Mini-recensie over flexibele en draagbare elektronica voor het bewaken van informatie over de gezondheid van de mens

Flexibele krachtsensoren

De krachtsensor is een meetapparaat dat de waarden van mechanische krachten zoals spanning, druk, koppel, spanning en spanning kan detecteren en omzetten in elektrische signalen. De verschillende fysieke stimuli die worden gegenereerd door regelmatige fysiologische activiteit van het menselijk lichaam bevatten veel belangrijke gezondheidsinformatie, bijvoorbeeld hartslag, spierbeweging, ademhalingssnelheid en bloeddruk. De meeste traditionele krachtsensoren zijn omvangrijk en zwaar omdat ze meestal gebaseerd zijn op metaal en halfgeleidermaterialen, en ze zijn niet toepasbaar op draagbare elektronica voor het bewaken van vitale functies van het menselijk lichaam vanwege hun zeer beperkte draagbaarheid en flexibiliteit. In vergelijking met traditionele krachtsensoren hebben flexibele krachtsensoren die gebruik maken van plastic en elastomere substraten een reeks voordelen, zoals betere biocompatibiliteit, rekbaarheid, transparantie, draagbaarheid en het vermogen tot continue detectie. We zullen hieronder bespreken dat de flexibele krachtsensoren kunnen worden onderverdeeld in weerstandssensoren, capacitieve sensoren en piëzo-elektrische sensoren.

Weerstandskrachtsensoren

Een resistieve sensor is een sensor die de verandering in weerstand van gevoelige materialen, veroorzaakt door een externe stimulus, omzet in een elektrisch signaal. De actieve materialen van flexibele weerstandskrachtsensoren zijn over het algemeen elastomeercomposieten gevormd door het opnemen van geleidende vulstoffen, zoals grafeen [5, 6], koolstofnanobuizen (CNT's) [7,8,9,10, 11], dunne metalen film, nanodraden, deeltjes [12,13,14] en geleidende polymeren [15] in elastomeren (bijv. PDMS, PU, ​​SEBS). De weerstandsverandering van de sensor wordt voornamelijk veroorzaakt door de volgende drie factoren:(1) veranderingen in de geometrie van gevoelige elementen [15], (2) de verandering van de opening tussen nanodeeltjes of nanodraden [5,6,7,8, 9,10, 13, 14] en (3) veranderingen in contactweerstand tussen verschillende materiaallagen [12, 11]. Piëzo-resistieve sensoren hebben veel aandacht gekregen vanwege hun lage stroomverbruik, eenvoudige fabricageprocessen en brede toepassing [16].

Het gebruik van substraten met een microstructuuroppervlak biedt een effectieve manier om zeer gevoelige piëzoresistieve krachtsensoren te fabriceren. Zoals getoond in Fig. 2a, b, Choong et al. [15] rapporteerde een flexibele piëzoresistieve sensor door gebruik te maken van een micropiramide polydimethylsiloxaan (PDMS) -array om de drukgevoeligheid van de sensor te verbeteren. Dit werk bewees dat het gebruik van micropiramidesubstraat de geometrieverandering van de geleidende elektrode, geïnduceerd door druk of rekken, kan maximaliseren, waardoor de gevoeligheid aanzienlijk wordt verbeterd (figuur 2c). Zoals te zien is in figuur 2d, heeft de sensor een goede lineaire respons op druk. De fabricage van de micropiramidestructuur was echter gebaseerd op Si-schimmel, die last had van een gecompliceerd fabricageproces en hoge kosten [1, 3]. Wang et al. [1] gebruikte een stuk delicate zijden sjaal als mal om PDMS-substraat met micropatronen te fabriceren. In hun werk werd een vrijstaande enkelwandige ultradunne koolstofnanobuisjes (SWCNT's) op het micropatroonoppervlak overgebracht en de sensor werd geconstrueerd door twee lagen SWCNT's / PDMS-films face-to-face te plaatsen. De sensor met oppervlaktemicrostructuur, voorbereid door zijde als sjabloon te gebruiken, toonde een hoge gevoeligheid, snelle responstijd, grote stabiliteit, ultralage detectielimiet en uitstekende detectieprestaties bij spraakherkenning en pulsdetectie in realtime. Bovendien, Su et al. [17] rapporteerde PDMS-dunne film met een onregelmatig patroon van microdomein met behulp van mimosa-bladeren. Wei et al. [18] produceerde microdome-gestructureerde PDMS-films met behulp van geslepen glassubstraten. Deze inspanningen leverden eenvoudige en goedkope methoden op om dunne-filmsubstraten met een groot oppervlak met microstructuur te fabriceren en verkregen goede resultaten bij het verbeteren van de gevoeligheid van piëzoresistieve sensoren. Inherent microgestructureerde flexibele materialen, bijvoorbeeld papier [4], textiel [19], planten en van planten afgeleide biomaterialen [20, 21], hebben een breed scala aan belangstelling getrokken om als substraat te worden gebruikt. Tao et al. [4] rapporteerde op grafeen/papier gebaseerde druksensoren voor het detecteren van menselijke activiteit. Ze mengden het tissuepapier met de grafeenoxide (GO) -oplossing om een ​​GO-papier te verkrijgen. Na enkele uren verwarmen in de droogoven, werd het GO-papier verkleind om een ​​rGO/papier geleidend composiet te geven. De gevoeligheid van de op papier gebaseerde sensor in het drukbereik van 0-20 kPa varieert met het aantal lagen tissuepapier. De achtlaagse sensor bereikt een maximale gevoeligheid van 17,2 kPa ⁻¹ in het bereik van 0-2 kPa. De op grafeen/papier gebaseerde druksensor toonde een groot potentieel bij het bewaken van polspols-, ademhalings-, spreek- en bewegingstoestanden. Bovendien, Yang et al. [19] heeft een draagbare spanningssensor gemaakt door GO-vellen thermisch te reduceren tot grafeenvellen op een substraat van polyesterweefsel. Het stoffen substraat met verweven structuur gaf de sensor een aantal speciale responskenmerken, waaronder een ultrahoge negatieve weerstand-rekcoëfficiënt en een unieke richtingsgevoeligheid. De kant-en-klare textielbelastingssensor kan perfect worden geïntegreerd met kleding voor realtime monitoring van menselijke bewegingen zoals pols, mondbeweging, gezichtsuitdrukking, enzovoort.

