Hochpräzise flexible Temperatursensoren für die Körperüberwachung: Ein umfassender Überblick

Zusammenfassung

In den letzten Jahren haben sich Entwicklung und Forschung flexibler Sensoren stetig vertieft, und die Leistung tragbarer, flexibler Geräte zur Überwachung der Körpertemperatur hat sich ebenfalls verbessert. Für den menschlichen Körper spiegeln Körpertemperaturveränderungen viele Informationen über die Gesundheit wider, und abnormale Temperaturveränderungen deuten meist auf gesundheitliche Probleme hin. Obwohl die Körpertemperatur unabhängig von der Umgebung ist, wird die Köreroberflächentemperatur leicht von der Umgebung beeinflusst, was Herausforderungen für Überwachungsgeräte darstellt. Um eine Echtzeit- und empfindliche Erfassung der Temperatur verschiedener Körperbereiche zu erreichen, haben Forscher viele verschiedene Arten hochsensitiver flexibler Temperatursensoren entwickelt, die Funktion der elektronischen Haut perfektioniert und zahlreiche praktische Anwendungen vorgeschlagen. Dieser Artikel gibt einen Überblick über den aktuellen Forschungsstand hochsensitiver, strukturierter flexibler Temperatursensoren zur Überwachung von Körpertemperaturveränderungen. Zunächst werden gängige Substrate und aktive Materialien für flexible Temperatursensoren zusammengefasst. Zweitens werden strukturierte Fertigungsmethoden und -prozesse flexibler Temperatursensoren vorgestellt. Dann werden die Sensoreigenschaften umfassend diskutiert, einschließlich Messbereich, Empfindlichkeit, Ansprechzeit und Temperaturauflösung. Schließlich werden Anwendungen flexibler Temperatursensoren basierend auf feiner Strukturierung demonstriert, und zukünftige Herausforderungen werden skizziert.

Einleitung

Alle Lebensaktivitäten des menschlichen Körpers basieren auf Stoffwechsel, und eine relativ konstante Körpertemperatur ist für einen gesunden Stoffwechsel notwendig [1]. Hyperthermie oder Hypothermie beeinflussen die Enzymaktivität im Körper, stören den regulären Ablauf des menschlichen Stoffwechsels, verursachen Störungen verschiedener Zellen, Gewebe und Organe und können in schweren Fällen zum Tod führen. Man kann sehen, dass die relative Stabilität der Körpertemperatur eine notwendige Bedingung für die Aufrechterhaltung einer stabilen inneren Umgebung und die Gewährleistung des regulären Ablaufs von Lebensaktivitäten wie dem Stoffwechsel ist. Für den menschlichen Körper spiegeln Veränderungen der Körpertemperatur viele Informationen über die Gesundheit wider, und abnormale Veränderungen deuten meist auf gesundheitliche Probleme hin. In der menschlichen Gesundheitsüberwachung [2, 3] ist die Körpertemperatur ein unverzichtbarer Faktor, und ihre Echtzeit- und genaue Überwachung ist besonders wichtig.

Flexible Temperatursensoren entwickeln sich in Richtung tragbar, hochsensibel, tragbar, großflächig, genau und echtzeitfähig. Der flexible Temperatursensor nutzt hauptsächlich die Änderung des elektrischen Signals des temperaturempfindlichen Materials aufgrund der Temperaturänderung, um die Echtzeitüberwachung der Temperatur zu realisieren [4]. Er nutzt auch die Eigenschaft des flexiblen Substrats, um fest auf der Haut zu haften und seine Funktion zu erfüllen. Im Vergleich zu herkömmlichen Temperaturmessgeräten, die neben der Schwierigkeit des Transports, hohen Kosten und begrenzten Überwachungsanlässen auch durch die bewusste oder unbewusste Bewegung des Patienten und die Unfähigkeit, spezifische Orte (wie Wunden [5], Tumorablationsstellen im Körper [6]) zu überwachen, limitiert sind, können leicht ungenaue oder unvollständige Messergebnisse führen. Um diese Probleme zu lösen, sind tragbare, flexible, dünne und empfindliche strukturierte Temperatursensoren zu einem Forschungsschwerpunkt geworden.

In den letzten Jahren hat die Forschung an flexiblen Temperatursensoren zur Überwachung der Körpertemperatur kontinuierlich Fortschritte gemacht und viele Innovationen hervorgebracht [7]. Die Nutzung strukturierter Fertigung zur großflächigen Herstellung flexibler Temperatursensoren ist zu einem Entwicklungstrend geworden [8]; die Nachahmung biologischer Strukturen in der Natur ist eine hervorragende Idee [9]. Die Haftfüße des Oktopus, die Wangen der Viper, die Temperaturschwankungen biologischer Art wahrnehmen können [10], und die bartähnlichen Strukturen [11] einiger Gliederfüßer oder Säugetiere haben ebenfalls eine Temperatursensorfunktion. Um die vom Sensor überwachte Körpertemperatur klar darzustellen, ordnen Forscher den flexiblen Temperatursensor in Arrays an [12-14], und Bildgebungsgeräte oder elektrochrome Materialien können zur Visualisierung der thermischen Bildgebung eingesetzt werden [5, 15, 16]. Die vertiefte Forschung an flexiblen Temperatursensoren bietet auch angemessene technische Unterstützung für hohe Anforderungen wie die hochsensitive Überwachung der Körpertemperatur.

Materialien

Flexible Substrate

In den letzten Jahren haben Anwendung und Forschung flexibler Materialien in den Bereichen Elektroniktechnik und medizinische Gesundheit zugenommen. Die Fertigung flexibler Sensoren erfordert, dass der Sensor selbst flexibel, dehnbar und duktil ist, sowie die Substrate und Schaltungen, auf denen er basiert. Spezifische Dehn- und Streckcharakteristika, um die Haftung auf der menschlichen Körperoberfläche anzupassen. Gängige flexible Substrate werden üblicherweise zu Folien verarbeitet, wie Polydimethylsiloxan (PDMS) [17-20], Polyimid (PI) [21, 22], Polyurethan (PU) [23], Polyethylenterephthalat (PET) [24, 25], Polyvinylalkohol (PVA) [26], Polyvinylbutyral (PVB) [27], Papier [28, 29], Silikonkautschuk [5, 30, 31] und hautfreundlichere biologisch abbaubare Materialien wie Pektin [32], Baumwolle, Seide [33] und andere Cellulosematerialien [34, 35].

Derzeit ist PDMS das am häufigsten verwendete flexible Substrat in flexiblen Temperatursensoren. Es ist ein hervorragendes thermisches und elektrisches Isoliermaterial mit einer relativen Permittivität von 2,3–2,8 und einem Volumenwiderstand von 1,2 × 10¹⁴ Ω·cm⁻¹. Seine Dichte beträgt 1,03 kg·m⁻³ bei 25 °C. PDMS besitzt eine gute thermische Stabilität, und die Wärmeleitfähigkeit beträgt 0,15 W·m⁻¹·K⁻¹ [36]. Die Glasübergangstemperatur liegt bei nur 125 °C, der thermische Ausdehnungskoeffizient (CTE) [37] beträgt 301 ppm·°C⁻¹. Der Young-Modul beträgt ≈ 3,7 MPa [38], was Dehnung und Dehnung von über 200 % ermöglicht. Angesichts seiner hervorragenden Dehnbarkeit, Ausdehnbarkeit, thermoelektrischen Eigenschaften [39-41], hohen chemischen Stabilität und einfachen Handhabung findet PDMS vielfältige Anwendungen wie elektronische Haut [42]. Polyimid (PI) mit ähnlichen Eigenschaften wie PDMS (siehe Tabelle 1) weist eine schlechte Wärmeleitfähigkeit in der Größenordnung von 0,1 W·m⁻¹·K⁻¹ [43-45] auf, mit einem elektrischen Isolierwiderstand von 1,5 × 10¹⁷ Ω·cm⁻¹ [46]. Die relative Dielektrizitätskonstante beträgt 3,0–3,6, mit einer höheren Glasübergangstemperatur (360–410 °C) [47] und einem niedrigeren CTE (16 ppm·°C⁻¹). Der Young-Modul beträgt ≈ 2,8 GPa [6, 48]. Polyurethan (PU) Materialien mit Biokompatibilität, guter Dehnbarkeit und Duktilität [49], ökonomisch und praktisch für Temperatursensoren zur Überwachung der menschlichen Körpertemperatur [50]. Der dünnfilmige flexible Substrat verfügt nicht nur über hervorragende mechanische Eigenschaften, sondern eignet sich auch für Anwendungsforschung im Bereich flexibler Temperatursensoren aufgrund hervorragender thermischer Eigenschaften. Wie in Abb. 1 dargestellt. Neben den genannten organischen Polymeren werden auch gängige Stoffe oder andere biologisch abbaubare Materialien wie Gewebe [51, 52], Seide [53] und Baumwolle [54] als weich, verformbar, leicht, ökonomisch, atmungsaktiv, komfortabel, langlebig und wiederverwendbar geschätzt. Weitere Vorteile machen sie zu erwarteten und beachteten Basismaterialien für flexible Temperatursensoren.

Schematische Darstellung der Substratmaterialien für einen Teil flexibler Sensoren. Im Uhrzeigersinn von rechts oben: Polyimid (PI) [55], Polyurethan (PU) [56], Pektin [32], Seide [33], Cellulose [57], Papier [28], Ecoflex [31], Polydimethylsiloxan (PDMS) [58].

Thermische Materialien

Das aktive Material ist der empfindliche Teil im Sensor, der direkt und effektiv auf Wärmequellen und thermische Signale reagiert. Seine Eigenschaften bestimmen direkt die Leistung des Temperatursensors, einschließlich der Temperaturempfindlichkeit, der Länge der Ansprechzeit, der Haltbarkeit und der Temperaturauflösung [59]. Ein wärmeempfindliches Material, das einfach zu fertigen ist, vernünftige Rohstoffe aufweist, biokompatibel ist und einen gewissen Grad an Duktilität sowie hervorragende Leistung besitzt, hat größere Anziehungskraft für die vertiefte Forschung an flexiblen Temperatursensoren [60-62].

Kohlenstoff

Es wurden große Anstrengungen unternommen, temperaturempfindliche leitfähige Verbundmaterialien durch Einbringen verschiedener leitfähiger Füllstoffe (wie kohlenstoffbasierte Materialien, leitfähige Polymere und Metallpartikel) in Halbleiter- und Isolatorpolymer-Matrizen zu schaffen. Gängige Kohlenstoffmaterialien umfassen Ruß (CB), Graphit (Gr), Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) und Graphen.

Ruß (CB) und Graphit werden aufgrund ihrer hervorragenden elektronischen und mechanischen Eigenschaften und niedrigen Verarbeitungskosten oft als leitfähige Füllstoffe verwendet. CB bildet leicht Aggregate beim Mischen mit Polymeren zu Verbundmaterialien, und Temperaturänderungen beeinflussen seine elektrischen Eigenschaften [63]. Dies führt zu einem höheren Temperaturkoeffizienten des Widerstands (TCR) [64]. Graphit ist ein Allotrop von Kohlenstoff mit guter elektrischer Leitfähigkeit, Wärmeleitfähigkeit und chemischer Stabilität sowie einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von weniger als 5,0 × 10⁻⁶ K⁻¹ [65]. Im Vergleich zu Ruß ist Graphitpulver als leitfähiger Füllstoff temperaturempfindlicher, und beide sowie ihre Mischungen reduzieren die Perkolationsschwelle des temperaturfühlenden Verbundfilms, der durch das gefüllte Polymer gebildet wird. Expandierter Graphit (EG) ist ein neuer funktionaler Kohlenstoffstoff, der ein loser, poröser, wurmähnlicher Stoff ist, der aus natürlichen Graphitflocken durch Interkalation, Waschen, Trocknen und Hochtemperaturausdehnung gewonnen wird. Die Wärmeleitfähigkeit des durch Warmpressen gebildeten Verbunds kann 4,70 W·m⁻¹·K⁻¹ erreichen, wenn 10 Gew.-% EG in PDMS-Vorpolymer imprägniert werden [66]. Shih et al. [67] verwendeten PDMS als Basismaterial und Graphitpulver als wärmeempfindliches Sensormaterial und fertigten mittels Druckverfahren einen flexiblen Temperatursensor-Array aus Gr/PDMS-Verbundsensoren auf PI-Folie (siehe Abb. 2a). Im Vergleich zum klassischen Platin (Pt) Dünnschicht-Temperatursensor (TCR = 0,0055 K⁻¹) bei gleicher Messung des Widerstands unter Umgebungs-Temperaturänderung (30–110 °C) beträgt der TCR des Verbundmaterials bei Graphit-Volumenanteilen von 15 % und 25 % 0,286 K⁻¹ bzw. 0,042 K⁻¹. Die Ergebnisse beweisen, dass die Empfindlichkeit des Gr-PDMS-Verbundmaterials höher ist. Huang et al. erforschten und fertigten ein graphitgefülltes Polyethylenoxid (PEO) und Polyvinylidenfluorid (PVDF) Verbundmaterial [68] (Abb. 2b), das durch ein einfaches Spin-Coating-Verfahren leicht auf der menschlichen Körperoberfläche mit variabler Krümmung befestigt werden kann. Ein Temperatursensor mit einem Messbereich von 25,0–42,0 °C, hoher Auflösung von 0,1 °C, hoher Zyklenstabilität, hervorragender Störfestigkeit (einschließlich Biege- und Wasserdichtigkeit) und der Fähigkeit, die Achselhöhlen-Temperatur kontinuierlich über einen Monat zu messen. Seine hervorragenden mechanischen Eigenschaften könnten darauf zurückzuführen sein, dass die Gr-Partikel als Füllstoffe im Verbund unter verschiedenen Krümmungen weniger bewegt werden. Die thermische Leistung hängt mit der thermischen Ausdehnung des Polymers zusammen. Als eindimensionales Nanomaterial bilden Kohlenstoffnanoröhren eine räumliche topologische Struktur [69]. Der Durchmesser beträgt allgemein 2–20 nm. Sie besitzen viele außergewöhnliche mechanische Eigenschaften (Elastizitätsmodul bis zu 1 TPa), elektrische Eigenschaften, einschließlich elektrischer Leitfähigkeit bis zu 10⁴ S·cm⁻¹ [70], intrinsischer Trägerbeweglichkeit (10.000 cm²·V⁻¹·S⁻¹) [71]. In den letzten Jahren haben sich mit der Vertiefung der Forschung an Kohlenstoffnanoröhren und Nanomaterialien auch ihre breiten Anwendungsperspektiven kontinuierlich offenbart. Kohlenstoffnanoröhren besitzen hervorragende Wärmeübertragungseigenschaften und ein beträchtliches Aspect-Ratio, sodass der Wärmetausche entlang der Längenrichtung sehr hoch ist. Die Anwendung flexibler Temperatursensoren innoviert ständig, einschließlich hervorragender Designideen und Leistung [72]. Die durch Kohlenstoffnanoröhren und Poly(3,4-ethylendioxythiophen)-poly(styrolsulfonat) (PEDOT:PSS) gebildeten Verbundstoffe wurden untersucht, und es zeigte sich, dass die Leistung von mehrwandigen (MWCNTs) und einwandigen Kohlenstoffnanoröhren (SWCNTs) nicht identisch ist [73]. Bei gleicher Temperatur verringert der später mit MWCNTs gebildete Verbundwerkstoff den Widerstand des Verbunds, reduziert aber auch dessen Empfindlichkeit gegenüber Temperatur und Feuchtigkeit [74]. Kim et al. [75] nutzten ein Nassspinnverfahren und ebenfalls einen PEDOT:PSS-Verbund. Die damit komponierten SWCNTs können die elektrische Leitfähigkeit und den Power-Faktor des Verbunds signifikant erhöhen und die Verbundleistung verbessern (Abb. 2d).

Verschiedene flexible Temperatursensoren basierend auf Kohlenstoffmaterialien. a REM-Bilder eines Graphit-PDMS-Verbunds [67]. b Gesamte Oberflächenmikrographien von PEO1500/PVDF/Gr [68]. c Schematische Diagramme und REM-Bilder von Cyberwood [76]. d REM-Bilder der CNT/PEDOT:PSS-Verbundfasern mit 40 Gew.-% CNT-Gehalt [75]. e REM-Bilder von CrGO100 [54]. f Querschnitts-REM-Bild von GNWs auf PDMS [86].

