Sensores de Temperatura Flexíveis de Alta Precisão para Monitoramento do Corpo Humano: Uma Revisão Abrangente

Resumo

Nos últimos anos, o desenvolvimento e a pesquisa de sensores flexíveis aprofundaram-se gradualmente, e o desempenho de dispositivos vestíveis e flexíveis para monitoramento da temperatura corporal também melhorou. Para o corpo humano, as variações de temperatura refletem muita informação sobre a saúde, e alterações anormais geralmente indicam problemas de saúde. Embora a temperatura corporal central seja independente do ambiente, a temperatura da superfície corporal é facilmente afetada pelo ambiente circundante, trazendo desafios para os equipamentos de monitoramento. Para alcançar a detecção em tempo real e sensível da temperatura de várias partes do corpo, pesquisadores desenvolveram muitos tipos de sensores de temperatura flexíveis de alta sensibilidade, aprimorando a função da pele eletrônica, e propuseram diversas aplicações práticas. Este artigo revisa o estado atual da pesquisa de sensores de temperatura flexíveis com padrão de alta sensibilidade usados para monitorar mudanças na temperatura corporal. Primeiro, são resumidos os substratos e materiais ativos comumente usados para sensores de temperatura flexíveis. Segundo, são apresentados os métodos e processos de fabricação com padrão. Em seguida, o desempenho de detecção de temperatura é discutido de forma abrangente, incluindo faixa de medição, sensibilidade, tempo de resposta e resolução térmica. Por fim, demonstram-se as aplicações de sensores de temperatura flexíveis baseados em padrões delicados, e são prospectados os desafios futuros.

Introdução

Todas as atividades vitais do corpo humano baseiam-se no metabolismo, e uma temperatura corporal relativamente constante é necessária para um metabolismo saudável. Hipertermia ou hipotermia afetam a atividade enzimática, prejudicando o funcionamento regular do metabolismo, causando distúrbios em células, tecidos e órgãos, podendo levar à morte em casos graves. Portanto, a estabilidade relativa da temperatura corporal é condição necessária para manter um ambiente interno estável e garantir o progresso regular das atividades vitais. Mudanças na temperatura corporal refletem muita informação sobre a saúde, e alterações anormais geralmente indicam problemas. No monitoramento da saúde humana, a temperatura corporal é um fator essencial que não pode ser ignorado, e seu monitoramento preciso e em tempo real é particularmente importante.

Sensores de temperatura flexíveis têm evoluído no sentido de serem vestíveis, altamente sensíveis, portáteis, de grande área, precisos e em tempo real. O sensor utiliza principalmente a mudança no sinal elétrico do material termosensível devido à variação de temperatura para realizar o monitoramento em tempo real. Também aproveita a característica do substrato flexível de aderir firmemente à pele. Comparados com instrumentos tradicionais de medição de temperatura — além de serem difíceis de transportar, caros e limitados em cenários de aplicação —, os movimentos intencionais ou não do paciente e a incapacidade de monitorar locais específicos (como feridas, sítios de ablação de tumores) podem facilmente levar a resultados imprecisos ou incompletos. Para resolver esses problemas, sensores de temperatura flexíveis, finos, sensíveis e com padrão tornaram-se um foco de pesquisa.

Nos últimos anos, a pesquisa de sensores de temperatura flexíveis para monitoramento da temperatura corporal desenvolveu-se continuamente, com muitas inovações. O uso de fabricação com padrão para alcançar a produção em grande área tornou-se uma tendência; imitar estruturas biológicas na natureza é uma excelente abordagem. Os pés de polvo com propriedades de adsorção, as bochechas da víbora que detectam mudanças de temperatura biológica, e estruturas semelhantes a bigodes de alguns artrópodes ou mamíferos também têm função de detecção de temperatura. Para exibir claramente a temperatura corporal monitorada, os pesquisadores organizam os sensores em arrays, e dispositivos de imagem ou materiais eletrocrômicos podem ser usados para visualizar o mapeamento térmico. A pesquisa aprofundada também fornece suporte técnico adequado para atender a requisitos de alta sensibilidade no monitoramento da temperatura corporal.

Este artigo revisa o progresso recente de sensores de temperatura flexíveis de alta sensibilidade no monitoramento da temperatura corporal humana, materiais termosensíveis, estratégias de fabricação, desempenho básico e aplicações. A primeira parte aborda a seleção de materiais, resumindo diversos substratos flexíveis e materiais termosensíveis. A segunda parte foca nos métodos de fabricação com padrão relatados na literatura recente, mostrando processos típicos. A terceira parte apresenta os parâmetros-chave de desempenho. A quarta parte mostra cenários de aplicação e aplicações práticas recentes. Por fim, discutem-se brevemente os desafios potenciais e perspectivas futuras de sensores de temperatura flexíveis imprimíveis e de alta sensibilidade.

