Mini-Rezension zu flexibler und tragbarer Elektronik zur Überwachung von Gesundheitsinformationen

Einführung

Seit den 1950er Jahren hat der Aufstieg der siliziumbasierten Halbleitertechnologie die Entwicklung der Informationstechnologieindustrie stark gefördert und das Leben der Menschen dramatisch verändert. Mit der Beschleunigung der weltweiten Informationisierung und der Entwicklung des Internets der Dinge (IoT) steht die konventionelle siliziumbasierte Elektronik mit hohem Young-Modul jedoch vor neuen Herausforderungen. In den letzten Jahrzehnten hat flexible und tragbare Elektronik zunehmendes Interesse geweckt und ist zu einem heißen Thema in der Wissenschaftswelt geworden. Im Gegensatz zu starren elektronischen Geräten auf Siliziumbasis weist flexible Elektronik viele einzigartige überlegene Eigenschaften auf, wie z. B. hohe Flexibilität, ultraleichtes Gewicht und Konformität, die den Einsatz flexibler und tragbarer Elektronik in einem breiteren Anwendungsbereich ermöglichen.

Insbesondere besteht ein wachsendes Interesse an flexiblen und tragbaren medizinischen Geräten zur regelmäßigen und kontinuierlichen Überwachung von Gesundheitsinformationen des Menschen. Neue Geräte werden erfunden, um die Vitalparameter so komfortabel wie möglich kontinuierlich zu überwachen. Diese tragbaren medizinischen elektronischen Geräte können verschiedene Gesundheitsindikatoren wie Herzfrequenz, Puls, Körpertemperatur, Blutzucker usw. nichtinvasiv in Echtzeit messen, indem sie einfach an der menschlichen Körperoberfläche angebracht werden. Die Echtzeitüberwachung von Vitalparametern kann Benutzer und Gesundheitsdienstleister auf weitere medizinische Versorgung aufmerksam machen, wenn die körperlichen Gesundheitsindikatoren einer Person abnormal sind, und so vermeiden, dass die beste Behandlungszeit verpasst wird. Außerdem kann die flexible Elektronik nach Belieben verformt werden und verschiedene Signale mit extrem hoher Empfindlichkeit erkennen, sodass sie in der künstlichen elektronischen Haut, der Bewegungserkennung, der Telemedizin und der häuslichen Gesundheitsversorgung verwendet werden kann. Es besteht kein Zweifel, dass die flexible und tragbare Elektronik der nächsten Generation zu einer Revolution in der menschlichen Lebensweise führen wird.

Beträchtliche Anstrengungen wurden in die Produktion und Entwicklung tragbarer Elektronik investiert und in den letzten Jahren wurden aufregende Fortschritte bei neuen Materialien, neuen Verfahren und Sensormechanismen gemacht. Wie in Abb. 1 gezeigt, konzentriert sich dieser Übersichtsartikel auf die Entwicklung tragbarer Elektronik zur Überwachung von Gesundheitsinformationen und diskutiert deren allgemeine Arbeitsprinzipien anhand einiger erfolgreicher Beispiele. In Abschnitt 2 stellen wir Kraftsensoren zur Messung der Mikrobelastung der Körperoberfläche vor, die durch Hämokinese und menschliche Aktivität verursacht wird. Insbesondere diese mikrostrukturierten Stress- oder Drucksensoren haben eine extrem hohe Empfindlichkeit und können zur Erkennung des Pulses [1, 2], der Stimme [3] und der menschlichen Bewegung [4] verwendet werden. In Abschnitt 3 werden Temperatursensoren zum Erfassen und Kartieren der Hauttemperatur behandelt. Bei Temperatursensoren konzentrieren wir uns auf einige Lösungen zur Verbesserung der Dehnbarkeit und zur Entkopplung von Dehnungsstörungen von Temperatureinflüssen. Neben physikalischen Signalen werden auch biologische Signale durch die normale Aktivität des menschlichen Körpers erzeugt. Physiologische biochemische Sensoren zur Überwachung physiologischer Biomarker werden in Abschnitt 4 beschrieben. In Abschnitt 5 beschreiben wir einige multifunktionale Sensoren, die mehrere empfindliche Elemente integriert haben, um eine gleichzeitige Mehrkanal-Signalerkennung durchzuführen. Um den autarken Betrieb tragbarer Elektronik wirklich zu realisieren, sind einige praktische Funktionsmodule wie energieautarke Komponenten und Datenverarbeitungsmodule notwendig, die in Abschnitt 6 kurz vorgestellt werden. Abschließend fassen wir die Entwicklungen flexibler und tragbarer Elektronik zur Überwachung von Menschen zusammen Gesundheitsinformationen in den letzten Jahren und erkunden Sie die Perspektive einer flexiblen und tragbaren Elektronik zur Überwachung von Gesundheitsinformationen.

