層212旋涂在具有1μm厚的非晶硅犧牲層209的熱氧化晶片上。在一些實(shí)施方式中，具有與PI相似特性的其他聚合物可用于形成層212。通過沉積和圖案化鋁硬掩模215以及O₂等離子體蝕刻，將PI 212圖案化成側(cè)向彈簧設(shè)計(jì)。濕蝕刻可用于去除所述鋁掩膜215。用于電鍍銅的籽層218沉積在PI 212上，然后電鍍4μm粗的銅線221。使用氬等離子體蝕刻掉籽層218，并且使用例如基于XeF₂的氣相蝕刻非晶硅犧牲層209來分離熱貼片裝置100。銅線221的粗細(xì)度和PI層212的厚度可被設(shè)計(jì)為相同，使得彎曲期間的中性軸在銅/PI界面處。PI墊115包括直徑為100μm的孔，其(中心到中心)間距為200μm，以減少XeF₂氣相分離所需的時(shí)間。因此，即使在彎曲期間，兩種材料的界面也沒有應(yīng)力。

為了制造如圖3所示的工作熱貼片裝置100，起點(diǎn)是熱氧化(300nm)的4"硅(100)襯底203。使用PECVD(例如，SiH₄、Ar等離子體在250℃下進(jìn)行25分鐘)在所述襯底203上沉積1μm厚的非晶硅層作為犧牲層209。然后以4000rpm的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)晶片與聚酰亞胺(例如，HD MicroSystems PI2611)60秒以獲得4μm厚的涂層212。聚酰亞胺(PI)層212隨后在90℃固化90秒，在150℃固化90秒，在350℃固化30分鐘。在所述晶片上濺射(在10毫托下，25sccm Ar等離子體，500W直流功率)200nm鋁層作為用于PI蝕刻的硬掩模215。使用接觸光刻來圖案化所述鋁薄膜，并使用Gravure鋁濕蝕刻(Technique France)來蝕刻所述鋁薄膜。然后在60℃和800毫托下，使用O₂等離子體蝕刻PI層212達(dá)16分鐘。將Cr/Au(20/200nm)雙層沉積在所述晶片上以作為用于電鍍銅的籽層218。Cr/Cu雙層也可以用作籽層218以減少批量制造的成本。所述晶片用光刻膠旋涂，并且銅覆蓋的區(qū)域通過顯影光刻膠而暴露。使用CuSO₄溶液作為電解質(zhì)和0.698安培電流對(duì)4μm厚的銅層221進(jìn)行電鍍達(dá)200秒。使用丙酮洗掉光刻膠，并使用Ar(30sccm)等離子體對(duì)所述籽層218進(jìn)行3分鐘蝕刻。在4托壓力下對(duì)所述晶片進(jìn)行60個(gè)周期(每周期30秒)的XeF₂蝕刻(例如Xactix X3C)以分離所述熱貼片100。

圖3包括制造的熱貼片100的圖像(a)至(k)。所有比例尺303為2cm。分離后的熱貼片100的光學(xué)圖像如圖3的圖像(a)和(b)所示，分別λ＝100μm和λ＝200μm。圖像(a)所示的熱貼片100a包括三個(gè)接觸墊106之間的兩個(gè)加熱墊103陣列。在圖像(c)中示出了具有200％側(cè)向應(yīng)變的圖像(a)的熱貼片100a在人體皮膚上的應(yīng)用。圖3的圖像(d)至(h)示出了圖像(b)的熱貼片100b在各種位置的人體皮膚上的應(yīng)用。在圖像(d)的情況下，所述熱貼片100b沒有應(yīng)力，而在圖像(e)中，所述熱貼片100b的單軸應(yīng)變?yōu)?50％。圖3的圖像(f)顯示了雙軸應(yīng)變下的熱貼片100b，其側(cè)向和橫向應(yīng)變均為150％。

圖3的圖像(g)至(i)示出了當(dāng)包裹在各種身體特征周圍時(shí)的制造的熱貼片100b的柔性，其彎曲半徑低至0.5mm。圖像(g)示出了圍繞肘關(guān)節(jié)以6.3cm的彎曲半徑適形彎曲的熱貼片100b。圖像(h)示出了以0.96cm的彎曲半徑包裹在兩個(gè)手指上的熱貼片100b。圖像(i)示出了以約0.5mm的彎曲半徑包裹硅晶片306的熱貼片100b。范德華力(van der Waals force)使得能夠在皮膚微觀不規(guī)則上適形放置。圖3的圖像(j)和(k)比較現(xiàn)成的醫(yī)療貼片309(WellPatch^TM辣椒素疼痛緩解貼片)和圖像(a)的熱貼片100a。在圖像(k)中，示出了具有200％應(yīng)變的熱貼片100a。