een Fabricageproces van micropiramide PDMS-array. b Schema van het detectieprincipe van de sensor met micropiramidestructuur onder externe kracht. c Verbeterde gevoeligheid van piramidesensoren in vergelijking met ongestructureerde sensoren. d Lineaire drukreacties van micropiramidesensoren wanneer uitgerekt. Aangepast met toestemming van ref. 10. Copyright 2014 John Wiley en zonen

Het inbedden van geleidende materialen met een poreuze structuur in een elastomeermatrix om twee- of driedimensionale geleidende netwerken te construeren is een andere benadering om een ​​hoge gevoeligheid te bereiken in weerstandskrachtsensoren [7, 22, 23, 19, 24]. De vervorming veroorzaakt door externe krachten zal de ruimtelijke verdelingsdichtheid van geleidende materialen veranderen en dus de weerstand van de sensor veranderen. Zoals weergegeven in Fig. 3a, Wang et al. [7] produceerde geleidende composieten met holle bolletjes door microcapsules van zonnebloempollen (SFP) te combineren met meerwandige koolstofnanobuisjes (MWCNT) en deze vervolgens toe te voegen aan PDMS om een ​​MWCNT/PDMS-composietfilm te maken. Een E-skin-apparaat werd vervaardigd door deze MWCNT / PDMS-composietfilm tussen twee geleidende elektroden te sandwichen. Zoals getoond in Fig. 3b-d, in vergelijking met de vlakke sensor, stelde deze holle-bolarchitectuur geïntroduceerd door op pollen gebaseerde microcapsules de sensor in staat om een ​​hogere gevoeligheid, snellere relaxatietijd en zeer hoge stabiliteit te vertonen. De sensor kan tegelijkertijd druk en spanning dynamisch detecteren wanneer hij is bevestigd aan een menselijke vinger of een menselijke keel. Li et al. [23] introduceerde een eenvoudige methode om poreuze geleidende netwerken te construeren door tissuepapier om te zetten in carbonpapier (CP) via een pyrolyseproces bij hoge temperatuur. Figuur 3e is het SEM-beeld van het carbonpapier. Een zeer gevoelige spanningssensor bestaande uit het carbonpapier en PDMS-hars werd met succes vervaardigd via een eenvoudig vacuüminfusieproces. De poreuze structuur maakte de sensor ultra-hoge gevoeligheid voor uitgeoefende spanning, bijna een orde van grootte hoger dan die van traditionele metalen sensor. Zoals getoond in Fig. 3f, 3, demonstreert de CP/PDMS-sensor de bewaking van de ademhaling van een volwassene en het gebaar van een menselijke hand door integratie met respectievelijk een riem en een handschoen. Lee et al. [22] vervaardigde drukgevoelige nanovezels met een poreuze structuur met behulp van een elektrospinproces. Het geleidende nanomateriaal (CNT's en grafeen) werd gelijkmatig in de nanovezels verspreid om het waarnemingsvermogen te verbeteren. Vanwege de nanoporeuze structuur vertoonde de druksensor van het resistieve type, vervaardigd met behulp van deze composiet nanovezels, een hoge gevoeligheid voor drukgeïnduceerde vervorming en uitstekende conformiteit met driedimensionale structuren.

een Schematische voorstelling van het mechanisme van de sensor met holle bolstructuur geïnduceerd door microcapsules van zonnebloempollen onder druk. b Voorbijgaande respons van op SFP gebaseerde composietfilm (CF) en vlakke CF onder 600 Pa-druk. c Ontspanningstijd van de twee gerelateerde sensoren. d Stabiliteitstest van op SFP gebaseerde CF bij 80 Pa. Aangepast met toestemming van ref. 3. Auteursrecht Elsevier 2017 e Het SEM-beeld van het geconverteerde carbonpapier. v , g Bewaking van de ademhaling (f ) en gebaar (g ) van een volwassene door de CP/PDMS-sensor. Aangepast met toestemming van ref. 63. Copyright 2017 American Chemical Society

Capacitieve krachtsensoren

Capacitieve sensoren kunnen reageren op veranderingen in de externe krachten door veranderingen in capaciteit. Een condensator bestaat over het algemeen uit een diëlektrische laag die is ingeklemd tussen twee geleidende platen. De formule die wordt gebruikt om de capaciteit te berekenen is \( C=\frac{\varepsilon_0{\varepsilon}_rA}{d} \), waarbij ε₀ is de vacuüm permittiviteit, ε_r is de relatieve permittiviteit van het diëlektricum, A is het effectieve overlapgebied van de twee geleidende platen, en d is de afstand tussen de twee geleidende platen. De elektroden van flexibele capacitieve krachtsensoren gebruiken meestal CNT's [25], Ag-nanodraden [26, 3] en geleidende ionische materialen [27]. Elastische materialen met een lage modulus, waaronder PDMS, SEBS en Ecoflex, zijn goede kandidaten voor een diëlektrische laag.

