Hoogprecize flexibele temperatuursensoren voor lichaamsmonitoring: een uitgebreide review

Samenvatting

In de afgelopen jaren heeft de ontwikkeling van flexibele sensoren zich verdiept, en de prestaties van draagbare, flexibele apparaten voor lichaamstemperatuurmonitoring zijn verbeterd. Lichaamstemperatuurveranderingen weerspiegelen veel gezondheidsinformatie; afwijkende veranderingen duiden meestal op slechte gezondheid. Hoewel kerntemperatuur onafhankelijk is van de omgeving, wordt de hulptemperatuur gemakkelijk beïnvloed door de omgeving, wat uitdagingen met zich meebrengt voor monitoringsapparatuur. Om realtime en gevoelige detectie van temperaturen van verschillende lichaamsdelen te bereiken, hebben onderzoekers diverse typen hooggevoelige flexibele temperatuursensoren ontwikkeld, wat de functionaliteit van elektronische huid verbetert, en praktische toepassingen voorgesteld. Dit artikel reviewt de huidige onderzoekstoestand van hooggevoelige, gepatroniseerde flexibele temperatuursensoren voor lichaamstemperatuurmonitoring. Eerst worden veelvoorkomende substraten en actieve materialen samengevat. Vervolgens worden patroonfabricagemethoden en -processen geïntroduceerd. Daarna worden de sensoreigenschappen uitgebreid besproken: meetbereik, gevoeligheid, responstijd, temperatuurafloos. Tot slot worden toepassingen van flexibele temperatuursensoren op basis van fijn patroneren gedemonstreerd, en worden toekomstige uitdagingen prospected.

Inleiding

Alle levensactiviteiten van het menselijk lichaam berusten op metabolisme en een relatief constante lichaamstemperatuur is noodzakelijk voor een gezonde metabolisme [1]. Hyperthermie of hypothermie beïnvloeden enzymactiviteit, storen de reguliere werking van de metabolisme, veroorzaken stoornissen in cellen, weefsels en organen, en kunnen in ernstige gevallen leiden tot de dood. De relatieve stabiliteit van de lichaamstemperatuur is dus een voorwaarde voor het handhaven van een stabiele interne omgeving en het waarborgen van levensactiviteiten. Veranderingen in lichaamstemperatuur weerspiegelen gezondheidsinformatie; afwijkende veranderingen wijzen op slechte gezondheid. In gezondheidsmonitoring [2,3] is lichaamstemperatuur een essentiële factor die niet genegeerd mag worden; realtime en accurate monitoring is van bijzonder belang.

Flexibele temperatuursensoren ontwikkelen zich richting draagbaar, hooggevoelig, draagbaar, grootoppervlak, accurate en realtime trends. De sensor gebruikt het elektrisch signaalverloop van thermogevoelig materiaal door temperatuurverandering voor realtime monitoring [4]. De flexibele substraat eigenschap zorgt voor strikte hechting aan de huid. Vergeleken met traditionele meetinstrumenten, die moeilijk draagbaar, duur en beperkt toepasbaar zijn, leiden ongewilde patiëntbewegingen en de onmogelijkheid om specifieke locaties (wonden [5], tumorablatieplaatsen [6]) te monitoren, tot onnauwkeurige of onvolledige metingen. Om deze problemen op te lossen, zijn draagbare, flexibele, dunne en gevoelige gepatroniseerde temperatuursensoren een onderzoeksfocuspunt geworden.

In de laatste jaren heeft het onderzoek naar flexibele temperatuursensoren voor lichaamstemperatuurmonitoring zich continu ontwikkeld met veel innovaties [7]. Het gebruik van patroonfabricage voor grootschalige fabricage is een trend [8]; het namaken van biologische structuren in de natuur is een uitstekende aanpak [9]. De adsorptie-eigenschappen van octopuspooten, de temperatuursensorische wangen van de adder [10], en de snuithaar-achtige structuren [11] van sommige gliedpotigen of zoogdieren hebben ook een temperatuursensorfunctie. Om de gemonitorde temperatuur duidelijk weer te geven, arrayeren onderzoekers de sensoren [12-14], en kunnen beeldvormende apparaten of electrochrome materialen thermische beeldvorming visualiseren [5,15,16]. Diepgaand onderzoek biedt technische ondersteuning voor hooggevoelige lichaamstemperatuurmonitoring.

Dit artikel reviewt de recente vooruitgang van hooggevoelige flexibele temperatuursensoren in lichaamstemperatuurmonitoring, warmtegevoelige materialen, fabricagestrategieën, basale prestaties en toepassingen. Het eerste deel selecteert materialen en vat flexibele substraten en warmtegevoelige materialen samen. Het tweede deel focust op de patroonfabricagemethoden in recente literatuur, met typische processen. Het derde deel behandelt cruciale prestatieparameters. Het vierde deel toont toepassingsscenario's en praktische toepassingen. Ten slotte worden potentiële uitdagingen en toekomstperspectieven van printbare, hooggevoelige flexibele temperatuursensoren kort besproken.

Methoden

Materialen

Flexibele substraten

In de laatste jaren heeft de toepassing en het onderzoek van flexibele materialen in elektronische technologie en medische gezondheidszorg toegenomen. De fabricage van flexibele sensoren vereist dat de sensor zelf flexibel, rekbaar en buigzaam is, evenals de substraten en circuits waarop deze berust. Specifieke rek- en buigeigenschappen zijn nodig voor hechting aan het lichaamsoppervlak. Veelvoorkomende flexibele substraten worden meestal verwerkt tot film, zoals polydimethylsiloxaan (PDMS) [17-20], polyimide (PI) [21,22], polyurethaan (PU) [23], polyethyleentereftalaat (PET) [24,25], polyvinylalcohol (PVA) [26], polyvinylbutyraat (PVB) [27], papier [28,29], siliconesrubber [5,30,31], en meer huidvriendelijke biologisch afbreekbare materialen zoals pectine [32], katoen, zijde [33], en andere cellulosa materialen [34,35].

Op dit moment is PDMS het meest gebruikte flexibele substraat in flexibele temperatuursensoren. PDMS is een uitstekende thermische en elektrische isolator, met een relatieve permittiviteit van 2,3–2,8 en een volumetrische resistiviteit van 1,2×10¹⁴ Ω·cm, specifiek gewicht 1,03 kg/m³ bij 25 °C, betere thermische stabiliteit, thermische geleidbaarheid 0,15 W·m⁻¹·K⁻¹ [36]. Glasovergangstemperatuur is zo laag als 125 °C, thermische uitdingscoëfficiënt (CTE) 301 ppm/°C [37], en Young's modulus ≈ 3,7 MPa [38], wat rek en vervorming van meer dan 200% mogelijk maakt. Gegeven zijn uitstekende rekbaarheid, uitstrekkingsvermogen, thermo-elektrische eigenschappen [39-41], hoge chemische stabiliteit en gemakkelijke verwerkbaarheid, vindt PDMS veel toepassing in elektronische huid [42]. Polyimide (PI) met vergelijkbare eigenschappen (Tabel 1) vertoont slechte thermische geleidbaarheid (~0,1 W·m⁻¹·K⁻¹) [43-45], elektrisch isolerende resistiviteit 1,5×10¹⁷ Ω·cm [46], relatieve dielektrische constante 3,0–3,6, hogere glasovergangstemperatuur (360–410 °C) [47], lagere CTE (16 ppm/°C), en Young's modulus ≈ 2,8 GPa [6,48]. Polyurethaan (PU) met bio-compatibiliteit, goede rekbaarheid [49], economisch en praktisch voor lichaamstemperatuurmonitoring [50]. Dunne film substraten hebben niet alleen uitstekende mechanische eigenschappen, maar zijn ook geschikt voor flexibele temperatuursensoren op basis van thermische eigenschappen (Fig. 1). Naast organische polymeren worden ook gewone stoffen of biologisch afbreekbare materialen zoals stof [51,52], zijde [53] en katoen [54] bestudeerd als basismateriaal: zacht, deformeerbaar, lichtgewicht, economisch, ademend, comfortabel, duurzaam en herbruikbaar.

Thermisch materiaal

Het actieve materiaal in de sensor is verantwoordelijk voor het direct en effectief reageren op warmtebronnen en thermische signalen; zijn eigenschappen bepalen direct de sensorprestaties, waaronder gevoeligheid, responstijd, duurzaamheid en temperatuurafloos [59]. Een warmtegevoelig materiaal dat eenvoudig te fabriceren is, redelijke grondstoffen heeft, bio-compatibel is, en een zekere mate van buigzaamheid en uitstekende prestaties vertoont, is aantrekkelijk voor diepgaand onderzoek [60-62].

Koolstof

Er is veel inspanning geleverd om temperatuursensitieve geleidende composietmaterialen te creëren door verschillende geleidende vullers (koolstofgebaseerde materialen, geleidende polymeren, metaaldeeltjes) in halfgeleidende en isolerende polymermatrices te incorporeren. Veelvoorkomende koolstofmaterialen zijn roet (CB), graafiet (Gr), koolstofnanobuizen (CNTs) en grafeen.

Roet (CB) en graafiet worden vaak als geleidende vullers gebruikt vanwege hun uitstekende elektronische en mechanische eigenschappen en lage verwerkingskosten. CB vormt gemakkelijk aggregaten bij menging met polymeren, en temperatuurveranderingen beïnvloeden de elektrische eigenschappen [63], wat resulteert in een hogere temperatuurcoëfficiënt van weerstand (TCR) [64]. Graafiet is een allotroop van koolstof, met goede elektrische en thermische geleidbaarheid, chemische stabiliteit, en een thermische uitdingscoëfficiënt minder dan 5,0×10⁻⁶ K⁻¹ [65]. In vergelijking met roet is graafietpoeder als vuller gevoeliger voor temperatuur, en de twee en hun mengsels verlagen de percolatiedrempel van het temperatuursensitieve composietfilm. Uitgezet graafiet (EG) is een nieuw functioneel koolstofmateriaal: een losse, poreuze, wormachtige stof verkregen uit natuurlijke graafietvlokken door intercalatie, wassen, drogen en hoge-temperatuuruitzetting. De thermische geleidbaarheid van het composiet na houtpersing kan 4,70 W·m⁻¹·K⁻¹ bereiken bij 10 wt% EG geïmpregneerd in PDMS prepolymer [66]. Shih et al. [67] gebruikten PDMS als basismateriaal en graafietpoeder als warmtegevoelig sensormateriaal, en produceerden via printproces op PI-film een flexibele temperatuursensorarray bestaande uit Gr/PDMS composietsensoren (Fig. 2a). In vergelijking met de klassieke platina (Pt) dunne-film temperatuursensor (TCR = 0,0055 K⁻¹) bij dezelfde resistiviteitsmeting onder omgevingstemperatuurverandering (30–110 °C), was de TCR van het composietmateriaal bij graafietvolume fractie 15% en 25% respectievelijk 0,286 K⁻¹ en 0,042 K⁻¹, wat bewijst dat de gevoeligheid van het Gr-PDMS composiet hoger is. Huang et al. [68] onderzochten en fabriceerden een graafiet-gevuld polyethyleenoxide (PEO) en polyvinylidene fluoride (PVDF) composiet (Fig. 2b), dat via een eenvoudig spin-coating proces eenvoudig aan het menselijk lichaam met variabele kromming gehecht kan worden. Een temperatuursensor met meetbereik 25,0–42,0 °C, hoge resolutie van 0,1 °C, hoge cyclische stabiliteit, uitstekende anti-interferentie (anti-buigen en waterdicht), en kan de sensor binnen 1 maand continu de okseltemperatuur meten. De uitstekende mechanische eigenschappen kunnen komen doordat Gr-deeltjes als vullers in het composiet minder bewegen onder verschillende krommingen. De thermische prestaties zijn gerelateerd aan de thermische uitding van het polymere. Als eendimensionaal nanomateriaal vormen koolstofnanobuizen een ruimtelijke topologische structuur [69]. De diameter is doorgaans 2–20 nm. Het heeft abnormale mechanische eigenschappen (elastische modulus tot 1 TPa), elektrische eigenschappen, inclusief elektrische geleidbaarheid tot 10⁴ S·cm⁻¹ [70], intrinsieke draagbaarheid (10.000 cm²·V⁻¹·s⁻¹) [71]. In de laatste jaren, met verdiepend onderzoek naar koolstofnanobuizen en nanomaterialen, zijn hun brede toepassingsperspectieven onthuld. Koolstofnanobuizen hebben uitstekende warmteoverdrachtsprestaties, en door hun grote aspectratio is de warmteuitwisseling langs de lengterichting zeer hoog, wat leidt tot continue innovaties in flexibele temperatuursensoren, inclusief uitstekende ontwerpideeën en prestaties [72]. Composieten van koolstofnanobuizen en poly(3,4-ethylenedioxythiofeen)-poly(styreensulfonaat) (PEDOT:PSS) werden bestudeerd, en de prestaties van multi-walled (MWCNTs) en single-walled (SWCNTs) koolstofnanobuizen bleken niet identiek [73]. Bij dezelfde temperatuur verlaagde het composiet van MWCNTs en PEDOT:PSS de impedantie, maar verlaagde ook de gevoeligheid voor temperatuur en vochtigheid [74]. Kim et al. [75] gebruikten een wet-spin proces en PEDOT:PSS composiet; SWCNTs gecombineerd hiermee versterken de elektrische geleidbaarheid en power factor en verbeteren de composietprestaties (Fig. 2d).

Conventionele methoden van biologische materialen berusten op reverse engineering van biologische structuren, bionica en biologische inspiratie. Biologische structuren presteren vaak beter dan door de mens gemaakte materialen. Hogere planten voelen temperatuurveranderingen met hoge responsiviteit. Giacomo et al. [76] proposeerden een biomimetisch materiaal met uitstekende temperatuurresponsgevoeligheid, gemaakt van geïsoleerde plantencellen en koolstofnanobuizen (MWCNT) met plant nano-biomimetische technologie (Fig. 2c). Door CNTs als kanaal te gebruiken om cellen direct te verbinden, werd een bionisch materiaal gecreëerd met een effectieve temperatuurresistiviteit (TCR) van –1730% K⁻¹, twee orde van grootte hoger dan de huidige beste sensor, met meetbereik 35–75 °C. Veel temperatuursensoronderzoeken bereiken hoge gevoeligheid in smal bereik, maar in breed bereik (40 K) is de respons onvoldoende. Geïnspireerd door de biologische temperatuursensorstructuur van slangen in de natuur – de putmembraan van de slang heeft uitzonderlijk hoge temperatuur- en afstandsgevoeligheid en kan warmbloedige prooi op afstand lokaliseren. Ze gebruikten de toevoeging van Ca²⁺ ionen aan het pectinefilm om het sensorisch mechanisme van de slangenwang na te bootsen, en produceerden een pectine hydrogel temperatuursensitief materiaal met CaCl₂ [10]. Het is mogelijk om temperatuurbronnen te kartografieren en monitoren met een gevoeligheid van < 10 mK en warme objecten op afstand te voelen. Het combineren van plantencellen of het namaken van dierlijke biologische structuren biedt nieuwe ideeën en maakt het onderzoeksterrein van flexibele sensoren breder.