Konventionelle Methoden der Herstellung biologischer Materialien basieren auf Reverse Engineering biologischer Strukturen, Bionik und biologischer Inspiration. Biologische Strukturen übertreffen oft menschgemachte Materialien. Zum Beispiel spüren höhere Pflanzen Temperaturänderungen mit hoher Reaktionsfähigkeit. In Abb. 2c schlugen Giacomo et al. [76] ein biomimetisches Material mit hervorragender Temperaturreaktionsempfindlichkeit vor, das aus isolierten Pflanzenzellen und Kohlenstoffnanoröhren (MWCNT) mittels pflanzlicher Nanobionik-Technologie hergestellt wird. Durch Verwendung von CNTs als Kanal zur direkten Verbindung der Zellen wird ein bionisches Material mit einem effektiven Temperaturwiderstandskoeffizienten (TCR) von -1730 % K⁻¹ geschaffen, was zwei Größenordnungen höher ist als der aktuelle beste Sensor, und der Überwachungstemperaturbereich beträgt 35–75 °C. Viele Forschungen an Temperatursensoren können hohe Empfindlichkeit in einem engen Temperaturbereich erreichen, aber in einem weiten Temperaturbereich (40 K) ist die Reaktionsleistung unzureichend. Auch die biologische Temperatursensostruktur von Schlangen in der Natur wird referenziert – die Grubenmembran der Schlangen hat außergewöhnlich hohe Temperatur- und Distanzempfindlichkeit und kann warmbütige Beute auf eine gewisse Entfernung orten. Sie nutzten die Zugabe von Ca²⁺-Ionen zum Pektinfilm, um den Sensormechanismus der Schlangenwangenmembran nachzuahmen und ein Pektin-Hydrogel-Temperatursensormaterial mit CaCl₂-Zusatz herzustellen [10]. Es ist möglich, Temperaturquellen mit einer Empfindlichkeit von < 10 mK zu kartieren und zu überwachen und warme Objekte auf eine gewisse Distanz zu erfassen. Die Kombination von Pflanzenzellen oder die Nachahmung tierischer biologischer Strukturen liefert neue Ideen und erweitert die Forschungsrichtung flexibler Sensoren.

Graphen ist eine zweidimensionale hybride Kohlenstoffschicht mit hexagonalem Waben-Gitter [77, 78]. Es gibt eine große Anzahl delokalisierter Elektronen, was seinen einzigartigen Ladungstransport mit hoher Trägerkonzentration (10³³ cm⁻²) ermöglicht, unter bestimmten Umgebungsbedingungen übersteigt die Beweglichkeit 10⁵ cm²·V⁻¹·s⁻¹. Die räumliche Struktur kann reichlich Funktionsstellen bieten. Funktionsgruppen werden modifiziert, um verschiedene Anwendungsanforderungen zu erfüllen. Gleichzeitig besitzt es hohe Fließfähigkeit, hervorragende Wärmeleitfähigkeit, ausgezeichnete Transparenz, mechanische Eigenschaften bis zu 1 TPa Elastizitätsmodul, chemische Stabilität und Biokompatibilität [79]. Es hat viel Aufmerksamkeit in Anwendungsbereichen verschiedener elektronischer Geräte erregt [80]. Transparentes Graphenoxid (GO) oder reduziertes Graphenoxid (rGO) mit hervorragenden elektronischen und mechanischen Eigenschaften ist ein Produkt mit Schichtstruktur, das aus Graphitpulver nach Oxidation oder weiterer Reduktion von GO gebildet wird [81, 82]. Die Oberfläche enthält Hydroxylgruppen, Carboxylgruppen und Epoxidgruppen. Viele Funktionsgruppen sind leicht modifizierbar und empfindlich gegenüber Umgebungsbedingungen, einschließlich Feuchtigkeit, Temperatur und chemischen Substanzen, mit sichtbaren Reaktionsmerkmalen [54, 83]. Die niedrige Leitfähigkeit von Graphenoxid (GO) ist jedoch nicht für elektronische Geräte geeignet. Das reduzierte Graphenoxid (rGO) wird durch thermische Reduktion synthetisiert, um die Leitfähigkeit zu verbessern. Seine hervorragende Temperaturempfindlichkeit wird auch für flexible Temperatursensoren benötigt [54, 84, 85]. Graphen-Nanowände (GNWs) werden durch plasmaverstärkte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD) und polymerunterstützte Transfermethode senkrecht zum Substrat als Graphen-Nanoschichten gezüchtet [77]. Der Wachstumsprozess bildet eine gestaffelte Struktur, um höhere Dehnungseigenschaften zu erzielen [61, 83]. Hervorragende mechanische Eigenschaften wurden auch in der Forschung an Temperatursensoren angewendet. Die Verwendung von vielseitigem Graphen und seinen Derivaten in elektronischen Hautanwendungen ebnet den Weg für flexible Temperatursensoren mit hervorragender Leistung, Transparenz, reichen Funktionen und einfachem Fertigungsprozess.

Yan et al. [58] fertigten einen flexiblen Temperatursensor, der dreidimensional gefaltetes Graphen als aktives Material nutzt und den Temperaturbereich 30–100 °C durch ein lithografisches Filterverfahren überwachen kann [34]. Aufgrund der Besonderheit der federartigen Struktur können die Temperaturänderungssensoreigenschaften bei bis zu 50 % Dehnung charakterisiert werden. Der TCR (-1,05 ± 0,28 % K⁻¹) des Sensors im ungespannten Zustand ist um das Vielfache höher als der berichtete Silicium-Nanodraht-Temperatursensor (0,15–0,37 % K⁻¹). Bemerkenswert ist, dass der thermische Index des thermischen Materials dieser Struktur einstellbar ist. Temperaturreaktion und Erholung können innerhalb von zehn Sekunden abgeschlossen werden, was die Anwendbarkeit im Vergleich zu traditionellen starren Keramik-Thermistoren erhöht. Liu et al. [87] verwendeten rGO-Material als temperaturempfindliches Material, um mittels Drucktechnik einen leichten, kostengünstigen flexiblen Temperatursensor herzustellen. Der Überwachungstemperaturbereich beträgt 20–110 °C, die Empfindlichkeit 0,6345 % °C⁻¹, und die Ansprechzeit kann 1,2 s erreichen. Mit spezifischen Spannungs- und Dehnungseigenschaften kann er auf einer spezifisch gekrümmten Oberfläche befestigt werden. Unter gleichen experimentellen Bedingungen zeigte der Vergleich von rGO, SWCNTs und MWCNTs hinsichtlich Linearität, Empfindlichkeit, mechanischen Eigenschaften und Wiederholbarkeit, dass der Temperatursensor mit rGO als aktivem Material die ausgewogenste Leistung aufweist und Ideen für die großflächige Herstellung elektronischer Haut liefert. Sadasivuni et al. [54] schlugen einen Verbundfilm vor, der Cellulose als Matrix und thermisch reduziertes rGO als Füllstoff nutzt, um einen flexiblen und effizienten Überwachungstemperaturbereich von 25–80 °C zu erzielen, abhängig von Temperaturänderungen (Abb. 2e). Kapazitiver flexibler Temperatursensor mit linearer Beziehung. Im Vergleich zum Standard-Platin-Temperatursensor verursacht der Temperatursensor keine Verschmutzung durch Metallkorrosion im Laufe der Zeit und kann langfristig stabil bleiben. Trung et al. [17] fertigten einen transparenten und dehnbaren (TS) flexiblen Temperatursensor durch ein einfaches Spin-Coating-Verfahren und Laminiertechnologie. Die Temperatursensorschicht, gebildet aus rGO-Nanoschichten und einem elastischen Polyurethan (PU) Substrat, bildet einen Verbundwerkstoff. Die Neuheit des elektronischen Geräts besteht darin, dass jede Materialsicht in der Struktur TS ist und direkt auf ein transparentes, dehnbares Substrat aufgebracht werden kann. Es kann dann leicht am menschlichen Körper befestigt werden. Das Gerät kann Temperaturänderungen von nur 0,2 °C detektieren. Nach 10.000-facher Dehnung mit 30 % Dehnung hat es fast keine Auswirkung auf die Temperaturreaktion. Das Gerät kann noch bei 70 % Dehnung verwendet werden. Yang et al. [86] schlugen vor, mit PECVD-Technologie eine spezielle verschränkte 3D-leitfähige GNWs-Netzwerkstruktur auf Kupferfolie (Abb. 2f) zu züchten, kombiniert mit polymerunterstützter Transfermethode und PDMS, um einen ultrasensitiven tragbaren Temperatursensor zu bilden. Die thermische Reaktion übertrifft die traditioneller Temperatursensoren bei weitem. Die hervorragende Duktilität und thermische Empfindlichkeit von GNWs in Kombination mit dem großen Ausdehnungskoeffizienten von PDMS ermöglichen dem Sensor, Temperaturänderungen von 25–120 °C mit einer Genauigkeit von 0,1 °C, einer Ansprechzeit von 1,6 s und einer Erholungszeit von 8,52 s zu überwachen und über Monate stabil zu bleiben. Der TCR erreicht 0,214 °C⁻¹, was zwei Größenordnungen höher ist als der Standard-Platin-Temperatursensor (39,2 × 10⁻⁴ °C⁻¹). Die Verwendung von Kohlenstoffmaterialien in flexiblen Temperatursensoren hat deren Anwendungspotenzial in Gesundheitsüberwachung, tragbaren Geräten, Robotik, Mensch-Maschine-Schnittstellen und künstlicher Haut gefördert.

Metalle und Metalloxide

Metallmaterialien sind allgemein leitfähige Materialien wie Gold (Au) [88-90], Silber (Ag) [91, 92], Kupfer (Cu) [93] und Platin (Pt) [55, 94] (in Abb. 3c), Nickel (Ni) [95] und Aluminium (Al) [96], die hauptsächlich als Elektroden und Leitungen von Sensoren verwendet werden. Im Vergleich zu traditionellen starren Metalltemperatursensoren besitzt der flexible Metallsensor hohe mechanische Flexibilität, kann leicht auf stark gekrümmte Oberflächen aufgebracht werden und eignet sich besser, um kleine Temperaturänderungen und -verteilungen in einem kleinen Bereich zu detektieren. Soweit der aktuelle Druckprozess betrifft, sind einige Metallmaterialien temperaturempfindlich und haben gute Leitfähigkeit und werden aus leitfähiger Metall-Nanotinte [97], Nano-Füllstoff [95], Nano-Draht [98] und strukturiertem Film hergestellt, um eine aktive temperaturempfindliche Schicht [19] zu bilden, die breit in flexiblen Temperatursensoren eingesetzt wird.

Verschiedene flexible Temperatursensoren basierend auf Metallmaterialien. a Dehnbare Sensoren auf PDMS-Substrat mit periodisch gewellten Mustern [99]. b Fotografien eines inkjet-gedruckten Silbertemperatursensors auf Kapton-Substrat [102]. c Ein Bild der Temperatursensoren [6]. d Schematische Diagramme des (ein Transistor)–(ein Thermistor) Temperatursensors [101].

Die gängigsten empfindlichen Materialien in typischen Temperatursensoren sind Pt und Au. Bin et al. [6] nutzten MEMS-Technologie (Micro-Electro-Mechanical System) und schlugen Platin als Sensormaterial vor, das nach einem Abziehprozess auf PI-Folie abgeschieden wird. Nach Laminierung zur Bildung des erforderlichen Musters wird es zur Überwachung der Temperaturänderung von 20–120 °C verwendet, und der TCR-Wert beträgt 0,0032 °C⁻¹. Im Vergleich zum teuren Platin besitzt Au bessere Leitfähigkeit und Flexibilität. Um zu realisieren, dass die Geräteleistung nicht durch Zugdehnung beeinträchtigt wird, nutzten Yu et al. [99] clever Sputterabscheidung auf einem vorgedehnten PDMS-flexiblen Substrat eine Chrom (Cr)/Au-Dünnschicht (Abb. 3a) und fertigten durch einen Photolithografieprozess einen reversibel biegbaren und dehnbaren flexiblen Temperatursensor. Bei maximaler Dehnung von 30 % ändert sich die Geräteleistung nicht. Die Forschung verbessert den Mangel an schlechter Zugfestigkeit flexibler Sensoren. Dankoco et al. [100] nutzten eine organische Silbertinte, um Silberleitungen glatt und gleichmäßig auf einem Polyimidfilm durch Inkjet-Druck abzuscheiden (siehe Abb. 3b). Es entstand ein biegbarer und flexibler Temperatursensor, der eine messbare Köreroberflächentemperatur von 20–60 °C aufweist. Die durchschnittliche Empfindlichkeit beträgt 2,23 × 10³ °C⁻¹. Der Sensor weist jedoch < 5 % Hysterese auf. Ren et al. [101] schlugen einen flexiblen Temperatursensor mit hoher thermischer Auflösung (Dynamikbereich = 10 Bit) vor, basierend auf der Integration von Silbernanopartikeln (NPs)/Pentacen-Thermistor und organischem Dünnschichttransistor (OTFT) mit einem Temperaturbereich von 15–70 °C. Die Forschung testete die hohe Temperaturabhängigkeit des Verbundmaterials und bewies die Machbarkeit von Silbernanopartikeln (NPs) in Thermistorenanwendungen. Sensoren mit hohem Dynamikbereich eignen sich auch für großflächige Sensorarrays und elektronische Haut. Jeon et al. [95] entwickelten einen flexiblen Temperatursensor, der mit einer Mischung aus halbkristallinem Polyethylen (PE) und Polyethylenoxid (PEO) Polymeren, gefüllt mit Nickelpartikeln, entworfen wurde. Wenn die Konzentration der Nickelpartikel die Perkolationsschwelle der Nickelfüllstoffe übersteigt, kann hohe Leitfähigkeit (40 S·cm⁻¹) erzielt werden. Mit dem großen positiven Temperaturkoeffizienten (PTC), der einzigartig für das binäre Polymergemisch ist, kann der gefertigte Sensor nicht nur einen einstellbaren empfindlichen Temperaturbereich bieten, während die Stabilität des Thermozyklus gewahrt bleibt, um einen wiederholbaren Temperaturreaktionsprozess zu erreichen. Der Sensor besitzt eine um drei Größenordnungen höhere Empfindlichkeit (0,3 V·°C⁻¹) als Standardthermoelemente und drahtlose Übertragungsfunktion, weist jedoch einen signifikanten Fehler von ± 3,1 °C auf. Bemerkenswert ist, dass sie drahtlose Sensortechnologie mit druckbaren Materialien kombinieren möchten, um breitgefächerte Anwendungen zu erreichen.

Metalloxide sind ebenfalls wichtige aktive Materialien und werden breit in Temperatursensoren eingesetzt. Der hohe Temperaturkoeffizient des Widerstands von Metalloxidmaterialien kann die Temperatursensorleistung verbessern. Die thermische Empfindlichkeit von Metalloxid-Halbleitern ist ein Phänomen, bei dem sich die Halbleiterverbindung bei unterschiedlichen Temperaturen ändert und der Widerstandswert variiert. Liao et al. [103] berichteten über einen hochsensitiven Temperatur/mechanischen Dual-Parameter-Sensor, der anorganisches thermisches Material Vanadiumdioxid (VO₂) enthält, basierend auf PET/Vanadiumdioxid, gefertigt durch Transferdrucktechnik (VO₂)/PDMS Mehrschichtstruktur. Die VO₂-Schicht, abgeschieden durch polymerunterstützte Abscheidung (PAD), wird geätzt und auf den PDMS-Film aufgebracht. Es kann Temperaturen im Bereich 270–320 K detektieren. Die Temperatursensorleistung mit einer Auflösung von 0,1 K wird dem hohen TCR des VO₂-Materials zugeschrieben. Um Köreroberflächentemperaturänderungen genau zu kartieren, entwickelten Huang et al. [91] ein Inkjet-Druckverfahren. Mit Nickeloxid (NiO) wird eine stabile Nanopartikeltinte auf PI-Folie erzeugt. Der winzige quadratische NiO-Film wird an den Enden zwischen den silbernen Leiterbahnen gedruckt, um Temperatursensoren schnell zu fertigen. Er kann die Leistung unter Biegetest beibehalten und hat eine ähnliche Ansprechgeschwindigkeit wie ein Thermoelement. Die umfangreiche Forschung an Metallen und Metalloxiden hat die Grundlage für die Anwendung von Metallmaterialien im Bereich flexibler Temperatursensoren basierend auf den thermischen Eigenschaften von Metallmaterialien gelegt und interessante Erkundungen gezeigt.

Polymere und organische Materialien

Polymere sind die am häufigsten verwendeten Materialien in flexiblen Sensoren. Neben der Verwendung als Substrate oder aktive Agenten ziehen thermisch empfindliche Verbundmaterialien mit mechanischer Flexibilität, Leichtgewicht, Transparenz, stabiler Leistung, einfacher Verarbeitung und niedrigen Fertigungskosten viel Aufmerksamkeit für die Anwendung in Temperatursensoren auf sich. Häufig in Temperatursensoren verwendete thermosensitive Polymere umfassen Poly(3,4-ethylendioxythiophen)-poly(styrolsulfonat) (PEDOT:PSS) [16, 104-106], Poly(3-hexylthiophen) (P3HT) [107], Polypyrrol (PPy) [57], Pentacen [101], Poly(N-isopropylacrylamid) (pNIPAM) [108], Poly(vinylidenfluorid) (PVDF) [109-113] usw.