Het waarnemingsvermogen van capacitieve sensoren kan aanzienlijk worden verbeterd door microstructurerende elektroden of diëlektrische lagen [3, 2, 28]. Zoals getoond in Fig. 4a-d, Quan et al. [3] gebruikte mat oppervlakteglas als sjablonen om microgestructureerde PDMS-films voor te bereiden als elektrodesubstraten voor flexibele capacitieve sensoren. Ze vergeleken sensoren met microgestructureerde elektroden met sensoren zonder. De resultaten in Fig. 4e-g toonden aan dat sensoren met microstructuur een hogere gevoeligheid, lagere detectielimieten en een snellere responstijd vertonen. Kang et al. [28] ontwikkelde een krachtige capacitieve druksensor op basis van een sponsachtige poreuze diëlektrische laag. De sponsachtige poreuze structuur werd bereikt door PDMS te coaten op een siliciumsubstraat gestapeld met polymeermicrokralen, gevolgd door het oplossen van de polymeermicrokralen. De poreuze PDMS-film werd vervolgens overgebracht naar een ITO-dunne-filmelektrode, waardoor een capacitieve sensor met ultrahoge gevoeligheid en hoge stabiliteit ontstond. De gevoeligheid van poreuze PDMS-druksensoren is meer dan acht keer hoger dan die van sensoren op basis van kale PDMS-film. De reden voor de betere prestaties van de microgestructureerde capacitieve sensor kan worden toegeschreven aan de volgende twee punten. Om te beginnen verbetert het structureren van het elastomeerelektrodesubstraat of de diëlektrische laag de samendrukbaarheid van het apparaat. Anderzijds voegen microarchitecturen op een ordelijke manier luchtholtes toe tussen de geleidende platen van de condensator, waardoor de permittiviteit onder druk kan veranderen. Wanneer een externe kracht op de sensor wordt uitgeoefend om vervorming te veroorzaken, neemt het totale volume aan luchtholten in de diëlektrische laag af en neemt de permittiviteit van de lucht/elastomeer hybride diëlektrische laag toe, zodat de stijging van de capaciteitswaarde van capacitieve sensoren veroorzaakt door twee factoren:de vermindering van de plaatafstand en de toename van de permittiviteit. Bovendien, Pang et al. [2] ontwikkelde een zeer gevoelige druksensor met een piramidevormige PDMS-diëlektrische laag en een microhaar-gestructureerde interface, zoals weergegeven in Fig. 5a, b. Figuur 5c-f vergeleek de testresultaten van de radiale slagader door vier sensoren met verschillende interfacegeometrie, waaruit bleek dat de microharige interface de signaal-ruisverhouding van capacitieve druksensoren duidelijk kan verbeteren.

een –d SEM-afbeelding van bovenaanzicht (a ) en zijaanzicht (b ) van ongestructureerde PDMS-film, SEM-afbeelding van bovenaanzicht (c ), en zijaanzicht (d ) van microgestructureerde PDMS-film. e Vergelijking van de relatieve reacties van de sensoren met verschillende structuren. v Gevoeligheidstesten van de twee gestructureerde sensoren. g De respons van de twee gestructureerde sensoren onder 1 Pa druk. Aangepast met toestemming van ref. 18. Copyright 2017 Elsevier

een Schematisch diagram van de microhair-gestructureerde sensor. b SEM-beeld van de microhaarstructuur met verschillende beeldverhoudingen. c –f Radiale slagadertest met vier apparaten met verschillende interfacegeometrieën:c plat oppervlak, microharige structuur met aspectverhoudingen van d 3, e 6, en f 10

Om de gevoeligheid te verbeteren, is integratie met organische veldeffecttransistor (OFET) ook een veel bestudeerd project voor capacitieve sensoren. In OFET-apparaten is de bron-afvoerstroom direct afhankelijk van de diëlektrische capaciteit van de poort. Schwartz et al. [29] rapporteerde zeer gevoelige OFET E-skin-apparaten met behulp van microgestructureerde PDMS-film als de diëlektrische laag en een nieuw geconjugeerd polymeer, polyisoindigobithiofeen-siloxaan (PiI2T-Si) [30] als de halfgeleider. Het OFET-apparaat dat een microgestructureerd PDMS-diëlektricum integreert, bereikte een ultrahoge gevoeligheid (8,4 kPa ⁻ 1) in het lagedrukregime < 8 kPa en snelle responstijd (< 10 ms). Deze superieure mogelijkheden toonden aan dat een dergelijk apparaat veelbelovend is in high-fidelity metingen van polspulsgolf.