Grafeen is een tweedimensionale hybride koolstoflaag met een hexagonale honingraatrooster [77,78]. Er zijn veel gedelokaliseerde elektronen, wat unieke ladingstransport toestaat met hoge dragerconcentratie (10³³ cm⁻²), onder bepaalde omstandigheden overschrijdt de mobiliteit 10⁵ cm²·V⁻¹·s⁻¹. De ruimtelijke structuur biedt veel bindingsplaatsen. Functionele groepen zijn gemodificeerd om diverse toepassingsvereisten te vervullen. Tegelijkertijd heeft het hoge vloeibaarheid, uitstekende thermische geleidbaarheid, uitstekende transparantie, mechanische eigenschappen tot 1 TPa elastische modulus, chemische stabiliteit en bio-compatibiliteit [79]. Het trekt veel aandacht in diverse elektronische toepassingen [80]. Transparante grafeenoxide (GO) of gereduceerde grafeenoxide (rGO) met uitstekende elektronische en mechanische eigenschappen is een gelaagd product gevormd door oxidatie van graafietpoeder of verdere reductie van GO [81,82]. Het oppervlak bevat hydroxyle, carboxyl- en epoxygroepen, die gemakkelijk gemodificeerd kunnen worden en gevoelig zijn voor omgevingscondities zoals vochtigheid, temperatuur en chemische stoffen, met zichtbare respons [54,83]. De lage geleidbaarheid van GO is echter niet geschikt voor elektronische apparaten. rGO wordt gesynthetiseerd door thermische reductie om de geleidbaarheid te verbeteren. De uitstekende temperatuurgevoeligheid is ook vereist voor flexibele temperatuursensoren [54,84,85]. Grafeen nanowalls (GNWs) worden uitgegroeid tot grafeen nanovellen loodrecht op het substraat via plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD) [77] en polymer-geassisteerde transfermethode. Het groeiproces vormt een gestaggerde structuur voor hogere rekprestaties [61,83]. Uitstekende mechanische eigenschappen zijn ook toegepast in temperatuursensorenonderzoek. Het gebruik van multidoel grafeen en derivaten in elektronische huid toont de weg naar flexibele temperatuursensoren met uitstekende prestaties, transparantie, rijke functies en eenvoudige fabricage.

Yan et al. [58] fabriceerden een flexibele temperatuursensor die driedimensionaal geplooide grafeen gebruikt als actief materiaal en temperatuur in het bereik 30–100 °C kan monitoren via een lithografische filtermethode [34]. Door de specifieke veer-achtige structuur kunnen temperatuurveranderingssensorische eigenschappen gekarakteriseerd worden tot 50% rek. De TCR (–1,05 ± 0,28% K⁻¹) onder ongerekte condities is hoger dan de gerapporteerde silicium nanodraadtemperatuursensor (0,15–0,37% K⁻¹). Het is opmerkelijk dat de thermische index van het thermische materiaal van deze structuur afgestemd kan worden. Temperatuurrespons en herstel voltooien binnen tientallen seconden, wat de toepasbaarheid ten opzichte van traditionele starre keramische thermistoren vergroot. Liu et al. [87] gebruikten rGO als temperatuursensitief materiaal om via printtechnologie een lichtgewicht, laagkost, flexibele temperatuursensor te fabriceren. Meetbereik 20–110 °C, gevoeligheid 0,6345% °C⁻¹, responstijd 1,2 s. Met specifieke spanning en vervormingseigenschappen kan het aan een specifieke kromming gehecht worden. Onder dezelfde experimentele condities, na vergelijking van rGO, SWCNTs en MWCNTs op lineariteit, gevoeligheid, mechanische eigenschappen en herhaalbaarheid, bleek de prestatie van de sensor met rGO als actief materiaal het meest gebalanceerd, wat ideeën biedt voor grootschalige bereiding van elektronische huid. Sadasivuni et al. [54] proposeerden een composietfilm met cellulosa als matrix en thermisch rGO als vuller voor een flexibele en efficiënte monitoringtemperatuurbereik van 25–80 °C, afhankelijk van temperatuurveranderingen (Fig. 2e). Capacitieve flexibele temperatuursensor met lineaire relatie. In vergelijking met standaard commerciële platina temperatuursensor, veroorzaakt de sensor geen vervuiling door metaalcorrosie over tijd en kan lange stabiliteit behouden. Trung et al. [17] fabriceerden een transparante en rekbare (TS) flexibele temperatuursensor via een eenvoudige spin-coating methode en laminatietechnologie. De temperatuursensorlaag gevormd door rGO nanosheets en een elastisch polyurethane (PU) substraat. De noviteit is dat elke laag in de structuur TS is en direct op een transparant en rekbaar substraat gecoat kan worden, en vervolgens eenvoudig aan het menselijk lichaam gehecht kan worden. Het apparaat kan temperatuurveranderingen van slechts 0,2 °C detecteren. Na 10.000 keer rekken met 30% rek, heeft het bijna geen effect op de temperatuurrespons. Het apparaat kan nog gebruikt worden bij 70% rek. Yang et al. [86] proposeerden het gebruik van PECVD technologie om een speciaal intergeweven 3D geleidend GNWs netwerkstructuur op koperfolie te groeien (Fig. 2f), gecombineerd met polymer-geassisteerde transfermethode en PDMS om een ultra-gevoelige draagbare temperatuursensor te vormen. De thermische respons overtreft die van traditionele temperatuursensoren bij lange streken. De uitstekende rekbaarheid en thermische gevoeligheid van GNWs gecombineerd met de grote uitdingscoëfficiënt van PDMS stellen de sensor in staat om temperatuurverandering van 25–120 °C te monitoren met nauwkeurigheid 0,1 °C, responstijd 1,6 s en hersteltijd 8,52 s, en maandenlang stabiliteit te behouden. TCR bereikt 0,214 °C⁻¹, twee ordes van grootte hoger dan de standaard commerciële platina temperatuursensor (39,2×10⁻⁴ °C⁻¹). Het gebruik van koolstofmaterialen in flexibele temperatuursensoren heeft de toepassingspotentieel in gezondheidsmonitoring, draagbare apparaten, robotica, mens-machine interfaces en kunstmatige huid bevorderd.

Metaal en metaaloxide

Metaalmaterialen zijn doorgaans geleidende materialen zoals goud (Au) [88-90], zilver (Ag) [91,92], koper (Cu) [93], en platina (Pt) [55,94] (Fig. 3c), nikkel (Ni) [95], en aluminium (Al) [96], die hoofdzakelijk als elektroden en draden van sensoren dienen. In vergelijking met traditionele starre metaaltemperatuursensoren, hebben flexibele metaaltemperatuursensoren hoge mechanische flexibiliteit, kunnen eenvoudig aan sterk gekromde oppervlakken gehecht worden, en zijn meer geschikt voor het detecteren van kleine temperatuurveranderingen en -verdelingen in een klein bereik. Wat de huidige printprocessen betreft, zijn sommige metaalmaterialen gevoelig voor temperatuur en hebben goede geleidbaarheid, en worden gemaakt van geleidende metaalnano-inkt [97], nano-vuller [95], nano-draad [98], en gepatroniseerde film om een actieve temperatuursensitieve laag te maken [19], wat breed wordt gebruikt in flexibele temperatuursensoren.

De meest voorkomende gevoelige materialen in typische temperatuursensoren zijn Pt en Au. Bin et al. [6] gebruikten Micro-Electro-Mechanical System (MEMS) technologie en voorgesteld platina als sensormateriaal gedeponeerd op PI-film na een afstripproces. Na laminatie vorming van het vereiste patroon, wordt het gebruikt om temperatuurverandering van 20–120 °C te monitoren, en de TCR waarde is 0,0032 °C⁻¹. In vergelijking met dure platina, heeft Au betere geleidbaarheid en flexibiliteit. Om te realiseren dat de prestaties van het apparaat niet beïnvloed worden door trekkingsrekking, gebruikten Yu et al. [99] slim sputter depositie op een voorgerekte PDMS flexibele substraat Chroom (Cr)/Au dunne film (Fig. 3a), en een reversibel buigbare en rekbare flexibele temperatuursensor werd gefabriceerd via een fotolithografieproces. Wanneer de maximale rek van het apparaat 30% is, verandert de prestatie niet. Het onderzoek verbetert het tekortkoming van slechte trekkingsweerstand van flexibele sensoren. Dankoco et al. [100] gebruikten een organische zilver composiet inkt om zilverlijnen glad en gelijkmatig op een polyimide film te depositieren door inktjetprinten (Fig. 3b). Het maakte een meetbare lichaamstemperatuur van 20–60 °C mogelijk als een buigbare en flexibele temperatuursensor. De gemiddelde gevoeligheid is 2,23×10³ °C⁻¹. Echter, de sensor heeft < 5% hysteres. Ren et al. [101] proposeerden een flexibele temperatuursensor met hoge thermische resolutie (dynamisch bereik = 10 bits) gebaseerd op de integratie van zilver nanopartikels (NPs)/pentaceen thermistor en organische dunne-film transistor (OTFT) met temperatuurbereik 15–70 °C. Het onderzoek testte de hoge temperatuurafhankelijkheid van composietmaterialen en bewijst de haalbaarheid van zilver NPs in thermistor toepassingen. Hoog dynamisch bereik sensoren zijn ook geschikt voor grootoppervlakte sensorarrays en elektronische huid. Jeon et al. [95] ontwikkelden een flexibele temperatuursensor ontworpen met een mengsel van half-kristallijn polyethyleen (PE) en polyethyleenoxide (PEO) polymeren gevuld met nikkel deeltjes. Daarbij, wanneer de concentratie nikkel deeltjes de percolatiedrempel van nikkel vullers overschrijdt, kan hoge geleidbaarheid (40 S·cm⁻¹) verkregen worden. Met de grote positieve temperatuurcoëfficiënt (PTC) uniek aan het binaire polymermengsel, kan de gefabriceerde sensor niet alleen een afstelbaar gevoelig temperatuurbereik bieden terwijl de stabiliteit van de thermische cyclus behouden blijft om een herhaalbare temperatuurrespons te bereiken. De sensor heeft drie ordes van grootte hogere gevoeligheid (0,3 V·°C⁻¹) dan standaard thermokoppels en draadloze transmissiefunctie, maar er is een significante fout van ± 3,1 °C. Het is opmerkelijk dat ze willen combineren van draadloze sensortechnologie met printbare materialen om brede toepassingen te bereiken.

Metaaloxide zijn ook belangrijke actieve materialen en worden breed gebruikt in temperatuursensoren. De hoge temperatuurcoëfficiënt van weerstand van metaaloxide materialen kan de temperatuursensorprestaties verbeteren. De thermische gevoeligheid van metaaloxide halfgeleiders is een fenomeen waarbij het halfgeleidercompound op verschillende temperaturen verandert en de weerstandswaarde verandert. Liao et al. [103] rapporteerden een hoge gevoeligheid temperatuur/mechanische duale-parameter sensor met anorganisch thermisch materiaal vanadiumdioxide (VO₂), gebaseerd op PET/vanadiumdioxide gefabriceerd door transferprinttechnologie (VO₂)/PDMS meervoudige structuur. De VO₂ laag gedeponeerd door polymer-geassisteerde depositie (PAD) technologie wordt geëtst en gehecht aan de PDMS film. Het kan temperatuur detecteren in het bereik 270–320 K. De temperatuursensorprestaties met een resolutie van 0,1 K worden toegeschreven aan de hoge TCR van het VO₂ materiaal. Om lichaamstemperatuurveranderingen nauwkeurig te kartografieren, ontwikkelden Huang et al. [91] een inktjetprintproces. Met nikkeloxide (NiO) om een stabiele nanopartikelinkt op de PI-film te genereren. Het kleine vierkante NiO film wordt geprint aan de uiteinden tussen de zilver geleidende banen om snel temperatuursensoren te fabriceren. Het kan nog prestaties behouden onder buigtest en heeft een vergelijkbare responssnelheid als een thermokoppel. Het uitgebreide onderzoek naar metaal en metaaloxide heeft de basis gelegd voor de toepassing van metaalmaterialen op het gebied van flexibele temperatuursensoren gebaseerd op de thermische eigenschappen van metaalmaterialen en toont interessante verkenningen.

Polymers en organische materialen

Polymers zijn de meest gebruikte materialen in flexibele sensoren. Naast het gebruik als substraten of actieve agenten, trekken thermisch gevoelige composietmaterialen met mechanische flexibiliteit, lichtgewicht, transparantie, stabiele prestaties, gemakkelijke verwerking, en lage fabricagekosten de aandacht voor toepassing in temperatuursensoren. Thermogevoelige polymeren die vaak in temperatuursensoren gebruikt worden, omvatten poly(3,4-ethylenedioxythiofeen)-poly(styreensulfonaat) (PEDOT:PSS) [16,104-106], poly(3-hexylthiofeen) (P3HT) [107], polypyrrol (PPy) [57], pentaceen [101], poly(N-isopropylacrylamide) (pNIPAM) [108], poly(vinylidene fluoride) (PVDF) [109-113], etc.