對(duì)于λ＝200μm和λ＝100μm，可拉伸導(dǎo)體109在單軸拉伸應(yīng)變下的機(jī)械性能分別概述于圖4A至4B以及圖5A至5B中。如之前所論述的一樣，個(gè)別彈簧可能具有大約800％的最大拉伸率。這轉(zhuǎn)化為所述裝置大約300％的整體最大拉伸率。然而，據(jù)觀察，此最大點(diǎn)不可逆。相反，所述彈簧的彈性限度被確定為約600％。圖4A和5A是可拉伸導(dǎo)體109的彈簧伸長率與橫向外加力對(duì)比的曲線圖實(shí)例(數(shù)據(jù)集403用于λ＝200μm，并且數(shù)據(jù)集503用于λ＝100μm)和在第一循環(huán)中隨伸長率變化的電阻的曲線圖實(shí)例(數(shù)據(jù)集406用于λ＝200μm，并且數(shù)據(jù)集506用于λ＝100μm)。為彈簧所獲得的力與伸長率對(duì)比曲線圖403和503很像超彈性的橡膠類材料。屈服點(diǎn)用x標(biāo)記。插入的曲線圖是在彈性限度內(nèi)的彈簧伸長率與外加力對(duì)比。在10次拉伸(高達(dá)600％)循環(huán)后，可拉伸導(dǎo)體109返回到其原始狀態(tài)。因此，橫向彈簧設(shè)計(jì)使銅薄膜表現(xiàn)出超彈性。

對(duì)可拉伸導(dǎo)體109而言，熱貼片100的電阻數(shù)據(jù)集406和506隨應(yīng)變幾乎不變，在彈性限度內(nèi)變化僅為0.6％。在外加應(yīng)變下，彈簧的電阻一致可歸因于橫向彈簧系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。外加應(yīng)變在彈簧設(shè)計(jì)變形的過程中被吸收，因此銅互連在任何時(shí)間點(diǎn)都不處于應(yīng)變下。因此，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中金屬線(和整個(gè)熱貼片100)的電阻保持不變。進(jìn)一步地，圖4A和5A中示出的電阻的輕微變化僅是對(duì)于第一次拉伸循環(huán)。在第一次伸長循環(huán)后，電阻變?yōu)楹愣?，并且在多次拉伸循環(huán)后保持恒定。特別地，在10次循環(huán)后，在應(yīng)變下彈簧的電阻沒有變化。這可歸因于前幾次循環(huán)使彈簧經(jīng)受了對(duì)其金屬晶粒的輕微重定向，以適應(yīng)橫向彈簧中的扭轉(zhuǎn)。一旦金屬晶粒固定下來，相對(duì)于應(yīng)變，彈簧和熱貼片100的電阻不變。

圖4B和5B示出了在伸長過程中，分別在λ＝200μm和λ＝100μm情況下的可拉伸導(dǎo)體109的圖像。頂部圖像409和509示出了在伸長循環(huán)開始前的彈簧。圖像412和512是松放的彈簧的掃描式電子顯微照片(SEM)。中間圖像415和515示出了被完全拉伸的彈簧，其中彈簧伸長率為約800％。圖像418和518是彈簧在拉力下(應(yīng)變?yōu)?00％)的部分的掃描式電子顯微照片?？梢钥闯鰴M向彈簧在某些點(diǎn)扭轉(zhuǎn)以吸收應(yīng)變能。底部圖像421和521示出了在10次伸長循環(huán)后(在彈簧的彈性限度內(nèi)伸長率為600％)的彈簧。圖4B中，比例尺424a為2cm，并且比例尺424b為50μm。圖5B中，比例尺524a為4cm，并且比例尺524b為50μm。

