来源 | Lab on a Chip

链接 | https://doi.org/10.1039/D5LC00906E

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背景介绍

柔性电子发展现状：跨材料、电子、机械、生物医学多学科，应用于生理监测（血压、心率）、电子皮肤（压力 / 温度传感）、AR/VR 交互等场景，正向高集成、小型化闭环系统演进。热管理关键痛点：功率密度激增：5G、AI 技术导致芯片热流密度达 80-200 W/cm²（局部 1000 W/cm²）；材料局限：聚合物基材（PI、PDMS、PET）导热率仅为硅的 1/100（硅：150 W/m・K）；性能与舒适要求：需平衡器件稳定性、信号质量与人体温度耐受范围（31.1-35.4℃）

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成果掠影

近日，香港城市大学于欣格联合中山大学李冀豫团队综述探讨了微流体装置实现的热管理机制，强调了一种结合材料选择、结构几何形状和系统优化以提高热性能的综合策略。重点阐述了微流控技术作为融合被动与主动冷却优势的创新方案，其核心通过微通道结构与适配的流体介质（如相变材料、液态金属、水溶液）实现高效传热，在器件级热管理、个人热调节及人机交互与医疗健康热界面三大场景中展现出优异应用潜力，同时分析了材料导热性、结构集成性、生物相容性等关键挑战及未来优化方向。研究成果以“A review of microfluidic technologies for thermal management in flexible electronics”为题发表在《Lab on a Chip》期刊。

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图文导读

图1柔性电子设备中的热管理概述，包括热传递机制、基于微流体的热管理的优点和应用，以及典型的被动和主动温度调节方法（经参考文献14许可，版权2021，爱思唯尔;经参考文献15许可，版权2022，约翰威利父子公司;经参考文献16许可复制，版权2022，Springer Nature;经参考文献17许可复制，版权2022，美国科学促进会;经参考文献18许可复制，版权2020，Springer Nature;经参考文献19许可复制，版权2020，Springer Nature;经参考文献20许可复制，版权2020，Springer Nature）。

图2柔性电子设备中的热管理方法。（A）被动冷却策略示意图66（经参考文献许可复制）66，版权所有2023，Elsevier）;（B）用于皮肤电子设备高级热管理的柔软、辐射冷却接口49（经参考文献49许可复制，版权所有2023，Elsevier）;（C）热电材料中塞贝克效应（左）和珀耳帖效应（右）的示意图73（经参考文献73许可复制，版权2024，John Wiley and Sons）;（D）个人热电热调节装置。75具有可穿戴TE的温度调节背心和带的示意图（左）。具有TE柱、柔性电极和可拉伸片材（右）（经参考文献75许可复制，版权所有2019，美国科学促进会）。（E）EC热泵的工作机制。37，78左下角是热力循环的示意图，中下角是P（VDF-TrFE-CFE）热泵，右下角为去除电场后EC热泵的示意图（经参考文献37许可转载，版权所有2017，Elsevier;经参考文献78许可复制，版权2021，美国科学促进会）。

图3仿生冷却通道设计。（A）自然物理对象：三脉、侧脉、雪花和蜘蛛网116（经参考文献116许可复制，版权2019，Elsevier）;（B）具有生物启发设计的相应微流体通道：三出脉，侧脉，雪花状，蜘蛛网状116（经参考文献116许可转载，版权所有2019，Elsevier）;（C）模仿肺的微流体通道和模仿荷叶的微流体通道117（经参考文献117许可复制，版权所有2023，Elsevier）;（D）血管的仿生微通道。左为血管，中为血管的仿生设计，右侧为热成像118（经参考文献118许可复制，版权所有2019，Elsevier）。

图4针翅结构示意图。（A）非混合式散热器和混合式散热器。（B）热点区域扩大的微通道几何尺寸。（C）扭曲和非扭曲针翅123（经参考文献123许可复制，版权2024，Elsevier）.（D）具有侧壁方形针翅的微通道热沉的研究124（经参考文献124许可复制，版权2025，Elsevier）。（E）倾斜微通道与圆形微针翅合并。125（F）V125案例三个横截面的温度等值线（经参考文献125许可，版权所有2024，Elsevier）。

图5基于微通道的电子元器件冷却系统。（A）嵌入式冷却概念的示意图（左）。常规和微流体冷却的高功率放大器之间的比较射频功率输出（右）。133（B）填充有PCM的基于PDMS的微流体装置的示意图，用于集成电路中的芯片冷却（左）。三个空芯片和三个具有PCM的芯片的温度随时间的变化（右）135（C）柔性冷却模块的照片（左）。冷却模块对最高温度的影响（右）136（经参考136许可复制，版权2024，Elsevier）。

图6用于可穿戴流体系统的纤维泵。（A）软纤维形式的电流体动力泵。（B）带有纤维泵的热调节手套。141美国科学促进会版权所有2023（经参考文献141许可复制，版权所有2023，美国科学促进会）。

图7基于微流体的个人体温调节系统。（A）通过微流体冷却的主动体温调节策略151（经参考文献151许可复制，版权所有2023，Springer）。（B）通过外周神经活动阻滞缓解疼痛的基于微流体的冷却装置示意图（左）。微流体冷却器在操作过程中的红外图像（中）贴在人体手臂上进行局部冷却的微流体冷却器（右）62（经参考文献62许可复制，版权2023，Elsevier）。（C）导热复合液体冷却管的图示。152上部主体液体冷却夹套布局（左）。出口水温（Tm，输出）和总热量去除（Q）作为管长度（Ltube）的函数（中间和右边）（经参考文献152许可复制，版权所有2019，John Wiley and Sons）。（D）自适应机器人皮肤。15机器人E皮肤示意图（左），红外图像（中）和软到硬转换过程中机器人皮肤上的相应温度变化（右）（经参考文献15许可复制，版权所有2022，John Wiley and Sons）。

图8用于生物电子应用的基于微流体的冷却系统。（A）用于按需疼痛管理的生物可吸收微流体神经冷却器。61左图为术后急性疼痛信号通过外周神经的传输。中图为局部神经冷却，诱导可逆传导阻滞。右图为组织愈合完成时的设备溶解（经参考文献61许可复制，版权2022，美国科学促进协会）.（B）由微流体冷却器包裹的神经的3D模型，组织内的微流体冷却器的理论模型，166左图是神经的3D模型，中图是组织内微流体冷却器的理论模型，右图是几种流速下的温度变化（经参考文献166许可复制，版权2024，Elsevier）。