Op basis van een schakelingsontwerpstrategie [114] die de nauwkeurigheid en robuustheid van een rekbare koolstofnanobuizen temperatuursensor kan verbeteren, gebruikten Zhu et al. [115] differentiële uitleestechnologie om de samenstelling van de actieve, gevoelige laag van een rekbare temperatuursensor gebaseerd op OTFTs te vergelijken (Fig. 4a). Polystyreen-block-poly(ethyleen-ran-butyleen)-block-polystyreen (SEBS) met azide-kruislinking en Poly(diketopyrrolopyrrole-[3,2-b]thieno[2′,3′:4,5]thieno[2,3-d]thiofeen]) (PDPPFT4) en Poly(isoindigo-bithiofeen) (PII2T) deze twee organische halfgeleiders (OSCs) worden gemengd en spin-coated op de gate dielectrica, CNTs worden als elektrodes gebruikt, en de temperatuurmeetbereik is 25–55 °C. De temperatuurcoëfficiënten van de twee sensoren zijn –2,89% °C⁻¹ en –4,23% °C⁻¹ respectievelijk. Bij een eenzijdige rekbereik van 0–30% zijn de fouten < 1 °C en < 1,5 °C respectievelijk, wat de haalbaarheid en generaliseerbaarheid van de differentiële uitleesmethode en OSCs in rekbare sensoren verder aantoont. Yokota et al. [116] rapporteerden een grootoppervlakte ultra-flexibele temperatuursensor gebaseerd op een half-kristallijn acrylaat polymer/graafiet composietmateriaal dat op meerdere punten gemeten kan worden en geprint kan worden (Fig. 4b). Tussen 25 °C en 50 °C toont het opvallende weerstandsveranderingen bij deze temperatuur, wat geschikt is voor het meten van fysiologische temperatuurveranderingen van het menselijk lichaam. Het heeft stabiele thermische cyclische stabiliteit, gevoeligheid tot 20 mK, en een hoge responstijd van minder dan 100 ms. In in vivo experimenten werden stabiele veranderingen in de kern temperatuur van de rattenlongen gemeten, maar de hoge resolutie van de sensor bleek 0,1 °C te zijn. De sensorarray gebaseerd op de bovengenoemde kenmerken realiseert de dynamische visuele, thermische beeldvorming demonstratie van de ruimtelijke temperatuurverandering. Echter, de luchtdoorlatendheid van de apparatencomponenten is niet correct, en langdurig dragen is een van de problemen die opgelost moeten worden.

Zelfvoorzienende energie is altijd een focus van veel aandacht [117]. De realisatie van zelfvoorzienende energie door flexibele apparatuur zal de behoefte aan externe energie aanzienlijk verminderen, wat flexibele apparatuur draagbaarder en eenvoudiger maakt [118]. Daaronder zijn thermo-elektrische polymermaterialen de realisatie van zelfvoorzienende energie vereist. Yang et al. [107] ontwikkelden een flexibele thermo-elektrische nanogenerator (TENG) gebaseerd op een schoon composiet thermo-elektrisch materiaal gevormd door Te-nanodraden gegroeid bij kamertemperatuur en poly(3-hexylthiofeen) (P3HT) polymer (Fig. 4c). TENG kan elektriciteit genereren met alleen een temperatuurverschil van 55 K. Vanwege de eigenschappen van thermo-elektrische materialen kan TENG gebruikt worden als flexibele temperatuursensor om het temperatuurverschil van het hele apparaat te monitoren, en de lichaamstemperatuur als energiebron te gebruiken om de sensor direct te voeden. De monitoringsgevoeligheid bij kamertemperatuur is 0,15 K. Daarnaast toonden ze een andere zelfgevoede temperatuursensor met een responstijd van 0,9 s en een minimale temperatuurverandering van 0,4 K bij kamertemperatuur. De kleine temperatuurafloos maakt het sensorapparaat in staat om de temperatuurverandering van de vingertop te monitoren. Zelfvoorziening kan flexibele sensorapparatuur onafhankelijker maken en het gewicht verminderen. Het is ook een mogelijkheid voor de toekomstige ontwikkeling van flexibele sensoren (Tabel 2).

Laagkost, milieuvriendelijk, gemakkelijk te verkrijgen en te verwerken materialen met uitstekende bio-compatibiliteit zijn altijd een essentiële voorwaarde voor de mens om continue massaproductie te bereiken [119]. Er is een bijna onuitputtelijk biologisch materiaal – cellulosa, dat uitstekende eigenschappen heeft. De elasticiteit en andere voordelen spelen ook een essentiële rol in flexibele sensorapparaten en kan als flexibele substraat dienen. Polypyrrol (PPy) is een lineair bio-compatibel polymer met uitstekende electrochemische stabiliteit en snelle respons. Mahadeva et al. [57] rapporteerden een methode gebaseerd op in-situ polymerisatie-geïnduceerde adsorptie die unieke cellulosa en nano-dikte polypyrrol (PPy) uitstekende elektrische eigenschappen combineert om een temperatuur- en vochtgevoelig composiet te vormen. Het materiaal wordt gebruikt om een milieuvriendelijke, laagkost, bio-aangepaste flexibele temperatuursensor te fabriceren. Vanwege de gevoeligheid van materialen voor vochtigheid, neemt de capaciteit van de sensor toe naarmate de temperatuur stijgt. Hydrogels hebben in de laatste jaren continue aandacht gekregen in onderzoek [120,121]. Vanwege de goede zelfherstellende capaciteit, uitstekende zwaartekracht en rekbaarheid, en biologische aanpassing, heeft het grote onderzoeksinteresse gewekt in toepassingsgebieden zoals flexibele elektronica, gezondheidsmonitoring, en biomedische diagnostiek [122,123]. Echter, ionische hydrogel, als een goede ionen geleider, kan reageren op diverse stimuli, hydrogels met zwakke mechanische sterkte, en verminderde temperatuurgevoeligheid stellen uitdagingen in de toepassing van flexibele temperatuursensoren. Om de nadelen van traditionele hydrogels op te lossen, stelden An et al. [121] een dubbel-netwerk ionen-geleidende dubbel-netwerk (DN) hydrogel voor met uitstekende zelfherstellende eigenschappen voor temperatuursensoren. Het zelfherstellende proces van DN hydrogels is weergegeven in Fig. 4d. De toevoeging van koolstofnanobuizen met hoge thermische geleidbaarheid aan de hydrogel met dynamische fysieke kruislinking en hoge geleidbaarheid hydrophobe associatie netwerk en ion associatie netwerk verbetert de temperatuurgevoeligheid van DN hydrogel. De lineaire hydrogel temperatuursensor kan perfect passen op het oppervlak van complexe objecten en gevoelige weerstandsveranderingen produceren. De onderzoek en ontwikkeling van dit materiaal breidt de toepassing van hydrogels uit op de gebieden van biomedische en flexibele elektronica.

In recent onderzoek is PEDOT:PSS een nieuw type organisch geleidend polymer dat vaak gebruikt wordt in printbare, flexibele temperatuursensoren [124]. Over het algemeen heeft PEDOT:PSS de voordelen van hoge geleidbaarheid (10³ S·cm⁻¹), uitstekende thermo-elektrische prestaties [125-128], sterke stabiliteit [123,129], en transparantie bij doping [60]. De meeste polymeren zijn p-type halfgeleiders. Door het toevoegen van sommige oplosmiddelen, zoals dimethylsulfoxide (DMSO) [130] of polyhydroxy organische verbindingen, zoals ethyleenglycol [131], kan de geleidbaarheid van het polymer tientallen tot honderden keer toegenomen worden. Harada en collega's gebruikten verschillende composietverhoudingen van CNTs en geleidende PEDOT:PSS oplossingen om een serie composiet warmtegevoelige films met temperatuurgevoeligheid binnen 0,25–0,78% °C⁻¹ te produceren via diverse printprocessen [11,132-134]. De sensorprestaties zijn beter dan de typische metaaltemperatuursensor. Sommige apparaten vertoonden een nabije lichaamstemperatuurafloos van minder dan 0,1 °C of snelle responstijd van 90 ms. Het onderzoeks team gebruikte diverse printmethoden om een verscheidenheid aan flexibele temperatuursensoren met verschillende structuren en uitstekende prestaties te creëren, wat naast de verrijking van de toepassingen in medische gezondheidszorg en draagbare apparaten, ook ieders nadenken over printbare, flexibele sensoren heeft geactiveerd. De fabricagedetails van printbare, flexibele temperatuursensoren zullen in de volgende eenheid uitgebreid worden. Naast het veranderen van de composietverhouding wat de prestaties van de composietfilm beïnvloedt, zal structurele verbetering ook de eigenschappen van dezelfde composietfilm optimaliseren. Zoals Fig. 4e toont, demonstreerden Oh et al. [108] een biologisch materiaal gemaakt door een fotolithografisch afstripproces en een spin-coating proces, inspirerend namakend de adhesiestructuur van octopuspootzuignap. Het is een hoge gevoeligheid weerstandstemperatuursensor samengesteld uit poly(N-isopropylacrylamide) (pNIPAM) temperatuursensitieve hydrogel, PEDOT:PSS en CNTs. Het apparaat heeft een gevoeligheid van 2,6% °C⁻¹ in het temperatuurbereik van 25–40 °C, en kan nauwkeurig huidtemperatuurveranderingen van 0,5 °C detecteren. Vanwege de microstructuur die lijkt op de zuignap en de viscositeit, heeft het apparaat een zekere mate van weerstand tegen buigen, niet-irriterend, langdurig, en herbruikbaar hechtende effect.

Transparante en schaalbare nanocomposite veld-effect transistor gebaseerd op polyvinylidene fluoride (PVDF) en zijn copolymeer polyvinylidene fluoride (P(VDF-TrFE)) met hoge stabiliteit, sterke mechanische eigenschappen, en lage vervorming, wordt vaak gebruikt in druk sensoren, rek sensoren, en infrarood (IR) licht sensoren [135,136]. Interessant genoeg hebben onderzoekers ontdekt dat dit type apparaat ook hoog gevoelig is voor infrarood straling van het menselijk lichaam, dus wordt voorspeld dat het gebruikt kan worden om de fysiologische temperatuurveranderingen van het menselijk lichaam te monitoren [137]. Trung en collega's, gebaseerd op eerdere onderzoekservaring [113,138], gebruiken rGO/(P(VDF-TrFE)) composiet sensorische actieve laag als kanaal via een eenvoudige spin-coating proces, geïntegreerd PEDOT:PSS kan een afstelbare flexibele veld-effect transistor (FET) temperatuursensor fabriceren [139]. De film's temperatuurrespons en transparantie kunnen aangepast worden door de concentratie van rGO en de dikte van de composietfilm te veranderen (Fig. 5a). De sensor kan temperatuurveranderingen van 30 tot 80 °C monitoren. Met 0,1 °C resolutie en monitoringsvermogen, en super hoge temperatuurrespons, uitstekende temperatuursensorprestaties verifiëren de haalbaarheid van de toepassing van pyro-elektrische polymermaterialen op het gebied van zacht-kern temperatuursensoren. Op dezelfde manier, Tien et al. [112] om te realiseren dat de sensor druk en temperatuursignalen kan verzamelen zonder wederzijdse interferentie, stelden voor het gebruik van veld-effect transistor (FET) sensorplatform om het materiaal van de respons gevoelige laag te veranderen, gebaseerd op hun eerdere onderzoek concludeerden dat een mengsel van polyvinylidene fluoride (P(VDF-TrFE)) en BaTiO₃ (BT) nanopartikels (NPs) wordt gebruikt als piezo-elektrisch (zie Fig. 5b), pyro-elektrisch gate dielectrum en pentaceen als organische halfgeleider kanaal voor druk thermische weerstand direct geïntegreerd in het FET platform. Wanneer de flexibele sensor onder meerdere stimuli staat, ontkoppelt het het uitgangssignaal en minimaliseert de signaalinterferentie van rek koppeling. De FET sensor kan disproportioneel rek en temperatuur tegelijkertijd presenteren. De FET sensorarray kan ook visueel reageren op stimuli, met de voordelen van laag energieverbruik en lage fout, wat een mogelijkheid toont voor de toepassing van grootoppervlakte multi-modale flexibele sensoren op het gebied van elektronische huid in de toekomst. Flexibele multi-parameter OFET apparaten die geprint en gefabriceerd kunnen worden op groot oppervlak hebben uitstekende toepassingspotentieel in biomedische monitoring, infrarood beeldvorming, en elektronische huid.

Naast de ontkoppelingsmethode om signaalinterferentie te verminderen of elimineren, om het probleem van wederzijdse interferentie van multi-parameter flexibele sensorsignalen op te lossen, stelden Lee et al. [110] een methode voor om temperatuur af te leiden op basis van de hersteltijd van het weerstandsveranderingssignaal, zodat de halfgeleider zinkoxide (ZnO) nanostructuur in het substraat polyvinylidene fluoride (PVDF) gemengd wordt als vuller (Fig. 5c) om een hooggevoelige multifunctionele gevoelige laag te maken die temperatuur- en druksignalen tegelijkertijd kan verzamelen. Daarbij kan de halfgeleider ZnO de dielektrische constante van PVDF verhogen, en het heeft ook thermische stabiliteit. Zhang et al. [23] rapporteerden een duale-parameter flexibele sensor gebaseerd op een zelfvoorzienende microstructuur-geramde organische thermo-elektrische (MFSOTE) materiaal. Fig. 5e toont de flexibele MFSOTE matrices. Door de signaalveranderingen veroorzaakt door temperatuur- en drukstimulatie om te zetten in twee onafhankelijke elektrische signalen, worden temperatuur en druk tegelijkertijd gevoeld. Dit unieke materiaal toont uitstekende temperatuursensorische kenmerken. Meetbereik 25–75 °C, resolutie < 0,1 K, responstijd onder 1 K temperatuurverschil < 2 s, en kan ook aangepast worden volgens verschillende substraten om de sensorische behoeften te vervullen.

Fabricage

Met de toenemende eisen aan flexibiliteit, multifunctionaliteit, eenvoudige fabricage, en hoge gevoeligheid van elektronische apparaten, is de verkenning en ontdekking van fabricagemethoden voor flexibele sensoren met lichtgewicht, eenvoudig proces, lage kosten, en grootoppervlakte fabricage altijd wat onderzoekers nastreven [140]. Deze sectie vat de recent gerapporteerde en haalbare fabricagestrategieën van flexibele temperatuursensorelementen samen en bespreekt de sleutelprocessen om hun prestaties te verbeteren.

Dunne film depositie

De dunne film bereidingsmethode kan ingedeeld worden in dampdepositie en fasedepositie volgens de fase van het gebruikte materiaal. Fasedepositie omvat spin-coating en inktjetprintprocessen die later genoemd worden. Dampdepositie hangt af of het depositieproces een chemische reactie bevat, ingedeeld in fysieke dampdepositie (PVD) en chemische dampdepositie (CVD).