Materiais

Substratos Flexíveis

Nos últimos anos, a aplicação e pesquisa de materiais flexíveis nas áreas de tecnologia eletrônica e saúde médica aumentaram gradualmente. A fabricação de sensores flexíveis requer que o próprio sensor seja flexível, elástico e dúctil, bem como os substratos e circuitos dos quais depende, com características específicas de alongamento para se adaptar à adesão na superfície do corpo humano. Substratos flexíveis comuns são geralmente processados em filmes, como polidimetilsiloxano (PDMS), poliamida (PI), poliuretano (PU), tereftalato de polietileno (PET), álcool polivinílico (PVA), butiral polivinílico (PVB), papel, borracha de silicone, e materiais biodegradáveis mais amigáveis à pele, como pectina, algodão, seda e outros materiais celulósicos.

Atualmente, o substrato flexível mais usado em sensores de temperatura é o PDMS, um excelente isolante térmico e elétrico, com permissividade relativa de 2,3–2,8 e resistividade volumétrica de 1,2 × 10¹⁴ Ω·cm⁻¹, gravidade específica de 1,03 kg·m⁻³ a 25 °C, melhor estabilidade térmica, e condutividade térmica de 0,15 W·m⁻¹·K⁻¹. Sua temperatura de transição vítrea é tão baixa quanto 125 °C, o coeficiente de expansão térmica (CTE) é 301 ppm·°C⁻¹, e o módulo de Young é ≈ 3,7 MPa, permitindo alongamento e deformação superiores a 200%. Dadas sua excelente elasticidade, extensibilidade, propriedades termoelétricas, alta estabilidade química e facilidade de uso, o PDMS encontra ampla aplicação em pele eletrônica. A poliamida (PI) possui propriedades semelhantes ao PDMS, com condutividade térmica pobre na ordem de 0,1 W·m⁻¹·K⁻¹, resistividade de isolamento elétrico de 1,5 × 10¹⁷ Ω·cm⁻¹, constante dielétrica relativa de 3,0–3,6, temperatura de transição vítrea mais alta (360–410 °C), CTE menor (16 ppm·°C⁻¹) e módulo de Young ≈ 2,8 GPa. Materiais de poliuretano (PU) com biocompatibilidade, boa ductilidade elástica, custo acessível, são práticos para sensores de temperatura no monitoramento da temperatura corporal humana. O substrato de filme fino não apenas possui excelentes propriedades mecânicas, mas também é adequado para pesquisa de aplicação em sensores de temperatura flexíveis baseados em excelentes propriedades térmicas.

Além dos polímeros orgânicos mencionados, tecidos comuns ou outros materiais biodegradáveis, como tecido, seda e algodão, também são macios, deformáveis, leves, econômicos, respiráveis, confortáveis, duráveis e reutilizáveis. Outras vantagens tornam-nos esperados e estudados como materiais de base para sensores de temperatura flexíveis.

Materiais Termosensíveis

O material ativo é o componente sensível no sensor responsável por responder direta e efetivamente a fontes de calor e sinais térmicos; suas propriedades determinam diretamente o desempenho do sensor de temperatura, incluindo sensibilidade, tempo de resposta, durabilidade e resolução térmica. Um material termosensível de fabricação simples, matérias-primas razoáveis, biocompatível, com certa ductilidade e excelente desempenho tem maior apelo para pesquisa aprofundada.

Carbono

Muito esforço tem sido dedicado à criação de materiais compósitos condutores termosensíveis incorporando diferentes cargas condutoras (como materiais baseados em carbono, polímeros condutores e partículas metálicas) em matrizes de semicondutores e polímeros isolantes. Materiais de carbono comuns incluem negro de carbono (CB), grafite (Gr), nanotubos de carbono (CNTs) e grafeno.

Negro de carbono e grafite são frequentemente usados como cargas condutoras devido às suas excelentes propriedades eletrônicas e mecânicas e baixo custo de processamento. O CB tende a formar agregados ao misturar com polímeros, e mudanças de temperatura afetam suas propriedades elétricas, resultando em maior coeficiente de temperatura de resistência (TCR). O grafite é um alótropo do carbono, com boa condutividade elétrica, térmica e estabilidade química, e coeficiente de expansão térmica menor que 5,0 × 10⁻⁶ K⁻¹. Comparado ao negro de carbono, o grafite em pó como carga condutora é mais sensível à temperatura, e ambos e suas misturas reduzem o limiar de percolação do filme compósito termosensível formado pelo polímero preenchido. Grafite expandido (EG) é um novo material funcional de carbono, substância solta e porosa semelhante a vermes obtida a partir de folhas de grafite natural através de intercalação, lavagem, secagem e expansão a alta temperatura. A condutividade térmica do compósito formado por prensagem a quente pode atingir 4,70 W·m⁻¹·K⁻¹ quando 10% em peso de EG é impregnado no pré-polímero de PDMS.