能夠?yàn)榭缮藤彽臒岑煼ㄏ拗萍訜崮芰陀行Р僮鲿r(shí)間。圖6A至6C和7A至7C分別闡明了λ＝100μm和λ＝200μm時(shí)熱貼片100設(shè)計(jì)的熱性能評(píng)價(jià)。如圖1所示，通過將可拉伸導(dǎo)體109的銅線焊接于所述2mm×20mm的接觸墊106而接觸所述熱貼片100的加熱墊103。由所述接觸墊106導(dǎo)入所述熱貼片裝置100的總寄生電阻經(jīng)測為0.05Ohm(或約為裝置總電阻的0.6％)。在評(píng)價(jià)期間，用一個(gè)恒定電壓源(例如，安捷倫科技公司(Agilent)的E3631A電源)使所述熱貼片100通電，并且用一種Optotherm Mirco熱成像系統(tǒng)測量所述熱貼片裝置100的溫度。為了測量在一給定外加電壓下所述玻璃襯底的平均溫度，定義了正方形面積，其等于所述加熱墊103大小的四倍，為一個(gè)單位面積。此單位面積的平均溫度經(jīng)標(biāo)繪與電壓相對(duì)，以獲得所述加熱墊在熱負(fù)載(玻璃襯底)下的熱特性。

圖6A和7A示出了所述熱貼片100溫度與外加電壓(數(shù)據(jù)集603用于λ＝100μm，并且數(shù)據(jù)集703用于λ＝200μm)和為所述外加電壓消耗的功率(數(shù)據(jù)集606用于λ＝100μm，并且數(shù)據(jù)集706用于λ＝200μm)的對(duì)比實(shí)例。針對(duì)一個(gè)外加電壓標(biāo)繪了所述熱貼片在空氣中和在一個(gè)玻璃襯底上(有負(fù)載)的最大溫度(分別為數(shù)據(jù)集603a/603b和703a/703b)。圖3的圖像(i)示出了包裹硅晶片306熱貼片100b(圖1)。所述平均溫度數(shù)據(jù)603c和703c對(duì)應(yīng)于所述單位面積的溫度讀數(shù)的平均值，所述單位面積被定義為所述加熱墊103面積4倍的正方形。

在圖6A和7A中可看出，與所述玻璃襯底負(fù)載相比，對(duì)于相同的外加電壓，熱貼片100在環(huán)境空氣中獲得了較高的溫度。這是可以預(yù)期的，因?yàn)榭諝庵粚?duì)所述加熱墊103(圖1)進(jìn)行對(duì)流冷卻，而玻璃襯底通過空氣進(jìn)行對(duì)流(頂部)，以及通過所述玻璃襯底進(jìn)行傳導(dǎo)，并且具有較高的熱容量。在圖6A的情況下(λ＝100μm)，對(duì)于1.6V的外加電壓(功率消耗為1.5W)，測出了約80℃的最大溫度。用所述玻璃襯底作熱負(fù)載而獲得的溫度范圍為25至53℃。在圖7A的情況下(λ＝200μm)，對(duì)于3.8V的外加電壓(功率消耗為1.4W)記錄了102℃的最大溫度。在用玻璃襯底作熱負(fù)載的情況下獲得的溫度范圍為25至66℃。

參見圖6B和7B，示出了所述加熱器溫度對(duì)一個(gè)給定的外加電壓的瞬態(tài)響應(yīng)的曲線圖。還看到所述玻璃襯底對(duì)一個(gè)特定的外加電壓逐步升到某個(gè)溫度。在所示“通電”時(shí)間后開啟電源。在圖6B中，對(duì)所述熱貼片100a(λ＝100μm)的外加電壓從約1V向約1.6V變化，步長為約0.1V(如箭頭所示)。在圖7B中，對(duì)所述熱貼片100b(為200μm)的外加電壓從約2.6V向約4V變化，步長為約0.2V(如箭頭所示)。圖6C和7C分別為λ＝100μm和λ＝200μm的熱貼片設(shè)計(jì)100的熱貼片100的溫度與各種外加電壓的曲線圖。在圖6C中施加了0.5V(頂部左邊)、1.0V(底部左邊)、1.5V(頂部右邊)和2.0V(底部右邊)的電壓，并且在圖7C中施加了1V(頂部左邊)、2V(底部左邊)、3V(頂部右邊)和4V(底部右邊)的電壓。比例尺603和703為2mm。