PVD is het depositieren van atomen of moleculen gegenereerd door fysieke methoden op een substraat onder vacuüm om een dunne film te vormen, doorgaans gebruikt voor het bereiden van elektroden of actieve metallagen [141,142]. Veelvoorkomende depositiemethoden zijn vacuümverdamping, vacuümsputtering, en ionenplating. Daaronder verwijst metaaldoel ionensputtering naar de vacuümcontainer, onder de werking van hoge spanning 1500 V, de overgebleven gasmoleculen worden geïoniseerd tot plasma, en de kationen bombarderen het metaaldoel onder versnelling van het elektrisch veld, waardoor metaalatomen op het oppervlak van het monster sputteren om een geleidende film te vormen [143]. Ahmed et al. [144] introduceerden een Si-temperatuursensor gebaseerd op een flexibel PI substraat. Ze depotterden ongedopte amorfe silicium als sensormateriaal tussen metaalelektroden gevormd door radiofrequentie magnetronsputtering en verpakte ze. Uiteindelijk is het temperatuursensorelement ingesloten in de flexibele polyimide film, en de sensorprestaties worden niet beïnvloed. De maximale TCR bij 30 °C is 0,0288 K⁻¹. Webb et al. [145] introduceerden twee ultra-dunne, huid-achtige sensorfabricagemethoden die zichzelf op het huidoppervlak in de vorm van een array monteren om duidelijke en accurate thermische prestatiemonitoring te bieden. Een structuur bestaat uit een temperatuursensorarray, de gevoelige laag gevormd door de slangenachtige traceringstructuur van de Cr/Au laag gedeponeerd op de PI-film door de metaalverdampingsdepositiemethode, de microlithografietechnologie, en de natte etstechnologie, en de reactieve ionenetsing en metaaldepositie voor contacten en interconnecties voltooien de array. Een andere sensorstructuur gebruikt gemultipleerde adressering om een gepatroniseerde PIN diode sensorontwerp van gedopt Si nano-film te vormen. De gevoeligheidslaag wordt gedefinieerd door metaalverdamping, fotolithografie, chemische dampdepositie, en natte etsstappen. De twee arrays zijn weergegeven in Fig. 6a. Aluminium ftalocyanine chloride (AlPcCl) wordt vaak gebruikt als materiaal voor zonnecellen en vochtigheidsensoren. Onder de studieontwikkeling van Chani et al. [146] wordt AlPcCl gebruikt als thermistor en gedeponeerd op een aluminium elektrode op een glas substraat met behulp van een vacuümthermische verdamper. De auteurs vonden dat de AlPcCl film een hogere gevoeligheid voor de temperatuur bij 25–80 °C heeft, en aannealing kan de sensorprestaties verbeteren. In een flexibele temperatuursensor ontwikkeld door Bin et al. [6] die Pt weerstanden gebruikt als thermogevoelig materiaal, wordt Pt verdampt op de Al laag gedeponeerd op de spin-coated PI-film, en de Pt laag wordt gepatroneerd als gevoelige laag, gespin-coated en verpakt met polyimide materiaal. Na zoutzuurbehandeling wordt een complete flexibele temperatuursensor afgestript, die gebruikt kan worden om de oppervlaktetemperatuur van objecten in het biomedische veld te meten.

In vergelijking met andere dunne film bereidingsprocessen, kan de chemische dampdepositiemethode hoge zuiverheid en hoge kwaliteit dunne films bereiken. Het kan gestructureerd en gecontroleerd worden op atoomlaag of nanometerschaal [147-149]. Het proces van het synthetiseren van GNWs film op koperfolie door lage-druk radiofrequentie plasma versterkte chemische dampdepositie (RF-PECVD) technologie. Yang et al. [86] ontwikkelden een flexibele temperatuursensor gebaseerd op GNWs/PDMS. Het fabricageproces is weergegeven in Fig. 6b. Ze verifieerden dat GNWs haalbaar is als actieve laag van een temperatuursensor, en de thermische responsprestaties overtreffen die van een traditionele metaaltemperatuursensor. In vergelijking met traditionele CVD technologie, kan het gebruik van PECVD technologie [150] onder lage temperatuur en lage druk de depositiesnelheid en filmkwaliteit effectief verbeteren. In een ander onderzoek gebruikte Zhou et al. de floating catalyst chemical vapor deposition (FCCVD) methode [151] om de originele SWCNT film met een controleerbare dikte direct te synthetiseren. Het continue netwerk van CNTs gegroeid door deze methode heeft significante geleidbaarheid en een gunstige Seebeck coëfficiënt. Na het overbrengen van de originele SWCNT film naar het PET substraat, drop-cast de vertakte polyetherimide (PEI) ethanoloplossing, en droog het om een n-type SWCNT film te verkrijgen die gebruikt kan worden in de fabricage van flexibele thermo-elektrische modules. Hoewel CVD de depositie van elk materiaal op elk substraat kan bereiken, naarmate de vraag naar eenvoudige, laagkost en grootoppervlakte fabricage van nanodevices groeit, worden de complexe, hoge kosten, giftige CVD groeiprocessen en de tijdrovende etsprocessen vervangen door meer geschikte fabricagetechnologieën voor flexibele elektronische apparaten [58].

Micro-nano gepatroniseerde fabricage

Dunne film patroneren is een van de kerntechnologieën van flexibele elektronica fabricage. Het volgt het basisidee van het verwijderen van materialen van boven naar beneden of het toevoegen van materialen van beneden naar boven in de fabricageindustrie. De sleuteltechnologieën zijn dunne film fabricage, patroneren, transfer, replicatie, nauwkeurigheid, en andere ambachten. Flexibele elektronica vereist grootoppervlakte, lage temperatuur, lage kosten patroneringstechnologie. Geleerd van de patroneringstechnologie van microelektronica en micro-electromechanische apparaten. Echter, tegelijkertijd moeten we rekening houden met de kenmerken van flexibele elektronische apparaten zoals flexibele substraten, organische materialen, en grote oppervlaktes. De patroneringstechnologieën die momenteel beschikbaar zijn voor flexibele temperatuursensoren omvatten lithografie, printen, zachte ets, nano-imprinten, inktjetprinten, lasersinteren, transferprinten, nano-direct schrijven [152], en andere processen.

Lithografie is een patroneringsmethode om diverse en ingenieuze geometrische figuren of structuren in flexibele elektronica te realiseren. Het fotolithografieproces omvat het overbrengen van het patroon op de fotomasker naar het substraat door gebruik te maken van de fotoresists met verschillende gevoeligheid en fysieke en chemische reacties onder het licht. Het fotolithografieproces gebruikt doorgaans fotoresist op een isolator (meestal een siliciumwafer) om het vereiste patroon of structuur na spin-coating te patroneren, en realiseert dit verder door een strippingproces [153,154]. Vanwege het fotolithografieproces en het strippingproces, hoge alignment en etsnauwkeurigheid, eenvoudige maskerproductie, en comfortabele procescondities, kunnen meestal hoge precisie, kenmerkrijke microstructuur systemen bereikt worden. In de ultra-dunne flexibele hechttoepassing met een geïntegreerde temperatuursensor en thermische actuator ontwikkeld door Kim et al. [155], gebruikten ze fotolithografietechnologie om de apparatuur micro-te verwerken, en de gefabriceerde flexibele medische apparatuur heeft stabiele thermische prestaties. Lithografietechnologie beperkt door de noodzaak van beschikbare materialen en precisieapparatuur. De dikte van verwerkbare materialen en dunne films is beperkt. Het is niet geschikt voor apparaatfabricageprocessen die een groot aantal actieve materialen vereisen. Yang et al. [156] voorgesteld een flexibele implanteerbare micro temperatuursensor, en gebruikten oppervlaktemicro-lithografie om de micro flexibele temperatuursensor op de buitenste oppervlakte van het polymere capillair te etsen (Het sensorische principediagram van de miniatuur thermometer is weergegeven in Fig. 6c). Het gebruik van Pt als gevoelig materiaal heeft goede lineariteit, en het heeft een veelbelovende toekomst als implanteerbare temperatuursensor in het biomedische veld. Echter, deze technologie is de fundamentele basis van de microelektronica-industrie en heeft de era van draagbare flexibele elektronica geïnitieerd.

Met de ontwikkeling van wetenschap en technologie, heeft het printproces zich uitgebreid van het traditionele tekst en afbeeldingsveld naar het micro-nano structuur patroneringsveld. Technologie kan diverse materialen op diverse substraten depositieren, en het printproces is niet streng voor de omgeving. Kortom, printtechnologie omvat boekdruk, lithografie, diepdruk, schermprinten, en heeft zich ontwikkeld tot zachte ets [158,159], transferprinten, nano-imprinten, en andere methoden. Volgens de specifieke implementatiemethode kan de draagbare sensor het geprint deel van het niet-geprint deel onderscheiden met de hulp van het masker. Bij maskerprinten moet het te overbrengen patroon vooraf ontworpen worden en daarna gevormd worden door het masker. Het functionele, actieve materiaal kan direct overgebracht worden naar het substraat of de elektrode door het functionele inkt imprinteringsproces [160]. Schermprinten is een typische maskerprinttechniek [161]. In het printproces door absolute druk, wordt de functionele inkt overgebracht naar het substraat door een rakelt met een gepatroniseerd gaas om een patroon te vormen. De unieke printmethode stelt schermprinten in staat om snelle, grootoppervlakte, laagkost fabricagevereisten op vlakke of gekromde oppervlakken te bereiken. Het is breed gebruikt in de fabricage van sensorwerkcircuits, elektroden, en sensor gevoelige elementen. In vergelijking met fotolithografietechnologie, kan schermprinten patronen produceren op diverse materialen. Echter, de patroonresolutie kan niet voldoen aan complexe geometrische vormvereisten en is alleen geschikt voor het maken van patronen met eenvoudige vormen. Yokota et al. [116] roerden en mengden diverse half-kristallijne polymeren met graafiet om een ultra-flexibele temperatuursensitieve copolymeer voor flexibele temperatuursensoren voor menselijke fysiologische temperatuurmonitoring te vormen. Het ultra-flexibele temperatuursensorelement wordt geprint door maskerprinten door het copolymeer gemengd met graafiet vuller tussen twee interdigitaal gouden elektroden gedeponeerd op de PI-film te sandwichen en daarna te vormen door houtpersen. Yan et al. [58] gebruikten een plat-plaat zuigfilter printmethode om grafeen door een masker te depositieren, vacuüm te filteren, en over te dragen naar het substraat om een driedimensionale vouwpatroonstructuur te vormen produceren rekbare grafeen met een variabele thermische index. De thermistor vergroot het sensoroppervlak en de rekbaarheid van de sensor. Het vooraf ontworpen rekbare gevoelige materiaalpatroon kan nog gevoelige monitoring van temperatuur handhaven wanneer gerekt tot minder dan 50%. Om de economische fabricage van sensoren met een groter oppervlak te bereiken, hebben Harada en collega's complexe en dure fabricageprocessen (zoals depositie en fotolithografie) achtergelaten. Ze kozen om een serie multifunctionele flexibele sensoren te fabriceren met alleen printprocessen. De PEDOT:PSS/CNT composietinkt geprint op het circuit gevormd door schermprinten op het PET substraat door een schaduwmasker, en er zijn gaten na laser schrijven (LS) om te combineren met de lagere laag PDMS. De vingerafdruk-achtige structuur (zie Fig. 6d) gecombineerd met de schermgeprintte reksensorlaag om een flexibele sensorarray te vormen. De vervorming en temperatuurverschil veroorzaakt door de contactcontacten bereiken een menselijke monitoring prestatie. In een ander onderzoek, ook gebruikmakend van volledige printtechnologie, stelden Kanao et al. [134] een multifunctionele flexibele sensorarray voor gebaseerd op een kragbalk structuur (Fig. 6e). Ze plaatsten reksensoren en temperatuursensoren op een flexibele schermgeprinte circuit. Aan beide kanten van het PET substraat, een gepatroneerd schaduwmasker met een flexibele temperatuursensor (PEDOT:PSS/CNT composietinkt) geprint op de scherm elektrische contacten geprint circuit. De volledig geprintte array sensor gebruikt om de sensorische kenmerken van de menselijke huid na te bootsen. Wanneer de kragbalk structuur gerekt wordt, is de warmtebron dichter bij de temperatuursensor op de onderkant van het substraat om temperatuurveranderingen nauwkeuriger te monitoren.

Transferprinten is een printmethode waarbij het gepatroneerde oppervlakte ingevulde structuur of uitstulpende structuur overgebracht wordt naar het ontvangende substraat door een niet-gepatroneerde stempel. Het basisprincipe is het gebruik van de verschillende viscositeit van de printlaag ten opzichte van de stempel en het substraat om patroonoverdracht te bereiken [162-165]. Er zijn twee typen transferprinten: direct transferprinten en indirect transferprinten. In de fabricage van flexibele temperatuursensoren wordt de laatste vaak gebruikt, dat wil zeggen, het gebruik van een vooraf geprint patroonfilm om over te dragen naar het ontvangende substraat. In de vorige review werden veel voorbeelden van organische materialen als gevoelige lagen genoemd, maar weinig anorganische materialen worden gebruikt als temperatuursensitieve materialen. Het is opmerkelijk dat Liao et al. [103] een hoge gevoeligheid temperatuur/mechanische duale-parameter sensor rapporteerden met anorganisch thermisch materiaal vanadiumdioxide (VO₂), gebaseerd op PET/vanadiumdioxide gefabriceerd door transferprinttechnologie (VO₂)/PDMS meervoudige structuur. De VO₂ laag gedeponeerd door polymer-geassisteerde depositie (PAD) technologie wordt geëtst en gehecht aan de PDMS film. Na rekken vormen zich nano-spinweb-krakken, en daarna wordt de laag geperst op het flexibele PET substraat. Het kan temperatuur detecteren in het bereik 270–320 K. De temperatuursensorprestaties met een resolutie van 0,1 K worden toegeschreven aan de hoge TCR van het VO₂ materiaal. De verzamelde temperatuursignaal en het mechanische signaal worden gescheiden door het algoritme verschil om gelijktijdige monitoring van het effect van temperatuur en mechanische veranderingen te bereiken. Om het probleem van onvoldoende rekbaarheid van de flexibele temperatuursensor op te lossen, vonden Yu et al. [99], gebaseerd op transferprinttechnologie, een flexibele apparaat uit dat de sensorprestaties kan behouden zelfs wanneer het flexibele apparaat gerekt of gecomprimeerd wordt met 30%. Ze gebruikten de Au/Cr laag als thermistor om te patroneren op SOI door standaard fotolithografietechnologie. De afgestripte gevoelige laag hechtte door een flexibele PDMS stempel, en werd daarna overgedrukt en geprint op een voorgerekte flexibele PDMS substraat om het substraat vrij te geven. Het fabricageproces van het vormen van een rekbare flexibele temperatuursensor, zoals weergegeven in Fig. 7a.