In vergelijking met resistieve sensoren hebben capacitieve sensoren over het algemeen een hogere gevoeligheid en lagere detectielimieten. Hun slechte lineariteitsrespons en gevoeligheid voor parasitaire capaciteit en randcapaciteit kunnen echter uitdagingen zijn in praktische toepassingen.

Piëzo-elektrische krachtsensoren

Piëzo-elektrisch effect verwijst naar het fenomeen dat de mechanische stimuli sommige anisotrope kristallijne materialen vervormen en de polarisatie van interne dipolen veroorzaken, wat leidt tot potentiaalverschillen tussen de twee tegenovergestelde oppervlakken van de kristallen. Vanwege de unieke eigenschappen van piëzo-elektrische materialen zijn piëzo-elektrische sensoren met een snelle responstijd in staat om hoogfrequente dynamische signalen efficiënt te meten en zijn ze veelbelovend voor apparaten met eigen voeding.

De piëzo-elektrische materialen die gewoonlijk in flexibele sensoren worden gebruikt, zijn onder meer P(VDF-TrFE) [31, 32], ZnO [33], PbTiO3 [34] en PZT [35, 36] enz. P(VDF-TrFE) is een van de meest favoriete materialen voor flexibele piëzo-elektrische sensoren vanwege de flexibiliteit, het eenvoudige fabricageproces, de opmerkelijke stabiliteit en de grote piëzo-elektrische coëfficiënt. Persano et al. [31] rapporteerde een flexibele piëzo-elektrische sensor op basis van uitgelijnde P(VDF-TrFE) vezelarrays bereid door elektrospinning. Deze eenvoudige druksensor vertoont uitstekende detectieprestaties, zelfs in het extreem kleine drukregime (ongeveer 0,1 Pa). De resultaten suggereerden een buitengewoon toepassingspotentieel in menselijke bewegingsdetectie en robotelektronica. Hoewel anorganische materialen weinig flexibiliteit hebben, zijn veel anorganische materialen op nanoschaal en polymeer-keramiek nanocomposieten (zoals ZnO NWs [33], PZT nanoribbons [35] en nanosheets [36], en P(VDF-TrFE)/BaTiO₃ nanocomposiet [4]) kan een zekere mate van flexibiliteit vertonen. Shin et al. [33] gebruikte lithium (Li)-gedoteerde ZnO NW's verpakt in PDMS als detectie-element. De piëzo-elektrische uitgangsspanning van de Li-gedoteerde ZnO NW-PDMS-composieten was een functie van de uitgeoefende kracht en frequentie. De gefabriceerde apparaten waren in staat om onmiddellijke informatie te verstrekken over menselijke bewegingen, wat van groot belang is voor de toepassing van elektronische huidapparaten bij het monitoren van menselijke activiteiten. De piëzo-elektrische sensoren zijn bijzonder nuttig voor de detectie van dynamische fysieke stimuli, maar presteren niet goed bij het meten van statische signalen. Dit komt omdat het spanningssignaal dat wordt gegenereerd door piëzo-elektrische materialen pas verschijnt op het moment dat er druk wordt uitgeoefend of teruggetrokken. Om dit probleem op te lossen, Chen et al. [34] rapporteerde een flexibele piëzo-elektrische druksensor voor statische metingen op basis van PbTiO₃ nanodraden (PTNW's) / grafeen heterostructuur. In dit apparaat werkten de polarisatieladingen die worden veroorzaakt door de spanning in PTNW's als geladen onzuiverheden in grafeen en beïnvloeden ze de mobiliteit van de drager. Het werkingsmechanisme is dat de polarisatieladingen in PTNW's de verstrooiing van dragers in grafeen verhoogden, wat resulteerde in verminderde mobiliteit van dragers. Gebaseerd op het bovengenoemde mechanisme, zoals weergegeven in Fig. 6, bezat deze heterostructuursensor een hogere gevoeligheid dan intrinsieke CVD-gegroeide grafeendruksensoren [37, 38] en was in staat om statische mechanische signalen te meten.

Drukrespons van PTNW-gebaseerde druksensor (links) en van een PTNWs/grafeentransistor onder een drukpuls. Aangepast met toestemming van ref. 25. Copyright 2017 American Chemical Society

Flexibele temperatuursensoren

Temperatuurdetectie is een belangrijk onderdeel van meetapparatuur. Lichaamstemperatuur kan de fysieke conditie van mensen tot een grote inhoud weerspiegelen. De lichaamskerntemperatuur van gezonde mensen is relatief constant, meestal tussen 36,2 en 37,2 °C. Het is onafhankelijk van de omgeving, terwijl de schaaltemperatuur kan worden beïnvloed door zowel fysieke omstandigheden als de omgevingstemperatuur. Abnormale veranderingen in lichaamstemperatuur duiden meestal op een slechte gezondheid. Een verhoogde lichaamstemperatuur is bijvoorbeeld het symptoom van koorts of infectie, terwijl een verlaagde lichaamstemperatuur waarschijnlijk bloedarmoede betekent. Voor realtime detectie van temperatuur in E-skin-apparaten zijn veel soorten flexibele temperatuursensoren ontwikkeld.