設(shè)計(jì)了所述熱貼片100，使得在所述加熱墊103上的銅線112的寬度(50μm)分別為λ＝100μm和λ＝200μm的所述可拉伸導(dǎo)體109上的銅線的一半和四分之一。而且，設(shè)計(jì)了在所述加熱墊103上的銅線112，使其長度最大化。因此跨過所述加熱墊103集中了所述熱貼片裝置100的大部分電阻。這使得在所述加熱墊103上耗散的功率值最大化，因此使得正在進(jìn)行的加熱增到最大限度。由于這種設(shè)計(jì)，熱貼片100的總電阻經(jīng)測為8.85Ohm，包括所述接觸金屬電阻。對(duì)λ＝100μm和λ＝200μm，所述加熱墊103和所述可拉伸導(dǎo)體109的電阻比經(jīng)計(jì)算分別為3.35和15.5。電阻比的高度差異可主要?dú)w因于銅線寬度較小(與λ＝100μm時(shí)為λ/2相比，λ＝200μm時(shí)為λ/4)，并且是因?yàn)樗黾訜峋€長度較大(與λ＝100μm時(shí)為14.8cm相比，λ＝200μm時(shí)為6.84cm)。因此，對(duì)于λ＝200μm和λ＝100μm的設(shè)計(jì)，在給定的電流下，耗散在所述加熱墊上的功率與提供的總功率之比經(jīng)計(jì)算分別為0.92和0.69。因此，根據(jù)在所述加熱墊上的散熱，發(fā)現(xiàn)λ＝200μm的設(shè)計(jì)更有效。

還在一名自愿的成人受試者身上測試了所述λ＝200μm的熱貼片(符合制度性的生物倫理學(xué)政策(Institutional Bioethics Policy))。使用雙面透明膠帶將所述熱貼片100b貼在所述受試者的手上。使用一個(gè)恒壓直流電源給所述熱貼片100b通電，測量了所述墊和皮膚的溫度。參見圖8A，示出了在施加電壓后60秒時(shí)獲得的最大溫度和平均溫度(分別為曲線803和806)與外加電壓的對(duì)比曲線圖。剛切斷所述電源就計(jì)算了所述熱貼片100b整個(gè)區(qū)域的平均溫度。據(jù)發(fā)現(xiàn)，所述熱貼片100b有效地將人體皮膚加熱到超過正常溫度數(shù)度。圖8B標(biāo)繪了在給定的外加電壓1V、2V、2.5V和3.5V下所述皮膚溫度的瞬態(tài)響應(yīng)。在所示“通電”時(shí)間后開啟電源。

進(jìn)一步地，加熱效果不僅產(chǎn)生于所述加熱墊103下方，而且已經(jīng)延伸到所述熱貼片100B的整個(gè)區(qū)域。這是通過剛對(duì)所述熱貼片100b斷電后就測量皮膚的平均溫度而觀察到的。圖8C示出了各種用熱情況下皮膚溫度的實(shí)例。頂部左邊示出了皮膚和熱裝置的初始溫度情況。底部左邊示出了施加1V 60秒后造成的溫度變化，并且頂部右邊示出了施加2.75V 60秒后造成的溫度變化。底部右邊示出了在已施加2.75V 60秒的情況下剛斷電后的溫度。比例尺809為2cm。因此，據(jù)觀察，在實(shí)際運(yùn)用中，在150％的高應(yīng)變下所述熱貼片100b能使人體皮膚溫度均勻升高。

所述可拉伸的、柔性的熱貼片100在生物醫(yī)藥行業(yè)中有多種用途。熱貼片100可被拉伸到其原始大小的3倍，并且能被貼于人體的任何部位，隨后可用于熱療。在用于實(shí)際生活時(shí)，有線恒壓電源無法使用，將其隨身攜帶以用于熱療可能是不切實(shí)際的。因此，實(shí)用的熱貼片系統(tǒng)可以是無線式的，從而便于攜帶并易于使用。而且，作為額外的功能，通過使用一種現(xiàn)成的設(shè)備，比如，例如，智能手機(jī)或平板電腦，所述熱貼片100應(yīng)易于控制。為此目的，檢測了通過使用藍(lán)牙激活的、基于安卓的多種智能手機(jī)而無線可控的一種熱貼片100。通過使用一個(gè)開源硬件模塊(Arduino Uno)和Seeedstudio的一個(gè)藍(lán)牙遮蔽件而實(shí)現(xiàn)了無線連接。通過使用PWM輸出——其來自所述Arduino系統(tǒng)多個(gè)輸出中的一個(gè)——而控制了施加于所述熱貼片100的電壓。所述熱貼片100也能用于其它要求在限定區(qū)域加熱的情形。所述熱貼片100的彈性允許其被定位于多種不均勻表面的上面或周圍，并且被模制以適合所述區(qū)域。例如，一種熱貼片100可被放在一個(gè)管子周圍以通過加熱而調(diào)整或避免所述管子內(nèi)液體的凍結(jié)情況。所述熱貼片100的加熱溫度可被控制以，例如，避免對(duì)所加熱組件的損害、控制超時(shí)的加熱變化或維持一個(gè)恒定溫度。