Eine visuelle Zusammenfassung der jüngsten Entwicklung tragbarer Elektronik zur Überwachung von Gesundheitsinformationen

Flexible Kraftsensoren

Der Kraftsensor ist ein Sensor, der die Werte mechanischer Kräfte wie Zug, Druck, Drehmoment, Spannung und Dehnung erfassen und in elektrische Signale umwandeln kann. Die verschiedenen physikalischen Reize, die durch regelmäßige physiologische Aktivitäten des menschlichen Körpers erzeugt werden, enthalten viele wichtige Gesundheitsinformationen, beispielsweise Herzschlagfrequenz, Muskelbewegung, Atemfrequenz und Blutdruck. Die meisten herkömmlichen Kraftsensoren sind sperrig und schwer, da sie hauptsächlich auf Metall- und Halbleitermaterialien basieren, und sie sind aufgrund ihrer stark eingeschränkten Tragbarkeit und Flexibilität nicht für tragbare Elektronik zur Überwachung der Vitalfunktionen des menschlichen Körpers geeignet. Im Vergleich zu herkömmlichen Kraftsensoren haben flexible Kraftsensoren mit Kunststoff- und Elastomersubstraten eine Reihe von Vorteilen, wie beispielsweise bessere Biokompatibilität, Dehnbarkeit, Transparenz, Tragbarkeit und Fähigkeit zur kontinuierlichen Erkennung. Wir werden unten erörtern, dass die flexiblen Kraftsensoren in Widerstandssensoren, kapazitive Sensoren und piezoelektrische Sensoren unterteilt werden können.

Widerstandskraftsensoren

Ein resistiver Sensor ist ein Sensor, der die Widerstandsänderung empfindlicher Materialien durch einen externen Reiz in ein elektrisches Signal umwandelt. Die aktiven Materialien flexibler Widerstandskraftsensoren sind in der Regel Elastomer-Komposite, die durch den Einbau leitfähiger Füllstoffe wie Graphen [5, 6], Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNTs) [7,8,9,10, 11], metallischer Dünnfilm, Nanodrähte, Partikel [12,13,14] und leitfähige Polymere [15] in Elastomere (zB PDMS, PU, ​​SEBS). Die Widerstandsänderung des Sensors wird hauptsächlich durch die folgenden drei Faktoren verursacht:(1) Änderungen der Geometrie sensitiver Elemente [15], (2) die Änderung der Lücke zwischen Nanopartikeln oder Nanodrähten [5,6,7,8, 9,10, 13, 14] und (3) Änderungen des Kontaktwiderstands zwischen verschiedenen Materialschichten [12, 11]. Piezoresistive Sensoren haben aufgrund ihres geringen Stromverbrauchs, ihrer einfachen Herstellungsverfahren und ihrer breiten Anwendung große Aufmerksamkeit auf sich gezogen [16].