Basierend auf einer Schaltungsdesignstrategie [114], die die Genauigkeit und Robustheit eines dehnbaren Kohlenstoffnanoröhren-Temperatursensors verbessern kann, nutzten Zhu et al. [115] differentielle Auslesetechnologie, um die Zusammensetzung der aktiven, empfindlichen Schicht eines dehnbaren Temperatursensors basierend auf OTFTs zu vergleichen (siehe Abb. 4a). Darunter werden Polystyrol-block-poly(ethylen-ran-butylene)-block-polystyrol (SEBS) mit Azid-Vernetzung und Poly(diketopyrrolopyrrol-[3,2-b]thieno[2′,3′:4,5]thieno[2,3-d]thiophen) (PDPPFT4) sowie Poly(isoindigo-bithiophen) (PII2T) – diese beiden organischen Halbleiter (OSCs) – gemischt und auf das Gate-Dielektrikum spin-coated. CNTs dienen als Elektroden, und der Temperaturmessbereich beträgt 25–55 °C. Darin betragen die Temperaturkoeffizienten der beiden Sensoren -2,89 % °C⁻¹ und -4,23 % °C⁻¹. Im einachsigen Dehnungsbereich von 0–30 % betragen die Fehler < 1 °C bzw. < 1,5 °C, was die Machbarkeit und Verallgemeinerbarkeit der differentiellen Auslesemethode und von OSCs in dehnbaren Sensoren weiter zeigt. Yokota et al. [116] berichteten über einen großflächigen super-flexiblen Temperatursensor basierend auf einem halbkristallinen Acrylatpolymer/Graphit-Verbundmaterial, das an mehreren Punkten messbar und druckbar ist (Abb. 4b). Zwischen 25 °C und 50 °C zeigt es deutliche Widerstandsänderungen, was für die Messung physiologischer Temperaturänderungen des menschlichen Körpers geeignet ist. Es besitzt stabile Thermozyklusstabilität, Empfindlichkeit bis zu 20 mK und hohe Ansprechzeit unter 100 ms. In In-vivo-Experimenten wurden stabile Veränderungen der Kerntemperatur der Rattenlungen gemessen, aber die hohe Auflösung des Sensors erwies sich als 0,1 °C. Der Sensorarray basierend auf den oben genannten Eigenschaften realisiert die dynamische visuelle thermische Bildgebung der räumlichen Temperaturänderung. Allerdings ist die Luftdurchlässigkeit der Gerätekomponenten nicht optimal, und langfristiges Tragen ist eines der zu lösenden Probleme.

Verschiedene flexible Temperatursensoren basierend auf thermosensitiven Polymeren. a Ein Sample mit zwei Temperatursensoren auf einem Fingernagel [115]. b Fotografie eines Copolymerfilms mit Graphitfüllstoff (Maßstab 1 cm) [116]. c Fotografie eines Te-Nanodraht/P3HT-Polymer-Verbundgeräts auf flexiblem Kapton-Substrat [107]. d Fotos des Selbstheilungsprozesses von DN-Hydrogelen [121]. e Fotografisches Bild des gefertigten Temperatursensors auf Handflächenhaut und Gesamtschema der oktopusnachahmenden mikrostrukturierten Adhäsion [108].

Selbstversorgung mit Energie war stets ein Fokus vieler Forschungen [117]. Die Realisierung der Selbstversorgung durch flexible Geräte wird den Bedarf an externer Energie erheblich reduzieren und flexible Geräte tragbarer und einfacher machen [118]. Dazu gehören thermoelektrische Polymermaterialien als Voraussetzung für die Selbstversorgung. Yang et al. [107] entwickelten einen flexiblen thermoelektrischen Nanogenerator (TENG) basierend auf einem sauberen Verbundthermoelektrikum, gebildet aus bei Raumtemperatur gewachsenen Te-Nanodrähten und Poly(3-hexylthiophen) (P3HT) Polymer (Abb. 4c). TENG kann Strom nur mit einer Temperaturdifferenz von 55 K erzeugen. Aufgrund der Eigenschaften thermoelektrischer Materialien kann TENG als flexibler Temperatursensor zur Überwachung der Temperaturdifferenz des gesamten Geräts dienen und die menschliche Körpertemperatur als Energiequelle nutzen, um den Sensor direkt mit Strom zu versorgen. Die Überwachungsempfindlichkeit bei Raumtemperatur beträgt 0,15 K. Außerdem demonstrierten sie einen weiteren selbstversorgten Temperatursensor mit einer Ansprechzeit von 0,9 s und einer minimalen Temperaturänderung von 0,4 K bei Raumtemperatur. Die kleine Temperaturauflösung ermöglicht es dem Sensorgeät, die Temperaturänderung der Fingerspitze zu überwachen. Selbstversorgung kann flexible Sensogeräte unabhängiger machen und das Gewicht reduzieren. Es ist auch eine Möglichkeit für die zukünftige Entwicklung flexibler Sensoren (Tabelle 2).

Kostengünstige, umweltfreundliche, leicht erhältliche und verarbeitbare Materialien mit hervorragender Biokompatibilität waren stets eine wesentliche Bedingung für den Menschen, um die Massenproduktion kontinuierlich zu erfüllen [119]. Es gibt ein solches fast unerschöpfliches biologisches Material – Cellulose, das hervorragende Eigenschaften besitzt. Seine Elastizität und andere Vorteile spielen auch in flexiblen Sensorgeäten eine wesentliche Rolle und können als flexibles Substrat verwendet werden. Polypyrrol (PPy) ist ein linearer biokompatibler Polymer mit hervorragender elektrochemischer Stabilität und schneller Reaktion. Mahadeva et al. [57] berichteten über eine Methode basierend auf in-situ-Polymerisations-induzierter Adsorption, die einzigartige Cellulose und nano-dünnes Polypyrrol (PPy) mit hervorragenden elektrischen Eigenschaften kombiniert, um einen temperatur- und feuchtigkeitsempfindlichen Verbund zu bilden. Das Material wird verwendet, um einen umweltfreundlichen, kostengünstigen, biokompatiblen flexiblen Temperatursensor zu fertigen. Aufgrund der Empfindlichkeit des Materials gegenüber Feuchtigkeit nimmt die Kapazität des Sensors mit steigender Temperatur zu. Hydrogele haben in den letzten Forschungsjahren kontinuierliche Aufmerksamkeit erhalten [120, 121]. Aufgrund ihrer guten Selbstheilungsfähigkeit, hervorragenden Zähigkeit und Dehnbarkeit sowie biologischer Anpassungsfähigkeit haben sie großes Forschungsinteresse in Anwendungsbereichen wie flexibler Elektronik, Gesundheitsüberwachung und biomedizinischer Diagnostik geweckt [122, 123]. Ionische Hydrogele als gute Ionenleiter können auf verschiedene Reize reagieren; Hydrogele mit schwacher mechanischer Festigkeit und reduzierter Temperaturempfindlichkeit stellen jedoch Herausforderungen für die Anwendung flexibler Temperatursensoren dar. Um die Nachteile traditioneller Hydrogele zu lösen, schlugen An et al. [121] ein doppeltes Netzwerk (DN) ionenleitendes Hydrogel mit hervorragenden Selbstheilungseigenschaften für Temperatursensoren vor. Der Selbstheilungsprozess der DN-Hydrogele ist in Abb. 4d dargestellt. Die Zugabe von Kohlenstoffnanoröhren mit hoher Wärmeleitfähigkeit zum Hydrogel mit dynamischer physikalischer Vernetzung und hochleitfähigem hydrophobem Assoziationsnetzwerk und Ionenassoziationsnetzwerk verbessert die Temperaturempfindlichkeit des DN-Hydrogels. Der lineare Hydrogel-Temperatursensor kann die Oberfläche komplexer Objekte perfekt anpassen und empfindliche Widerstandsänderungen erzeugen. Die Forschung und Entwicklung dieses Materials erweitert die Anwendung von Hydrogelen in den Bereichen Biomedizin und flexibler Elektronik.

In jüngster Forschung ist PEDOT:PSS ein neuer Typ organischer leitfähiger Polymer, der oft in druckbaren, flexiblen Temperatursensoren verwendet wird [124]. Allgemein besitzt PEDOT:PSS die Vorteile hoher Leitfähigkeit (10³ S·cm⁻¹), hervorragender thermoelektrischer Leistung [125-128], starker Stabilität [123, 129] und Transparenz bei Dotierung [60]. Die meisten Polymere sind p-Typ-Halbleiter. Durch Zugabe einiger Lösungsmittel wie Dimethylsulfoxid (DMSO) [130] oder polyhydroxy-organischer Verbindungen wie Ethylenglykol [131] kann die Leitfähigkeit des Polymers um das Dutzende- oder sogar Hundertfache erhöht werden. Harada und Kollegen verwendeten verschiedene Verbundverhältnisse von CNTs und leitfähigen PEDOT:PSS-Lösungen, um eine Reihe von Verbund-wärmeempfindlichen Filmen mit Temperaturempfindlichkeit innerhalb von 0,25–0,78 % °C⁻¹ durch verschiedene Druckverfahren herzustellen [11, 132-134]. Die Sensorleistung übertrifft die typischer Metallsensoren. Einige Geräte wiesen eine Körpertemperaturnäherung von weniger als 0,1 °C oder eine schnelle Ansprechzeit von 90 ms auf. Das Forschungsteam nutzte verschiedene Druckverfahren, um eine Vielzahl flexibler Temperatursensoren mit unterschiedlichen Strukturen und hervorragender Leistung zu erstellen, was nicht nur die Anwendungen flexibler Temperatursensoren in Medizin und Gesundheit, tragbaren Geräten bereichert, sondern auch zum Nachdenken über druckbare, flexible Sensoren anregt. Die Fertigungsdetails druckbarer, flexibler Temperatursensoren werden im nächsten Abschnitt erweitert. Neben der Änderung des Verbundverhältnisses, die die Leistung des Verbundfilms beeinflusst, optimiert auch die strukturelle Verbesserung die Eigenschaften desselben Verbundfilms. Wie in Abb. 4e gezeigt, demonstrierten Oh et al. [108] ein biologisches Material, das durch einen Photolithografie-Abziehprozess und ein Spin-Coating-Verfahren hergestellt wurde, inspiriert durch die Haftstruktur des Oktopus-Fußsaugers. Es ist ein hochsensitiver Widerstandstemperatursensor, bestehend aus Poly(N-isopropylacrylamid) (pNIPAM) temperaturempfindlichem Hydrogel, PEDOT:PSS und CNTs. Das Gerät besitzt eine Empfindlichkeit von 2,6 % °C⁻¹ im Temperaturbereich 25–40 °C und kann Hauttemperaturänderungen von 0,5 °C genau detektieren. Aufgrund der mikrostrukturierten, saugnapfähnlichen Struktur und ihrer Viskosität hat das Gerät eine gewisse Beständigkeit gegen Biegung, ist nicht reizend, langlebig und wiederverwendbar haftend.

Transparente und skalierbare Nanokomposit-Feldeffekttransistoren basierend auf Polyvinylidenfluorid (PVDF) und seinem Copolymer Polyvinylidenfluorid (P(VDF-TrFE)) mit hoher Stabilität, starken mechanischen Eigenschaften und geringer Verzerrung werden oft in Druck-, Dehnungs- und Infrarot (IR)-Lichtsensoren eingesetzt [135, 136]. Interessanterweise fanden Forscher, dass diese Art von Gerät auch hoch empfindlich auf Infrarotstrahlung des menschlichen Körpers reagiert, sodass vorhergesagt wird, dass es zur Überwachung physiologischer Temperaturänderungen des menschlichen Körpers eingesetzt werden kann [137]. Trung und Kollegen nutzten basierend auf früheren Forschungserfahrungen [113, 138] eine rGO/(P(VDF-TrFE)) Verbundsensorschicht als Kanal durch ein einfaches Spin-Coating-Verfahren, integrierten PEDOT:PSS, um einen einstellbaren flexiblen Feldeffekttransistor (FET) Temperatursensor zu fertigen [139]. Die Temperaturreaktion und Transparenz des Films können durch Änderung der rGO-Konzentration und der Verbundfilm-Dicke angepasst werden (Abb. 5a). Der Sensor kann Temperaturänderungen von 30 bis 80 °C überwachen. Mit 0,1 °C Auflösung und Überwachungsfähigkeit sowie ultraschneller Temperaturreaktion bestätigt die hervorragende Temperatursensorleistung die Machbarkeit der Anwendung pyroelektrischer Polymermaterialien im Bereich weicher Temperatursensoren. Ähnlich schlugen Tien et al. [112] vor, um zu realisieren, dass der Sensor Druck- und Temperatursignale ohne gegenseitige Störung erfassen kann, die Verwendung einer Feldeffekttransistor (FET) Sensoplattform, um das Material der empfindlichen Reaktionsebene zu ändern. Basierend auf ihrer früheren Forschung schlossen sie, dass eine Mischung aus Polyvinylidenfluorid (P(VDF-TrFE)) und BaTiO₃ (BT) Nanopartikeln (NPs) als piezoelektrisch (siehe Abb. 5b), pyroelektrisches Gate-Dielektrikum und Pentacen als organischer Halbleiterkanal für Druck-Temperaturwiderstand direkt in die FET-Plattform integriert wird. Wenn der flexible Sensor unter mehreren Reizen steht, entkoppelt er das Ausgangssignal und minimiert die Signalstörung durch Dehnungskopplung. Der FET-Sensor kann Dehnung und Temperatur gleichzeitig diskret darstellen. Der FET-Sensorarray kann auch visuell auf Reize reagieren und die Vorteile von geringem Energieverbrauch und niedriger Ausfallrate aufweisen, was eine Möglichkeit für die Anwendung großflächiger multimodaler flexibler Sensoren im Bereich elektronischer Haut in der Zukunft zeigt. Druckbare, großflächig herstellbare flexible Multi-Parameter OFET-Geräte haben hervorragendes Anwendungspotenzial in biomedizinischer Überwachung, Infrarotbildgebung und elektronischer Haut.

Flexibler Temperatursensor mit PVDF-Material. a Schematik des transparenten, flexiblen rGO/P(VDF-TrFE) Nanokomposit-FET. Die Schematik veranschaulicht strukturelle, optische (transparent) und elektrische (Temperaturreaktion) Eigenschaften des transparenten, flexiblen rGO/P(VDF-TrFE) Nanokomposit-FET [113]. b Die Struktur des physikalisch responsiven Feldeffekttransistors (physi-FET) mit Bottom-Gate und Top-Kontaktstruktur, wobei das Gate-Dielektrikum aus Nanokomposit von P(VDF-TrFE) und BaTiO₃-Nanopartikeln besteht und der Kanal der organische Halbleiter Pentacen ist [112]. c Schematisches Diagramm des ZnO/PVDF-Verbundfilms und rGO-Elektroden [110]. d Fotografie der flexiblen MFSOTE-Matrizen [23].

Neben der Entkopplungsmethode zur Reduzierung oder Beseitigung von Signalstörungen schlugen Lee et al. [110] eine Methode zur Ableitung der Temperatur basierend auf der Erholungszeit des Widerstandsänderungssignals vor, sodass die Halbleiter-Zinkoxid (ZnO) Nanostruktur als Füllstoff in das Substrat Polyvinylidenfluorid (PVDF) gemischt wird (wie in Abb. 5c gezeigt), um eine hochsensitive multifunktionale empfindliche Schicht zu schaffen, die gleichzeitig Temperatur- und Drucksignale erfassen kann. Dabei kann das Halbleiter-ZnO die Dielektrizitätskonstante von PVDF erhöhen und besitzt auch thermische Stabilität. Zhang et al. [23] berichteten über einen Dual-Parameter flexiblen Sensor basierend auf einem selbstversorgten mikrostruktur-rahmengestützten organischen thermoelektrischen (MFSOTE) Material. Abb. 5e zeigt die flexiblen MFSOTE-Matrizen. Durch Umwandlung der durch Temperatur- und Druckstimulation verursachten Signaländerungen in zwei unabhängige elektrische Signale werden Temperatur und Druck gleichzeitig erfasst. Dieses einzigartige Material zeigt hervorragende Temperatursensor-Eigenschaften. Der Überwachungstemperaturbereich beträgt 25–75 °C, die Auflösung kann < 0,1 K erreichen, die Ansprechzeit unter 1 K Temperaturdifferenz beträgt < 2 s, und er kann je nach Substrat an unterschiedliche Sensieranforderungen angepasst werden.

Fertigung

Mit den steigenden Anforderungen an Flexibilität, Multifunktionalität, einfache Fertigung und hohe Empfindlichkeit elektronischer Geräte war die Erforschung und Entdeckung flexibler Sensorfertigungsmethoden mit geringem Gewicht, einfachem Prozess, niedrigen Kosten und großflächiger Fertigung stets das Ziel der Forscher [140]. Dieser Abschnitt fasst hauptsächlich die kürzlich berichteten und durchführbaren Fertigungsstrategien flexibler Temperatursensorelemente zusammen und diskutiert die Schlüsselprozesse zur Verbesserung ihrer Leistung.

Dünnschichtabscheidung

Die Dünnschichtpräparationsmethode kann je nach Phase des verwendeten Materials in Gasphasenabscheidung und Phasenabscheidung unterteilt werden. Die Phasenabscheidung umfasst die später erwähnten Spin-Coating- und Inkjet-Druckverfahren. Im Gegensatz dazu hängt die Gasphasenabscheidung davon ab, ob der Abscheidungsprozess einen chemischen Reaktionsprozess enthält, und wird in physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) und chemische Gasphasenabscheidung (CVD) unterteilt.