Resistive temperatuursensoren

Het detecteren van temperatuur door veranderingen in de weerstand van gevoelige materialen is de meest gebruikte methode voor temperatuurmeting in huidachtige elektronische apparaten. Temperatuurcoëfficiënt van weerstand (TCR) is een belangrijke indicator van de gevoeligheid van resistieve temperatuursensoren. Het wordt gedefinieerd als de relatieve variatie van weerstand wanneer de temperatuur met 1 ° C verandert. Er zijn verschillende resistieve temperatuursensoren gerapporteerd met behulp van pure metalen elementen (Pt, Au, Cu) [39,40,41,42], metaaloxidedeeltjes [43], koolstofnanobuisjes (CNT) polymeercomposieten [8, 9] en grafeen [44, 45] als gevoelige materialen.

Metalen worden vanwege hun temperatuurgevoeligheid al heel lang gebruikt voor temperatuurdetectie. Het detectiemechanisme kan worden verklaard door het feit dat de temperatuurstijging de thermische trilling van het rooster versterkt, wat resulteert in een versterkte verstrooiing van de elektronengolf, waardoor de soortelijke weerstand toeneemt. Traditionele op metaal gebaseerde temperatuursensoren bieden beperkte rekbaarheid of buigbaarheid. Constructietechniek, zoals kreuken, in-line hoefijzerachtige structuur en star-eilandontwerp [39, 41, 46], is gecertificeerd als een effectieve manier om de beperkingen te overwinnen. Zoals weergegeven in Fig. 7a, b, Yu et al. [39] ontwikkelde een rekbare temperatuursensor op basis van gegolfde dunne film detectie-elementen op een elastisch substraat. De sensor werd vervaardigd door sputteren van een dunne Cr/Au-film (5 nm/20 nm) op een vooraf uitgerekt 30% flexibel substraat. Zoals getoond in Fig. 7c, d, stelt de periodieke golvende geometrie gevormd door het vrijgeven van de voorspanning het apparaat in staat om tot 30% mechanische spanning uit te rekken met ongewijzigde prestaties. Webb et al. [41] rapporteerde een ultradunne, meegaande huidachtige temperatuursensorarray met behulp van dunne (50 nm), smalle (20 m), gouden dunne film in een vorm van serpentine bereid door microlithografische technieken. Wanneer ze werden geïmplementeerd met geavanceerde modellerings- en analysetechnieken, waren de rekbare elektronische systemen in staat om de schaaltemperatuur niet-invasief in millikelvin-nauwkeurigheid in kaart te brengen.

een Schema van de rekbare sensoren met periodiek golvende patronen. b SEM van de rekbare temperatuursensor. c Veranderingen in de weerstandswaarde van de sensor wanneer de sensorbelasting continu wordt uitgerekt van 2,25 tot 30%. d De relatie tussen weerstand en temperatuur van een rekbare sensor met spanningen van 0%, 5% en 10%. Aangepast met toestemming van ref. 29. Copyright 2009 AIP Publishing

Bovengenoemde werken hebben de flexibiliteit van op metaal gebaseerde temperatuursensoren effectief verbeterd, maar de constructie-engineeringmethoden die in die apparaten worden gebruikt, beperkten de rekbaarheid tot 25-30%. Om de trekgrens van flexibele temperatuursensoren verder te doorbreken, is het gebruik van inherent rekbare materialen vereist. Harada en collega's [8, 9] introduceerden flexibele temperatuursensoren op basis van poly(3,4-ethyleendioxythiofeen)-poly (styreensulfonaat) (PEDOT:PSS)-CNT composietfilm bereid door een drukproces. De gevoeligheid van PEDOT:PSS-CNT gemengde temperatuursensor is van 0,25 tot 0,63%/°C in verschillende samengestelde verhoudingen van de CNT-pasta en PEDOT:PSS-oplossing, wat beter is dan op metaal gebaseerde temperatuursensoren [39,40,41, 42]. Zoals getoond in Fig. 8a, b, Yan et al. [45] ontwikkelde een rekbare op grafeen gebaseerde thermistor door een lithografische filtratiemethode te gebruiken om grafeendetectiekanaal met microporeuze structuur te bereiden. Het apparaat geeft een hoge intrinsieke rekbaarheid aan tot 50% en de TCR kan effectief worden afgesteld door mechanische belasting, zoals weergegeven in Fig. 8c, d. Spanningsafhankelijkheid is echter niet ideaal voor draagbare meting, omdat het uitrekken of draaien van de sensor de weerstand van de thermistor kan veranderen. In het geval van sensorvervorming is het niet mogelijk om rek- en temperatuurwaarden uit een enkel numeriek signaal af te lezen. Het is nog steeds een uitdaging om de invloed van spanningseffecten op temperatuurwaarneming te vermijden in thermistoren die zijn vervaardigd met inherent rekbare materialen. Om tegelijkertijd een hoge rekbaarheid en spanningsaanpassingsvermogen te verkrijgen, hebben Zhu et al. [47] rapporteerde een temperatuursensor op basis van CNT-transistors met spanningsonderdrukkingsvermogen door differentiële circuits te ontwerpen (het schakelschema werd getoond in Fig. 8e, f). Een enkele rekbare dunne-filmtransistor met supramoleculaire-polymeer-gesorteerde SWCNT's in patroon als het halfgeleiderkanaal werd gefabriceerd als een temperatuurdetectieapparaat. Dichte ongesorteerde SWCNT-netwerken en een niet-polaire SEBS-dunne film werden respectievelijk gebruikt als source-drain- en gate-elektroden en het gate-diëlektricum. Het belangrijkste mechanisme kan worden toegeschreven aan de temperatuurafhankelijkheid van ladingstransport in het halfgeleidende SWCNT-netwerk [48]. De door spanning geïnduceerde drempelspanningsverschuiving werd teniet gedaan door gebruik te maken van de statische differentiële circuitconfiguratie, zoals weergegeven in Fig. 8g, h. De differentiële uitgangsspanning (V_OD ) kunnen dus worden onderdrukt zolang ze overeenkomen tussen de twee takken.