Die Verwendung von Substraten mit mikrostrukturierter Oberfläche bietet eine effektive Möglichkeit, hochempfindliche piezoresistive Kraftsensoren herzustellen. Wie in Abb. 2a, b gezeigt, haben Choong et al. [15] berichteten über einen flexiblen piezoresistiven Sensor, bei dem ein Mikropyramid-Polydimethylsiloxan (PDMS)-Array verwendet wurde, um die Druckempfindlichkeit des Sensors zu erhöhen. Diese Arbeit bewies, dass die Verwendung eines Mikropyramidensubstrats die durch Druck oder Dehnung induzierte Geometrieänderung der leitfähigen Elektrode maximieren und die Empfindlichkeit signifikant verbessern kann (Abb. 2c). Wie aus Fig. 2d ersichtlich ist, weist der Sensor ein gutes lineares Ansprechverhalten auf Druck auf. Die Herstellung der Mikropyramidenstruktur basierte jedoch auf Si-Formen, die unter einem komplizierten Herstellungsprozess und hohen Kosten litten [1, 3]. Wanget al. [1] verwendeten ein Stück zarten Seidenschals als Form, um ein mikrostrukturiertes PDMS-Substrat herzustellen. In ihrer Arbeit wurde ein freistehender ultradünner Film aus einwandigen Kohlenstoffnanoröhren (SWCNTs) auf die mikrostrukturierte Oberfläche übertragen und der Sensor wurde aufgebaut, indem zwei Schichten von SWCNTs/PDMS-Filmen gegenüberliegend angeordnet wurden. Der Sensor mit Oberflächenmikrostruktur, der unter Verwendung von Seide als Vorlage hergestellt wurde, demonstrierte eine hohe Empfindlichkeit, schnelle Reaktionszeit, große Stabilität, eine extrem niedrige Nachweisgrenze und eine hervorragende Erfassungsleistung bei der Spracherkennung und Pulserkennung in Echtzeit. Außerdem haben Su et al. [17] berichteten über einen PDMS-Dünnfilm mit einem unregelmäßigen Mikrodomänenmuster unter Verwendung von Mimosenblättern. Weiet al. [18] stellten PDMS-Filme mit Mikrodome-Struktur unter Verwendung von geschliffenen Glassubstraten her. Diese Bemühungen lieferten einfache und kostengünstige Verfahren zur Herstellung großflächiger Dünnfilmsubstrate mit Mikrostruktur und erzielten gute Ergebnisse bei der Verbesserung der Empfindlichkeit piezoresistiver Sensoren. Inhärent mikrostrukturierte flexible Materialien, zum Beispiel Papiere [4], Textilien [19], Pflanzen und pflanzliche Biomaterialien [20, 21], haben ein breites Interesse als Substrate gefunden. Taoet al. [4] berichtete über graphen-/papierbasierte Drucksensoren zur Erkennung menschlicher Aktivitäten. Sie vermischten das Seidenpapier mit der Graphenoxid (GO)-Lösung, um ein GO-Papier zu erhalten. Nach mehrstündigem Erhitzen im Trockenofen wurde das GO-Papier reduziert, um einen leitfähigen rGO/Papier-Verbundstoff zu ergeben. Die Empfindlichkeit des papierbasierten Sensors im Druckbereich von 0–20 kPa variiert mit der Anzahl der Lagen des Tissuepapiers. Der achtschichtige Sensor erreicht eine maximale Empfindlichkeit von 17,2 kPa ⁻¹ im Bereich von 0–2 kPa. Der graphen-/papierbasierte Drucksensor zeigte großes Potenzial bei der Überwachung von Handgelenkspuls, Atmung, Sprech- und Bewegungszuständen. Darüber hinaus haben Yang et al. [19] stellten einen tragbaren Dehnungssensor her, indem sie GO-Blätter auf einem Polyestergewebe-Substrat thermisch zu Graphen-Blättern reduzierten. Das Gewebesubstrat mit verwobener Struktur verleiht dem Sensor einige besondere Ansprecheigenschaften, einschließlich eines extrem hohen negativen Widerstands-Dehnungs-Koeffizienten und einer einzigartigen Richtungsempfindlichkeit. Der so vorbereitete Textildehnungssensor kann perfekt in die Kleidung integriert werden, um menschliche Bewegungen wie Puls, Mundbewegung, Gesichtsausdruck usw. in Echtzeit zu überwachen.

a Herstellungsprozess eines Mikropyramiden-PDMS-Arrays. b Schematische Darstellung des Sensorprinzips des Sensors mit Mikropyramidenstruktur unter äußerer Krafteinwirkung. c Verbesserte Empfindlichkeit von Pyramidensensoren im Vergleich zu unstrukturierten Sensoren. d Lineares Druckverhalten von Mikropyramidensensoren bei Dehnung. Angepasst mit Genehmigung von ref. 10. Copyright 2014 John Wiley und Söhne