PVD ist die Abscheidung von Atomen oder Molekülen, die durch physikalische Methoden auf einem Substrat unter Vakuumbedingungen erzeugt werden, um einen Dünnfilm zu bilden. Dies wird allgemein zur Herstellung von Elektroden oder aktiven Metallschichten verwendet [141, 142]. Gängige Abscheidungsmethoden umfassen Vakuumverdampfung, Vakuumsputtern und Ionenbeschichtung. Dabei bezieht sich das Metallziel-Ionensputtern auf den Vakuumbehälter, unter Einwirkung von Hochspannung 1500 V, wobei die verbleibenden Gasmoleküle ionisiert werden, um Plasma zu bilden, und die Kationen unter Beschleunigung des elektrischen Feldes das Metallziel bombardieren, wodurch Metallatome auf die Probenoberfläche gesputtert werden, um einen leitfähigen Film zu bilden [143]. Ahmed et al. [144] führten einen Si-Temperatursensor auf flexiblem PI-Substrat ein. Sie schieden undotiertes amorphes Silicium als Sensormaterial zwischen Metallelektroden ab, die durch Hochfrequenz-Magnetronsputtern gebildet wurden, und kapselten sie. Schließlich wird das Temperaturempfindlichkeitselement in den flexiblen Polyimidfilm eingebettet, und die Sensoreigenschaft wird nicht beeinträchtigt. Der maximale TCR bei 30 °C beträgt 0,0288 K⁻¹. Webb et al. [145] stellten zwei ultradünne, hautähnliche Sensorfertigungsmethoden vor, die sich in Form eines Arrays auf der Hautoberfläche selbst zusammenbauen, um klare und genaue thermische Leistungsüberwachung zu bieten. Eine Struktur besteht aus einem Temperatursensor-Array, dessen empfindliche Schicht durch die serpentinen Spurstruktur der Cr/Au-Schicht gebildet wird, die auf PI-Folie durch Metallverdampfungsabscheidung, Mikrolithografietechnologie und Nassätztechnik aufgebracht wird, und reaktives Ionätzen und Metallabscheidung für Kontakte und Verbindungen vervollständigen das Array. Ein weiterer Sensortyp nutzt multiplexierte Adressierung, um ein strukturiertes PIN-Dioden-Sensordesign aus dotiertem Si-Nanofilm zu bilden. Die empfindliche Schicht wird durch Metallverdampfung, Photolithografie, chemische Gasphasenabscheidung und Nassätzschritte definiert. Die beiden Arrays sind in Abb. 6a dargestellt. Aluminiumphthalocyaninchlorid (AlPcCl) wird oft als Material für Solarzellen und Feuchtesensoren verwendet. Unter der Forschungsentwicklung von Chani et al. [146] wird AlPcCl als Thermistor verwendet und auf einer Aluminiumeletrode auf Glassubstrat mit einem Vakuumthermverdampfer abgeschieden. Die Autoren fanden, dass der AlPcCl-Film eine höhere Temperaturempfindlichkeit bei 25–80 °C aufweist und Glühen die Sensorleistung verbessern kann. In einem von Bin et al. [6] entwickelten flexiblen Temperatursensor, der Pt-Widerstände als thermosensitives Material verwendet, wird Pt auf die Al-Schicht verdampft, die auf dem spin-coated PI-Film abgeschieden ist, und die Pt-Schicht wird als empfindliche Schicht strukturiert, spin-coated und mit Polyimidmaterial verpackt. Nach Salzsäurebehandlung wird ein vollständiger flexibler Temperatursensor abgezogen, der zur Messung der Oberflächentemperatur von Objekten im biomedizinischen Bereich verwendet werden kann.

Fertigungsmethode flexibler Temperatursensoren. a Oben: Optische Bilder eines 4×4 TCR-Sensorarrays, integriert auf einem dünnen elastomeren Substrat mit vergrößerten Ansichten eines einzelnen Sensors. Unten: Optische Bilder eines 8×8 Si-Nanomembran-Dioden-Sensorarrays, integriert auf einem dünnen elastomeren Substrat mit vergrößerten Ansichten eines einzelnen Sensors [145]. b Schematischer Prozess für die Fertigung von GNWs/PDMS-Temperatursensoren [86]. c Skizze des implantierbaren Mikrotemperatursensors auf Polymerkapillare und seine Anwendung. Der spiralförmige Sensorkopf wird durch Photolithografie gefertigt [157]. d Schematik für jede Schicht des E-Skin-Geräts [132]. e Schematik des E-Skin-Fertigungsprozesses auf PET-Substrat mittels Druckverfahren [134].

Im Vergleich zu anderen Dünnschichtpräparationsprozessen kann die chemische Gasphasenabscheidung hochreine und hochwertige Dünnfilme erreichen. Sie kann auf atomarer oder nanometer Ebene strukturiert und kontrolliert werden [147-149]. Der Prozess der Synthese von GNWs-Film auf Kupferfolie durch Niederdruck-Hochfrequenz-plasmaverstärkte chemische Gasphasenabscheidung (RF-PECVD). Yang et al. [86] entwickelten einen flexiblen Temperatursensor basierend auf GNWs/PDMS. Der Fertigungsprozess ist in Abb. 6b dargestellt. Sie verifizierten, dass GNWs als aktive Schicht eines Temperatursensors durchführbar ist, und ihre thermische Reaktionsleistung übertrifft die eines traditionellen Metallsensors. Im Vergleich zur traditionellen CVD-Technologie kann die Verwendung von PECVD-Technologie [150] unter Niedertemperatur- und Niederdruckbedingungen die Abscheiderate und Filmqualität effektiv verbessern. In einer anderen Studie nutzten Zhou et al. die schwimmende Katalysator-Chemische-Gasphasenabscheidung (FCCVD) Methode [151], um den ursprünglichen SWCNT-Film mit kontrollierbarer Dicke direkt zu synthetisieren. Das kontinuierliche Netzwerk von CNTs, das durch diese Methode gezüchtet wird, besitzt signifikante Leitfähigkeit und einen hohen günstigen Seebeck-Koeffizienten. Nach Übertragung des ursprünglichen SWCNT-Films auf PET-Substrat wird verzweigte Polyetherimid (PEI) Ethanol-Lösung tropfgegossen und getrocknet, um einen n-Typ SWCNT-Film zu erhalten, der in der Fertigung flexibler thermoelektrischer Module verwendet werden kann. Obwohl CVD die Abscheidung beliebiger Materialien auf beliebigen Substraten erreichen kann, werden mit der wachsenden Nachfrage nach einfacher, kostengünstiger und großflächiger Nanogeräte-Fertigungstechnologie die komplexen, kostenintensiven und giftigen CVD-Wachstumsprozesse und der zeitaufwändige Ätzprozess durch geeignetere flexible Elektronik-Fertigungstechnologien ersetzt [58].

Mikro-Nano Strukturierte Fertigung

Dünnfilm-Strukturierung ist eine der Kerntechnologien der flexiblen Elektronikfertigung. Sie folgt der Grundidee, Materialien von oben nach unten zu entfernen oder von unten nach oben hinzuzufügen. Ihre Schlüsseltechnologien sind Dünnfilmfertigung, Strukturierung, Transfer, Replikation, Treue und andere Handwerke. Flexible Elektronik erfordert großflächige, niedrigtemperatur, kostengünstige Strukturierungstechnologie. Gelernt aus der Strukturierungstechnologie der Mikroelektronik und mikromechanischen Geräte. Gleichzeitig müssen wir jedoch die Eigenschaften flexibler elektronischer Geräte wie flexible Substrate, organische Materialien und große Flächen berücksichtigen. Die derzeit für flexible Temperatursensoren verfügbaren Strukturierungstechnologien umfassen Lithografie, Druck, Weichätzen, Nanoimprint, Inkjet-Druck, Lasersintern, Transferdruck, Nano-Direktbeschriftung [152] und andere Prozesse.

Lithografie ist eine Strukturierungsmethode, um verschiedene und raffinierte geometrische Figuren oder Strukturen in der flexiblen Elektronik zu realisieren. Der Photolithografieprozess beinhaltet die Übertragung des Musters auf der Fotomaske auf das Substrat durch Verwendung des Fotolacks mit unterschiedlicher Empfindlichkeit und physikalisch-chemischen Reaktionen unter Licht. Der Photolithografieprozess verwendet üblicherweise Fotolack auf einem Isolator (meist Siliciumwafer), um das gewünschte Muster oder die Struktur nach dem Spin-Coating zu strukturieren und weiter durch einen Abziehprozess zu realisieren [153, 154]. Aufgrund des Photolithografieprozesses und des Abziehprozesses können üblicherweise hohe Ausrichtungs- und Ätzgenauigkeit, einfache Maskenherstellung und komfortable Prozessbedingungen erreicht werden, um hochpräzise, funktionsreiche Mikrostruktursysteme zu erzielen. In der ultradünnen flexiblen Nahtanwendung mit integriertem Temperatursensor und thermischem Aktuator, entwickelt von Kim et al. [155], nutzten sie Photolithografietechnologie zur Mikrobearbeitung des Geräts, und das gefertigte flexible Medizinprodukt besitzt stabile thermische Leistung. Lithografietechnologie ist durch die Notwendigkeit verfügbarer Materialien und Präzisionsgeräte begrenzt. Die Dicke verarbeitbarer Materialien und Dünnfilme ist begrenzt. Sie eignet sich nicht für Gerätefertigungsprozesse, die eine große Menge an aktiven Materialien erfordern. Yang et al. [156] schlugen einen flexiblen implantierbaren Mikrotemperatursensor vor und nutzten Oberflächenmikrolithografie, um den Mikroflexiblen Temperatursensor auf der Außenfläche der Polymerkapillare zu ätzen (Das Sensorsprinzipdiagramm des Miniaturthermometers ist in Abb. 6c dargestellt). Die Verwendung von Pt als empfindliches Material hat gute Linearität und eine vielversprechende Zukunft als implantierbarer Temperatursensor im biomedizinischen Bereich. Diese Technologie ist jedoch die Grundlage der Mikroelektronikindustrie und läutete die Ära der tragbaren flexiblen Elektronik ein.

Mit der Entwicklung von Wissenschaft und Technik hat sich der Druckprozess vom traditionellen Text- und Bildbereich in den Mikro-Nano-Strukturierungsbereich erweitert. Die Technologie kann verschiedene Materialien auf verschiedene Substrate absetzen, und der Druckprozess ist nicht umwelthart. Kurz gesagt, Drucktechnologie umfasst Hochdruck, Flachdruck, Tiefdruck, Siebdruck und hat sich zu Weichätzen [158, 159], Transferdruck, Nanoimprint und anderen Methoden entwickelt. Je nach spezifischer Implementierungsmethode kann der tragbare Sensor den bedruckten vom unbedruckten Teil mit Hilfe der Maske unterscheiden. Beim Maskendruck muss das zu übertragende Muster im Voraus entworfen und dann durch die Maske gebildet werden. Das funktionale, aktive Material kann direkt durch den funktionalen Tinten-Abdruckprozess auf das Substrat oder die Elektrode übertragen werden [160]. Siebdruck ist eine typische Maskendrucktechnik [161]. Im Druckprozess durch absoluten Druck wird die funktionale Tinte durch einen Rakel mit strukturiertem Sieb auf das Substrat übertragen, um ein Muster zu bilden. Die einzigartige Druckmethode ermöglicht es dem Siebdruck, schnelle, großflächige, kostengünstige Fertigungsanforderungen auf flachen oder gekrümmten Oberflächen zu erfüllen. Er wurde breit in der Fertigung von Sensorschaltkreisen, Elektroden und Sensorelementen eingesetzt. Im Vergleich zur Photolithografietechnologie kann Siebdruck Muster auf verschiedenen Materialien erzeugen. Die Musterauflösung kann jedoch komplexe geometrische Formen nicht erfüllen und eignet sich nur für einfache Formen. Yokota et al. [116] rührten und mischten verschiedene halbkristalline Polymere mit Graphit, um einen super-flexiblen temperaturempfindlichen Copolymer für flexible Temperatursensoren zur Überwachung menschlicher physiologischer Temperaturen zu bilden. Das super-flexible Temperatursensorelement wird durch Maskendruck gedruckt, indem der Copolymer mit Graphitfüllstoff zwischen zwei interdigitalen Goldelektroden, die auf PI-Film abgeschieden sind, eingeschlossen und dann durch Warmpressen gebildet wird. Yan et al. [58] nutzten ein Flachplatten-Saugfilterdruckverfahren, um Graphen durch eine Maske abzuscheiden, vakuumzufiltern und auf das Substrat zu übertragen, um eine dreidimensionale Faltmusterstruktur zu bilden, die dehnbares Graphen mit variablem thermischem Index produziert. Der Thermistor erhöht die Sensorfläche und Dehnbarkeit des Sensors. Das vorgeplante dehnbare empfindliche Materialmuster kann bei Dehnung unter 50 % weiterhin empfindlich die Temperatur überwachen. Um die ökonomische Fertigung von Sensoren mit größerer Fläche zu erreichen, gaben Harada und Kollegen komplexe und kostspielige Fertigungsprozesse (wie Abscheidung und Photolithografie) auf. Sie entschieden sich, eine Reihe multifunktionaler flexibler Sensoren ausschließlich mit Druckverfahren zu fertigen. Die PEDOT:PSS/CNT-Verbundtinte wurde auf den durch Siebdruck auf PET-Substrat gebildeten Schaltkreis durch eine Schattenmaske gedruckt, und es gibt Löcher nach Laserschreiben (LS), um mit der unteren PDMS-Schicht zu kombinieren. Die fingerabdruckartige Struktur (siehe Abb. 6d) wird mit der siebdruckbasierten Dehnungssensorschicht kombiniert, um einen flexiblen Sensorarray zu bilden. Die durch Kontakt verursachte Verformung und Temperaturdifferenz erreichen eine menschenähnliche Überwachungsleistung. In einer anderen Studie, ebenfalls mit vollem Druckverfahren, schlugen Kanao et al. [134] einen multifunktionalen flexiblen Sensorarray basierend auf einer Kragbalkenstruktur vor (Abb. 6e). Sie platzierten Dehnungs- und Temperatursensoren auf einem flexiblen siebdruckbasierten Schaltkreis. Auf beiden Seiten des PET-Substrats wurde ein strukturierter Schattenmasken mit einem flexiblen Temperatursensor (PEDOT:PSS/CNT-Verbundtinte) auf den Siebdruck-Schaltkreis gedruckt. Der voll gedruckte Arraysensor wird verwendet, um die Sensoreigenschaften menschlicher Haut nachzuahmen. Wenn die Kragbalkenstruktur belastet wird, nähert sich die Wärmequelle dem Temperatursensor auf der Unterseite des Substrats, um Temperaturänderungen genauer zu überwachen.

Transferdruck ist eine Druckmethode, bei der die strukturierte konkave oder konvexe Oberfläche auf das Empfängersubstrat durch einen unstrukturierten Stempel übertragen wird. Das Grundprinzip ist die Nutzung der unterschiedlichen Viskosität der Druckschicht relativ zum Stempel und Substrat, um den Mustertransfer zu erreichen [162-165]. Es gibt zwei Arten von Transferdruck: direkten und indirekten Transferdruck. In der Fertigung flexibler Temperatursensoren wird häufig der letztere verwendet, d. h. die Verwendung eines vorstrukturierten Films zur Übertragung auf das Empfängersubstrat. In der vorherigen Übersicht wurden viele Beispiele organischer Materialien als empfindliche Schichten erwähnt, aber wenige anorganische Materialien als temperaturempfindliche Materialien. Bemerkenswert ist, dass Liao et al. [103] einen hochsensitiven Temperatur/mechanischen Dual-Parameter-Sensor mit anorganischem thermischem Material Vanadiumdioxid (VO₂) berichteten, der auf PET/Vanadiumdioxid basiert und durch Transferdrucktechnik (VO₂)/PDMS Mehrschichtstruktur gefertigt wurde. Die durch polymerunterstützte Abscheidung (PAD) abgeschiedene VO₂-Schicht wird geätzt und auf den PDMS-Film aufgebracht. Nach Dehnung bilden sich nanospinnennetzartige Risse, und dann wird die Schicht auf das flexible PET-Substrat gepresst. Er kann Temperaturen im Bereich 270–320 K detektieren. Die Temperatursensorleistung mit einer Auflösung von 0,1 K wird dem hohen TCR des VO₂-Materials zugeschrieben. Das gesammelte Temperatursignal und das mechanische Signal werden durch den Algorithmusunterschied getrennt, um die gleichzeitige Überwachung der Temperatur- und mechanischen Änderungen zu erreichen. Um das Problem der unzureichenden Dehnbarkeit flexibler Temperatursensoren zu lösen, erfanden Yu et al. [99] basierend auf Transferdrucktechnik ein flexibles Gerät, das die Sensorleistung auch bei 30 % Dehnung oder Kompression beibehält. Sie verwendeten die Au/Cr-Schicht als Thermistor, strukturierten sie auf SOI durch Standard-Photolithografietechnologie. Die abgezogene empfindliche Schicht haftete durch einen flexiblen PDMS-Stempel und wurde dann auf ein vorgedehntes flexibles PDMS-Substrat übertragen und gedruckt, um das Substrat freizugeben. Der Fertigungsprozess zur Bildung eines dehnbaren flexiblen Temperatursensors ist in Abb. 7a dargestellt.