Shih et al. usaram PDMS como material base e grafite em pó como material de detecção termosensível, e usaram filme de PI através de processo de impressão para produzir um array de sensores de temperatura flexíveis composto por sensores compósitos Gr/PDMS. Comparado com o sensor clássico de filme fino de platina (Pt) (TCR = 0,0055 K⁻¹) na mesma medição de resistividade sob mudança de temperatura ambiente (30–110 °C), quando a fração volumétrica de grafite é 15% e 25%, o TCR dos materiais compósitos é 0,286 K⁻¹ e 0,042 K⁻¹, provando que a sensibilidade do compósito Gr-PDMS é maior. Huang et al. pesquisaram e fabricaram um material compósito de grafite preenchido com óxido de polietileno (PEO) e fluoreto de polivinilideno (PVDF), que pode ser facilmente anexado à superfície do corpo humano com curvatura variável através de um simples processo de spin-coating. Um sensor de temperatura com faixa de detecção de 25,0–42,0 °C, alta resolução de 0,1 °C, alta estabilidade cíclica, excelente capacidade anti-interferência (incluindo anti-dobramento e à prova d'água), e pode manter o sensor por 1 mês, medindo continuamente a temperatura das axilas.

Como material nanomaterial unidimensional, os nanotubos de carbono conectados formam uma estrutura topológica espacial. O diâmetro é geralmente 2–20 nm, com muitas propriedades mecânicas anômalas (módulo elástico até 1 TPa), propriedades elétricas, incluindo condutividade elétrica até 10⁴ S·cm⁻¹, mobilidade intrínseca de portadores (10.000 cm²·V⁻¹·S⁻¹). Nos últimos anos, com o aprofundamento da pesquisa em nanotubos de carbono e nanomateriais, suas amplas perspectivas de aplicação também foram continuamente reveladas. Os CNTs têm excelente desempenho de transferência de calor e grande razão de aspecto, então o desempenho de troca de calor na direção do comprimento é muito alto, e a aplicação em sensores de temperatura flexíveis também inova constantemente.

Compósitos formados por nanotubos de carbono e poli(3,4-etilenodioxitiofeno)-poli(estireno sulfonato) (PEDOT:PSS) foram estudados, e descobriu-se que o desempenho de nanotubos de carbono de paredes múltiplas (MWCNTs) e de parede única (SWCNTs) não era o mesmo. À mesma temperatura, os materiais compósitos formados por MWCNTs e PEDOT:PSS reduzem a impedância do compósito, mas também reduzem sua sensibilidade à temperatura e umidade. Kim et al. usaram um processo de fiação úmida e também compósito PEDOT:PSS; os SWCNTs compostos com ele podem melhorar significativamente a condutividade elétrica e o fator de potência do compósito.

Métodos convencionais de fabricação de materiais biológicos dependem de engenharia reversa de estruturas biológicas, biomimética e inspiração biológica. Estruturas biológicas muitas vezes superam materiais feitos pelo homem. Por exemplo, plantas superiores detectam mudanças de temperatura com alta responsividade. Giacomo et al. propuseram um material biomimético com excelente sensibilidade de resposta à temperatura feito de células vegetais isoladas e nanotubos de carbono (MWCNT) usando tecnologia de nanobioimética vegetal. Usando CNTs como canal para conectar células diretamente, criando um material biomimético com coeficiente de resistividade térmica efetiva (TCR) de −1730% K⁻¹, duas ordens de magnitude maior que o melhor sensor atual, e faixa de monitoramento de temperatura de 35–75 °C. Muitos tipos de pesquisa em sensores de temperatura podem alcançar alta sensibilidade em faixa estreita, mas em faixa ampla (40 K), o desempenho de resposta é insuficiente. Referindo-se à estrutura biológica de detecção de temperatura de cobras na natureza — a membrana da fosseta da cobra, que tem sensibilidade excepcionalmente alta de temperatura e distância, podendo localizar presas de sangue quente a certa distância —, usaram a adição de íons Ca²⁺ ao filme de pectina para imitar o mecanismo de detecção da membrana da bochecha da cobra, preparando um material termosensível de hidrogel de pectina adicionado de CaCl₂. É possível mapear e monitorar fontes de temperatura com sensibilidade < 10 mK e detectar objetos quentes a certa distância. Combinar células vegetais ou imitar estruturas biológicas animais fornece novas ideias e torna a direção de pesquisa de sensores flexíveis mais ampla.