een Schematisch diagram van de rekbaarheid van de grafeenthermistors. b Afbeelding van de grafeenthermistor bij 0% en 50% rek. c Weerstandsvariatie met temperatuur. d Weerstandsvariatie met temperatuur binnen 0-50% stammen. Aangepast met toestemming van ref. 35. Copyright 2015 American Chemical Society. e Optische microfoto van een rekbaar temperatuurdetectiecircuit bestaande uit vijf TFT's. v Schakelschema van de statische differentiële detectiebenadering. g Temperatuurwaarnemingsprestaties van een enkele TFT. u Temperatuurdetectieprestaties van een rekbaar statisch differentieel circuitdetectieapparaat. Aangepast met toestemming van ref. 39. Copyright 2018 Springer Nature

Het is vermeldenswaard dat een dergelijk apparaat met TFT-structuur door andere onderzoekers is bewezen om de gevoeligheid van temperatuursensoren aanzienlijk te verbeteren. Trung et al. [44] fabriceerde rekbare resistieve en gated temperatuursensoren voor draagbare elektronica en vergeleek de prestatieverschillen tussen de twee soorten sensoren. The temperature sensing layer was a composite conductive material formed by inserting temperature-responsive R-GO nanosheets into an elastomeric PU matrix. According to their test results, gated devices achieved higher temperature sensitivity (1.34% per °C) than resistive devices (0.9% per °C).

Pyroelectric Temperature Sensors

A variation of temperature will change the remnant polarization of pyroelectric materials thus generating opposite bound charges on both surfaces of the crystal. Materials that have been found to exhibit pyroelectricity include different ceramics (PZT, LiTaO₃ , LiNbO₃ ) and polymer (PVDF, P(VDF-TrFE)) [49,50,51,52,53]. A lot of pyroelectric devices have been fabricated on rigid substrate and widely used in missile detection, fire alarm, and other fields. Nevertheless, flexible pyroelectric devices still need to be explored. In particular, P(VDF-TrFE) is ideal for temperature sensing applications in flexible electronics. Tien et al. [51] directly used a highly crystalline β-phase P(VDF-TrFE) material with extremely large remnant polarization as gate insulator in an OTFT structure for temperature sensing. The remnant polarization inside the P(VDF-TrFE) can change with temperature, causing a change in the density the holes accumulated at the interface between the semiconductor channel and P(VDF-TrFE). Therefore, the source-drain current increases as the increase of temperature. The linear response of the device in a certain temperature range and its simple fabrication process suggest its potential application in flexible temperature sensors. However, for (P(VDF-TrFE)), the pyroelectric effect is indistinguishable from the piezoelectric effect, which means that mechanical deformation will interfere with temperature detection. To decouple strain-induced interference from temperature effect, Tien et al. [54] developed flexible pyroelectric OFET devices with piezo- and pyroelectric nanocomposite gate dielectrics formed by a mixture of (P(VDF-TrFE)) and BaTiO₃ nanoparticles as well as piezo- and thermoresistive organic semiconductor channel(pentacene). The fabricated devices can extract effects from the target sensing signals successfully while the flexible sensor is under multiple stimuli because the two chosen materials were able to respond to strain and temperature in a disproportionate manner simultaneously. This approach is able to distinguish the temperature effects from strain for flexible pyroelectric sensors.

Flexible Physiological Biochemical Sensors

In order to understand all aspects of human health, various physiological biochemical sensors have been developed for analysis of vital biochemical signs, such as blood glucose [55, 56, 57, 58] and body fluids (sweat, interstitial fluids, saliva, and tears) [59, 60, 61]. Flexible biochemical sensors typically adopt chemical methods to detect the composition and amount of a biological substance. The chemical reaction between the sensing material and the target detection substance changes the electrical properties of the sensor, therefore the physiological health information can be obtained by analyzing the electrical parameters of the sensor.

Continuous measurement of glucose is vital to maintain the health and quality of life of diabetics. Commercially available products for glucose detection are performed by invasive lancet approaches that requires sampling the patient’s blood, leading to pain to the patient. New electronics fabrication techniques on flexible substrates have been developed to enable noninvasive wearable glucose monitoring. Chen et al. [55] developed a skin-like biosensor for noninvasive blood glucose monitoring via electrochemical channels. The detection mechanism and structure of this sensor are shown in Fig. 9a, b. A paper battery was attached to the skin to produce subcutaneous electrochemical twin channels (ETCs), through which more intravascular blood glucose was expelled from the blood vessel and transported to the skin surface. The outward-transported glucose thus can be measured easily by a glucose oxidase (GOx) immobilization layer. The experimental test results are shown in Fig. 9c, d. As can be seen from the figure, the monitoring results of the biosensor are in good agreement with the results of the commercial glucometer. Besides glucose monitoring, sweat analysis can be important in facilitating insight into an individual’s heath state. For example, sweat glucose is metabolically related to blood glucose and low electrolyte levels in sweat may be a sign of dehydration. Gao et al. [61] presented a highly integrated wearable sensing system for multiplexed in situ sweat analysis. As shown in Fig. 9e, f, the sensing system composed of four different sensing elements for simultaneous and selective screening of a panel of biomarkers in sweat—sodium (Na+), potassium (K+), sweat glucose, and sweat lactate. They also exploited a flexible printed circuit board (FPCB) to realize the conditioning, processing, and wireless transmission of critical signals. According to the test results in Fig. 9, it can be seen that the wearable system can be used to measure the detailed sweat characteristics of a human subject and to evaluate the physiological state of the object in real time.