參見圖9A和9B，示出了通過使用一種安卓智能手機(jī)而被無線控制的一種熱貼片100的圖像。所述圖像表明了通過使用所述智能手機(jī)而控制所述熱貼片100的溫度。還通過多名受試者測試了所述基于安卓的溫度控制系統(tǒng)。在所述熱貼片系統(tǒng)中使用所述現(xiàn)成的Arduino板和其藍(lán)牙屏蔽件可能使所述熱貼片變得沉重而不能移動(dòng)，這可能約束其作為通用的、自主的、便攜的熱療解決方案的全部潛力。然而，使用基于溝槽產(chǎn)生-保護(hù)-剝離-分離的多種轉(zhuǎn)換性硅電子產(chǎn)品來制造類似于所述Arduino板中微控制器的柔性微控制器能克服這種限制。因此，可以獲得一個(gè)完整的系統(tǒng)級(jí)解決方案。

所述熱貼片100的便攜性也可能受限于恒壓電源的供電。在前面的所述實(shí)例中，所述熱貼片吸引的最大功率為約1.5W。因此，在最大工作溫度下，所述熱貼片100能得到一種可商購鈕扣電池(例如，日本松下公司(Panasonic)的CR2477)的支持長達(dá)2小時(shí)的時(shí)間。所述電池也可以是柔性的、可拉伸的，并且能被再充電以使得所述熱貼片100可被重復(fù)使用。圖9A和9B示出的對(duì)所述熱貼片100的控制利用了一個(gè)開環(huán)控制系統(tǒng)，其中已預(yù)先校準(zhǔn)了所述熱貼片100和控制軟件。在某些情況下，所述控制機(jī)構(gòu)可能導(dǎo)致對(duì)所述熱貼片100的溫度控制不精確。為解決此問題，所述熱貼片100可用其本身作為溫度傳感器。

因?yàn)樗鰺豳N片100采用銅線進(jìn)行加熱，并且銅的電阻隨溫度的增加而增加，所以所述熱加熱裝置100的電阻也隨上升的溫度而增加。在所述PWM運(yùn)行方式中基于所述熱貼片100消耗的電流可檢測電阻。例如，在測試中使用一種熱夾頭探針臺(tái)機(jī)構(gòu)(例如，Cascade Microsystems公司的M150)測試了所述熱貼片裝置100電阻的溫度響應(yīng)。所述熱夾頭被設(shè)于一個(gè)特定的溫度(每一溫度持續(xù)5分鐘以獲得穩(wěn)定狀態(tài))，并且將一種小感應(yīng)電流施加于所述熱貼片100以測量所述熱貼片裝置100的電阻，并不需要將所述熱貼片裝置100加熱到超過所述熱夾頭的溫度。

圖9C示出了所述熱貼片100隨溫度變化的電阻變化的曲線圖。誤差條表明了測得的電阻(曲線903)和夾頭溫度(曲線906)的最大值和最小值。如圖9C所示，所述熱貼片100可用作溫度傳感器，在所述電阻903的溫度響應(yīng)中非線性度為1.49％。進(jìn)一步地，所述溫度傳感器的靈敏度被報(bào)告為0.0308Ohm/℃。對(duì)銅電阻(α)的溫度系數(shù)確定為0.00397℃^-1。因此所述熱貼片100中的電流水平可用于檢測所述熱貼片100的溫度。這種溫度反饋可用于實(shí)施一種閉環(huán)控制系統(tǒng)，使得對(duì)所述熱貼片100的溫度控制精確，這讓整個(gè)系統(tǒng)具有自適應(yīng)性。