Fertigungsmethode flexibler Temperatursensoren. a Schematische Illustration des Fertigungsprozesses [99]. b Fertigung des dehnbaren und multimodalen All-Graphen E-Skin Sensorarrays [84]. c Prozessfluss zur Fertigung gedruckter ferroelektrischer aktiver Matrix-Sensorarrays [169]. d Multifunktionale E-Whisker-Fertigung [11].

Inkjet-Druck ist eine präzise, schnelle und reproduzierbare Dünnfilm-Fertigungstechnologie, die breit in der Sensorentwicklung eingesetzt wird. Im Vergleich zu anderen Druckmethoden hat Inkjet-Druck die Vorteile Bequemlichkeit, Flexibilität, Schnelligkeit, niedrige Kosten, Kompatibilität, Genauigkeit usw. [166-168]. Die Muster des Inkjet-Drucks müssen nachbearbeitet (Trocknen, Aushärten, Sintern usw.) werden, um vollständig gebildet zu sein. Die Leistung der gedruckten Muster wird durch Umwandlung der Tintennanopartikel in kontinuierliche Materialien verbessert. Die Eigenschaften der Oberflächenspannung und Viskosität der Tinte während des Druckprozesses stellen hohe Anforderungen an die Leistung der Inkjet-Geräte [97]. Unter der Bedingung einer bestimmten Substratgröße wird die Länge des leitfähigen Leiterbahns so lang wie möglich gebildet, und Dicke, Breite und Abstand der Leiterbahn sind vernünftig. Wiederholte Experimente ermitteln den Ausstoßkoeffizienten des Inkjet-Systems. Zum Beispiel nutzten Dankoco et al. [102] die Inkjet-Druckmethode, um eine Verbundtinte mit Silber als Hauptkomponente auf PET-Folie abzuscheiden, um einen flexiblen und biegbaren Temperatursensor herzustellen. Der Schaltkreis auf dem Substrat ist klar und glatt, und die Tintentröpfchen sind konsistent, verwendet zur Messung der menschlichen Körpertemperatur. Das Bild zeigt den Fertigungsprozess des extrem sensitiven und transparenten multifunktionalen elektronischen Hautsensorarrays, entwickelt von Oh et al. [108]. Der flexible Array besitzt die Funktion der Überwachung von Temperatur, Feuchtigkeit und Dehnung. Er kann Empfindungen wie Atmung und Berührung wahrnehmen. GO und rGO, die als Feuchtigkeits- und Temperatursensormaterialien verwendet werden, werden durch Inkjet-Drucktechnik durch eine Maske auf das PDMS-Substrat des durch CVD-Verfahren gewachsenen Graphenschaltkreises aufgesprüht. Die beiden Sensoren sind horizontal und vertikal ausgerichtet, und der Temperatursensor befindet sich auf der unteren Schicht (wie in Abb. 7b dargestellt). Nach Querlaminierung wird ein PDMS/Graphen-Druck-Dehnungssensor gebildet. Als multifunktionaler flexibler Sensor kann er gleichzeitig, aber unabhängig auf ein einzelnes Signal reagieren. Inkjet-gedrucktes Graphen ist sieben Größenordnungen höher als CVD-gewachsenes Graphen. Die Leistungsvorteile spiegeln sich in vielen Artikeln wider, und einige Forschungsergebnisse sind besser als CVD-hergestellte Graphitprodukte. Inkjet-Druck und Siebdruck sind beide schnelle und kostengünstige technische Mittel zur Realisierung großflächiger Sensorfertigung. Zirkl et al. [169] kombinierten die beiden schnellen Fertigungstechnologien, um einen voll gedruckten flexiblen Sensorarray zu erstellen, der mehrere Siebe verwendet. Im Sieb- und Inkjet-Druck werden nur fünf Funktionsinten verwendet, um mehrere funktionale elektronische Komponenten (einschließlich druck- und temperaturempfindlicher Sensoren, elektrochromer Displays und organischer Transistoren) einfach auf demselben flexiblen Substrat zu integrieren (in Abb. 7c). Da die Fertigungsgeschwindigkeit und der niedrige Kosten des Prozesses auch auf das intelligente Sensornetzwerk mit Roll-to-Roll (R2R) Fertigungsprozess in der Zukunft angewendet werden können. Die Entwicklung eines wegwerfbaren elektronischen Hautsystems (EES) ist besonders kritisch. Ähnlich wie das vorherige Beispiel führte Vuorinen et al. [56] einen Temperatursensor ein, der einem Pflaster ähnelt, nach Inkjet-Druck. Der Sensor verwendet Graphen/PEDOT:PSS-Verbundtinte und der Druck erfolgt auf PU-Material, das für die Haut geeignet ist. Insbesondere erreichten sie neben einer Empfindlichkeit von über 0,06 % °C⁻¹ durch Inkjet-Drucker eine serpentinenförmige strukturierte Inkjet-Druck zwischen dem silbernen Siebdruck mit hoher Auflösung (1270 dpi), was den Mangel des Inkjet-Drucks beim Drucken komplexer Grafiken wie Schlangen verbesserte. Mit der Nutzung und Forschung der Inkjet-Technologie in der flexiblen Elektronik verbessert sich auch die Technologie zur Steuerung von Düsen und Tinten. Im Vergleich zum schnellen Fertigungsprozess des Siebdrucks muss der Inkjet-Druck einen Debugging-Prozess durchlaufen, und die Druckgeschwindigkeit ist nicht so gut wie beim Siebdruck. Auch die geringe Anzahl gleichzeitig laufender Düsen und die hohe Düsenausfallrate begrenzen die Inkjet-Druck-Fertigungstechnologie auf Labore, und die großflächigen Fertigungsanforderungen der industriellen Produktion können nicht erreicht werden.

Laser-Direktbeschriftung (LDW) Technologie verwendet Berechnungen, um vorgeplante Muster zu entwerfen. Sie nutzt direkt Laserstrahlablation ohne Maskierung und Vakuumabscheidung. Sie kann den Mustertransfer direkt auf der Substratoberfläche abschließen, mit guter räumlicher Selektivität und hoher Direktbeschriftungsgeschwindigkeit und Verarbeitungsgenauigkeit, kurzem Zyklus, hoher Materialausnutzung und geringer Verschmutzung. Im Vergleich zu traditionellen Temperaturthermistoren, die hohe Temperaturen und verschiedene komplexe Prozesse zur Aktivierung der Sensorfunktion erfordern, kann LDW selektives Glühen auf einem vorgegebenen Muster erreichen. Ein neuartiges integrales Laser-induziertes Reduktionssintern (m-LRS) Fertigungsschema von Shin et al. [170] kann auch Metalloxid-NPs während des Glühprozesses reduzieren. NiO-NP-Tinte wird auf einem fragilen PET-Substrat aufgeritzt, und m-LRS-Technologie wird verwendet, um NiO direkt zu reduzieren und eine lineare Ni-Elektrode zu strukturieren, um eine planare Ni–NiO–Ni-Heterostruktur zu bilden (wie in Abb. 8a gezeigt). Die einzigartige Methode zur Fertigung eines kompletten flexiblen Temperatursensorsystems, bestehend aus Ni-Elektroden und NiO-Sensorkanälen aus einem einzigen Material NiO-NPs, bietet eine neue Idee für die schnelle Fertigung flexibler Temperatursensoren. Anders als die zuvor entworfenen und gefertigten voll-gedruckten Sensorarrays schlugen Harada et al. [11] eine direktere Methode zur Massenfertigung flexibler Temperatursensoren basierend auf früherer Forschung vor. Die flexible Temperatursensor-Verbundtinte wird auf das Substrat gedruckt, der Laser wird verwendet, um den überschüssigen Teil direkt wegzuätzen, lässt das geplante Muster auf dem Substrat zurück und schließt die Fertigung des Temperatursensorarrays ab. Das Substrat wird geschnitten, um die Tierwhisker nachzuahmen und eine künstliche elektronische Whisker (E-Whisker) Struktur zu erstellen (Abb. 7d), Dehnungssensor gebildet durch laminierten Siebdruck. Bionische Sensorarrays können dreidimensionale Objekte durch Nutzung struktureller Vorteile scannen und wahrnehmen.

Gängige Fertigungsmethoden. a Schematik des m-LRS-Prozesses [170]. b Schematische Diagramme des Fertigungsprozesses von papierbasierten GNR-Sensoren [171]. c Fertigungsprozess der Temperatursensoren [87]. d Flexibler Temperatursensor auf Garn, Kontakte aus Polymerleitpaste [111]. e Fertigungsprozess für Form, Klebstoff und Temperatursensor [108].

Unter der Prämisse der Realisierung kostengünstiger und großflächiger Fertigung erlauben wegwerfbare intelligente Überwachungsgeräte nicht nur, das Überwachungsverhalten jederzeit und überall zu nutzen, sondern gewährleisten auch die Sicherheit und Hygiene der flexiblen Überwachungsgeräte. Gong et al. [171] schlugen eine Stift-auf-Papier-Fertigungsmethode vor, die einen Pinsel oder eine Maske verwendet, um Graphen-Nanoband (GNR) leitfähige Tinte zwischen den Kohlenstoffnanoröhren-Elektroden auf dem Papierbasis zu tropfen. In Abb. 8b dargestellt. Der nach Verkapselung mit transparentem Klebeband gefertigte flexible Temperatursensor. In ihrer Forschung besitzen GNRs hervorragende Sensoreigenschaften und erfüllen die Anforderungen für die Körpertemperaturüberwachung. Die Fertigungsmethode bietet zuverlässige Unterstützung für die Anwendung schneller, großflächiger wegwerfbarer flexibler Geräte.

Weitere gängige Fertigungsmethoden

Spin-Coating der Basisschicht, aktiven Schicht und Verkapselungsschicht Schicht für Schicht ist ein gängiger Weg, flexible Temperatursensoren durch das Flüssigphasenverfahren zu fertigen. Spin-Coating-Technologie wird oft für Substratfertigung und Verpackungsschutz verwendet. Für lösungsartige empfindliche Materialien wird Spin-Coating verwendet. Die Beschichtung kann nicht nur die Produktionseffizienz erheblich steigern, sondern hat auch hervorragendes Potenzial für großflächige Fertigung. Kim et al. [172] demonstrierten den Fertigungsprozess eines organischen Feldeffekttransistor (OFET) Arrays, indem sie einen Spin-Coating-Prozess nutzten, um eine Mikrostruktur auf einer Form mit kristallisiertem P(VDF-TrFE) Material als Gate-Dielektrikum und anderen Materialien zu entwerfen. Materialverpackung bildet OFETs, und die Einführung von Mikrostrukturen verbessert die Sensoreigenschaften. Der Fertigungsprozess der bionischen Struktur [108] flexiblen Temperatursensors. Die Klebstoffschicht der bionischen Oktopus-Fußsaugerstruktur wird durch einen Spin-Coating-Prozess gefertigt, kombiniert mit Photolithografie-Abziehtechnologie und umgekehrter Formtechnik (in Abb. 8e). Er besitzt hervorragende Temperaturüberwachungseffekte, und die verwendeten Materialien schneiden auch in Bezug auf menschliche Biokompatibilität gut ab. Liu et al. [87] Nach Oberflächenionisationsbehandlung auf dem Substrat wurde die flexible Elektrode siebdruckt, und dann wurde die empfindliche Schicht rGO durch das Luftsprühbeschichtungsverfahren mit dem flexiblen Draht verbunden, und die Hauptstruktur des temperaturempfindlichen flexiblen Sensors wurde nach Verpackung gebildet (siehe Abb. 8c). Es ist möglich, Roboterhäute herzustellen. Huang et al. [68] fertigten einen Temperatursensor mit Flexibilität, hoher Auflösung und hoher Wiederholbarkeit im Temperaturbereich 25–42 °C. Sie tropften die PEO1500/PVDF/Gr-Verbundlösung nach Rühren und Ultraschallbehandlung auf ein flexibles Polyimid-Substrat. Es wurde mit einer bestimmten Geschwindigkeit spin-coated, um eine Schicht zu bilden. Es wurde in einen Temperatursensor verpackt, was die Möglichkeit und Machbarkeit der medizinischen Körpertemperaturübertragung verifizierte. Spin-Coating-Technologie als effektiver Fertigungsprozess für tragbare Geräte wurde auch in die Forschung von Wu et al. [173] eingeführt. Sie entwarfen einen organischen Dünnschichttransistor mit Wärmesensorfähigkeit. Clever durch den einzigartigen dreiarmligen dreidimensionalen Verbund Polylactid, Polymilchsäure (tascPLA) Lösung wurde auf der Au-Gate-Elektrode, die auf Si-Substrat verdampft wurde, spin-coated. Dann werden Au-Source und Drain durch thermische Verdampfungsmethode darauf abgeschieden. Der Verbundfilm mit tascPLA dient auch als Gate-Dielektrikum und Substratmaterial des OFET. In der flexiblen Elektronik gibt es nicht wenige, die Stoff als Träger des Sensorelements verwenden. Das Eintauchen von leitfähigem Garn/Stoff in leitfähige Tinte ist die gängigste Beschichtungstechnologie für flexible Sensoren. Die Entwicklung leitfähiger Stoffe bietet eine vernünftige Voraussetzung für die Anwendung intelligenter Stoffe. Sibinski et al. [111] entwickelten einen Temperatursensor, der den Temperaturbereich 30–45 °C überwacht. Zudem realisiert er derzeit die filamentäre Miniaturisierung auf einem einzelnen Garn. In Abb. 8d gezeigt, wird die PVDF-Monofilamentfaser mit PMMA-Polymerverbund, gemischt mit mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhren (MWCNTs) als wärmeempfindliche Schicht durch Tauchbeschichtungstechnologie beschichtet, was gute Temperaturempfindlichkeit und extrem hohe Wiederholbarkeit aufweist. Er wird als Stoff leicht in Strickkleidung integriert. Eine weitere Methode, basierend auf den Formeigenschaften organischer Materialien, wird ebenfalls zur Fertigung flexibler Sensormembranstrukturen oder zur Fertigung von Proben zur Prüfung der Sensoreigenschaften verwendet. Der Fertigungsprozess des thermoelektrischen Nanogenerators (TENG), erforscht von Yang et al. [107] Das Tropfguss-Film-Verfahren, nach Vergleich, verwirft das PEDOT:PSS-Material, das einen schwachen Tropfguss-Effekt hat und leicht bricht, nicht nur die Mischung aus Te-Nanodrähten und P3HT-Polymer in Chlorbenzol-Lösung wird auf das flexible Kapton-Substrat tropfgegossen, um einen Verbundfilm zu bilden, das Verbundmaterial wird auch auf weißes Stoffgewebe gegossen, das ebenfalls offensichtliche Temperaturempfindlichkeit und thermoelektrische Leistung aufweist, was in tragbaren Wärmekollektoren verwendet werden kann. Reiche und vielfältige Fertigungsmethoden legen den Grundstein für die Entwicklung flexibler Elektronik. Unter den Anforderungen an großskalige und großflächige Produktion entwickelt sich auch geeignete Fertigungstechnologie kontinuierlich weiter. In der Zukunft werden perfekte tragbare flexible Geräte erwartet.

Ergebnisse und Diskussion

Schlüsselparameter flexibler Temperatursensoren

Der flexible Temperatursensor kann am menschlichen Körper befestigt werden, um subtile Temperaturänderungen auf der menschlichen Körperoberfläche oder die Echtzeit-Temperaturüberwachung spezifischer Teile, sogar die Temperatur des Kerns oder der Gewebe und Organe im Körper zu überwachen. Sie reagieren auf Temperaturänderungen, indem sie den Widerstand ändern und die Temperaturänderungen als elektrische Signale ausgeben. Mit der steigenden Nachfrage nach flexiblen elektronischen Geräten werden die Nachteile traditioneller Temperatursensoren wie schlechte Skalierbarkeit, Unfähigkeit zum Transport und schlechte Echtzeitleistung zunehmend ungeeignet für flexible tragbare Geräte. Heute werden flexible Temperatursensoren mit hoher Leistung gefordert, wie hohe Empfindlichkeit, schnelle Ansprechzeit, vernünftiger Testbereich, hohe Präzision und hohe Haltbarkeit, um die Überwachungsfunktion besser zu realisieren.

Empfindlichkeit

Die Sensorempfindlichkeit bezieht sich auf das Verhältnis der Änderung Δy der Systemantwort unter statischen Bedingungen zur entsprechenden Eingabeänderung Δx, also das Verhältnis der Dimensionen von Ausgabe und Eingang. Wenn die Ausgabe- und Eingabedimensionen des Sensors gleich sind, kann die Empfindlichkeit als Vergrößerung verstanden werden [21, 174, 175]. Der Temperaturkoeffizient des Widerstands TCR (in °C⁻¹) des gängigen Widerstandstyps flexibler Temperatursensoren wird durch folgenden Ausdruck ausgedrückt: ΔR/R₀ = s(T - T₀), als relative Widerstandsänderung (ΔR/R₀) in Abhängigkeit von der Temperatur, wobei s den TCR darstellt. Wenn Sensorausgabe und -eingabe ein lineares Verhältnis zeigen, ist die Empfindlichkeit konstant [83]. Andernfalls ändert sie sich mit der Eingabegröße. Allgemein kann durch Erhöhung der Empfindlichkeit eine höhere Messgenauigkeit erzielt werden. Die meisten flexiblen Sensoren zur Körpertemperaturüberwachung achten nur auf Temperaturänderungen innerhalb von 10 °C und erfordern daher hohe Temperaturempfindlichkeit, um relativ kleine Temperaturänderungen zu erfassen. Hier werden mehrere typische Methoden und Konzepte zur Verbesserung der Empfindlichkeit flexibler Temperatursensoren zusammengefasst, um eine günstige Referenz für weitere Verbesserungen zu bieten.