een Schematic of the ETCs (left) and the biosensor multilayers (right). b A biosensor attached to skin surface for glucose monitoring. c Results of glucose monitoring in one day by a glucometer and a biosensor. d Results of glucose monitoring in 5 days by a glucometer and a biosensor. Adapted with permission from ref. 48. Copyright 2017 American Association for the Advancement of Science. e Schematic of the sensor system for multiplexed sweat analysis. v Photograph of a flexible integrated sensing device. g The result of sweat analysis by wearing the sensor on the forehead of the subject. u The result of sweat analysis by wearing the sensor on the forehead of another subject. Adapted with permission from ref. 54. Copyright 2016 Springer Nature

Multifunctional Sensors

Integrating multifunctional sensing components into one device is an important advance in wearable electronics. Future wearable electronics should enable to integrate the function of detecting multiple signals such as strain, pressure, temperature, humidity, gas [8, 9, 62, 63], and so on into a single device to provide more comprehensive human health and environmental information. Laminating multiple layers of thin film e-skin device with different sensing functions together is the major method to prepare multifunctional sensors. Harada et al. [8] fabricated a triaxial tactile sensor and temperature sensor array to simultaneously detect the tactile forces, slip forces, and temperature by using a printing manufacturing technique. Four strain sensors printed by a screen printer were designed with a PDMS fingerprint for a pixel, as shown in Fig. 10a, b. Three-axis force directions can be detected by characterizing the strain distribution at the four integrated force sensors with a finite element method (FEM). Figure 10c shows the measurement results of the multifunctional sensor when touching a fingerprint-like structure with a human finger. The integrated strain/temperature sensing array for e-skin application show good performance in imitating human skin. Hoe et al. [62] developed a multimodal all graphene e-skin sensor matrix. Three different sensors—humidity, thermal, and pressure sensors—were included in this matrix. Sprayed graphene oxide (GO) and reduced graphene oxide (rGO) were used as active sensing materials for the humidity and temperature sensors, respectively. Whereas the top PDMS substrate sandwiched between two CVD-graphene electrodes acted as the capacitive strain sensor, as displayed in Fig. 10d, e. The three sensors were integrated into a single unit through a simple lamination process. As can be seen from the test results in Fig. 10f–h, each sensor is sensitive to its associated external stimulus, but not affected by the other two stimuli. These results indicate that the E-skin device offers unique opportunities for healthcare applications in the future.

een Schematic for the structure of multilayer sensor. b Picture of a 3 × 3 sensor array. c schematic and measurement results of the multifunctional sensor when touching a fingerprint-like structure with a human finger. Adapted with permission from ref. 4. Copyright 2014 American Chemical Society. d Schematic diagram of the multimodal e-skin sensor. e Circuit diagram of the sensor matrix. v Performance of the humidity sensor based on GO. g Performance of the temperature sensor based on rGO. u Performance of the pressure sensor based on PDMS. Adapted with permission from ref. 55. Copyright 2016 John Wiley and Sons

Functional Modules of Wearable Electronics

In order to develop highly integrated wearable system for applications in health monitoring, physical state assessment, and telemedicine, researchers have tried various manufacturing processes and device structures to combine different functions together. Self-powered modules working continuously without external power sources should be an integral part of future wearable electronics. In addition, for real-life application of wearable electronics in monitoring critical health information, a wireless digital system for processing and transmitting signals over long distances is necessary.

To realize independent operation of wearable sensors, nanogenerators based on piezoelectric, pyroelectric, and triboelectric effects have been developed to incorporate into wearable systems [64,65,66,67]. Nanogenerators are able to harvest mechanical energy or thermal energy from human activities to power wearable devices. Zi et al. [64] developed a tribo-, pyro-, and piezoelectric hybrid cell that is composed of a sliding mode triboelectric nanogenerator (TENG) and a pyroelectric-piezoelectric nanogenerator (PPENG) for self-powered sensing. The structure and working principle of the hybrid cell are shown in Fig. 11a–d. The TENG, fabricated with a piece of aluminum foil as the sliding layer and a piece of polytetrafluoroethylene (PTFE) film deposited on Cu electrode as the static layer, is able to harvest the sliding mechanical energy. The PPENG was fabricated by depositing a piece of PVDF with Cu electrodes on both sides to harvest the thermal energy generated by friction and the mechanical energy generated by the normal force. As can be seen from Fig. 11e–j, the hybrid cell is demonstrated as an efficient power source that can drive the LED with extended lighting time, and a versatile self-powered sensor for detecting both the subtle temperature alteration and strain on the surface of human skin. Nevertheless, the rapid development of flexible electronics places higher demands on corresponding power devices, which should be comparably flexible or stretchable. Pu et al. [65] reported a soft skin-like triboelectric nanogenerator that achieves ultrahigh stretchability (maximum stretch up to 12.6 or strain of 1160%) and high degree of transparency (96.2%) by using PDMS or LED as the elastomer electrification layer and PAAm-LiCl hydrogel as the electrode. This skin-like generator is capable of outputting an open circuit voltage of up to 145 V and an instantaneous power density of 35 mW m ⁻² through harvesting biomechanical energy. Meanwhile, the TENG-based electronic skin can serve as a tactile sensor to sense pressure and achieved a sensitivity of 0.013 kPa ⁻¹ . The development of self-powered, wearable platforms has opened up opportunities for many potential applications including soft robots, smart artificial e-skins, wearable electronics, etc. However, there are still limitations of flexible energy harvesting devices because the power generation of nanogenerators that have been reported so far cannot meet the needs of practical applications.