O grafeno é uma camada bidimensional híbrida de carbono com rede hexagonal em favo de mel. Há um grande número de elétrons deslocalizados, permitindo seu transporte de carga único com alta concentração de portadores (10¹³ cm⁻²), sob certas condições ambientais, a mobilidade excede 10⁵ cm²·V⁻¹·s⁻¹. A estrutura espacial pode fornecer abundantes sítios para grupos funcionais serem modificados para atender a diversos requisitos de aplicação. Simultaneamente, possui alta fluidez, excelente condutividade térmica, excelente transparência, propriedades mecânicas até 1 TPa de módulo elástico, estabilidade química e biocompatibilidade. Atraiu muita atenção em aplicações de diversos dispositivos eletrônicos. Óxido de grafeno (GO) ou óxido de grafeno reduzido (rGO) transparentes com excelentes propriedades eletrônicas e mecânicas são produtos com estrutura em camadas formados por grafite em pó após oxidação ou redução adicional do GO. A superfície contém grupos hidroxila, carboxila e anéis. Muitos grupos funcionais, como grupos epóxido, são facilmente modificados e sensíveis a condições ambientais, incluindo umidade, temperatura e substâncias químicas, com características de resposta visíveis. No entanto, a baixa condutividade do óxido de grafeno (GO) não é adequada para dispositivos eletrônicos. O óxido de grafeno reduzido (rGO) é sintetido por redução térmica para melhorar a condutividade. Sua excelente sensibilidade à temperatura também é requerida para sensores de temperatura flexíveis. Nanoparedes de grafeno (GNWs) são crescidas em nanofolhas de grafeno perpendiculares ao substrato empregando técnica de deposição química a vapor aprimorada por plasma (PECVD) e método de transferência assistida por polímero. O processo de crescimento forma uma estrutura escalonada para proporcionar maior desempenho de deformação. Excelentes propriedades mecânicas também foram aplicadas a sensores de temperatura em pesquisa. O uso de grafeno multiuso e seus derivados em aplicações de pele eletrônica pavimenta o caminho para sensores de temperatura flexíveis com excelente desempenho, transparência, funções ricas e processo de fabricação simples.

Yan et al. fabricaram um sensor de temperatura flexível que usa grafeno tridimensional pregueado como material ativo e pode monitorar temperatura na faixa de 30–100 °C através de método de filtração litográfica. Devido à particularidade da estrutura semelhante a mola, as características de detecção de mudança de temperatura podem ser caracterizadas com até 50% de deformação. O TCR (−1,05 ± 0,28% K⁻¹) do sensor sob condições sem deformação é várias vezes maior que o sensor de temperatura de nanofio de silício relatado (0,15–0,37% K⁻¹). Vale notar que o índice térmico do material térmico desta estrutura pode ser ajustado. A resposta e recuperação térmica podem ser completadas em dezenas de segundos, aumentando sua aplicabilidade comparado a termistores cerâmicos rígidos tradicionais. Liu et al. usaram material rGO como material termosensível para fabricar um sensor de temperatura flexível leve, de baixo custo, através de tecnologia de impressão. O monitoramento de temperatura é 20–110 °C, a sensibilidade é 0,6345% °C⁻¹, e o tempo de resposta pode atingir 1,2 s. Com características específicas de tensão e deformação, pode ser anexado a uma superfície de curvatura específica. Sob mesmas condições experimentais, após comparar óxido de grafeno reduzido (rGO), nanotubos de carbono de parede única (SWCNTs) e de paredes múltiplas (MWCNTs), na comparação de linearidade, sensibilidade, propriedades mecânicas e repetibilidade, descobriu-se que o desempenho do sensor de temperatura usando rGO como material ativo é o mais equilibrado, fornecendo ideias para a preparação em larga escala de pele eletrônica no futuro.

Sadasivuni et al. propuseram um filme compósito usando celulose como matriz e rGO termicamente reduzido como carga para produzir um sensor de temperatura flexível capacitivo com monitoramento eficiente na faixa de 25–80 °C, com relação linear dependente de mudanças de temperatura. Comparado com sensor de platina comercial padrão, o sensor de temperatura não causará poluição devido a fenômenos de corrosão metálica ao longo do tempo e pode manter estabilidade a longo prazo. Trung et al. fabricaram um sensor de temperatura flexível transparente e elástico (TS) através de método simples de spin-coating e tecnologia de laminação. A camada de detecção de temperatura formada por nanofolhas de rGO e substrato elástico de poliuretano (PU) formam material compósito. A novidade do dispositivo eletrônico é que cada camada de material na estrutura é TS e pode ser facilmente revestida diretamente em um substrato transparente e elástico. Pode então ser facilmente anexado ao corpo humano. O dispositivo pode detectar mudanças de temperatura tão pequenas quanto 0,2 °C. Após ser esticado 10.000 vezes com deformação de 30%, tem quase nenhum efeito na resposta de temperatura. O dispositivo ainda pode ser usado quando a deformação é 70%.