Inktjetprinten is een accurate, snelle, en herhaalbare dunne film fabricagetechnologie, die breed gebruikt is in sensorontwikkeling. In vergelijking met andere printmethoden, heeft inktjetprinten de voordelen van gemak, flexibiliteit, snelheid, lage kosten, compatibiliteit, nauwkeurigheid, etc. [166-168]. De patronen van inktjetprinten moeten na-behandeld worden (drogen, uitharden, sinteren, etc.) om volledig gevormd te zijn. Verbeter de prestaties van geprinte patronen door inktnanodeeltjes om te zetten in continue materialen. De eigenschappen van de oppervlaktespanning en viscositeit van de inkt tijdens het printproces, de kwaliteit van het geprinte patroon stelt ook hoge eisen aan de prestaties van inktjetapparatuur [97]. Onder de voorwaarde van een specifieke grootte van het substraat, is de lengte van de geleidende baan zo lang mogelijk gevormd, en de dikte, breedte, en afstand van de baan zijn redelijk. Herhaalde experimenten verkrijgen de uijtcoëfficiënt van het inktjetsysteem. Bijvoorbeeld, Dankoco et al. [102] gebruikten de inktprintmethode om een composietinkt met zilver als hoofdbestanddeel op de PET-film te depositieren om een flexibele en buigbare temperatuursensor te maken. Het circuit op het substraat is helder en glad, en de inktdruppels zijn consistent, wat gebruikt wordt om de menselijke lichaamstemperatuur te meten. De afbeelding toont het fabricageproces van de extreem gevoelige en transparante multifunctionele elektronische huid sensor matrix ontwikkeld door Oh et al. [108] De flexibele array heeft de functie van het monitoren van temperatuur, vochtigheid, en rek. Het kan gevoelens waarnemen, zoals ademen en aanraking. GO en rGO, die gebruikt worden als vochtigheids- en temperatuursensormaterialen, worden op het PDMS substraat van het grafeen circuit gegroeid door de CVD methode gespoten door inktjetprinttechnologie door een masker. De twee sensoren zijn horizontaal en verticaal uitgelijnd, en de temperatuursensor is op de onderlaag (zoals getoond in Fig. 7b). Na kruislaminatie wordt een PDMS/grafeen druksensor gevormd. Als een multifunctionele flexibele sensor, kan het tegelijkertijd maar onafhankelijk reageren op een enkel signaal. Inktjet-geprinte grafeen is zeven ordes van grootte hoger dan CVD-gegroeide grafeen. De prestatievoordelen worden in veel artikelen weerspiegeld, en sommige onderzoeksresultaten zijn beter dan CVD-gemaakte grafeetproducten. Inktjetprinten en schermprinten zijn beide snelle en laagkost technische middelen om grootoppervlakte sensorfabricage te realiseren. Zirkl et al. [169] combineerden de twee snelle fabricagetechnologieën om een volledig geprintte flexibele sensorarray te creëren die meerdere schermen gebruikt. In printen en inktjetprinten, worden slechts vijf functionele inkten gebruikt om eenvoudig meerdere functionele elektronische componenten (inclusief druk- en temperatuursensitieve sensoren, electrochrome displays, en organische transistors) op hetzelfde flexibele substraat te integreren (in Fig. 7c). Omdat de fabricagesnelheid en lage kosten van het proces ook toegepast kunnen worden op het slimme sensornetwerk met behulp van de roll-to-roll (R2R) fabricageproces in de toekomst. De ontwikkeling van een wegwerp elektronische huid systeem (EES) is bijzonder kritiek. Vergelijkbaar met het vorige voorbeeld. Vuorinen et al. [56] introduceerden een temperatuursensor vergelijkbaar met een pleister na inktjetprinten. De sensor gebruikt grafeen/PEDOT:PSS composietinkt en het printen wordt gedaan op PU materiaal geschikt voor de huid. In het bijzonder, naast het bereiken van een gevoeligheid hoger dan 0,06% °C⁻¹, gebruikten ze inktjetprinters om slangenachtig gepatroneerd inktjetprinten tussen het zilver schermgeprint met een hoge resolutie (1270 dpi) te realiseren, wat het tekortkoming van inktjetprinten voor het printen van complexe grafieken zoals slangen verbeterde. Met het gebruik en onderzoek van inktjettechnologie in flexibele elektronica, verbetert de technologie voor het controleren van mondstukken en inkt ook. In vergelijking met het snelle fabricageproces van schermprinten, moet inktjetprinten door een debugproces gaan, en de printsnelheid is niet zo goed als schermprinten. Ook het kleine aantal mondstukken dat gelijktijdig draait en de hoge mondstukfoutenratio beperkt de inktjetprintfabricagetechnologie tot laboratoria, en de grootoppervlakte fabricagevereisten van industriële productie kunnen niet bereikt worden.

Laser direct schrijven (LDW) technologie gebruikt berekeningen om vooraf ontworpen patronen te ontwerpen. Het gebruikt direct laserbundel ablatie zonder maskeren en vacuümdepositie. Het kan direct patroonoverdracht voltooien op het oppervlak van het substraatmateriaal, met goede ruimtelijke selectiviteit en hoge direct schrijfsnelheid en verwerkingsnauwkeurigheid, korte cyclus, hoge materiaalbenutting, en lage vervuiling. In vergelijking met traditionele temperatuurthermistoren die hoge temperatuur en diverse complexe processen vereisen om de sensorfunctie te activeren, kan LDW selectieve aannealing op een vooraf bepaald patroon bereiken. Een nieuwe integraal laser geïnduceerd door Shin et al. [170] De laser-geïnduceerde reductie sintering (m-LRS) fabricageschema kan ook metaaloxide NPs reduceren tijdens het aannealingsproces. Krab NiO NPs inkt op een bros PET substraat, en gebruik m-LRS technologie om direct NiO te reduceren om een lineaire Ni elektrode te patroneren om een planaire Ni–NiO–Ni heterostructuur te vormen (zoals getoond in Fig. 8a). De unieke methode van het fabriceren van een complete flexibele temperatuursensorsysteem samengesteld uit Ni elektroden en NiO sensorische kanalen uit een enkel materiaal NiO NPs biedt een nieuw idee voor de snelle fabricage van flexibele temperatuursensoren. Verschillend van de eerder ontworpen en gefabriceerde volledig-geprinte sensorarrays, stelden Harada et al. [11] een meer directe methode voor van massafabricage van flexibele temperatuursensoren gebaseerd op eerdere onderzoek. De flexibele temperatuursensorische composietinkt geprint op het substraat, met behulp van de laser om het overtollige deel direct weg te etsen, laat het ontworpen patroon op het substraat achter en voltooit de fabricage van de temperatuursensorarray. Knip de basis om de dierlijke snuitharen na te bootsen om een kunstmatige elektronische snuithaar (e-whisker) structuur te creëren (Fig. 7d), reksensor gevormd door gelamineerd schermprinten. Bionische sensorarrays kunnen driedimensionale objecten scannen en waarnemen door structurele voordelen te gebruiken.

Onder de voorwaarde van het realiseren van lage kosten en grootoppervlakte fabricage, stelt wegwerp intelligente monitoringsapparatuur niet alleen monitoringgedrag te allen tijde en overal toe, maar garandeert ook de veiligheid en hygiëne van de flexibele monitoringsapparatuur. Gong et al. [171] voorgesteld een pen-op-papier fabricagemethode die een penseel schrijft of een masker gebruikt om grafeen nanoribbon (GNR) geleidende inkt te druppelen tussen de koolstofnanobuizen elektroden op de papierbasis. Getoond in Fig. 8b. De flexibele temperatuursensor gefabriceerd na encapsulatie met transparante tape. In hun onderzoek hebben GNRs uitstekende sensorprestaties en voldoen aan de vereisten voor lichaamstemperatuurmonitoring. De fabricagemethode biedt betrouwbare ondersteuning voor de toepassing van snelle, grootoppervlakte wegwerp flexibele apparatuur.

Overige veelvoorkomende fabricagemethoden

Spin-coating van de basislact, actieve laag, en encapsulatielaag laag voor laag is een veelvoorkomende manier om flexibele temperatuursensoren te fabriceren via de vloeistoffasemethode. Spin-coating technologie wordt vaak gebruikt voor substraatfabricage en verpakkingsbescherming. Voor oplossingsachtige gevoelige materialen wordt spin-coating gebruikt. De coating kan niet alleen de productie-efficiëntie aanzienlijk verbeteren, maar heeft ook uitstekende potentieel voor grootoppervlakte fabricage. Kim et al. [172] demonstreerden het fabricageproces van een organische veld-effect transistor (OFET) array, met een spin-coating proces om een microstructuur op een vorm te ontwerpen met een gekristalliseerd P(VDF-TrFE) materiaal als gate dielectrum en andere materialen. Materiaalverpakking vormt OFETs, en de introductie van microstructuren verbetert de sensorprestaties. Het fabricageproces van de bionische structuur [108] flexibele temperatuursensor gefabriceerd. De adhesielaag van de bionische octopuspoot zuignap structuur wordt gefabriceerd door een spin-coating proces, gecombineerd met fotolithografie stripping technologie en omgekeerde vorm technologie (in Fig. 8e). Het heeft een uitstekende temperatuurmonitoring effect, en de gebruikte materialen presteren ook goed op het gebied van menselijke bio-compatibiliteit. Liu et al. [87] na oppervlakte ionisatiebehandeling op het substraat, werd de flexibele elektrode schermgeprint, en daarna werd de gevoelige laag rGO verbonden met de flexibele draad door de fabricagemethode van lucht-spuitcoating, en de hoofdstructuur van de temperatuursensitieve flexibele sensor werd gevormd na verpakking (zie Fig. 8c). Het is mogelijk om robot huds te maken. Huang et al. [68] fabriceerden een temperatuursensor met flexibiliteit, hoge resolutie, en hoge herhaalbaarheid in het temperatuurbereik van 25–42 °C. Ze droppen de PEO1500/PVDF/Gr composietoplossing na roeren en ultrasoonbehandeling op een flexibele polyimide substraat. Het werd gespin-coated met een bepaalde snelheid om een laag te vormen. Het verpakte het in een temperatuursensor, wat de medische lichaamstemperatuur transmissie zin van mogelijkheid en haalbaarheid verifieerde. Spin-coating technologie als een effectief fabricageproces voor draagbare apparaten is ook geïntroduceerd in Wu et al. onderzoek [173]. Ze ontwierpen een organische dunne-film transistor met warmte-sensorische vermogen. Slim door de unieke drie-arm drie-dimensionale composiet polylactide, polylactide (tascPLA) oplossing te spin-coaten op de Au gate elektrode verdampt op het Si substraat. Vervolgens worden de Au source en drain gedeponeerd door een thermische verdampingsmethode. De composietfilm met tascPLA dient ook als de gate van de OFET dielectrum en substraatmaterialen. In flexibele elektronica, zijn er niet weinig die stof gebruiken als drager van het sensorelement. Het dip-coaten van geleidend garen/stof in geleidende inkt is de meest gebruikte coatingstechnologie voor flexibele sensoren. De ontwikkeling van geleidende stoffen biedt een redelijke voorwaarde voor de toepassing van slimme stoffen. Sibinski et al. [111] ontwikkelden een temperatuursensor die het temperatuurbereik van 30–45 °C monitort. Bovendien realiseert het momenteel filamentaire miniaturisatie op een enkel garen. In Fig. 8d getoond, het PVDF monofilament vezel is gecoat met PMMA polymer mengsel gemengd met multi-walled koolstofnanobuizen (MWCNTs) als warmtegevoelige laag door dip-coating technologie heeft goede temperatuurgevoeligheid en extreme herhaalbaarheid. Het wordt gebruikt als stof gemakkelijk geïntegreerd in gestrikte kleding. Een andere methode, gebaseerd op de vormgevingseigenschappen van organische materialen, wordt ook gebruikt om flexibele sensormembraanstructuren te fabriceren of monsters te fabriceren voor het testen van sensorprestaties. Het fabricageproces van de thermo-elektrische nanogenerator (TENG) bestudeerd door Yang et al. [107] De drop-casting film methode, na vergelijking, verwierft het PEDOT:PSS materiaal, dat een zwakke drop-casting effect heeft en gemakkelijk breekt, niet alleen het mengsel van Te-nanodraden en P3HT polymer in chloorbenzeen oplossing wordt drop-cast op het flexibele Kapton substraat om een composietfilm te maken, het composietmateriaal wordt ook gecast op wit stofdoek, wat ook duidelijke temperatuursensorische capaciteit en thermo-elektrische prestaties heeft, wat gebruikt kan worden in draagbare warmteverzamelaars. Rijke en diverse fabricagemethoden leggen de basis voor de ontwikkeling van flexibele elektronica. Onder de vereisten van grootschalige en grootschalige productie, is geschikte fabricagetechnologie ook continu in ontwikkeling. In de toekomst worden perfecte draagbare flexibele apparaten verwacht.

Resultaten en Discussie

Kernparameters van flexibele temperatuursensor

De flexibele temperatuursensor kan aan het menselijk lichaam gehecht worden om de subtiele temperatuurveranderingen op het oppervlak van het menselijk lichaam te monitoren of realtime temperatuurmonitoring van specifieke delen, en zelfs de temperatuur van de kern of weefsels en organen in het lichaam. Ze reageren op temperatuurveranderingen door de weerstand te veranderen en geven de temperatuurveranderingen weer als elektriciteitssignalen. Met de toenemende vraag naar flexibele elektronische apparaten, worden de nadelen van traditionele temperatuursensoren, zoals slechte schaalbaarheid, onmogelijkheid te dragen, en slechte realtime prestaties, steeds ongeschikter voor flexibele draagbare apparaten. Vandaag de dag worden flexibele temperatuursensoren vereist om hoge prestaties te hebben, zoals hoge gevoeligheid, snelle responstijd, redelijk meetbereik, hoge precisie, en hoge duurzaamheid om de monitoringsfunctie beter te realiseren.