Die Einbettung von leitfähigen Materialien mit poröser Struktur in eine Elastomermatrix zum Aufbau von zwei- oder dreidimensionalen leitfähigen Netzwerken ist ein weiterer Ansatz, um bei Widerstandskraftsensoren eine hohe Empfindlichkeit zu erreichen [7, 22, 23, 19, 24]. Die durch äußere Kräfte verursachte Verformung verändert die räumliche Verteilungsdichte leitfähiger Materialien und damit den Widerstand des Sensors. Wie in Fig. 3a gezeigt, haben Wang et al. [7] stellten hohlkugelige leitfähige Verbundwerkstoffe her, indem sie Mikrokapseln aus Sonnenblumenpollen (SFP) mit mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhren (MWCNT) kombinierten und diese dann zu PDMS hinzufügten, um einen MWCNT/PDMS-Verbundfilm herzustellen. Ein E-Skin-Gerät wurde hergestellt, indem dieser MWCNT/PDMS-Verbundfilm zwischen zwei leitfähige Elektroden gelegt wurde. Wie in Abb. 3b–d gezeigt, ermöglichte diese Hohlkugelarchitektur, die durch Mikrokapseln auf Pollenbasis eingeführt wurde, dem Sensor im Vergleich zu einem planaren Sensor eine höhere Empfindlichkeit, eine schnellere Relaxationszeit und eine sehr hohe Stabilität. Der Sensor könnte gleichzeitig Druck und Dehnung dynamisch erfassen, wenn er an einem menschlichen Finger oder einer menschlichen Kehle angebracht wird. Liet al. [23] stellten eine einfache Methode zum Aufbau poröser leitfähiger Netzwerke vor, indem Seidenpapier über einen Hochtemperatur-Pyrolyseprozess in Kohlepapier (CP) umgewandelt wurde. Abbildung 3e ist das SEM-Bild des Kohlepapiers. Ein hochempfindlicher Dehnungssensor aus Kohlepapier und PDMS-Harz wurde erfolgreich durch einen einfachen Vakuuminfusionsprozess hergestellt. Die poröse Struktur verleiht dem Sensor eine extrem hohe Empfindlichkeit gegenüber ausgeübter Belastung, fast eine Größenordnung höher als die eines herkömmlichen metallischen Sensors. Wie in Fig. 3f, 3 gezeigt, demonstriert der CP/PDMS-Sensor die Überwachung des Atems eines Erwachsenen und der Geste einer menschlichen Hand durch die Integration mit einem Gürtel bzw. einem Handschuh. Leeet al. [22] stellten druckempfindliche Nanofasern mit poröser Struktur unter Verwendung eines Elektrospinnverfahrens her. Das leitende Nanomaterial (CNTs und Graphen) wurde gleichmäßig innerhalb der Nanofasern verteilt, um die Wahrnehmungsfähigkeit zu verbessern. Aufgrund der nanoporösen Struktur zeigte der Drucksensor vom Widerstandstyp, der unter Verwendung dieser Verbundnanofasern hergestellt wurde, eine hohe Empfindlichkeit gegenüber druckinduzierter Verformung und eine ausgezeichnete Anpassungsfähigkeit an dreidimensionale Strukturen.

a Schematische Darstellung des Mechanismus des Sensors mit Hohlkugelstruktur induziert durch Sonnenblumenpollen-Mikrokapseln unter Druck. b Transiente Reaktion von SFP-basierter Verbundfolie (CF) und planarem CF unter 600 Pa Druck. c Relaxationszeit der beiden zugehörigen Sensoren. d Stabilitätstest von SFP-basiertem CF bei 80 Pa. Angepasst mit Genehmigung aus Lit. 3. Copyright 2017 Elsevier. e Das REM-Bild des umgewandelten Kohlepapiers. f , g Überwachung des Atems (f ) und Geste (g ) eines Erwachsenen durch den CP/PDMS-Sensor. Angepasst mit Genehmigung von ref. 63. Copyright 2017 American Chemical Society

Kapazitive Kraftsensoren

Kapazitive Sensoren können auf Änderungen der externen Kräfte durch Kapazitätsänderungen reagieren. Ein Kondensator besteht im Allgemeinen aus einer dielektrischen Schicht, die zwischen zwei leitfähigen Platten eingeschlossen ist. Die zur Berechnung der Kapazität verwendete Formel lautet \( C=\frac{\varepsilon_0{\varepsilon}_rA}{d} \), wobei ε₀ ist die Vakuumpermittivität, ε_r ist die relative Permittivität des Dielektrikums, A die effektive Überlappungsfläche der beiden leitfähigen Platten ist und d ist der Abstand zwischen den beiden leitenden Platten. Die Elektroden flexibler kapazitiver Kraftsensoren verwenden normalerweise CNTs [25], Ag-Nanodrähte [26, 3] und leitfähige ionische Materialien [27]. Elastische Materialien mit niedrigem Modul, einschließlich PDMS, SEBS und Ecoflex, sind gute Kandidaten für dielektrische Schichten.