Yang et al. propuseram usar tecnologia de deposição química a vapor aprimorada por plasma (PECVD) para crescer uma estrutura de rede condutora 3D especial entrelaçada de GNWs em folha de cobre, combinada com método de transferência assistida por polímero e PDMS para formar um sensor de temperatura vestível ultra-sensível. A resposta térmica excede em muito a de sensores de temperatura tradicionais. A excelente ductilidade e sensibilidade térmica dos GNWs combinadas com o grande coeficiente de expansão do PDMS permitem que o sensor monitore mudança de temperatura de 25–120 °C com precisão de 0,1 °C, tempo de resposta 1,6 s e tempo de recuperação de 8,52 s, mantendo estabilidade por meses. O TCR atinge 0,214 °C⁻¹, duas ordens de magnitude maior que o sensor de platina comercial padrão (39,2 × 10⁻⁴ °C⁻¹). O uso de materiais de carbono em sensores de temperatura flexíveis promoveu seu potencial de aplicação em monitoramento de saúde, dispositivos vestíveis, robótica, interfaces homem-máquina e pele artificial.

Metais e Óxidos Metálicos

Materiais metálicos são geralmente materiais condutores como ouro (Au), prata (Ag), cobre (Cu) e platina (Pt), níquel (Ni) e alumínio (Al), usados principalmente como eletrodos e fios de sensores. Comparado com sensores de temperatura metálicos rígidos tradicionais, o sensor de temperatura metálico flexível tem alta flexibilidade mecânica, pode ser facilmente anexado a superfícies altamente curvas, e é mais adequado para detectar pequenas mudanças e distribuições de temperatura em pequena faixa. Quanto ao processo de impressão atual, alguns materiais metálicos são sensíveis à temperatura e têm boa condutividade, feitos de nano-tinta metálica condutora, nano-carga, nanofio e filme com padrão para fazer uma camada ativa termosensível, amplamente usada em sensores de temperatura flexíveis.

Os materiais sensíveis mais comuns em sensores de temperatura típicos são Pt e Au. Bin et al. usaram tecnologia de Micro-Sistema Eletromecânico (MEMS) e propuseram platina como material sensível depositado no filme de PI após processo de descascamento. Após laminação formando o padrão requerido, é usado para monitorar mudança de temperatura de 20–120 °C, e o valor de TCR é 0,0032 °C⁻¹. Comparado com a platina cara, o Au tem melhor condutividade e flexibilidade. Para realizar que o desempenho do dispositivo não seja afetado por deformação de tração, Yu et al. inteligentemente usaram deposição por sputtering em substrato flexível de PDMS pré-esticado filme fino de Cr/Au, e um sensor de temperatura flexível reversivelmente dobrável e elástico é fabricado através de processo de fotolitografia. Quando o alongamento máximo do dispositivo é 30%, o desempenho não muda. A pesquisa melhora o defeito de pobre resistência à tração de sensores flexíveis.

Dankoco et al. usaram tinta compósita orgânica de prata para depositar linhas de prata em filme de poliamida de forma suave e uniforme por impressão a jato de tinta. Fez um sensor de temperatura flexível e dobrável que pode medir temperatura da superfície corporal de 20–60 °C. A sensibilidade média é 2,23 × 10³ °C⁻¹. No entanto, o sensor tem histerese < 5%. Ren et al. propuseram um sensor de temperatura flexível com alta resolução térmica (faixa dinâmica = 10 bits) baseado na integração de termistor de nanopartículas de prata (NPs)/pentaceno e transistor de filme fino orgânico (OTFT) com faixa de temperatura de 15–70 °C. A pesquisa testou a alta dependência de materiais compósitos em temperatura e provou a viabilidade de nanopartículas de prata (NPs) em aplicações de termistor. Sensores de alta faixa dinâmica também são adequados para arrays de sensores de grande área e pele eletrônica. Jeon et al. desenvolveram um sensor de temperatura flexível projetado com mistura de polímeros de polietileno (PE) semi-cristalino e óxido de polietileno (PEO) preenchidos com partículas de níquel. Quando a concentração de partículas de níquel excede o limiar de percolação de cargas de níquel, alta condutividade (40 S·cm⁻¹) pode ser obtida. Com o grande coeficiente de temperatura positivo (PTC) único da mistura de polímero binário, o sensor fabricado não apenas fornece faixa de temperatura sensível ajustável mantendo a estabilidade do ciclo térmico para alcançar processo de resposta de temperatura repetível. O sensor tem sensibilidade três ordens de magnitude maior (0,3 V·°C⁻¹) que termopares padrão e função de transmissão sem fio, mas há erro significativo de ± 3,1 °C. Vale notar que eles querem combinar tecnologia de detecção sem fio com materiais imprimíveis para alcançar ampla gama de aplicações.