Gevoeligheid

Sensor gevoeligheid verwijst naar de verhouding van de verandering ∆y van de systeemrespons onder statische condities tot de corresponderende invoer verandering ∆x, dat wil zeggen, de verhouding van de dimensies van uitgang en invoer. Wanneer de sensor uitgang en invoer dimensies hetzelfde zijn, kan de gevoeligheid begrepen worden als de vergroting [21,174,175]. De temperatuurcoëfficiënt van weerstand TCR (TCR, in °C⁻¹) van de veelvoorkomende weerstandstype flexibele temperatuursensor wordt uitgedrukt in de volgende expressie, ΔR/R₀ = s(T – T₀), is de relatieve weerstandsverandering (ΔR/R₀) als functie van temperatuur, waar s TCR vertegenwoordigt. Als de sensor uitgang en invoer een lineaire relatie tonen, is de gevoeligheid constant [83]. Anders verandert het met de invoerhoeveelheid. Over het algemeen kan door het verhogen van de gevoeligheid, hogere meetnauwkeurigheid verkregen worden. Meeste flexibele sensoren gebruikt voor lichaamstemperatuurmonitoring letten alleen op temperatuurveranderingen binnen 10 °C en vereisen daarom hoge temperatuurgevoeligheid om relatief kleine temperatuurveranderingen vast te leggen. Hier worden diverse typische methoden en concepten voor het verbeteren van de gevoeligheid van flexibele temperatuursensoren samengevat om een gunstige referentie te bieden voor verdere verbeteringen.

De sensorprestaties van flexibele temperatuursensoren zijn meestal nauw gerelateerd aan de eigenschappen van materialen. Een mogelijke manier om de ontwikkeling van gevoelige sensoren te realiseren, is het aannemen van composietmaterialen met zichtbare thermische prestaties. Na temperatuurstimulatie zal het interne geleidende netwerk veranderen, wat de temperatuurgevoeligheid van het apparaat zal beïnvloeden. Om de temperatuurgevoeligheid van het actieve materiaal te verbeteren, wordt een strategie aangepast die temperatuurfluctuaties omzet in mechanische vervorming om de respons van het geleidende netwerk op temperatuurveranderingen te versterken. Het thermogevoelige materiaal is verbonden met een substraat met een hoge positieve thermische uitdingscoëfficiënt om thermische inductie vervorming te versterken. Deze methode heeft toepassingen in sensoren gemaakt van grafeen, graafiet en grafeen-nanowalls. Bijvoorbeeld, in de flexibele temperatuursensor ontworpen en gefabriceerd door Huang et al. [68], vestigt Gr een geleidend pad in het PEO/PVDF binaire composietmateriaal. In het proces getoond in Fig. 9b. De temperatuurverandering zal PEO laten transformeren van kristal naar amorfs, en smelten wanneer de temperatuur zich naderet tot het smeltpunt van PEO, de volume-uitding van PEO zal het geleidende netwerk in het composietmateriaal vernietigen, wat resulteert in een scherpe stijging van de resistiviteit – het versterken van de PTC-kracht, wat snel kan reageren binnen een smal temperatuurbereik. Experimenten tonen aan dat de thermische prestaties van PEO een leidende rol speelt in het PTC-effect van het apparaat. Een andere manier om de gevoeligheid van een flexibele temperatuursensor te verbeteren, is het gebruik van een unieke structuur. In de laatste jaren, om de temperatuursensorprestaties te verbeteren, zijn diverse ontwerpstrategieën ontwikkeld door de structuur te veranderen. Yu et al. [176] voorgesteld recent een methode gebaseerd op het ontwerpen van micro-kraak morfologie om de kraakmorfologie van de PEDOT:PSS film op het PDMS substraat te veranderen door de substraatoppervlakteruwheid, zuurbehandelingstijd, en voor-rek graad aan te passen om de temperatuurgevoeligheid van de sensor te verbeteren. Figuur 9d toont het effect van gemiddelde kraaklengte en kraakdichtheid op temperatuurgevoeligheid. Het resultaat is dat hoe langer de kraaklengte, hoe hoger de kraakdichtheid, en hoe hoger de temperatuurgevoeligheid. Het is bewezen dat de micro-kraakstructuur een vitale rol speelt in de temperatuurgevoeligheid van de sensor. Het is geverifieerd dat het verkrijgen van een hoge-dichtheid micro-kraakstructuur de sleutel is tot het verkrijgen van hoge temperatuurgevoeligheid van de sensor. Hoge dichtheid en hoge lengte corresponderen direct met hogere temperatuurgevoeligheid. Het fabricageproces van flexibele elektronische apparatuur speelt een vitale rol in de productie van het apparaat en kan de gevoeligheid van de flexibele temperatuursensor effectief verbeteren. Net als Shin et al. [170] een snelle integraal laser-geïnduceerde reductie sintering (m-LRS) methode voor het fabriceren van Ni/NiO flexibele temperatuursensor gebruikden, verschillend van de inktjetprintmethode. Ze reduceren en sinteren direct de Ni elektrode op de NiO laag, en vormen een hoge kwaliteit integraal contact tussen de metaalelektrode (Ni) en het temperatuursensitieve materiaal (NiO). Ni–NiO–Ni heterogene temperatuursensor toont hogere temperatuurgevoeligheid dan andere sensoren van hetzelfde type (Fig. 9e). Raman spectroscopie en X-straal diffractie (XRD) metingen tonen aan dat de superieure gevoeligheid komt van het unieke thermische activeringsmechanisme van het m-LRS proces. Daarnaast, aangezien flexibele temperatuursensoren meestal aanraakgevoelig zijn, wordt afgeleid dat de filmdikte de gevoeligheid beïnvloedt. Het onderzoek van Lee et al. [177] verifieerde het effect van de dikte van de hooggevoelige papierbasis op de gevoeligheid, ze gebruiken een eenvoudige dip-fabricagemethode om gevoelige materialen op het printpapier te depositieren. De diptijd zal de dikte van de film beïnvloeden. Fig. 9f toont ook de verschillende prestaties van gevoeligheid door verschillende diktes. Het moet opgemerkt worden dat hoe hoger de gevoeligheid, het smaller het meetbereik en, erger, de stabiliteit. Daarom is het nodig om aandacht te besteden aan het vergroten van stabiliteit en nauwkeurigheid tijdens het verbeteren van gevoeligheid.

Overige parameters van flexibele temperatuursensor

Het vermogen van de sensor om de kleinste hoeveelheid verandering te voelen die gemeten moet worden, wordt gedefinieerd als resolutie. Met andere woorden, de invoerhoeveelheid begint te veranderen vanaf een niet-nul waarde. Op dat moment, als de invoer verandering waarde niet een absolute waarde overschrijdt, en de sensoruitgang niet verandert, betekent dit dat de sensor de verandering van de invoerhoeveelheid niet kan onderscheiden. Nauwkeurigheid verwijst naar de verhouding van de waarde van plus of min drie standaarddeviaties in de buurt van de echte waarde tot het bereik, het maximale verschil tussen de gemeten waarde en de echte waarde, en de mate van spreiding van de gemeten waarde. Voor meetinstrumenten is nauwkeurigheid een kwalitatief concept en vereist doorgaans geen numerieke uitdrukking. Omdat de normale fluctuaties van de menselijke lichaamstemperatuur binnen een dag klein zijn, is hoge resolutie of hoge nauwkeurigheid significant voor flexibele temperatuursensoren voor lichaamstemperatuurmonitoring, wat de bredere toepassing van flexibele temperatuursensoren bepaalt.

Herhaalbaarheid is de graad van inconsistentie van de meetresultaten voor dezelfde opwekkingshoeveelheid wanneer het meetsysteem meerdere (meer dan 3) metingen op het volledige bereik in dezelfde richting onder dezelfde werkomstandigheden uitvoert. In een flexibele temperatuursensor betekent duurzaamheid dat het een stabiele sensorfunctie en een compleet apparaatvermogen onder een langdurig gebruiksomgeving handhaaft. Een flexibele temperatuursensor met hoge duurzaamheid en hoge herhaalbaarheid kan voldoen aan de basiseisen van langdurig stabiel gebruik. Lineariteit wordt doorgaans gedefinieerd als de graad van afwijking tussen de daadwerkelijke invoer-uitvoer relatiecurve en de ideale passende curve, meestal uitgedrukt als percentage. Daarom, in het lineaire bereik, zal het uitgangssignaal nauwkeuriger en betrouwbaarder zijn. Hoge lineariteit is ook gunstig voor het invoer-uitvoer signaal kalibratieproces en latere data optimalisatie verwerking [58]. De vraag naar de ontwikkeling van flexibele temperatuursensoren met hoge lineariteit neemt ook toe.

Toepassingen

Het vermogen van levende organismen om nauwkeurig en snel te reageren op externe omgevingsstimuli is een essentieel kenmerk van het leven. De inductie van temperatuur stelt de mens in staat om gevaren te voorspellen en te reageren op ziekten. Afwijkende veranderingen in lichaamstemperatuur spelen vaak een cruciale herinnerings- en hulp functie voor vroege preventie [179]. Met de onderzoek en ontwikkeling van flexibele elektronische apparaten, zoals elektronische huden, slimme gezondheidsmonitoring systemen, slimme textielen, en biomedische apparatuur, zijn sensoren met multifunctionele signaalverzameling onmisbaar [180,181]. Daaronder is de flexibele temperatuursensor een onmisbaar en vitaal onderdeel van medische en gezondheidszorg toepassingen [96]. In de afgelopen jaren heeft de vooruitgang van nieuwe materialen, nieuwe fabricagetechnologieën, en unieke sensormethoden een essentiële referentie en een stevige basis geboden voor de ontwikkeling van een nieuw type huid-achtige flexibele temperatuursensor. In deze sensoren overtreffen sommige basale prestatieparameters zoals gevoeligheid, resolutie, en responstijd zelfs de natuurlijke huid. Hoewel, na veel basis- en toegepast onderzoek, onderzoeksresultaten getransformeerd kunnen worden van het laboratorium naar real-world gebruik. Er zijn echter nog veel uitdagingen die opgelost moeten worden in praktische toepassingen. In de volgende inhoud zullen we recente flexibele temperatuursensoren resultaten in flexibele elektronica toepassingen samenvatten met unieke, uitstekende, en praktische toepassingsvoorbeelden.

Flexibele sensoren hebben de kenmerken van grootoppervlakte deformeerbaarheid, lichtgewicht, en draagbaarheid, wat functies kan realiseren die traditionele sensoren niet kunnen. Elektronische huid integreert diverse sensoren en geleiders op een flexibele substraat om een hoog flexibele en elastische sensor te vormen die lijkt op de huid. Het zet externe stimuli zoals druk, temperatuur, vochtigheid, en hardheid om in elektriciteitssignalen en stuurt ze naar de computer voor verwerking, kan zelfs regelmatige objecten herkennen [14]. Een elektronische huid met vergelijkbare functies is een noodzakelijk kenmerk van toekomstige robots om perceptie in een ongestructureerde omgeving te bereiken. De elektronische huid stelt de robot in staat om veranderingen in de externe omgeving zo scherp te waarnemen als een echte mens. Hoewel het principe van elektronische huid eenvoudig is, zijn er nog uitdagingen in het bedekken van het robotoppervlak met elektronische huid. Het gebruik van de elektronische huid bepaalt, dat wil zeggen, het handhaven van de integriteit van het apparaat tijdens het handhaven van de sensorprestaties tijdens mechanische vervorming. De ideale methode van flexibele elektronische huid is gepatroneerde fabricage. Met oplossingsmaterialen, direct gedeponeerd op het substraat door printtechnologie om patronen te vormen, en roll-to-roll (R2R) grootoppervlakte fabricage onder normale temperatuur en druk te bereiken, zodat de huid de voordelen heeft van aanzienlijke grootte, hoge opbrengst, lage productiekosten, en milieubescherming. Someya et al. [182] hebben een elektronische mesh huid ontwikkeld met flexibiliteit, groot oppervlak, geïntegreerde temperatuur- en druksensorcapaciteiten, zoals getoond in de figuur. De rekbare elektronische huid heeft meerdere warmte- en druksensoren verdeeld over de knopen en leest data via OTFT. Daaronder is de thermische sensorarray gebaseerd op organische diodes, voorbereid op polyethyleennaftalaat (PEN) gecoat met indium tin oxide (ITO) op het oppervlak. De thermische film wordt mechanisch gesneden door een numerieke besturing snijmachine, en het R2R proces bereidt de netwerkstructuur voor, en daarna wordt de netwerkfilm gecombineerd door laminatie om de bereiding van de thermische sensorarray te voltooien. De paryleen beschermingslaag wordt op de organische halfgeleider laag geplaatst om te fungeren als een flexibele gasbarrièrelaag, wat de duurzaamheid van het apparaat van dagen tot weken uitbreidt en mechanische schade aan transistors en diodes tijdens testen voorkomt. Wanneer de sensor in zijn oorspronkelijke staat is, is de ruimte vierkant, en wordt het een ruit na rekken, en het kan nog uitstekende elektrische kenmerken behouden wanneer 25% gerekt wordt (getoond in Fig. 10a). De vestiging van de mesh structuur breidt het gebruik van elektronische huid uit. De gedistribueerde structuur van meerdere parameters en meerdere knopen maakt het ook mogelijk om onregelmatig gevormde objecten te monitoren. Een soort epidermale elektronica voorgesteld door Kim et al. [53] verwijst naar ultra-dunne flexibele elektronische apparaten vastgezet op het huidoppervlak (in Fig. 10b). Alleen door van der Waals kracht kan het perfect passen met de huid en de temperatuur, rek, en dynamische respons voelen. Potentiële toepassingen omvatten fysiologische toestand detectie (elektroencefalogram, elektrocardiogram, elektromyogram), wonddetectie of behandeling, biologische/chemische perceptie, mens-computer interactie interface, draadloze communicatie, etc. Het integreren van alle apparaten in het meetapparaat op een volledig andere manier integreert een verscheidenheid aan functionele sensoren (zoals temperatuur, rek, electrofysiologie), micro-schaal lichtemitterende diodes (LEDs), actieve/passieve circuiteenheden (transistoren, diodes, weerstanden), draadloze voedingspulen, draadloze radiofrequentie communicatieapparaten (hoge-frequentie spoelen, condensatoren, oscillator, en antenne). Huid elektronica heeft de kenmerken van ultra-dun, lage elastische modulus, lichtgewicht, en rekbaarheid. Het apparaat wordt gefabriceerd in de vorm van wikkelvormige filament nanodraden of micro-nano dunne films, wat het systeem in staat stelt om grotere elastische vervorming te weerstaan. Het kan gemakkelijk overgebracht worden naar het huidoppervlak door het zachte-aanraakproces, net als een tatoeage sticker. Hoewel de elektronische huid rijke functies heeft, zal de resonantiefrequentie afdwalen wanneer de rek 12% overschrijdt. Bovendien vereist de duurzaamheid van ultra-dunne flexibele apparaten ook aandacht. De bovenstaande tekortkomingen moeten overwogen worden bij het ontwerpen en fabriceren van toekomstige elektronische huden systemen.