Die Sensorleistung flexibler Temperatursensoren steht meist in engem Zusammenhang mit den Materialeigenschaften. Ein möglicher Weg zur Realisierung empfindlicher Sensoren ist die Verwendung von Verbundmaterialien mit sichtbarer thermischer Leistung. Nach Temperaturstimulation ändert sich das interne leitfähige Netzwerk, was die Temperaturempfindlichkeit des Geräts beeinflusst. Um die Temperaturempfindlichkeit des aktiven Materials zu verbessern, wird eine Strategie angewendet, die Temperaturschwankungen in mechanische Verformung umwandelt, um die Reaktion des leitfähigen Netzwerks auf Temperaturänderungen zu verstärken. Das thermosensitive Material wird mit einem Substrat mit hohem positiven thermischen Ausdehnungskoeffizienten verbunden, um die thermisch induzierte Verformung zu verstärken. Diese Methode findet Anwendung in Sensoren aus Graphen, Graphit und Graphen-Nanowänden. Zum Beispiel etabliert in dem von Huang et al. [68] entworfenen und gefertigten flexiblen Temperatursensor Gr einen leitfähigen Pfad im PEO/PVDF-binären Verbundmaterial. Im in Abb. 9b gezeigten Prozess bewirkt die Temperaturänderung, dass PEO von kristallin in amorph übergeht und schmilzt, wenn die Temperatur dem Schmelzpunkt von PEO nahekommt. Die Volumenausdehnung von PEO zerstört das leitfähige Netzwerk im Verbundmaterial, was zu einem starken Anstieg des Widerstands führt – die Stärke des PTC wird erhöht, was eine schnelle Reaktion auf enge Temperaturbereichsänderungen ermöglicht. Experimente zeigen, dass die thermische Leistung von PEO eine führende Rolle im PTC-Effekt des Geräts spielt. Ein weiterer Weg zur Verbesserung der Empfindlichkeit eines flexiblen Temperatursensors ist die Verwendung einer einzigartigen Struktur. In den letzten Jahren wurden zur Verbesserung der Temperatursensorleistung verschiedene Designstrategien durch Änderung der Struktur entwickelt. Yu et al. [176] schlugen kürzlich eine Methode basierend auf der Ingenieurmikrorissmorphologie vor, um die Rissmorphologie des PEDOT:PSS-Films auf PDMS-Substrat durch Anpassung der Substratoberflächenrauheit, Säurebehandlungszeit und Vordehnungsgrad zu verändern, um die Temperaturempfindlichkeit des Sensors zu verbessern. Abb. 9d zeigt den Einfluss der durchschnittlichen Risslänge und Rissdichte auf die Temperaturempfindlichkeit. Das Ergebnis ist: Je länger die Risslänge, je höher die Rissdichte, desto höher die Temperaturempfindlichkeit. Es wird bewiesen, dass die Mikrorissstruktur eine entscheidende Rolle für die Temperaturempfindlichkeit des Sensors spielt. Es wird verifiziert, dass die Erlangung einer hochdichten Mikrorissstruktur der Schlüssel zur Erlangung hoher Temperaturempfindlichkeit des Sensors ist. Hohe Dichte und hohe Länge korrelieren direkt mit höherer Temperaturempfindlichkeit. Der Fertigungsprozess flexibler elektronischer Geräte spielt eine entscheidende Rolle bei der Herstellung des Geräts und kann die Empfindlichkeit des flexiblen Temperatursensors effektiv verbessern. Genau wie Shin et al. [170] eine schnelle Gesamt-Laser-induzierte Reduktionssintern (m-LRS) Methode zur Fertigung von Ni/NiO flexiblen Temperatursensoren verwendeten, die sich von der Inkjet-Druckmethode unterscheidet. Sie reduzieren und sintern die Ni-Elektrode direkt auf der NiO-Schicht und bilden einen hochwertigen Gesamtkontakt zwischen der Metallelektrode (Ni) und dem temperaturempfindlichen Material (NiO). Der Ni–NiO–Ni heterogene Temperatursensor zeigt höhere Temperaturempfindlichkeit als andere Sensoren desselben Typs (Abb. 9e). Raman-Spektroskopie und Röntgenbeugung (XRD) Messungen zeigen, dass die überlegene Empfindlichkeit vom einzigartigen thermischen Aktivierungsmechanismus des m-LRS-Prozesses herrührt. Da flexible Temperatursensoren meist berührungsempfindlich sind, wird vermutet, dass die Filmdicke die Empfindlichkeit beeinflusst. Die Studie von Lee et al. [177] verifizierte den Einfluss der Dicke des hochsensitiven Papierbasismaterials auf die Empfindlichkeit. Sie verwendeten eine einfache Tauchfertigungsmethode, um empfindliche Materialien auf Druckpapier abzuscheiden. Die Tauchzeit beeinflusst die Filmdicke. Abb. 9f zeigt auch die unterschiedliche Empfindlichkeitsleistung aufgrund unterschiedlicher Dicken. Es ist zu beachten, dass höhere Empfindlichkeit oft engeren Messbereich und schlechtere Stabilität bedeutet. Daher ist es notwendig, auf Erhöhung der Stabilität und Genauigkeit zu achten, während die Empfindlichkeit verbessert wird.

Empfindlichkeit flexibler Temperatursensoren. a Bilder von PEO1500/PVDF/Gr bei Raumtemperatur. b Widerstandskurven von PEO1500/PVDF/Gr, PEO6000/PVDF/Gr und PEO5000K/PVDF/Gr Verbundstoffen versus Temperatur [68]. c Temperaturmessungen vor und nach dem Training, die Illustration zeigt den flexiblen Temperatursensor am Handrücken. d Heatmap als Funktionen der durchschnittlichen Risslänge und Rissdichte für TCR-Werte aller entwickelten Sensoren [176]. e PTC- und NTC-Eigenschaften der m-LRS verarbeiteten Ni-Elektrode und Ni–NiO–Ni-Struktur. Eingefügte digitale Bilder sind m-LRS verarbeitete Ni-Elektrode (oben) und Ni–NiO–Ni-Struktur (unten) [170]. f Ergebnisse der abgeschiedenen Filmdicke (blauer Kreis), Widerstand bei Raumtemperatur (weißes Quadrat) und Empfindlichkeit (rotes Quadrat) als Funktion der Abscheidezeit [177].

Weitere Parameter flexibler Temperatursensoren

Der Messbereich eines flexiblen Temperatursensors ist ein wichtiger Parameter, der sich auf die minimal und maximal detektierbare Temperatur bezieht. In diesem Artikel interessieren wir uns nur für den Messbereich (30–45 °C), der für die Körpertemperaturüberwachung geeignet ist. Ein weiterer wichtiger Leistungsparameter, die Ansprechzeit, wird allgemein als die Zeit definiert, die der Temperatursensor von der Anwendung der Temperaturstimulation bis zur Erzeugung eines stabilen Signalausgangs verbraucht. Einige Dokumente definieren die Ansprechzeit des Temperatursensors auch durch die Zeit, in der die Sensorentemperatur von T_sensor auf 90 % des Temperaturanstiegs (T₀) ansteigt [145]. Sie hängt mit der thermischen Reaktion des aktiven Materials selbst zusammen und spiegelt die schnelle Reaktionsfähigkeit des Temperatursensors auf Temperatur wider. In Bezug auf Anwendungen wie Echtzeit-Gesundheitsüberwachungsprodukte für den menschlichen Körper und tragbare künstliche Intelligenzelemente mit sofortiger Reaktion ist eine kürzere Ansprechzeit erforderlich.

Die Fähigkeit des Sensors, die kleinste zu messende Änderung zu erfassen, wird als Auflösung definiert. Mit anderen Worten: Die Eingabegröße beginnt sich von einem Nicht-Null-Wert zu ändern. Wenn der Eingabeänderungswert einen absoluten Wert nicht überschreitet und die Ausgabe des Sensors sich nicht ändert, bedeutet dies, dass der Sensor die Änderung der Eingabegröße nicht unterscheiden kann. Genauigkeit bezieht sich auf das Verhältnis des Wertes von plus/minus drei Standardabweichungen in der Nähe des wahren Wertes zum Bereich, den maximalen Unterschied zwischen Messwert und wahrem Wert und den Streuungsgrad des Messwerts. Für Messgeräte ist Genauigkeit ein qualitativer Begriff und erfordert im Allgemeinen keine numerische Angabe. Da die normalen Schwankungen der menschlichen Körpertemperatur innerhalb eines Tages gering sind, sind hohe Auflösung oder hohe Genauigkeit für flexible Temperatursensoren zur Körpertemperaturüberwachung von Bedeutung und bestimmen die breitere Anwendung flexibler Temperatursensoren.

Wiederholbarkeit ist der Grad der Inkonsistenz der Messergebnisse für die gleiche Anregungsgröße, wenn das Messsystem unter gleichen Arbeitsbedingungen mehrere (mehr als 3) Messungen im gesamten Bereich in gleicher Richtung durchführt. In einem flexiblen Temperatursensor bedeutet Haltbarkeit, dass er unter langfristigen Nutzungsbedingungen eine stabile Sensorfunktion und vollständige Gerätefähigkeit beibehält. Ein flexibler Temperatursensor mit hoher Haltbarkeit und hoher Wiederholbarkeit kann die grundlegenden Anforderungen an langfristig stabile Nutzung erfüllen. Linearität wird üblicherweise als der Grad der Abweichung zwischen der tatsächlichen Eingabe-Ausgabe-Beziehungskurve und der idealen Anpassungskurve definiert, meist als Prozentsatz ausgedrückt. Daher wird im linearen Bereich das Ausgangssignal genauer und zuverlässiger. Hohe Linearität fördert auch den Eingabe-Ausgabe-Signalkalibrierungsprozess und die nachfolgende Datenoptimierungsverarbeitung [58]. Die Nachfrage nach der Entwicklung flexibler Temperatursensoren mit hoher Linearität nimmt ebenfalls zu.

Anwendungen

Die Fähigkeit lebender Organismen, präzise und schnell auf externe Umweltreize zu reagieren, ist ein wesentliches Merkmal des Lebens. Die Induktion von Temperatur ermöglicht es Menschen, Gefahren vorherzusagen und auf Krankheiten zu reagieren. Abnormale Veränderungen der Körpertemperatur spielen oft eine entscheidende Erinnerung und Hilfe für Früherkennung [179]. Mit der Forschung und Entwicklung flexibler elektronischer Geräte wie elektronischer Haut, intelligenter Gesundheitsüberwachungssysteme, intelligenter Textilien und biomedizinischer Geräte sind Sensoren mit multifunktionaler Signalakquise notwendig [180, 181]. Darunter ist der flexible Temperatursensor ein unverzichtbarer und wichtiger Bestandteil medizinischer und gesundheitlicher Anwendungen [96]. In den letzten Jahren haben Fortschritte bei neuen Materialien, neuen Fertigungstechnologien und einzigartigen Sensormethoden eine wesentliche Referenz und eine solide Grundlage für die Entwicklung eines neuen hautähnlichen flexiblen Temperatursensors geliefert. Bei diesen Sensoren übertreffen einige grundlegende Leistungsparameter wie Empfindlichkeit, Auflösung und Ansprechzeit sogar die natürliche Haut. Obwohl nach viel Grundlagen- und angewandter Forschung die Forschungsergebnisse vom Labor in die reale Anwendung überführt werden können, gibt es in praktischen Anwendungen noch viele Herausforderungen. Im folgenden Inhalt fassen wir die jüngsten Ergebnisse flexibler Temperatursensoren in flexiblen Elektronikanwendungen mit einzigartigen, hervorragenden und praktischen Anwendungsbeispielen zusammen.

Flexible Sensoren besitzen die Eigenschaften großflächiger Verformbarkeit, Leichtgewicht und Tragbarkeit, die Funktionen realisieren können, die traditionelle Sensoren nicht können. Elektronische Haut integriert verschiedene Sensoren und Leiter auf einem flexiblen Substrat, um einen hochflexiblen und elastischen Sensor ähnlich der Haut zu bilden. Sie wandelt externe Reize wie Druck, Temperatur, Feuchtigkeit und Härte in elektrische Signale um und überträgt sie an den Computer zur Verarbeitung, kann sogar regelmäßige Objekte erkennen [14]. Eine elektronische Haut mit ähnlichen Funktionen ist eine notwendige Eigenschaft zukünftiger Roboter, um Wahrnehmung in unstrukturierten Umgebungen zu erreichen. Die elektronische Haut ermöglicht dem Roboter, Veränderungen der externen Umgebung so scharf wahrzunehmen wie ein echter Mensch. Obwohl das Prinzip der elektronischen Haut einfach ist, gibt es noch Herausforderungen, die Roboterfläche mit elektronischer Haut zu bedecken. Die Verwendung der elektronischen Haut bestimmt, dass die Integrität des Geräts gewahrt bleibt, während die Sensoreigenschaft während mechanischer Verformung erhalten bleibt. Die ideale Methode der flexiblen elektronischen Haut ist strukturierte Fertigung. Mit Lösungsmaterialien, direkt auf dem Substrat durch Drucktechnik abgesetzt, um Muster zu bilden, und Roll-to-Roll (R2R) großflächige Fertigung unter Normalbedingungen zu erreichen, sodass die Haut die Vorteile erheblicher Größe, hoher Ausbeute, niedriger Produktionskosten und Umweltschutz hat. Someya et al. [182] entwickelten eine elektronische Netz-Haut mit Flexibilität, großem Flächenbereich, integrierter Temperatur- und Drucksensorfähigkeit, wie in der Abbildung gezeigt. Die dehnbare elektronische Haut besitzt mehrere Wärme- und Drucksensoren, die an den Knoten verteilt sind und Daten durch OTFT auslesen. Darunter basiert der thermische Sensorarray auf organischen Dioden, hergestellt auf Polyethylennaphthalat (PEN), beschichtet mit Indiumzinnoxid (ITO) auf der Oberfläche. Der thermische Film wird durch eine numerisch gesteuerte Schneidemaschine mechanisch geschnitten, und der R2R-Prozess bereitet die Netzstruktur vor, dann wird der Netzfilm durch Laminierung kombiniert, um die Vorbereitung des thermischen Sensorarrays abzuschließen. Die Parylenschutzschicht wird auf die organische Halbleiterschicht gelegt, um als flexible Gasbarriereschicht zu fungieren, die die Haltbarkeit des Geräts von Tagen auf Wochen verlängert und mechanische Schäden an Transistoren und Dioden während des Tests vermeidet. Wenn der Sensor in seinem ursprünglichen Zustand ist, ist der Abstand quadratisch, und er wird nach Dehnung zu einem Rhombus, und er kann bei 25 % Dehnung noch hervorragende elektrische Eigenschaften beibehalten (Abb. 10a). Die Etablierung der Netzstruktur erweitert die Verwendung elektronischer Haut. Die verteilte Struktur mehrerer Parameter und Knoten ermöglicht auch die Überwachung unregelmäßig geformter Objekte. Eine Art epidermaler Elektronik, vorgeschlagen von Kim et al. [53], bezieht sich auf ultradünne flexible elektronische Geräte, die auf der Hautoberfläche fixiert sind (Abb. 10b). Nur durch Van-der-Waals-Kräfte kann sie perfekt mit der Haut haften und Temperatur, Dehnung und dynamische Reaktion erfassen. Potenzielle Anwendungen umfassen physiologische Zustandsdetektion (Elektroenzephalogramm, Elektrokardiogramm, Elektromyogramm), Wunddetektion oder -behandlung, biologische/chemische Wahrnehmung, Mensch-Computer-Schnittstelle, drahtlose Kommunikation usw. Die Integration aller Geräte im Messgerät auf eine völlig andere Weise integriert eine Vielzahl funktionaler Sensoren (wie Temperatur, Dehnung, Elektrophysiologie), Mikroskalige Leuchtdioden (LEDs), aktive/passive Schaltungseinheiten (Transistoren, Dioden, Widerstände), drahtlose Stromversorgungsspulen, drahtlose Hochfrequenzkommunikationsgeräte (Hochfrequenzinduktivitäten, Kondensatoren, Oszillatoren und Antennen). Hautelektronik besitzt die Eigenschaften ultradünn, niedriger Elastizitätsmodul, leicht und dehnbar. Das Gerät wird in Form von gewickelten Filament-Nanodrähten oder mikronano Dünnfilmen gefertigt, was das System in der Lage versetzt, größere elastische Verformungen zu widerstehen. Es kann leicht durch den weichen Transferprozess auf die Hautoberfläche übertragen werden, genau wie ein Tattoo-Aufkleber. Obwohl die elektronische Haut reiche Funktionen hat, driftet die Resonanzfrequenz, wenn die Dehnung 12 % übersteigt. Außerdem erfordert die Haltbarkeit ultradünner flexibler Geräte Aufmerksamkeit. Die genannten Mängel müssen bei der Gestaltung und Fertigung zukünftiger elektronischer Hautsysteme berücksichtigt werden.