een –d The structure and working principle of the tribo-, pyro-, and piezoelectric hybrid cell. e The circuit that hybridizes TENG and PPENG outputs. v The LED was lighted by the hybridized output current. g The schematic diagram of the structure used to demonstrate the temperature sensing. u The voltage and the temperature variation of the PPENG. ik The schematic diagram of the measurement setup. j A force of approximately 0.5 N applied to the surface. Adapted with permission from ref. 56. Copyright 2015 John Wiley and Sons

The integration of flexible sensors with information processing system is the next frontier for wearable electronics. Current research on flexible electronics mainly focused on the fabrication and optimization of sensing elements, while the research on flexible electronic circuits for information processing is relatively limited. The delivery and processing of human health information collected by the sensor still needs to be done by a computer. Wireless transmission of sensor data that has been reported so far is principally realized by combining a flexible sensor with a rigid silicon-based digital circuit technology. Pang et al. [2] built a custom wireless measurement system based on an XBee Series 2 radio module integrating to a programmed Arduino microcontroller. This system allows the sensor data to be wirelessly transmitted to a computer but is relatively bulky and not portable. Gao et al. [61] devise a multiplexed sensing system that integrated the functions of signal conditioning, processing, and wireless transmission by merging commercially available technologies of consolidating integrated circuits on a flexible printed circuit board (FPCB), with flexible sensor technologies fabricated on elastic substrates. The introduction of FPCB technology bridges the technological gap between signal conditioning, processing, and wireless transmission in wearable sensors to some extent, but the flexibility and comfort of the system still do not meet the requirement of next-generation wearable electronics. Realizing skin electronics rely on the development of intrinsically stretchable circuits [68].

Conclusions and Outlook

In past several years, the rapid development of wearable electronics attracts extensive attention. Researchers have made many fruitful attempts and achieved good results in developing wearable electronics with high sensitivity, flexibility, and stability. This review analyzed recent research strategy and advancements in wearable electronics for human health detection from the aspects of force sensors, temperature sensors, physiological biochemical sensors, multi-functional sensor, and other functional modules applied in flexible electronics. The successful fabrication of flexible sensing devices with high sensitivity, low-cost, portability, and long-term stability indicates that flexible and wearable electronics will definitely become the mainstream in the field of medical care in the future. However, there are certain challenges remaining for practical applications of current wearable sensors in real life.

1. 1.

   Wearable electronic devices should be able to clearly identify the deformations caused by pulse, muscle movements, and external contact. While most of the flexible force sensors that have been reported so far cannot accurately identify the source and direction of external forces.

2. 2.

   In terms of temperature sensors, it is still difficult to achieve high stretchability, sensitivity, and strain adaptability simultaneously. Improving the sensing performance and eliminating the influence of the elastic deformation of the sensor on temperature detection remain important research topics.

3. 3.

   The detection accuracy of flexible physiological biochemical sensors is insufficient compared to traditional medical devices. Besides, most of the valuable physiological health information needs to be extracted from internal secretions. More biophilic implantable materials should be taken into consideration for the development of biochemical sensors to extract information from blood and muscles.

4. 4.

   Multifunctional sensors should be able to simultaneously detect pressure, stress, temperature, and other different signals such as humidity and gas atmosphere and avoid crosstalk between them. The realization of multifunctional sensors requires further development of new materials, nanotechnology, and device structure design.

5. 5.

   Processing the data in situ and transmitting them in real time are also essential parts of future wearable electronics. It is quite challenging to integrate multiple functional modules into a complete wearable system so that it can fully meet the requirements of practical applications.

Beschikbaarheid van gegevens en materialen

Niet van toepassing.

Afkortingen

Au:

Aurum

Cu:

Cuprum

CVD:

Chemische dampafzetting

LED:

Lichtgevende diode

NW:

Nanodraad

OFET:

Organic field-effect transistor

P(VDF-TrFE):

Poly(vinylidenefluoride-tirfluoroethylene)

PAAm:

Polyacrylamide

PbTiO₃ :

Lead titanate

PDMS:

Polydimethylsiloxane

Pt:

Platinum

PU:

Polyurethaan

PZT:

Lead zirconate titanate

SEBS:

Styrene-ethylene-butylene-styrene block copolymer

VHB:

Very high bond

ZnO:

Zinkoxide