Óxido metálico também é importante material ativo e tem sido amplamente usado em sensores de temperatura. O alto coeficiente de temperatura de resistência de materiais de óxido metálico pode melhorar o desempenho de detecção de temperatura. A sensibilidade térmica de semicondutores de óxido metálico é um fenômeno em que o composto semicondutor muda em diferentes temperaturas e o valor de resistência muda. Liao et al. relataram um sensor de alta sensibilidade de duplo parâmetro temperatura/mecânico contendo material térmico inorgânico dióxido de vanádio (VO₂), baseado em PET/dióxido de vanádio fabricado por tecnologia de impressão por transferência (VO₂)/PDMS estrutura multicamada. A camada de VO₂ depositada por tecnologia de deposição assistida por polímero (PAD) é gravada e anexada ao filme de PDMS. Pode detectar temperatura na faixa de 270–320 K. O desempenho de detecção de temperatura com resolução de 0,1 K atribuído ao alto TCR do material VO₂. Para mapear com precisão mudanças de temperatura da superfície corporal, Huang et al. desenvolveram processo de impressão a jato de tinta. Usando óxido de níquel (NiO) para gerar tinta de nanopartículas estável no filme de PI. O minúsculo filme quadrado de NiO é impresso nas extremidades entre trilhas condutoras de prata para fabricar sensores de temperatura rapidamente. Ainda mantém desempenho sob teste de dobragem e tem velocidade de resposta semelhante a termopar. A extensa pesquisa em metais e óxidos metálicos lançou base para aplicação de materiais metálicos no campo de sensor de temperatura flexível baseada nas propriedades térmicas de materiais metálicos e mostrou exploração interessante.

Polímeros e Materiais Orgânicos

Polímeros são os materiais mais usados em sensores flexíveis. Além de serem usados como substratos ou agentes ativos, materiais compósitos termosensíveis com flexibilidade mecânica, leveza, transparência, desempenho estável, fácil processamento e baixo custo de fabricação são flexíveis. A aplicação em sensores de temperatura atraiu muita atenção. Polímeros termosensíveis frequentemente usados em sensores de temperatura incluem poli(3,4-etilenodioxitiofeno)-poli(estireno sulfonato) (PEDOT:PSS), poli(3-hexil tiofeno) (P3HT), polipirrol (PPy), pentaceno, poli(N-isopropil acrilamida) (pNIPAM), poli(fluoreto de vinilideno) (PVDF), etc.

Baseado em estratégia de design de circuito que pode melhorar a precisão e robustez de sensor de temperatura de nanotubo de carbono elástico, Zhu et al. usaram tecnologia de leitura diferencial para comparar a composição da camada ativa sensível de sensor de temperatura elástico baseado em OTFTs. Entre eles, Poliestireno-bloco-poli(etileno-ran-butileno)-bloco-poliestireno (SEBS) com azida-entrelace e Poly(dicetopirrolopirrol-[3,2-b]tieno[2′,3′:4,5]tieno[2,3-d]tiofeno]) (PDPPFT4) e Poly(isoindigo-bitiopheno) (PII2T) estes dois semicondutores orgânicos (OSCs) são misturados e spin-coated no dielétrico de porta, CNTs são usados como eletrodos, e a faixa de medição de temperatura é 25–55 °C. Dentro, os coeficientes de temperatura dos dois sensores são −2,89% °C⁻¹ e −4,23% °C⁻¹, respectivamente. Quando a faixa de deformação uniaxial é 0–30%, os erros são < 1 °C e < 1,5 °C, respectivamente, mostrando ainda a viabilidade e generalização do método de leitura diferencial e OSCs em sensores elásticos.

Yokota et al. relataram sensor de temperatura super-flexível de grande área baseado em material compósito de polímero acrílico semi-cristalino/grafite que pode ser medido em múltiplos pontos e pode ser impresso. Entre 25 °C e 50 °C, mostra mudanças de resistência notáveis nesta temperatura, adequado para medir mudanças fisiológicas de temperatura do corpo humano. Tem estabilidade de ciclo térmico estável, sensibilidade de até 20 mK, e tempo de resposta de alta velocidade inferior a 100 ms. Em experimentos in vivo, as mudanças estáveis na temperatura central dos pulmões de ratos foram medidas, mas a alta resolução do sensor provou ser 0,1 °C. O array de sensores baseado nas características acima realiza demonstração dinâmica visual de imagem térmica da mudança espacial de temperatura. No entanto, a permeabilidade ao ar dos componentes do equipamento não é adequada, e o uso a longo prazo é um dos problemas a serem resolvidos.

Autossuprimento de energia sempre foi foco de atenção de muitas pessoas. A realização de autossuprimento de energia por equipamentos flexíveis reduzirá significativamente a necessidade de energia externa, tornando equipamentos flexíveis mais portáteis e simples. Entre eles, materiais poliméricos termoelétricos são a realização de autossuprimento de energia requerida. Yang et al. desenvolveram um nanogerador termoelétrico flexível (TENG) baseado em material termoelétrico compósito limpo formado por nanofios de Te crescidos à temperatura ambiente e polímero poli(3-hexil tiofeno) (P3HT). O TENG pode gerar eletricidade apenas com diferença de temperatura de 55 K. Devido às características de materiais termoelétricos, o TENG pode ser usado como sensor de temperatura flexível para monitorar a diferença de temperatura de todo o dispositivo, e usar a temperatura do corpo humano como fonte de energia para alimentar diretamente o sensor. A sensibilidade de monitoramento à temperatura ambiente é 0,15 K. Além disso, também demonstraram outro sensor de temperatura autossuprido com tempo de resposta de 0,9 s e mudança mínima de temperatura de 0,4 K à temperatura ambiente. A pequena resolução de temperatura faz o dispositivo sensor poder monitorar a mudança de temperatura da ponta do dedo. Autossuprimento pode tornar equipamentos de sensores flexíveis mais independentes e reduzir peso. Também é uma possibilidade para o desenvolvimento de sensores flexíveis no futuro.