De ontwikkeling van een draagbaar gezondheidsmonitoringssysteem is voor het verzamelen van menselijke lichaamsthermische parameters: lichaamstemperatuur, epidermale temperatuur, warmtestroom [183], etc. Voor observatie en inferentie zoals metabolisme, koorts, ziekte-infectie, wondgenezing, thermische adaptatie (implantaten, prothesen), etc. In vergelijking met de beperkingen van traditionele monitoringsystemen in gebruikssituaties. Flexibele draagbare temperatuurmonitoringssystemen hebben in recent onderzoek meer flexibele toepassingen en uitstekende thermische parameter monitoring effecten gedemonstreerd – het m-LRS NiO temperatuursensorsysteem gefabriceerd door het team van Shin et al. dat we eerder introduceerden. In een experiment om de potentie van zijn systeem als elektronische huid toepassing te verifiëren. Zoals getoond in Fig. 10c, kunnen drie naast elkaar geplaatste temperatuursensoren gehecht aan de robotvinger een accurate stroomsnelheid van warm of koud water dat in de microfluidische buis stroomt, stroomrichting, en temperatuurrespons maken. Daarnaast heeft het een hoge resolutie capaciteit voor de temperatuurstijging veroorzaakt door infrarood warmtestraling. Bovendien stelt de hoge-kromming pasvormfunctie de temperatuursensorsysteem ook in staat om ademhaling te monitoren om vroege waarschuwing van abnormale ademhalingssymptomen veroorzaakt door ziekte of vergiftiging te bieden. Experimenten over ademhalingsveranderingen voor en na oefening hebben de effectiviteit van het systeem in het monitoren van kleine veranderingen in menselijke ademhaling en temperatuur geverifieerd. De holistische fabricagetechnologie die ze voorgesteld hebben, biedt nuttige hulp voor de grootschalige ontwikkeling van het gezondheidszorgsysteem en elektronische huid. Webb et al. [145] rapporteerden twee typen flexibele, ultra-dunne, en gevoelige temperatuursensoren/actuatoren met verschillende structuren, namelijk een TCR sensorarray met een slangenachtig netwerk gevormd door Cr/Au gefabriceerd door microlithografietechnologie en een TCR sensorarray na depositie. Corrosie nano PIN sensor, de twee sensoren hebben hoge gevoeligheid, snelle respons, en hoge precisie. Non-invasieve monitoring van de subtiele veranderingen in hulptemperatuur veroorzaakt door veranderingen in menselijke bloedstroom veroorzaakt door externe stimuli kan gerealiseerd worden. Door nauwkeurig de houdthermische geleidbaarheid te meten en huchtvocht te monitoren, heeft het praktische toepassingswaarde voor gezondheidsbeheer zoals bloedsuikermonitoring, medicijnafgifte en absorptie, en wond of maligne tumor veranderingen. Voor een flexibele sensorsysteem dat gezondheidstoestand moet monitoren op basis van vitale signalen, zijn eenvoudige fabricage, veilige hechting, en sterke biologische aanpassing essentieel. Zoals Fig. 10d toont, ontwikkelde Yamamoto et al. [184] een gel-vrije viscieuze elektrode die meer geschikt is voor elektrocardiogram (ECG) sensoren. Een temperatuursensor gefabriceerd door gepatroneerd printen wordt gemonteerd om een flexibele sensorsysteem te vormen dat de optreding van dehydratatie of hittegolf symptomen kan monitoren. Het gebruik van bio-compatibele materialen lost het probleem op dat traditionele gels niet langdurig aan het menselijk lichaam gehecht kunnen worden. Het open, flexibele sensornetwerkplatform kan ook diverse sensoren toevoegen om een breder bereik aan toepassingen te ontwikkelen. De temperatuur en warmteoverdrachtseigenschappen van de huid kunnen gekarakteriseerd worden als cruciale informatie voor klinische geneeskunde en fundamenteel onderzoek naar huidfysiologie. Wat thermische adaptatie betreft, is het cruciaal om de hulptemperatuur van het residuele lid te monitoren en te voorspellen. Bijvoorbeeld, de prothesegaten creëren een warme en vochtige micro-omgeving, wat de groei van bacteriën bevordert en ontsteking van de huid veroorzaakt. Lokale hulptemperatuurmonitoring gebruikt flexibele temperatuursensoren verborgen in dagelijkse textielen. Vanwege de hoge consistentie is het zeer geschikt voor niet-bestaande monitoring van hulptemperatuur, wat aanzienlijk baat heeft bij patiënten en medisch personeel. Lugoda et al. [185] gebruikten diverse industriële garen fabricageprocessen om flexibele temperatuursensoren in stoffen te integreren, en bestudeerden het sensorische effect van het insluiten van flexibele temperatuursensoren in textielgaren. De buigweerstand en herhaalbaarheid van de temperatuursensor ingesloten in het garen zijn geverifieerd. De uitgezette sensor is gemaakt door het patroneren van een Ti/Au laag gedeponeerd op een PI-film (zie Fig. 10e). Experimenten met de temperatuursensor ingesloten in de armband hebben geverifieerd dat deze sensor garen gebruikt kan worden om intelligente temperatuurmeet textielkleding te fabriceren. Slimme temperatuurmeet textiel kan gebruikt worden voor thermische adaptatie monitoring toepassingen zoals detectie van thermische ongemak in prothesen, sokken voor vroege voorspelling van diabetische voetzolen [186], textiel die continu de lichaamstemperatuur van baby's meet, en verbinden voor het monitoren van wondinfecties. Het gebruik van industriële garen fabricagetechnologie om flexibele temperatuursensoren te integreren maakt grootschalige slimme textiel fabricage mogelijk.

Met de ontwikkeling van flexibele elektronica, is de toepassing van multifunctionele flexibele draagbare apparaten in gezondheidszorg, slimme monitoringsapparatuur, mens-computer interactie/combinatie, slimme robots, en andere gerelateerde velden steeds uitgebreider geworden. Flexibele temperatuursensoren hebben sterke praktische toepasbaarheid in flexibele draagbare elektronische apparaten, met name voor het monitoren van menselijke gezondheid, wat onlosmakelijk verbonden is met accurate temperatuurcontrole. De introductie van de draadloze transmissiefunctie stelt mensen in staat om de meetresultaten van de temperatuursensor te analyseren en te benutten. Honda et al. [133] voorgesteld een draagbaar mens-computer interactie apparaat, een gepatroneerde "slimme verbinding" met medicijnafgave functie. Het apparaat gebruikt laagkost gepatroneerde printtechnologie om temperatuursensoren, MEMS-gestructureerde capacitieve tastbare sensoren, en draadloze spoelen op een flexibele substraat te integreren. Figuur 11a toont het fysieke object van het flexibele apparaat op de arm. Een medicijnafgavepomp (DDP) gemaakt door zachte lithografie en een microkanaal voor medicijnuitlaat kan toegevoegd worden om medicijnen aan wonden of interne delen te leveren om de gezondheid van de drager te verbeteren. Als een draagbare interactieve vermenselijkte gezondheidsmonitoring draadloze toepassing, zal het een positieve rol spelen in toekomstige draagbare elektronische toepassingen. Intelligente wondpleister: wonden na trauma zijn geïnfecteerd en moeilijk te genezen. Onder traditionele wondverbanden is het genezingsproces van wonden vaak onvoorspelbaar, en bevredigende herstelresultaten kunnen niet verkregen worden. Bij wondinfectie of genezing zullen temperatuurveranderingen verschillend van de normale lichaamstemperatuur optreden. Daarom is het monitoren van de subtiele temperatuurveranderingen bij de wond helt noodzakelijk voor ideale wondgenezing [188]. Om de "black box" toestand in het wondgenezingsproces te elimineren en de situatie van de wond in real-time te begrijpen, stelden Lou et al. [189] een transparante en zachte, gesloten-lus wondgenezingssysteem voor om wondgenezing real-time te monitoren. Het flexibele wondgenezingssysteem (FWHS) en flexibele wondtemperatuursensorapparaat (FWTSD) lijkt op de vorm van pleisters, hun flexibele apparaat in de vorm van een dubbellaagse pleister kan direct aan de wond gehecht worden. De bovenlaag is een flexibele temperatuursensorlaag samengesteld uit temperatuursensoren, voedingsbeheercircuits, en dataverwerkingscircuits. De onderlaag is een collageen-chitosane dermis equivalent voor huidregeneratie. Een aangepaste softwareapplicatie (app) geïnstalleerd op de smartphone ontvangt data van de sensorlaag, weergeeft en analyseert wondtemperatuur in real-time (Fig. 11b). Het systeem heeft hoge gevoeligheid en stabiliteit, goede rekbaarheid, betrouwbaarheid, en bio-compatibiliteit. Naast het monitoren van het normale wondregeneratieproces, werd in de biologische experimenten tijdige waarschuwing van ernstige wondinfectie bereikt. Een slim wondgenezingssysteem met groeibevordering, realtime temperatuurmonitoring, draadloze transmissie, en visualisatie die wondmonitoring, vroege waarschuwing, en on-demand interventie integreert, kan in de toekomst optreden. Als de wond na een letsel ermatig geïnfecteerd is en niet tijdig behandeld wordt, kan er ernstigere schade aan het lichaam optreden. Tijdige monitoring van wondtoestanden en snelle, effectieve diagnose en behandeling zijn dringende behoeften om het optreden en verergeren van wondinfectiecomplicaties te verminderen. In een ander onderzoek, stelden Pang et al. [190] een flexibele slimme verbinding voor met een dubbellaagse structuur met hoge gevoeligheid, goede duurzaamheid, en afstandsbediening. De bovenlaag is verpakt in PDMS verbonden en geïntegreerd door een slangenachtige draad. De temperatuursensor, ultraviolette (UV) lichtemitterende diode, voeding, en signaalverwerkingscircuit zijn ontworpen, en de onderlaag is ontworpen met een UV-responsieve antibacteriële hydrogel. Wanneer de temperatuursensor een abnormale temperatuur detecteert die de drempel overschrijdt, zal het draadloos het signaal naar het slimme apparaat overbrengen. Bovendien, controleer de in-situ ultraviolette straling door de terminalapplicatie om antibiotica uit de onderliggende hydrogel vrij te maken en toe te passen op de wond om vroege infectiediagnose en -verwerking te bereiken. Het systeem kan wondstatus in real-time monitoren, nauwkeurig diagnosticeren, en op verzoek behandelen. Het onderzoek van dit intelligente traumatisch diagnosesysteem biedt nieuwe strategieën en diagnostische en behandelideeën voor de preventie en behandeling van traumatische ziekten zoals wondbehandeling en diabetische ulceren. De popularisatie en toepassing van dergelijke systemen hebben ook significante vooruitzichten. De ontwikkeling van geavanceerde chirurgische instrumenten is een belangrijke maatregel om de menselijke gezondheid te verbeteren. De vooruitgang van flexibele elektronica biedt betrouwbare ondersteuning voor de flexibiliteit en miniaturisering van klinische medische instrumenten. Tegelijkertijd verrijkt de functie van flexibele apparaten, wat klinische instrumenten in staat stelt om meerdere operaties op ziektegedeelten in een korte periode uit te voeren, wat het operatierisico vermindert. In Fig. 11c,d, vonden Kim et al. [191] een directe integratie van een multifunctionele elementengroep, inclusief een flexibele temperatuursensorarray met de elastische film van een traditionele balloncatheter, wat een verscheidenheid aan functies biedt voor klinische toepassingen. Het gebruik van deze balloncatheter in levende dier experimenten verifieerde het vermogen van het instrument om cruciale informatie over de diepte van de letsel, contactdruk, bloedstroom of lokale temperatuur, en de radiofrequente elektroden op de ballon voor gecontroleerde lokale ablatie van weefsel te bieden. Specifiek gebruik in cardiale ablatietherapie. In een ander onderzoek, ontwikkelden ze twee dunne en buigbare flexibele temperatuursensor toepassingen. Gebruikt voor medische hechten, een van de eenvoudigste en meest gebruikte apparaten in de klinische geneeskunde. Een is een ultra-dunne hechtlijn gebaseerd op de geïntegreerde Au thermische actuator en silicium nanodiode temperatuursensor op het biovezels membraan. De andere hechtlijn is twee 1×4 Pt metaal temperatuursensorarrays gevormd tussen Au draden aan beide kanten van het substraat. Om het doel te bereiken om biologische wonden te helpen genezen en wondherstel te monitoren. Het is vol uitdagingen om halfgeleiderapparaten en sensoren en andere componenten op een biologisch aangepast platform te bouwen dat de flexibele gekromde oppervlakte van het menselijk lichaam aanraakt.