Anwendungsdemonstration flexibler Temperatursensoren. a Ein Kunststofffilm mit organischen Transistoren und druckempfindlichem Gummi wird mechanisch verarbeitet, um eine einzigartige netzförmige Struktur zu bilden, die ein Filmgerät um 25 % dehnbar macht. Eine vergrößerte Ansicht der erweiterten Netzstrukturen ist ebenfalls dargestellt [187]. b Bild einer Demonstrationsplattform für multifunktionale Elektronik mit physikalischen Eigenschaften, die der Epidermis entsprechen [155]. c Modellhand, bedeckt mit temperatursensitiver künstlicher Haut mit vergrößerter Illustration der Haut-Thermorezeptoren [170]. d Foto des gefertigten Geräts [184]. e Konzept des flexiblen Temperatursensors, eingebettet in die Fasern eines Textilgarns [185].

Die Entwicklung eines tragbaren Gesundheitsüberwachungssystems dient der Erfassung menschlicher thermischer Parameter: Körpertemperatur, Epidermistemperatur, Wärmefluss [183] usw. Zur Beobachtung und Schlussfolgerung wie Stoffwechsel, Fieber, Krankheitsinfektion, Hautheilung, thermische Anpassung (Implantate, Prothesen) usw. Im Vergleich zu den Einschränkungen traditioneller Überwachungssysteme in den Anwendungsfällen haben flexible tragbare Temperaturüberwachungssysteme in jüngsten Studien flexiblere Anwendungen und hervorragende thermische Parameterüberwachungseffekte demonstriert – das m-LRS NiO Temperatursensorsystem, das vom Shin et al. Team entwickelt wurde, das wir zuvor vorgestellt haben. In einem Experiment zur Verifizierung des Potenzials seines Systems als elektronische Hautanwendung. Wie in Abb. 10c gezeigt, können drei nebeneinander liegende Temperatursensoren am Roboterfinger eine genaue Durchflussrate von heißem oder kaltem Wasser, das in dem mikrofluidischen Rohr fließt, Flussrichtung und Temperaturreaktion messen. Außerdem besitzt es eine hochauflösende Fähigkeit für den Temperaturanstieg durch Infrarot-Wärmestrahlung. Zudem ermöglicht die hohe Krümmungsanpassung dem Temperatursensorsystem auch die Überwachung der Atmung, um Frühwarnung vor abnormen Atemsymptomen durch Krankheit oder Vergiftung zu geben. Experimente zu Atmungsänderungen vor und nach dem Training haben die Wirksamkeit des Systems bei der Überwachung kleiner Änderungen der menschlichen Atmung und Temperatur verifiziert. Die ganzheitliche Fertigungstechnologie, die sie vorschlugen, bietet nützliche Hilfe für die großflächige Entwicklung des Gesundheitssystems und der elektronischen Haut. Webb et al. [145] berichteten über zwei Arten flexibler, ultradünner und empfindlicher Temperatursensoren/Aktuatoren mit unterschiedlichen Strukturen, nämlich ein TCR-Sensorarray mit serpentinen Netzwerk aus Cr/Au, gefertigt durch Mikrolithografietechnologie, und ein TCR-Sensorarray nach Abscheidung. Korrosions-Nano-PIN-Sensor; beide Sensoren besitzen hohe Empfindlichkeit, schnelle Ansprechzeit und hohe Präzision. Die nicht-invasive Überwachung subtiler Veränderungen der Hautoberflächentemperatur, verursacht durch Änderungen des menschlichen Blutflusses durch externe Reize, kann realisiert werden. Durch genaue Messung der Hautwärmeleitfähigkeit und Überwachung der Hautfeuchtigkeit hat es praktischen Anwendungswert für Gesundheitsmanagement wie Blutzuckerüberwachung, Medikamentenabgabe und -absorption, Wund- oder malignen Tumorveränderungen. Für ein flexibles Sensorsystem, das den Gesundheitszustand basierend auf Vitalzeichen überwachen muss, sind einfache Fertigung, sichere Befestigung und starke biologische Anpassungsfähigkeit essenziell. Wie in Abb. 10d gezeigt, entwickelten Yamamoto et al. [184] eine gel-freie klebrige Elektrode, die besser für Elektrokardiogramm (EKG) Sensoren geeignet ist. Ein durch strukturierten Druck gefertigter Temperatursensor wird montiert, um ein flexibles Sensorsystem zu bilden, das das Auftreten von Dehydrierung oder Hitzeschlag-Symptomen überwachen kann. Die Verwendung biokompatibler Materialien löst das Problem, dass traditionelle Gele nicht lange am menschlichen Körper haften können. Die offene, flexible Sensorsystemplattform kann auch verschiedene Sensoren hinzufügen, um ein breiteres Anwendungsspektrum zu entwickeln. Die Temperatur- und Wärmeübertragungseigenschaften der Haut können als kritische Informationen für die klinische Medizin und die Grundlagenforschung zur Hautphysiologie charakterisiert werden. In Bezug auf thermische Anpassung ist es entscheidend, die Hauttemperatur des verbleibenden Gliedes zu überwachen und vorherzusagen. Zum Beispiel erzeugen Prothesenlücken eine warme und feuchte Mikroumgebung, die das Bakterienwachstum fördert und Hautentzündungen verursacht. Lokale Hauttemperaturüberwachung nutzt flexible Temperatursensoren, die in alltäglichen Textilien versteckt sind. Aufgrund ihrer hohen Konsistenz ist sie sehr geeignet für die nicht-existente Überwachung der Hauttemperatur, was Patienten und medizinischem Personal erheblich zugutekommt. Lugoda et al. [185] nutzten verschiedene industrielle Garnfertigungsprozesse, um flexible Temperatursensoren in Stoffe zu integrieren, und untersuchten den Sensoreffekt der Einbettung flexibler Temperatursensoren in Textilgarne. Die Biegefestigkeit und Wiederholbarkeit des in das Garn eingebetteten Temperatursensors werden verifiziert. Der verlängerte Sensor wird durch Strukturierung einer Ti/Au-Schicht, die auf PI-Film abgeschieden ist, hergestellt (siehe Abb. 10e). Experimente mit dem in das Armband eingebetteten Temperatursensor haben verifiziert, dass dieser Sensorgarn zur Fertigung intelligenter temperaturmessender Textilbekleidung verwendet werden kann. Intelligente temperaturmessende Textilien können für thermische Anpassungsüberwachungsanwendungen wie die Erkennung thermischen Unbehagens in Prothesen, Socken zur Früherkennung diabetischer Fußgeschwüre [186], Textilien, die kontinuierlich die Körpertemperatur von Babys messen, und Verbände zur Überwachung von Wundinfektionen verwendet werden. Die Verwendung industrieller Garnfertigungstechnologie zur Integration flexibler Temperatursensoren macht großflächige intelligente Textilfertigung möglich.

Mit der Entwicklung flexibler Elektronik ist die Anwendung multifunktionaler flexibler tragbarer Geräte in Gesundheitswesen, intelligenter Überwachungsausrüstung, Mensch-Computer-Interaktion/Kombination, intelligente Roboter und anderen verwandten Bereichen immer umfangreicher geworden. Flexible Temperatursensoren haben eine starke Praktikabilität in flexiblen tragbaren elektronischen Geräten, besonders für die Überwachung der menschlichen Gesundheit, die untrennbar mit präziser Temperaturkontrolle verbunden ist. Die Einführung der drahtlosen Übertragungsfunktion ermöglicht es Menschen, die Messergebnisse des Temperatursensors zu analysieren und zu nutzen. Honda et al. [133] schlugen ein tragbares Mensch-Computer-Interaktionsgerät vor, ein strukturiertes „intelligentes Pflaster“ mit Medikamentenabgabefunktion. Das Gerät nutzt kostengünstige strukturierte Drucktechnik, um Temperatursensoren, MEMS-strukturierte kapazitive Tastsensoren und drahtlose Spulen auf einem flexiblen Substrat zu integrieren. Abb. 11a zeigt das physische Objekt des flexiblen Geräts am Arm. Eine Medikamentenabgabepumpe (DDP), hergestellt durch Weichlithografie, und ein Mikrokanal für Medikamentenabgabe können hinzugefügt werden, um Medikamente an Wunden oder innere Teile zu liefern, um die Gesundheit des Trägers zu verbessern. Als tragbares interaktives humanisiertes Gesundheitsüberwachungs-Drahtlosgerät wird es eine positive Rolle in zukünftigen tragbaren elektronischen Anwendungen spielen. Intelligentes Wundpflaster: Wunden nach Trauma sind infiziert und schwer zu heilen. Unter traditionellen Wundverbänden ist der Heilungsprozess von Wunden oft unvorhersehbar, und zufriedenstellende Reparaturergebnisse können nicht erzielt werden. Bei Wundinfektion oder -heilung treten Temperaturänderungen auf, die von der normalen Körpertemperatur abweichen. Daher ist die Überwachung subtiler Temperaturänderungen an der Wunde für ideale Wundheilung sehr notwendig [188]. Um den „Black-Box“-Zustand im Wundheilungsprozess zu beseitigen und die Situation der Wunde in Echtzeit zu erfassen, schlugen Lou et al. [189] ein transparentes und weiches, geschlossenes Wundheilungssystem vor, um die Wundheilung durch Echtzeitüberwachung der Wundtemperatur zu fördern. Das flexible Wundheilungssystem (FWHS) und das flexible Wundtemperatursensorgeät (FWTSD) haben die Form von Pflastern, ihr flexibles Gerät in Form eines doppellagigen Pflasters kann direkt auf die Wunde aufgebracht werden. Die obere Schicht ist eine flexible Temperatursensorschicht, bestehend aus Temperatursensoren, Strommanagementschaltungen und Datenverarbeitungsschaltungen. Die untere Schicht ist ein Kollagen-Chitosan-Dermis-Äquivalent für Hautregeneration. Eine angepasste Softwareanwendung (App), installiert auf dem Smartphone, empfängt Daten von der Sensorschicht, zeigt und analysiert die Wundtemperatur in Echtzeit (Abb. 11b). Das System besitzt hohe Empfindlichkeit und Stabilität, gute Duktilität, Zuverlässigkeit und Biokompatibilität. Neben der Überwachung des normalen Wundregenerationsprozesses wurde in biologischen Experimenten eine rechtzeitige Warnung vor schwerer Wundinfektion erreicht. Ein intelligentes Wundheilungssystem mit Wachstumsförderung, Echtzeit-Temperaturüberwachung, drahtloser Übertragung und Visualisierung, das Wundüberwachung, Frühwarnung und bedarfsorientierte Intervention integriert, könnte in der Zukunft entstehen. Wenn die Wunde nach einer Verletzung schwer infiziert ist und nicht rechtzeitig behandelt wird, können schwerere Körperschäden auftreten. Rechtzeitige Überwachung der Wundsituation und schnelle, effektive Diagnose und Behandlung sind dringende Bedürfnisse, um das Auftreten und die Verschlimmerung von Wundinfektionskomplikationen zu reduzieren. In einer anderen Studie schlugen Pang et al. [190] ein flexibles intelligentes Pflaster mit doppellagiger Struktur, hoher Empfindlichkeit, guter Haltbarkeit und Fernsteuerung vor. Die obere Schicht ist in PDMS verpackt und durch eine serpentine Leitung verbunden und integriert. Der Temperatursensor, die ultraviolette (UV) Leuchtdiode, die Stromversorgung und die Signalverarbeitungsschaltung sind entworfen, und die untere Schicht ist mit einem UV-responsiven antibakteriellen Hydrogel gestaltet. Wenn der Temperatursensor eine anormale Temperatur über dem Schwellenwert detektiert, wird das Signal drahtlos an das intelligente Gerät übertragen. Zudem wird die in-situ UV-Strahlung über die Terminalanwendung gesteuert, um Antibiotika aus dem darunter liegenden Hydrogel freizusetzen und auf die Wunde anzuwenden, um Früherkennung und -behandlung von Infektionen zu erreichen. Das System kann den Wundstatus in Echtzeit überwachen, genau diagnostizieren und bedarfsorientiert behandeln. Die Forschung dieses intelligenten Traumadiagnosesystems bietet neue Strategien und Diagnose- und Behandlungsansätze für die Prävention und Behandlung von traumatischen Erkrankungen wie Wundbehandlung und diabetischen Ulzera. Die Verbreitung und Anwendung solcher Systeme hat auch erhebliche Aussichten. Die Entwicklung fortschrittlicher chirurgischer Werkzeuge ist eine wichtige Maßnahme zur Verbesserung der menschlichen Gesundheit. Der Fortschritt flexibler Elektronik bietet zuverlässige Unterstützung für die Flexibilität und Miniaturisierung klinischer medizinischer Instrumente. Gleichzeitig wird die Funktion flexibler Geräte bereichert, sodass klinische Instrumente mehrere Operationen an kranken Teilen in kurzer Zeit durchführen können, was das Operationsrisiko reduziert. In Abb. 11c,d erfanden Kim et al. [191] eine direkte Integration einer multifunktionalen Elementgruppe, einschließlich eines flexiblen Temperatursensorarrays mit dem elastischen Film eines traditionellen Ballonkatheters, was eine Vielzahl von Funktionen für klinische Anwendungen bietet. Die Verwendung dieses Ballonkatheters in Tierversuchen verifizierte die Fähigkeit des Instruments, Schlüsselinformationen über Läsionstiefe, Kontaktdruck, Blutfluss oder lokale Temperatur sowie die Hochfrequenzelektroden am Ballon für gewebekontrollierte lokale Ablation bereitzustellen. Spezifische Anwendung in der kardialen Ablationstherapie. In einer anderen Studie entwickelten sie zwei dünne und biegbare flexible Temperatursensoranwendungen. Verwendet für medizinische Nähte, eines der einfachsten und am weitesten verbreiteten Geräte in der klinischen Medizin. Eines ist eine ultradünne Nahtlinie basierend auf integriertem Au-Thermalaktuator und Silicium-Nanodioden-Temperatursensor auf Biofasermembran. Die andere Nahtlinie besteht aus zwei 1×4 Pt-Metall-Temperatursensorarrays, die zwischen Au-Drähten auf beiden Seiten des Substrats gebildet werden. Um den Zweck der Unterstützung biologischer Wundheilung und Überwachung der Wundheilung zu erreichen. Es ist voller Herausforderungen, Halbleitergeräte und Sensoren und andere Komponenten auf einer biologisch anpassungsfähigen Plattform aufzubauen, die die flexible gekrümmte Oberfläche des menschlichen Körpers berührt.

Anwendungsdemonstration flexibler Temperatursensoren. a Fotos des intelligenten Pflasters, integriert mit Tast- und Temperatursensoren, einer drahtlosen Spule und einer DDP [133]. b Das Anwendungsszenario von FWHS. Der FWTSD in Pflasterform kontaktiert eng die Wundstelle. Temperaturänderung wird vom Temperatursensor detektiert [189]. c Optisches Bild eines multifunktionalen Ballonkatheters in entleertem und aufgeblasenem Zustand [191]. d Optimierte mechanische Struktur in schematischer Darstellung beim Wickeln [53]. e Bild von bioresorbierbaren Druck- und Temperatursensoren, integriert mit auflösbaren Metallverbindungen und Drähten. f Diagramm eines bioresorbierbaren Sensorsystems im Schädel einer Ratte [193].

Wie wir alle wissen, hinterlassen einige Operationen Gegenstände, die vom Körpergewebe verschieden sind, wie Stahlplatten, Stents, Herzschrittmacher, Implantate usw. im Körper, was dem Körper Unbehagen bereitet [192]. Die Entwicklung absorbierbarer Geräte wird chirurgische Implantat-Nachfolgeprobleme optimieren, das Operationsrisiko und die Schwierigkeit der Nachwundheilung reduzieren. Kang et al. [193] berichteten über einen multifunktionalen Siliciumsensor. Das Experiment der Implantation des Sensors in Rattengehirne bewies, dass alle Materialien (Polymilchsäure-Glykolsäure, Silicium-Nanomembranen (Si-NMs), nanoporöses Silicium, SiO₂), die den Sensor bilden, auf natürliche Weise durch Hydrolyse und/oder Stoffwechsel absorbiert werden können, ohne erneut extrahiert werden zu müssen. Er kann kontinuierlich Parameter wie intrakraniellen Druck und Temperatur überwachen, was die Leistungsvorteile absorbierbarer Geräte zur Behandlung von Hirntrauma veranschaulicht. Das Aufkommen implantierbarer Gefäßstents bietet starke Unterstützung für den reibungslosen Ablauf interventioneller Chirurgie. Der Gefäßstent kann das Blutgefäß durch eine kontinuierliche Struktur im verstopften Blutgefäß erweitern, um den Blutfluss wiederherzustellen. Die durch traditionelle Gefäßstents im Körper über lange Zeit verursachte Entzündung ist jedoch immer noch schwer zu diagnostizieren und zu heilen. Son et al. [194] führten die bioabsorbierbare elektronische Stent (BES) Anwendung basierend auf bioabsorbierbaren und bioinerten Nanomaterialien ein (Abb. 11e,f). Integrierte Strömungssensorik, Temperaturüberwachung, drahtlose Strom-/Datenübertragung, Entzündungsunterdrückung, lokale Medikamentenabgabe und Hyperthermie-Gerät. Der Mg-Temperatur- und Strömungssensor besteht aus einer Haftschicht, einem faserförmigen Mg-Widerstand (Sensoreinheit) und einer äußeren Verkapselungsschicht (MgO und Polymilchsäure (PLA)) (wie in Abb. 12a gezeigt). Experimentelle Studien haben gezeigt, dass die Kombination bioabsorbierbarer elektronischer Implantate und bioinerter therapeutischer Nanopartikel in intravaskulären intelligenten Stentsystemen noch nicht anerkannt wurde.