Die Erfassungsfähigkeit kapazitiver Sensoren kann durch Mikrostrukturierung von Elektroden oder dielektrischen Schichten deutlich verbessert werden [3, 2, 28]. Wie in Abb. 4a–d gezeigt, haben Quan et al. [3] verwendeten mattes Oberflächenglas als Template, um mikrostrukturierte PDMS-Filme als Elektrodensubstrate für flexible kapazitive Sensoren herzustellen. Sie verglichen Sensoren mit mikrostrukturierten Elektroden mit denen ohne. Die Ergebnisse in Abb. 4e–g zeigen, dass Sensoren mit Mikrostruktur eine höhere Empfindlichkeit, niedrigere Nachweisgrenzen und eine schnellere Ansprechzeit aufweisen. Kang et al. [28] entwickelten einen leistungsstarken kapazitiven Drucksensor basierend auf einer schwammartigen porösen dielektrischen Schicht. Die schwammartige poröse Struktur wurde durch Beschichten eines mit Polymermikrokügelchen gestapelten Siliziumsubstrats mit PDMS und anschließendes Auflösen der Polymermikrokügelchen erreicht. Der poröse PDMS-Film wurde dann auf eine ITO-Dünnfilmelektrode übertragen, wodurch ein kapazitiver Sensor mit ultrahoher Empfindlichkeit und hoher Stabilität entstand. Die Empfindlichkeit poröser PDMS-Drucksensoren ist mehr als achtmal höher als die von Sensoren auf Basis von blankem PDMS-Film. Der Grund für die bessere Leistung des mikrostrukturierten kapazitiven Sensors kann auf die folgenden zwei Punkte zurückgeführt werden. Zum einen verbessert die Strukturierung des Elastomerelektrodensubstrats oder der dielektrischen Schicht die Kompressibilität der Vorrichtung. Zum anderen fügen Mikroarchitekturen Lufthohlräume zwischen den leitenden Platten des Kondensators auf geordnete Weise hinzu, was die Permittivität unter Druck veränderbar macht. Wenn eine externe Kraft auf den Sensor ausgeübt wird, um eine Verformung zu verursachen, nimmt das Gesamtvolumen der Luftporen in der dielektrischen Schicht ab und die Permittivität der dielektrischen Luft/Elastomer-Hybridschicht erhöht sich, so dass der Anstieg des Kapazitätswerts kapazitiver Sensoren um zwei Faktoren:die Verringerung des Plattenabstands und die Erhöhung der Permittivität. Außerdem haben Pang et al. [2] entwickelten einen hochempfindlichen Drucksensor mit einer pyramidenförmigen dielektrischen PDMS-Schicht und einer mikrohaarstrukturierten Grenzfläche, wie in Abb. 5a, b dargestellt. In Abbildung 5c–f wurden die Testergebnisse der Radialarterie von vier Sensoren mit unterschiedlicher Schnittstellengeometrie verglichen, was zeigte, dass die mikrohaarige Schnittstelle offensichtlich das Signal-Rausch-Verhältnis von kapazitiven Drucksensoren verbessern kann.

a –d SEM-Bild der Draufsicht (a ) und Seitenansicht (b ) eines unstrukturierten PDMS-Films, REM-Aufnahme der Draufsicht (c ) und Seitenansicht (d ) eines mikrostrukturierten PDMS-Films. e Vergleich der relativen Antworten der Sensoren mit unterschiedlichen Strukturen. f Empfindlichkeitsprüfung der beiden strukturierten Sensoren. g Die Reaktion der beiden strukturierten Sensoren unter 1 Pa Druck. Angepasst mit Genehmigung von ref. 18. Copyright 2017 Elsevier

a Schematische Darstellung des Mikrohaar-strukturierten Sensors. b REM-Aufnahme der Mikrohaarstruktur mit unterschiedlichen Aspektverhältnissen. c –f Radialarterientest mit vier Geräten mit unterschiedlichen Schnittstellengeometrien:c flache Oberfläche, mikrohaarige Struktur mit Aspektverhältnissen von d 3, e 6 und f 10

Um die Empfindlichkeit zu verbessern, ist die Integration mit organischen Feldeffekttransistoren (OFET) auch ein viel untersuchtes Projekt für kapazitive Sensoren. In OFET-Bauelementen hängt der Source-Drain-Strom direkt von der dielektrischen Gate-Kapazität ab. Schwartz et al. [29] berichteten über hochempfindliche OFET-E-Skin-Geräte mit mikrostrukturiertem PDMS-Film als dielektrische Schicht und einem neuartigen konjugierten Polymer, Polyisoindigobithiophen-Siloxan (PiI2T-Si) [30] als Halbleiter. Das OFET-Gerät, das ein mikrostrukturiertes PDMS-Dielektrikum integriert, erreichte eine ultrahohe Empfindlichkeit (8,4 kPa ⁻ 1) im Niederdruckbereich < 8 kPa sowie schnelle Reaktionszeit (< 10 ms). Diese überlegenen Fähigkeiten demonstrierten, dass ein solches Gerät vielversprechend für High-Fidelity-Messungen der Pulswelle am Handgelenk ist.

Im Vergleich zu resistiven Sensoren haben kapazitive Sensoren im Allgemeinen eine höhere Empfindlichkeit und niedrigere Nachweisgrenzen. Ihr schlechtes Linearitätsverhalten und ihre Anfälligkeit für parasitäre Kapazitäten und Streukapazitäten können jedoch bei praktischen Anwendungen eine Herausforderung darstellen.

Piezoelektrische Kraftsensoren

Piezoelektrischer Effekt bezieht sich auf das Phänomen, dass die mechanischen Stimuli einige anisotrope kristalline Materialien verformen und die Polarisation von internen Dipolen verursachen, was zu Potentialunterschieden zwischen den beiden gegenüberliegenden Oberflächen der Kristalle führt. Aufgrund der einzigartigen Eigenschaften piezoelektrischer Materialien sind piezoelektrische Sensoren mit schneller Reaktionszeit in der Lage, hochfrequente dynamische Signale effizient zu messen und sind für Geräte mit eigener Stromversorgung sehr vielversprechend.