Zoals we alle weten, zullen sommige operaties objecten anders dan de lichaamsweefsels zoals metalen platen, stents, pacemakers, implantaten, etc., achterlaten in het lichaam, wat ongemak voor het lichaam veroorzaakt [192]. De ontwikkeling van absorbeerbare apparaten zal chirurgische implantatieapparatuur na-operatieve problemen optimaliseren, het operatierisico en de moeilijkheid van na-wondgenezing verminderen. Kang et al. [193] rapporteerden een multifunctionele silicium sensor. Het experiment van het implanteren van de sensor in rattenhersenen bewijst dat alle materialen (polylactide-glycolzuur, silicium nanomembraanen (Si-NMs), nanoporeus silicium, SiO₂) die de sensor vormen, natuurlijk geabsorbeerd kunnen worden door hydrolyse en/of metabolisme, zonder opnieuw te hoeven extracteren. Het kan continu parameters zoals intracraniële druk en temperatuur monitoren, wat de prestatievoordelen van absorbeerbare apparaten voor de behandeling van hersenletsel illustreert. Het opduiken van implanteerbare vasculaire stents biedt sterke steun voor de vlotte uitvoering van interventionele chirurgie. De vasculaire stent kan het bloedvat uitdienen door een continue structuur in het geblokkeerde bloedvat om de bloedstroom te herstellen. Echter, de ontsteking veroorzaakt door traditionele vasculaire stents in het lichaam voor lange tijd is nog steeds moeilijk te diagnosticeren en te genezen. Son et al. [194] introduceerden de bio-absorbeerbare elektronische stent (BES) toepassingen gebaseerd op bio-absorbeerbare en bio-inerte nanomaterialen (Fig. 11e,f). Geïntegreerde stroomsensing, temperatuurmonitoring, draadloze stroom/data transmissie, en ontstekingsonderdrukking, lokale medicijnafgave, en hyperthermie apparaat. De Mg temperatuur- en stroomsensor bestaat uit een hechtinglaag, een vezelvormige Mg weerstand (sensor eenheid), en een buitenste encapsulatielaag (MgO en polylactidezuur (PLA)) (zoals getoond in Fig. 12a). Experimentele studies hebben getoond dat het combineren van bio-absorbeerbare elektronische implantaten en bio-inerte therapeutische nanopartikels in intravasculaire slimme stent systemen nog niet erkend is.

Temperatuurvisualisatie maakt de functie van flexibele temperatuursensoren prominenter. Het compenseert de nadelen van traditionele infrarood beeldvormingsapparatuur die duur, ongunstig voor dragen, en onnauwkeurig in het meten van dynamische objecten zijn. Het verschijnen van hoge-intensiteit gefocuste ultrasone (HIFU [55]), slimme apparaten monitoring, en andere gelegenheden zal temperatuurmeting nauwkeuriger en nuttiger maken [195]. An et al. [196] ontwikkelden een PEDOT:PSS temperatuursensor met ultra-lange zilver nanovezels (AgNFs) en zilver nanodraden (AgNWs) hybride netwerk als hoge-prestaties transparante elektrode, laag, en gepatroneerde fabricage, met multiplexing technologie om een capacitieve flexibele en transparante multifunctionele sensorarray te creëren (Fig. 12b). De capaciteitsverandering is 17 keer hoger dan die van een patroonsensor die ook ITO elektroden gebruikt. In de toekomst kan de visuele weergave van vingerafdrukken, druk, en temperatuurveranderingen tussen de vingers op de flexibele sensor tegelijkertijd op slimme apparaten gerealiseerd worden. Toegepast in de vingerafdrukherkenning functie, kan de beveiligingsfunctie van slimme mobiele apparaten meer beveiliging verbeteren. Gao et al. [15] introduceerden een lichtemitterend apparaat dat een colorimetrische temperatuurindicator combineert met draadloze, gepatroneerde, en rekbare flexibele elektronische technologie. Een grootschalige thermochrome vloeistofkristal (TLC) pixelarray wordt gevormd op een dun elastisch substraat in combinatie met colorimetrische lezing en radiofrequentie (RF) aansturing om de thermische kenmerken van de huid te kartografieren. Onder de voorwaarde van non-invasiviteit, gebruikt het sensorsysteem radiofrequentie signalen om lokale verwarming te controleren om de hulptemperatuur te peilen en te kartografieren met hoge temperatuurnauwkeurigheid (50 mK) en hoge ruimtelijke resolutie. De bloedstroom onder de huid wordt geëvalueerd door de reactieve hyperemie test (zie Fig. 12c). Ook hydratatieanalyse reflecteert huidgezondheidsproblemen. De figuur verifieert dat het apparaat snel visueel kan reageren op kleine veranderingen in bloedstroom. Reflecteer cardiovasculaire en huidgezondheidsproblemen door hydratatieanalyse. Net als de fluoroscopie capaciteit van een infrarood camera, kan het apparaat gebruikt worden voor kerntemperatuur en wondgenezing monitoring, nabij-lichaam implantaatapparaat inspectie, maligne tumor kanker screening, en andere biomedische gerelateerde functies. De unieke eigenschap is dat het flexibele apparaat gelezen kan worden met een mobiele telefoon, en het langdurig gedragen kan worden. Het temperatuurvisualisatiesysteem biedt een massaal prospect voor de beschrijving van de thermische eigenschappen van de huid. Het pogt om nuttige indicatoren te bieden voor het bepalen van de menselijke gezondheid en fysiologische toestand. In een ander onderzoek, boden Kim et al. [197] een haalbaar idee met behulp van thermochrome materialen om temperatuurveranderingen direct te observeren. Het verschil is dat hun beschrijving van de temperatuurverandering geen specifieke numerieke weergave heeft, en alleen de benaderende temperatuurverandering bereik kan beoordelen. Echter, zoals getoond in Fig. 12d, optimaliseerde He et al. de nauwkeurigheid van de kartografiering van de temperatuur van thermochrome materialen, wat de specifieke waarde van de temperatuur nauwkeuriger kan weerspiegelen [198]. In toekomstig onderzoek zal de ontwikkeling van thermochrome materialen gevoelig voor temperatuur en die nauwkeurig op temperatuur kunnen reageren, ook geleidelijk een van de onderzoeksfocus worden. In het bijzonder, de reverse cushioning materiaal dat ze maakten toont een kleur vergelijkbaar met de menselijke huid. Bovendien gebruikten ze 3D-printtechnologie om de flexibele druksensor te fabriceren, wat het fabricageproces vereenvoudigt, omdat de sensorstructuurparameters aangepast kunnen worden, wat aanpasbare functies toont, en het doel van algehele structurele fabricage bereikt. In de toekomst is 3D-printen de beste kandidaat voor de ontwikkeling van unieke functionele structuren [199]. Omdat deze technologie de algehele fabricage van het apparaat kan bereiken, vereenvoudigt het het fabricageproces en garandeert geïntegreerde vormgevingsvereisten. Het zal ook enorme populariteit verkrijgen op het gebied van flexibele sensoren.

Conclusies

Dit artikel reviewt de recente onderzoeksvoortgang van hooggevoelige flexibele temperatuursensoren in lichaamstemperatuurmonitoring, warmtegevoelige materialen, fabricagestrategieën, basale prestaties, en toepassingen. Als een relatief stabiele dynamische variabele in het menselijk lichaam, kan lichaamstemperatuur of lokale temperatuur (trauma) onder de invloed van emoties of fysiologische activiteiten verschillende graden van kleine fluctuaties (ongeveer 0,5 °C) hebben. De monitoringtemperatuur van de flexibele temperatuursensor moet vergelijkbaar zijn. Traditionele infrarood camera's hebben kleinere temperatuurafloos (< 0,1 °C). Daarnaast is tijdige en snelle monitoring van lichaamstemperatuur een andere sleutel tot doorbraak. De huidige temperatuursensor responstijd kan binnen een paar milliseconden liggen, maar er is een probleem van te lange hersteltijd. Hoe het tijdsverschil tussen responstijd en hersteltijd te verkorten, zal direct de efficiëntie en capaciteit van sensor monitoring beïnvloeden. Met de ontwikkeling van multifunctionele sensoren, hoe wederzijdse interferentie tussen meerdere signalen te vermijden zodat de stimuli van de respectieve responsen tussen de signalen onafhankelijk kunnen reageren zonder wederzijdse interferentie en nauwkeurig kunnen uitvoeren, is een urgent probleem dat opgelost en geperfectioneerd moet worden voor het verbeteren van sensorprestaties. De ontwikkeling van flexibele temperatuursensoren toont ons een voorzienbare toekomst. In de toekomst zullen flexibele temperatuursensoren ook grootoppervlakte laagkost fabricage, hoge gevoeligheid, zelfvoorziening, visualisatie, zelfherstel, biologisch afbreekbaar, en draadloze remote sensing transmissie bereiken [200]. Verder worden andere functies geïntegreerd en in gebruik genomen. Het sorteren van de verzamelde temperatuurdata in het gezondheids big data platform kan de beste hulp en datasteun bieden voor toekomstige medische diagnose. Ook gepatroneerde micro-nano fabricagetechnologie is een goed voorstel voor laagkost massaproductie van sensoren. Gebaseerd op het relatief rijpe processtroom van het printproces, is de realisatie van geïntegreerde multifunctionele grootoppervlakte flexibele apparaten net om de hoek. De huidige flexibele temperatuursensor kan hogere gevoeligheid bereiken, maar sommige sensoren elimineren niet de interferentie van omgevingsfactoren op de temperatuursensor. In de toekomst kan de flexibele temperatuursensor gebruikt voor lichaamstemperatuurmonitoring inspanningen leveren om omgevingsinvloeden te bestrijden. Hoewel de flexibele sensor zelf kwetsbaar en licht kan zijn, moet het verbonden zijn met de voedingscircuit en de voeding, wat de algehele flexibiliteit aanzienlijk vermindert. In de toekomst, voor flexibele temperatuursensoren die lichaamstemperatuur monitoren, met de verdere optimalisatie van signalenverzamelingsmethoden, kan realtime visuele data draadloze transmissie gerealiseerd worden onder meer efficiënte zelfgevoede condities, wat een enorme verbetering zal zijn voor intelligente monitoringssystemen. De monitoring van de hulptemperatuur wordt sterk beïnvloed door de omgeving, terwijl de kerntemperatuur relatief stabiel is. De flexibele temperatuursensor gebruikt voor lichaamstemperatuurmonitoring kan aan het lichaamsoppervlak (voorhoofd, arm, oksel, etc.) gehecht worden om de hulptemperatuur te monitoren en zelfs te fluctueren. De kerntemperatuur met een klein bereik kan ook gemeten worden. Non-implanteerbare flexibele sensoren vereisen meer verbeteringen in draagbaarheid, bio-compatibiliteit, en duurzaamheid om te voldoen aan de behoeften van een breder bereik aan mensen en een flexibele toepassingsapparaat te worden dat voor iedereen beschikbaar is. Voor indringende flexibele temperatuursensoren, of in het intrusieproces of tijdens het gebruik van de sensor, is het minimaliseren van schade aan het lichaam de primaire overweging. Daarom is het verkennen en ontwikkelen van bio-compatibele of biologisch afbreekbare sensormaterialen en sensoren ongetwijfeld een verbeteringsrichting. Er zal geen afstoting of allergische reacties in het lichaam zijn door vreemde lichamen. In de toekomst zullen flexibele temperatuursensoren op veel gelegenheden om ons heen verschijnen. De verkenning van de ontwikkeling van flexibele temperatuursensoren met hoge prestaties, gemakkelijke fabricage, lage kosten, en brede toepassingsbereik zal doorgaan.

Beschikbaarheid van data en materialen

Niet van toepassing.

Afkortingen

PDMS:

Polydimethylsiloxaan

PI:

Polyimide

PU:

Polyurethaan

PET:

Polyethyleentereftalaat

PVA:

Polyvinylalcohol

PVB:

Polyvinylbutyraat

CTE:

Thermische uitdingscoëfficiënt

CB:

Roet

CNTs:

Koolstofnanobuizen

TCR:

Temperatuurcoëfficiënt van weerstand

EG:

Uitgezet graafiet

Gr:

Graafiet

PEO:

Polyethyleenoxide

PVDF:

Polyvinylidene fluoride

PEDOT:PSS:

Poly(3,4-ethylenedioxythiofeen)-poly(styreensulfonaat)

MWCNTs:

Multi-walled koolstofnanobuizen

SWCNTs:

Single-walled koolstofnanobuizen

GO:

Grafeneoxide

rGO:

Gereduceerde grafeneoxide

GNWs:

Grafene nanowalls

PECVD:

Plasma-enhanced chemical vapor deposition

TS:

Transparant en rekbaar

Au:

Goud

Ag:

Zilver

Cu:

Koper

Pt:

Platina

Ni:

Nikkel

Al:

Aluminium

MEMS:

Micro-electro-mechanisch systeem

Cr:

Chroom

OTFT:

Organische dunne-film transistor

NPs:

Nanopartikels

PE:

Polyethyleen

PTC:

Positieve temperatuurcoëfficiënt

VO₂:

Vanadiumdioxide

PAD:

Polymer-geassisteerde depositie

NiO:

Nikkeloxide

P3HT:

Poly(3-hexylthiofeen)

PPy:

Polypyrrol

pNIPAM:

Poly(N-isopropylacrylamide)

SEBS:

Polystyreen-block-poly(ethyleen-ran-butyleen)-block-polystyreen

PDPPFT4:

Poly(diketopyrrolopyrrole-[3,2-b]thieno[2′,3′:4,5]thieno[2,3-d]thiofeen])

PII2T:

Poly(isoindigo-bithiofeen)

OSCs:

Organische halfgeleiders

TENG:

Thermo-elektrische nanogenerator

DN:

Dubbel-netwerk

DMSO:

Dimethylsulfoxide

P(VDF-TrFE):

Copolymeer polyvinylidene fluoride

IR:

Infrarood

FET:

Veld-effect transistor

BT:

BaTiO₃

ZnO:

Zinkoxide

MFSOTE:

Microstructuur-geramde organische thermo-elektrische

PVD:

Fysieke dampdepositie

CVD:

Chemische dampdepositie

AlPcCl:

Aluminium ftalocyanine chloride

RF-PECVD:

Radiofrequentie plasma versterkte chemische dampdepositie

FCCVD:

Drijvende katalysator chemische dampdepositie

PEI:

Polyetherimide

LS:

Laser schrijven

R2R:

Roll-to-roll

EES:

Elektronische huid systeem

LDW:

Laser direct schrijven

GNR:

Grafene nanoribbon

tascPLA:

Drie-arm drie-dimensionale composiet polylactide, polylactide

XRD:

X-straal diffractie

m-LRS:

Laser-geïnduceerde reductie sintering

NTC:

Negatieve temperatuurcoëfficiënt

ITO:

Indium tin oxide

LEDs:

Lichtemitterende diodes

ECG:

Elektrocardiogram

DDP:

Medicijnafgavepomp

FWHS:

Flexibele wondgenezingssysteem

FWTSD:

Flexibele wondtemperatuursensorapparaat

UV:

Ultraviolett

Si-NMs:

Silicium nanomembraanen

BES:

Bio-absorbeerbare elektronische stent

HIFU:

Hoge-intensiteit gefocuste ultrasone

AgNFs:

Zilver nanovezels

AgNWs:

Zilver nanodraden

TLC:

Thermochrome vloeistofkristal

RF:

Radiofrequentie