Anwendungsdemonstration flexibler Temperatursensoren. a Schematische Illustration des BES (links), seine Draufsicht (oben rechts) und Schichtinformationen (unten rechts). Der BES umfasst bioresorbierbare Temperatur/Strömungssensoren, Speichermodule und bioresorbierbare/bioinerte therapeutische Nanopartikel [194]. b Der Fertigungsprozess für den multiplexierten Fingerabdrucksensor [196]. c Optische Bilder eines e-TLC-Geräts am Handgelenk während eines Okklusionstests (Maßstab 3 cm) [15]. d Einfache flexible reversible thermochrome Membranen basierend auf mikro/nanoverkapselten Phasenwechselmaterialien für tragbare Temperatursensoren [198].

Temperaturvisualisierung macht die Funktion flexibler Temperatursensoren prominenter. Sie gleicht die Nachteile traditioneller Infrarotbildgebungsgeräte aus, die teuer, ungünstig für den Transport und ungenau bei der Messung dynamischer Objekte sind. Das Erscheinen von hochintensivem fokussiertem Ultraschall (HIFU [55]), intelligenter Geräteüberwachung und anderen Anlässen wird die Temperaturmessung genauer und nützlicher machen [195]. An et al. [196] entwickelten einen PEDOT:PSS Temperatursensor mit ultra-langfaserigen Silber-Nanofasern (AgNFs) und Silber-Nanodrähten (AgNWs) Hybridnetzwerk als hochleistungsfähige transparente Elektrode, Schicht und strukturierte Fertigung, mittels Multiplexing-Technologie einen kapazitiven flexiblen und transparenten multifunktionalen Sensorarray zu erstellen (Abb. 12b). Die Kapazitätsänderung ist 17-mal höher als die eines Mustersensors, der ebenfalls ITO-Elektroden verwendet. In Zukunft kann die visuelle Anzeige von Fingerabdrücken, Druck- und Temperaturänderungen zwischen den Fingern auf dem flexiblen Sensor gleichzeitig auf intelligenten Geräten realisiert werden. Die Anwendung in der Fingerabdruckerkennungsfunktion kann die Sicherheitsfunktion intelligenter mobiler Geräte weiter verbessern. Gao et al. [15] führten ein Lichtemissionsgerät ein, das einen farbmetrischen Temperaturindikator mit drahtloser, strukturierter und dehnbarer flexibler Elektroniktechnologie kombiniert. Ein großflächiger Thermochromer Flüssigkristall (TLC) Pixelarray wird auf einem dünnen elastischen Substrat in Kombination mit farbmetrischer Auslesung und Hochfrequenz (RF) Ansteuerung gebildet, um die thermischen Eigenschaften der Haut zu kartieren. Unter der Prämisse der Nicht-Invasivität nutzt das Sensorsystem Hochfrequenzsignale zur Steuerung lokaler Erwärmung, um Hauttemperatur mit hoher Temperaturgenauigkeit (50 mK) und hoher räumlicher Auflösung zu erfassen und zu kartieren. Der Blutfluss unter der Haut wird durch den reaktiven Hyperämietest bewertet (siehe Abb. 12c). Auch die Hydratationsanalyse reflektiert Hautgesundheitsprobleme. Die Abbildung verifiziert, dass das Gerät schnell visuell auf kleine Änderungen des Blutflusses reagieren kann. Kardiovaskuläre und Hautgesundheitsprobleme werden durch Hydratationsanalyse reflektiert. Wie die Durchleuchtungsfähigkeit einer Infrarotkamera kann das Gerät für KernTemperatur- und Wundheilungsüberwachung, Nahkörper-Implantatgeräteinspektion, malignen Tumor-Krebs-Screening und andere biomedizinische Funktionen verwendet werden. Das einzigartige Merkmal ist, dass das flexible Gerät mit einem Mobiltelefon ausgelesen werden kann und lange getragen werden kann. Das Temperaturvisualisierungssystem bietet massive Perspektiven für die Beschreibung der thermischen Eigenschaften der Haut. Es bemüht sich, nützliche Indikatoren für die Bestimmung der menschlichen Gesundheit und des physiologischen Zustands bereitzustellen. In einer anderen Studie lieferten Kim et al. [197] eine machbare Idee, thermochrome Materialien zu verwenden, um Temperaturänderungen direkt zu beobachten. Der Unterschied besteht darin, dass ihre Beschreibung der Temperaturänderung keine spezifische numerische Anzeige hat und nur den ungefähren Temperaturänderungsbereich beurteilen kann. Wie jedoch in Abb. 12d gezeigt, optimierten He et al. die Genauigkeit der Kartierung der Temperatur thermochromer Materialien, die den spezifischen Temperaturwert genauer reflektieren können [198]. In zukünftiger Forschung wird die Entwicklung thermochromer Materialien, die temperaturempfindlich sind und präzise auf Temperatur reagieren können, allmählich zu einem Forschungsschwerpunkt. Insbesondere das von ihnen hergestellte umgekehrte Polstermaterial zeigte eine dem menschlichen Haut ähnliche Farbe. Außerdem nutzten sie 3D-Drucktechnologie zur Fertigung des flexiblen Drucksensors, was den Fertigungsprozess vereinfacht, da die Sensorstrukturparameter angepasst werden können, anpassbare Funktionen zeigen und den Zweck der Gesamtstrukturfertigung erreichen. In Zukunft ist 3D-Druck der beste Kandidat für die Entwicklung einzigartiger funktionaler Strukturen [199]. Da diese Technologie die Gesamtfertigung des Geräts erreichen kann, vereinfacht sie den Fertigungsprozess und gewährleistet integrierte Formgebungsanforderungen. Sie wird auch im Bereich flexibler Sensoren enorme Popularität erlangen.

Fazit

Dieser Artikel gibt einen Überblick über den jüngsten Forschungsfortschritt hochsensitiver flexibler Temperatursensoren in der menschlichen Körpertemperaturüberwachung, wärmeempfindlichen Materialien, Fertigungsstrategien, Grundleistung und Anwendungen. Als relativ stabile dynamische Variable im menschlichen Körper kann die Körpertemperatur oder lokale Temperatur (Trauma) unter dem Einfluss von Emotionen oder physiologischen Aktivitäten unterschiedliche Grade kleiner Schwankungen (ca. 0,5 °C) aufweisen. Die Überwachungstemperatur des flexiblen Temperatursensors muss vergleichbar sein. Traditionelle Infrarotkameras haben kleinere Temperaturauflösung (< 0,1 °C). Zudem ist zeitnahe und schnelle Überwachung der Körpertemperatur ein weiterer Schlüssel zum Durchbruch. Die aktuelle Ansprechzeit des Temperatursensors kann innerhalb weniger Millisekunden liegen, aber es gibt das Problem einer zu langen Rücksetzzeit. Wie man den Zeitunterschied zwischen Ansprechzeit und Rücksetzzeit verkürzt, wird direkt die Effizienz und Fähigkeit der Sensorüberwachung beeinflussen. Mit der Entwicklung multifunktionaler Sensoren, wie man gegenseitige Störungen zwischen mehreren Signalen vermeidet, damit die Reize der jeweiligen Reaktionen zwischen den Signalen unabhängig voneinander reagieren können, ohne sich gegenseitig zu stören, und genau ausgeben, ist zu einem dringenden Problem geworden, das zur Verbesserung der Sensorleistung gelöst und perfektioniert werden muss. Die Entwicklung flexibler Temperatursensoren zeigt uns eine vorhersehbare Zukunft. In Zukunft werden flexible Temperatursensoren auch großflächige kostengünstige Fertigung, hohe Empfindlichkeit, Selbstversorgung, Visualisierung, Selbstheilung, Biologische Abbaubarkeit und drahtlose Fernsensorik-Übertragung erreichen [200]. Darüber hinaus werden weitere Funktionen integriert und in die Nutzung gebracht. Die Sortierung der gesammelten Temperaturdaten in die Gesundheits-Big-Data-Plattform kann die beste Hilfe und Datensupport für zukünftige medizinische Diagnosen des Menschen bieten. Auch die strukturierte Mikro-Nano-Fertigungstechnologie ist ein guter Vorschlag für die kostengünstige Massenproduktion von Sensoren. Basierend auf dem relativ ausgereiften Prozessablauf des Druckverfahrens ist die Realisierung integrierter multifunktionaler großflächiger flexibler Geräte greifbar. Der aktuelle flexible Temperatursensor kann höhere Empfindlichkeit erreichen, aber einige Sensoren eliminieren nicht die Störung durch Umwelteinflüsse auf den Temperatursensor. In Zukunft kann der flexible Temperatursensor zur Körpertemperaturüberwachung Anstrengungen unternehmen, Umwelteinflüsse zu bekämpfen. Obwohl der flexible Sensor selbst zerbrechlich und leicht sein kann, muss er an die Stromversorgungsschaltung und die Stromversorgung angeschlossen werden, was die Gesamtflexibilität erheblich verringert. In Zukunft können für flexible Temperatursensoren, die die Körpertemperatur überwachen, mit der weiteren Optimierung der Signalakquisitionsmethoden Echtzeit-Visuelle-Daten-Drahtlosübertragung unter effizienteren Selbstversorgungsbedingungen realisiert werden, was eine gewaltige Verbesserung für intelligente Überwachungssysteme darstellen wird. Die Überwachung der Köreroberflächentemperatur wird stark von der Umgebung beeinflusst, während die Kerntemperatur relativ stabil ist. Der flexible Temperatursensor zur Körpertemperaturüberwachung kann an der Körperoberfläche (Stirn, Arm, Achselhöhle usw.) befestigt werden, um die Köreroberflächentemperatur und sogar Schwankungen zu überwachen. Die Kerntemperatur mit kleinem Bereich kann ebenfalls gemessen werden. Nicht-implantierbare flexible Sensoren erfordern weitere Verbesserungen in Tragbarkeit, Biokompatibilität und Haltbarkeit, um den Bedürfnissen einer breiteren Menschengruppe gerecht zu werden und ein flexibles Anwendungsgerät für jedermann zu werden. Für invasive flexible Temperatursensoren ist die Minimierung von Körperschäden, sei es im Eindringprozess oder während der Sensornutzung, die primäre Überlegung. Daher ist die Erforschung und Entwicklung biokompatibler oder biologisch abbaubarer Sensormaterialien und Sensoren zweifellos eine Verbesserungsrichtung. Es wird keine Abstoßung oder allergische Reaktionen im Körper aufgrund von Fremdkörpern geben. In Zukunft werden flexible Temperatursensoren an vielen Gelegenheiten um uns herum auftauchen. Die Erforschung der Entwicklung flexibler Temperatursensoren mit hoher Leistung, einfacher Fertigung, niedrigen Kosten und breitem Anwendungsbereich wird fortgesetzt.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Nicht zutreffend.

Abkürzungen

PDMS:: Polydimethylsiloxan
PI:: Polyimid
PU:: Polyurethan
PET:: Polyethylenterephthalat
PVA:: Polyvinylalkohol
PVB:: Polyvinylbutyral
CTE:: Coefficient of thermal expansion (Thermischer Ausdehnungskoeffizient)
CB:: Carbon black (Ruß)
CNTs:: Carbon nanotubes (Kohlenstoffnanoröhren)
TCR:: Temperature coefficient of resistance (Temperaturkoeffizient des Widerstands)
EG:: Expanded graphite (Expandierter Graphit)
Gr:: Graphite (Graphit)
PEO:: Polyethylene oxide (Polyethylenoxid)
PVDF:: Polyvinylidene fluoride (Polyvinylidenfluorid)
PEDOT:: PSS: Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-poly(styrene sulfonate)
MWCNTs:: Multi-walled carbon nanotubes (Mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren)
SWCNTs:: Single-walled carbon nanotubes (Einwandige Kohlenstoffnanoröhren)
GO:: Graphene oxide (Graphenoxid)
rGO:: Reduced graphene oxide (Reduziertes Graphenoxid)
GNWs:: Graphene nanowalls (Graphen-Nanowände)
PECVD:: Plasma-enhanced chemical vapor deposition (Plasmaverstärkte chemische Gasphasenabscheidung)
TS:: Transparent and stretchable (Transparent und dehnbar)
Au:: Gold
Ag:: Silber
Cu:: Kupfer
Pt:: Platin
Ni:: Nickel
Al:: Aluminium
MEMS:: Micro-electro-mechanical system (Mikro-elektro-mechanisches System)
Cr:: Chrom
OTFT:: Organic thin-film transistor (Organischer Dünnschichttransistor)
NPs:: Nanoparticles (Nanopartikel)
PE:: Polyethylene (Polyethylen)
PTC:: Positive temperature coefficient (Positiver Temperaturkoeffizient)
VO₂:: Vanadium dioxide (Vanadiumdioxid)
PAD:: Polymer-assisted deposition (Polymerunterstützte Abscheidung)
NiO:: Nickel oxide (Nickeloxid)
P3HT:: Poly(3-hexylthiophene)
PPy:: Polypyrrole
pNIPAM:: Poly(N-isopropylacrylamide)
SEBS:: Polystyrene-block-poly(ethylene-ran-butylene)-block-polystyrene
PDPPFT4:: Poly(diketopyrrolopyrrole-[3,2-b]thieno[2′,3′:4,5]thieno[2,3-d]thiophene)
PII2T:: Poly(isoindigo-bithiophene)
OSCs:: Organic semiconductors (Organische Halbleiter)
TENG:: Thermoelectric nanogenerator (Thermoelektrischer Nanogenerator)
DN:: Double-network (Doppelnetzwerk)
DMSO:: Dimethyl sulfoxide (Dimethylsulfoxid)
P(VDF-TrFE):: Copolymer polyvinylidene fluoride (Copolymer Polyvinylidenfluorid)
IR:: Infrared (Infrarot)
FET:: Field-effect transistor (Feldeffekttransistor)
BT:: BaTiO₃
ZnO:: Zinc oxide (Zinkoxid)
MFSOTE:: Microstructure-frame-supported organic thermoelectric (Mikrostruktur-rahmengestützter organischer thermoelektrischer)
PVD:: Physical vapor deposition (Physikalische Gasphasenabscheidung)
CVD:: Chemical vapor deposition (Chemische Gasphasenabscheidung)
AlPcCl:: Aluminum phthalocyanine chloride (Aluminiumphthalocyaninchlorid)
RF-PECVD:: Radio frequency plasma enhanced chemical vapor deposition (Hochfrequenz-plasmaverstärkte chemische Gasphasenabscheidung)
FCCVD:: Floating catalyst chemical vapor deposition (Schwimmende Katalysator chemische Gasphasenabscheidung)
PEI:: Polyetherimide
LS:: Laser writing (Laserschreiben)
R2R:: Roll-to-roll
EES:: Electronic skin system (Elektronisches Hautsystem)
LDW:: Laser direct writing (Laser-Direktbeschriftung)
GNR:: Graphene nanoribbon (Graphen-Nanoband)
tascPLA:: Three-arm three-dimensional composite polylactide, polylactic acid (Dreiarmliger dreidimensionaler Verbund Polylactid, Polymilchsäure)
XRD:: X-ray diffraction (Röntgenbeugung)
m-LRS:: Laser-induced reduction sintering (Laser-induziertes Reduktionssintern)
NTC:: Negative temperature coefficient (Negativer Temperaturkoeffizient)
ITO:: Indium tin oxide (Indiumzinnoxid)
LEDs:: Light emitting diodes (Leuchtdioden)
ECG:: Electrocardiogram (Elektrokardiogramm)
DDP:: Drug delivery pump (Medikamentenabgabepumpe)
FWHS:: Flexible wound healing system (Flexibles Wundheilungssystem)
FWTSD:: Flexible wound temperature sensing device (Flexibles Wundtemperatursensorgeät)
UV:: Ultraviolet (Ultraviolett)
Si-NMs:: Silicon nanomembranes (Silicium-Nanomembranen)
BES:: Bioabsorbable electronic stent (Bioabsorbierbarer elektronischer Stent)
HIFU:: High-intensity focused ultrasound (Hochintensiver fokussierter Ultraschall)
AgNFs:: Silver nanofibers (Silber-Nanofasern)
AgNWs:: Silver nanowires (Silber-Nanodrähte)
TLC:: Thermochromic liquid crystal (Thermochromer Flüssigkristall)
RF:: Radio frequency (Hochfrequenz)

Untersuchung der spitzenbasierten Nanobearbeitung mit Molekulardynamik: Ein umfassender Überblick Hierarchisch poröse MoS₂/C-Nanosphären aus Nanosheets: Außergewöhnliche elektrochemische Energiespeicherung

Nanomaterialien