圖9D是一種熱貼片設(shè)計(jì)100實(shí)例的圖像，所述熱貼片設(shè)計(jì)100具有用于無線溫度控制的柔性硅微控制器和作為電源的鈕扣電池。比例尺909為2cm。成本計(jì)算表明此類自主系統(tǒng)可在約1$至2$的范圍內(nèi)，與許多其它對(duì)現(xiàn)狀的解決方案或產(chǎn)品相比，這是一種有成本效益的解決方案?？捎眯《嵝缘墓杈菁{微處理器和其它通信設(shè)備，而一種鈕扣電池可為所述電子產(chǎn)品以及所述熱貼片100供電以運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)小時(shí)。最后，整合邏輯處理器和存儲(chǔ)器可以增加功能以用于持續(xù)監(jiān)控病人、本地存儲(chǔ)數(shù)據(jù)以及將經(jīng)現(xiàn)場處理的數(shù)據(jù)傳到另一個(gè)計(jì)算設(shè)備或云計(jì)算平臺(tái)，這使大數(shù)據(jù)分析成為可能。

當(dāng)前的公開描述了多種具有無線控制能力的熱貼片100的實(shí)例。為克服被廣泛使用的低成本金屬薄膜銅拉伸能力有限的缺點(diǎn)，使用了以平版印刷形成圖案的機(jī)械設(shè)計(jì)以解除變形應(yīng)變的吸附，在維持其高傳導(dǎo)性的同時(shí)允許800％的拉伸率。使用所述柔性彈簧設(shè)計(jì)策劃了一種在幾何形狀和空間上可調(diào)的、隨時(shí)可用的、負(fù)擔(dān)得起的、用于熱療的熱貼片100。通過給發(fā)炎區(qū)域的不規(guī)則皮膚輪廓以及不規(guī)則尺寸和形狀提供適形貼附，產(chǎn)生的所述熱貼片100可用于人體的各個(gè)位置。通過基于所述發(fā)炎區(qū)域的測量溫度而調(diào)整療法，所述熱接觸區(qū)域——可用作一個(gè)溫度傳感器——允許所述貼片適應(yīng)所述發(fā)炎區(qū)域的情況。無線接口和電池集成使所述系統(tǒng)形成一個(gè)自主的、便攜式的和自適應(yīng)的單元，其通過使用智能手機(jī)或移動(dòng)設(shè)備而具有精確的溫度控制。

應(yīng)強(qiáng)調(diào)，本公開的上述這些實(shí)施例僅是為清楚了解本公開的原理而闡述的實(shí)施手段的合理實(shí)例。在實(shí)質(zhì)不背離本公開的精神和原理的情況下可對(duì)上述的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例作出多種變更和修改。在此所有此類變更和修改應(yīng)包括于本公開的范圍內(nèi)并且受到以下權(quán)利要求書的保護(hù)。

應(yīng)注意，本文中可用一種范圍格式表示比例、濃度、數(shù)據(jù)和其他數(shù)值數(shù)據(jù)。應(yīng)了解，此類范圍格式是為了方便和簡潔而使用，因此應(yīng)以靈活的方式將其理解為不僅包括被明確列為所述范圍極限的數(shù)值數(shù)據(jù)，而且包括處于該范圍內(nèi)的所有數(shù)值數(shù)據(jù)或子范圍，就像明確列出每個(gè)數(shù)值數(shù)據(jù)和子范圍一樣。舉例如下，一種濃度范圍“約0.1％至約5％”應(yīng)被理解為不僅包括明確列出的約0.1重量％至約5重量％的濃度，還包括在所示范圍內(nèi)的單獨(dú)的濃度(例如，1％、2％、3％和4％)和子范圍(例如，0.5％、1.1％、2.2％、3.3％和4.4％)。此外，短語“約‘x’至‘y’”包括“約‘x’至約‘y’”。

應(yīng)強(qiáng)調(diào)，上述這些實(shí)施例僅是合理的實(shí)施手段的實(shí)例。在不背離本公開的原則的情況下可對(duì)上述這些實(shí)施例作出多種變更和修改。本文中所有此類變更和修改應(yīng)包括于此公開的范圍內(nèi)并且受到以下權(quán)利要求書的保護(hù)。