Materiais de baixo custo, ecológicos, fáceis de obter e processar, com excelente biocompatibilidade, sempre foram condição essencial para os seres humanos buscarem atender continuamente à produção em massa. Existe um material biológico quase inesgotável — a celulose, que tem excelentes propriedades. Sua elasticidade e outras vantagens também desempenham papel essencial em dispositivos de sensores flexíveis e pode ser usada como substrato flexível. Polipirrol (PPy) é um polímero linear biocompatível com excelente estabilidade eletroquímica e resposta rápida. Mahadeva et al. relataram método baseado em adsorção induzida por polimerização in-situ que combina celulose única e polipirrol (PPy) de nanoespessura com excelentes propriedades elétricas para formar compósito sensível a temperatura e umidade. O material usado para fabricar sensor de temperatura flexível ecológico, de baixo custo, biocompatível. Devido à sensibilidade dos materiais à umidade, conforme a temperatura aumenta, a capacitância do sensor também aumenta.

Hidrogéis receberam atenção contínua nos últimos anos de pesquisa. Devido à sua boa capacidade de auto-cura, excelente tenacidade e elasticidade, e adaptabilidade biológica, despertaram grande interesse de pesquisa em campos de aplicação como eletrônica flexível, monitoramento de saúde e diagnóstico biomédico. No entanto, hidrogel iônico, como bom condutor iônico, pode responder a uma variedade de estímulos, hidrogéis com resistência mecânica fraca e sensibilidade à temperatura reduzida apresentam desafios na aplicação de sensores de temperatura flexíveis. Para resolver as desvantagens dos hidrogéis tradicionais, An et al. propuseram hidrogel de rede dupla (DN) condutor iônico de malha dupla com excelentes propriedades de auto-cura de sensores de temperatura. O processo de auto-cura dos hidrogéis DN é mostrado. A adição de nanotubos de carbono com alta condutividade térmica ao hidrogel com entrelaçamento físico dinâmico e rede de associação hidrofóbica de alta condutividade e rede de associação iônica melhora a sensibilidade à temperatura do hidrogel DN. O sensor de temperatura de hidrogel linear pode se ajustar perfeitamente à superfície de objetos complexos e produzir mudanças de resistência sensíveis. A pesquisa e desenvolvimento deste material expandem a aplicação de hidrogéis nos campos de biomedicina e eletrônica flexível.

Em pesquisas recentes, PEDOT:PSS é um novo tipo de polímero condutor orgânico frequentemente usado em sensores de temperatura flexíveis imprimíveis. Geralmente, PEDOT:PSS tem vantagens de alta condutividade (10³ S·cm⁻¹), excelente desempenho termoelétrico, forte estabilidade, e transparência quando dopado. A maioria dos polímeros são semicondutores tipo-p. Adicionando alguns solventes, como dimetil sulfóxido (DMSO) ou compostos orgânicos polihidroxilados, como glicol etileno, a taxa de condutividade do polímero pode ser aumentada dezenas ou até centenas de vezes. Harada e colegas usaram diferentes proporções compósitas de CNTs e soluções condutoras de PEDOT:PSS para produzir uma série de filmes compósitos termosensíveis com sensibilidade de temperatura dentro de 0,25–0,78% °C⁻¹ através de vários processos de impressão. O desempenho de detecção é melhor que o sensor de temperatura metálico típico. Alguns dispositivos exibiram resolução próxima à temperatura corporal inferior a 0,1 °C ou tempo de resposta rápido de 90 ms. A equipe de pesquisa usou vários métodos de impressão para criar uma variedade de sensores de temperatura flexíveis com diferentes estruturas e desempenho excepcional, além de enriquecer aplicações de sensores flexíveis imprimíveis em médica e saúde, dispositivos vestíveis. Também desencadeou reflexão sobre sensores flexíveis imprimíveis. Os detalhes de fabricação de sensores de temperatura flexíveis imprimíveis serão expandidos na próxima unidade. Além de mudar a proporção compósita afetar o desempenho do filme compósito, a melhoria estrutural também otimizará as propriedades do mesmo filme compósito. Oh et al. demonstraram um material biológico feito por processo de descascamento fotolitográfico e processo de spin-coating, imitando inspiradoramente a estrutura de adesosa de ventosa de pé de polvo. É um sensor de temperatura resistivo de alta sensibilidade composto por hidrogel termosensível poli(N-isopropil acrilamida) (pNIPAM), PEDOT:PSS e CNTs. O dispositivo tem sensibilidade de 2,6% °C⁻¹ na faixa de temperatura de 25–40 °C, e pode detectar com precisão mudanças de temperatura da pele de 0,5 °C. Devido à microestrutura semelhante a ventosa e sua viscosidade, o dispositivo tem certo grau de resistência à dobra, não irritante, duradouro e efeito de ligação reutilizável.