Piezoelektrische Materialien, die üblicherweise in flexiblen Sensoren verwendet werden, umfassen P(VDF-TrFE) [31, 32], ZnO [33], PbTiO3 [34] und PZT [35, 36] usw. P(VDF-TrFE) ist eines der am häufigsten verwendeten bevorzugte Materialien für flexible piezoelektrische Sensoren aufgrund ihrer Flexibilität, des einfachen Herstellungsprozesses, der bemerkenswerten Stabilität und des großen piezoelektrischen Koeffizienten. Persanoet al. [31] berichteten über einen flexiblen piezoelektrischen Sensor, der auf ausgerichteten P(VDF-TrFE)-Faserarrays basiert, die durch Elektrospinnen hergestellt wurden. Dieser einfache Drucksensor weist selbst im extrem kleinen Druckbereich (ca. 0,1 Pa) eine hervorragende Erfassungsleistung auf. Die Ergebnisse legten ein außergewöhnliches Anwendungspotenzial in der Bewegungserkennung und Roboterelektronik nahe. Obwohl anorganische Materialien nicht flexibel genug sind, können viele nanoskalige anorganische Materialien und Polymer-Keramik-Nanokomposite (wie ZnO-NWs [33], PZT-Nanobänder [35] und Nanoblätter [36] sowie P(VDF-TrFE)/BaTiO₃ Nanokomposit [4]) kann eine gewisse Flexibilität aufweisen. Shinet al. [33] verwendeten Lithium(Li)-dotierte ZnO-NWs, verpackt in PDMS, als Sensorelement. Die piezoelektrische Ausgangsspannung der Li-dotierten ZnO-NW-PDMS-Komposite war eine Funktion der aufgebrachten Kraft und Frequenz. Die hergestellten Geräte waren in der Lage, unmittelbare Informationen über menschliche Bewegungen bereitzustellen, was für die Anwendung elektronischer Hautgeräte zur Überwachung der menschlichen Aktivität von großer Bedeutung ist. Die piezoelektrischen Sensoren sind besonders nützlich für die Erfassung dynamischer physikalischer Reize, weisen jedoch keine gute Leistung bei der Messung von statischen Signalen auf. Dies liegt daran, dass das von piezoelektrischen Materialien erzeugte Spannungssignal nur in dem Moment erscheint, in dem Druck ausgeübt oder weggenommen wird. Um dieses Problem zu lösen, haben Chen et al. [34] berichteten über einen flexiblen piezoelektrischen Drucksensor zur statischen Messung auf Basis von PbTiO₃ Nanodrähte (PTNWs)/Graphen-Heterostruktur. In diesem Gerät wirkten die durch die Spannung in PTNWs induzierten Polarisationsladungen als geladene Verunreinigungen in Graphen und beeinflussten dessen Ladungsträgermobilität. Der Arbeitsmechanismus besteht darin, dass die Polarisationsladungen in PTNWs die Streuung von Ladungsträgern in Graphen erhöhen, was zu einer verringerten Ladungsträgermobilität führt. Basierend auf dem oben genannten Mechanismus, wie in Abb. 6 gezeigt, besaß dieser Heterostruktursensor eine höhere Empfindlichkeit als intrinsische CVD-gewachsene Graphen-Drucksensoren [37, 38] und war in der Lage, statische mechanische Signale zu messen.

Druckantwort eines PTNW-basierten Drucksensors (links) und eines PTNWs/Graphen-Transistors unter einem Druckpuls. Angepasst mit Genehmigung von ref. 25. Copyright 2017 American Chemical Society

Flexible Temperatursensoren

Die Temperaturerfassung ist ein wichtiger Bestandteil von Sensorgeräten. Die Körpertemperatur kann die körperliche Verfassung von Menschen zu einem großen Teil widerspiegeln. Die Körperkerntemperatur gesunder Menschen ist relativ konstant und liegt im Allgemeinen zwischen 36,2 und 37,2 °C. Sie ist unabhängig von der Umgebung, während die Gehäusetemperatur sowohl durch physikalische Bedingungen als auch durch die Umgebungstemperatur beeinflusst werden kann. Abnormale Veränderungen der Körpertemperatur weisen normalerweise auf einen schlechten Gesundheitszustand hin. Beispielsweise ist eine erhöhte Körpertemperatur das Symptom von Fieber oder einer Infektion, während eine erniedrigte Körpertemperatur wahrscheinlich eine Anämie bedeutet. Für die Echtzeit-Erfassung der Temperatur in E-Skin-Geräten wurden viele Arten von flexiblen Temperatursensoren entwickelt.

Widerstandsfähige Temperatursensoren

Die Temperaturerfassung durch Widerstandsänderungen empfindlicher Materialien ist die am häufigsten verwendete Methode zur Temperaturmessung in hautähnlichen elektronischen Geräten. Der Temperaturkoeffizient des Widerstands (TCR) ist ein wichtiger Indikator für die Empfindlichkeit von resistiven Temperatursensoren. Sie ist definiert als die relative Widerstandsänderung bei einer Temperaturänderung um 1 °C. Es wurde über verschiedene resistive Temperatursensoren berichtet, die reine Metallelemente (Pt, Au, Cu) [39,40,41,42], Metalloxidpartikel [43], Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNT)-Polymerkomposite [8, 9] und Graphen verwenden [44, 45] als sensible Materialien.

Metalle werden aufgrund ihrer Temperaturempfindlichkeit seit langem zur Temperaturerfassung verwendet. Der Detektionsmechanismus kann dadurch erklärt werden, dass der Temperaturanstieg die thermische Schwingung des Gitters verstärkt, was zu einer verstärkten Streuung der Elektronenwelle führt und somit den spezifischen Widerstand erhöht. Herkömmliche Temperatursensoren auf Metallbasis bieten eine begrenzte Dehnbarkeit oder Biegbarkeit. Als wirksamer Weg zur Überwindung der Beschränkungen wurde bescheinigt, dass die Konstruktionstechnik wie Faltenbeulen, hufeisenförmige Inline-Struktur und Starrinsel-Design [39, 41, 46] wirksam ist. Wie in Abb. 7a, b gezeigt, haben Yu et al. [39] entwickelten einen dehnbaren Temperatursensor basierend auf gewellten Dünnfilm-Sensorelementen auf einem elastischen Substrat. Der Sensor wurde durch Sputtern eines dünnen Cr/Au-Films (5 nm/20 nm) auf einem vorgestreckten 30% flexiblen Substrat hergestellt. Wie in Fig. 7c, d gezeigt, ermöglicht die periodisch gewellte Geometrie, die durch das Aufheben der Vorspannung gebildet wird, der Vorrichtung eine Dehnung von bis zu 30% mechanischer Spannung bei unveränderter Leistung. Webb et al. [41] berichteten über ein ultradünnes, nachgiebiges, hautähnliches Temperatursensor-Array mit einem dünnen (50 nm), schmalen (20 μm) dünnen Goldfilm in Form von Serpentinen, der durch mikrolithographische Techniken hergestellt wurde. Bei Implementierung mit fortschrittlichen Modellierungs- und Analysetechniken waren die dehnbaren elektronischen Systeme in der Lage, die Hüllentemperatur mit einer Genauigkeit von Millikelvin nicht-invasiv zu kartieren.

a Schema der dehnbaren Sensoren mit periodisch wellenförmigen Mustern. b REM des dehnbaren Temperatursensors. c Änderungen des Widerstandswerts des Sensors bei kontinuierlicher Dehnung des Sensors von 2,25 auf 30 %. d Die Beziehung zwischen Widerstand und Temperatur eines dehnbaren Sensors mit Dehnungen von 0 %, 5 % und 10 %. Angepasst mit Genehmigung von ref. 29. Copyright 2009 AIP Publishing

Die oben genannten Arbeiten haben die Flexibilität von metallbasierten Temperatursensoren effektiv verbessert, aber die in diesen Geräten verwendeten strukturtechnischen Methoden begrenzten die Dehnbarkeit auf 25–30%. Um die Zuggrenze flexibler Temperatursensoren weiter zu durchbrechen, ist die Verwendung von inhärent dehnbaren Materialien erforderlich. Harada und Mitarbeiter [8, 9] stellten flexible Temperatursensoren auf Basis von Poly(3,4-ethylendioxythiophen)-poly(styrolsulfonat) (PEDOT:PSS)-CNT-Verbundfolie vor, die durch ein Druckverfahren hergestellt wurden. Die Empfindlichkeit des gemischten Temperatursensors PEDOT:PSS-CNT beträgt 0,25 bis 0,63 %/°C in verschiedenen zusammengesetzten Verhältnissen der CNT-Paste und der PEDOT:PSS-Lösung, was besser ist als bei Temperatursensoren auf Metallbasis [39,40,41, 42]. Wie in Fig. 8a, b gezeigt, haben Yan et al. [45] entwickelten einen dehnbaren Thermistor auf Graphenbasis unter Verwendung einer lithographischen Filtrationsmethode, um einen Graphen-Detektionskanal mit mikroporöser Struktur herzustellen. Das Gerät weist eine hohe intrinsische Dehnbarkeit von bis zu 50% auf und sein TCR kann durch mechanische Belastung effektiv eingestellt werden, wie in Abb. 8c, d gezeigt. Die Dehnungsabhängigkeit ist jedoch für tragbare Sensoren nicht ideal, da das Dehnen oder Verdrehen des Sensors den Widerstand des Thermistors ändern kann. Bei einer Sensorverformung ist es nicht möglich, Dehnungs- und Temperaturwerte aus einem einzigen Zahlensignal abzulesen. Es ist immer noch eine Herausforderung, den Einfluss von Dehnungseffekten auf die Temperaturerfassung in Thermistoren zu vermeiden, die mit inhärent dehnbaren Materialien hergestellt wurden. Um gleichzeitig eine hohe Dehnbarkeit und Dehnungsanpassungsfähigkeit zu erhalten, haben Zhu et al. [47] berichteten über einen Temperatursensor auf der Basis von CNT-Transistoren mit Dehnungsunterdrückungsfähigkeit durch den Entwurf von Differenzschaltungen (das Schaltbild wurde in Abb. 8e, f gezeigt). Ein einzelner dehnbarer Dünnschichttransistor mit nach supramolekularen Polymeren sortierten SWCNTs, die als Halbleiterkanal strukturiert sind, wurde als Temperaturerfassungsvorrichtung hergestellt. Dichte unsortierte SWCNT-Netzwerke und ein unpolarer SEBS-Dünnfilm wurden als Source-Drain- und Gate-Elektroden bzw. als Gate-Dielektrikum verwendet. Der Hauptmechanismus kann auf die Temperaturabhängigkeit des Ladungstransports im halbleitenden SWCNT-Netzwerk zurückgeführt werden [48]. Die dehnungsinduzierte Schwellenspannungsverschiebung wurde durch Verwenden der statischen Differentialschaltungskonfiguration, wie in Fig. 8g, h gezeigt, zunichte gemacht. Die Differenzausgangsspannung (V_OD ) können somit unterdrückt werden, solange sie zwischen den beiden Zweigen übereinstimmen.

a Schematische Darstellung der Dehnbarkeit der Graphen-Thermistoren. b Bild des Graphen-Thermistors bei 0 % und 50 % Dehnung. c Widerstandsänderung mit der Temperatur. d Widerstandsänderung mit der Temperatur innerhalb von 0–50 % Dehnungen. Angepasst mit Genehmigung von ref. 35. Copyright 2015 American Chemical Society. e Optisches Schliffbild einer dehnbaren Temperaturerfassungsschaltung bestehend aus fünf TFTs. f Schaltplan des statischen Differentialsensoransatzes. g Temperaturerfassungsleistung eines einzelnen TFT. h Temperaturerfassungsleistung einer dehnbaren statischen Differenzschaltungserfassungsvorrichtung. Angepasst mit Genehmigung von ref. 39. Copyright 2018 Springer Nature

Es ist erwähnenswert, dass von anderen Forschern nachgewiesen wurde, dass solche TFT-Strukturvorrichtungen die Empfindlichkeit von Temperatursensoren erheblich verbessern. Trunget al. [44] stellten dehnbare Widerstands- und Gated-Temperatursensoren für tragbare Elektronik her und verglichen die Leistungsunterschiede zwischen den beiden Sensortypen. The temperature sensing layer was a composite conductive material formed by inserting temperature-responsive R-GO nanosheets into an elastomeric PU matrix. According to their test results, gated devices achieved higher temperature sensitivity (1.34% per °C) than resistive devices (0.9% per °C).

Pyroelectric Temperature Sensors

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

Flexible Physiological Biochemical Sensors

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

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

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

Multifunctional Sensors

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

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

Functional Modules of Wearable Electronics

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

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

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

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

Conclusions and Outlook

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

1. 1.

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

2. 2.

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

3. 3.

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

4. 4.

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

5. 5.

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

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Nicht zutreffend.

Abkürzungen

Au:

Aurum

Ku:

Cuprum

Lebenslauf:

Chemische Gasphasenabscheidung

LED:

Leuchtdiode

NW:

Nanodraht

OFET:

Organic field-effect transistor

P(VDF-TrFE):

Poly(vinylidenefluoride-tirfluoroethylene)

PAAm:

Polyacrylamide

PbTiO₃ :

Lead titanate

PDMS:

Polydimethylsiloxane

Pt:

Platinum

PU:

Polyurethan

PZT:

Lead zirconate titanate

SEBS:

Styrene-ethylene-butylene-styrene block copolymer

VHB:

Very high bond

ZnO:

Zinkoxid