Transistor de efeito de campo de nanocompósito transparente e escalável baseado em fluoreto de polivinilideno (PVDF) e seu copolímero poli(fluoreto de vinilideno-trifluoretileno) (P(VDF-TrFE)) com alta estabilidade, fortes propriedades mecânicas e baixa distorção, é frequentemente usado em detecção de pressão, detecção de deformação e detecção de luz infravermelha (IR). Curiosamente, pesquisadores descobriram que este tipo de dispositivo também é altamente responsivo à radiação infravermelha do corpo humano, então prevê-se ser usado para monitorar mudanças de temperatura fisiológica do corpo humano. Trung e colegas, baseados em experiência de pesquisa anterior, usam camada ativa de detecção compósita rGO/(P(VDF-TrFE)) como canal através de processo simples de spin-coating, integrando PEDOT:PSS pode fabricar sensor de temperatura de transistor de efeito de campo (FET) flexível ajustável. A resposta de temperatura e transparência do filme podem ser ajustadas alterando a concentração de rGO e a espessura do filme compósito. O sensor pode monitorar mudanças de temperatura de 30 a 80 °C. Com resolução de 0,1 °C e capacidade de monitoramento, e resposta de temperatura super alta, excelente desempenho de detecção de temperatura verifica a viabilidade da aplicação de materiais poliméricos piroelétricos no campo de sensores de temperatura flexíveis de núcleo mole. Da mesma forma, Tien et al. para realizar que o sensor possa coletar sinais de pressão e temperatura sem interferência mútua, propuseram usar plataforma de detecção de transistor de efeito de campo (FET) para mudar o material da camada sensível de resposta, baseados em pesquisa anterior concluíram que mistura de fluoreto de polivinilideno (P(VDF-TrFE)) e nanopartículas (NPs) de BaTiO₃ (BT) é usada como piezoelétrico, dielétrico piroelétrico de porta e pentaceno como canal semicondutor orgânico para resistência térmica de pressão diretamente integrada na plataforma FET quando o sensor flexível está sob múltiplos estímulos, desacopla o sinal de saída e minimiza a interferência de sinal de acoplamento de deformação. O sensor FET pode apresentar desproporcionalmente deformação e temperatura ao mesmo tempo. O array de sensores FET também pode responder visualmente a estímulos, exibindo vantagens de baixo consumo de energia e baixa falha, o que mostra possibilidade para aplicação de sensores flexíveis multimodais de grande área no campo de pele eletrônica no futuro. Dispositivos OFET flexíveis multi-parâmetros que podem ser impressos e fabricados em grande área têm excelente potencial de aplicação em monitoramento biomédico, imagem infravermelha e pele eletrônica.

Além do método de desacoplamento para reduzir ou eliminar interferência de sinal, para resolver o problema de interferência mútua de sinais de sensores flexíveis multi-parâmetros, Lee et al. propuseram método de inferir temperatura baseada no tempo de recuperação do sinal de mudança de resistência, para que a nanoestrutura semicondutora de óxido de zinco (ZnO) seja misturada no substrato fluoreto de polivinilideno (PVDF) como carga para fazer uma camada sensível multifuncional altamente sensível que pode coletar sinais de temperatura e pressão ao mesmo tempo. Entre eles, o ZnO semicondutor pode aumentar a constante dielétrica do PVDF, e também tem estabilidade térmica. Zhang et al. relataram sensor flexível de duplo parâmetro baseado em material termoelétrico orgânico suportado por microestrutura (MFSOTE). Mostra as matrizes flexíveis MFSOTE. Convertendo as mudanças de sinal causadas por estímulos de temperatura e pressão em dois sinais elétricos independentes, a temperatura e pressão são detectadas simultaneamente. Este material único mostra excelentes características de detecção de temperatura. A faixa de monitoramento de temperatura é 25–75 °C, a resolução pode atingir < 0,1 K, o tempo de resposta sob diferença de temperatura de 1 K é < 2 s, e também pode ser ajustado de acordo com diferentes substratos para atender às necessidades de detecção.

Fabricação

Com os requisitos crescentes de flexibilidade, multifuncionalidade, fabricação simples e alta sensibilidade de dispositivos eletrônicos, a exploração e descoberta de métodos de fabricação de sensores flexíveis com processo leve, simples, baixo custo e fabricação em grande área sempre foram o que pesquisadores buscam. Esta seção resume principalmente as estratégias de fabricação de elementos de detecção de temperatura flexíveis relatadas recentemente e viáveis, e discute os processos-chave para melhorar seu desempenho.

Deposição de Filme Fino

O método de preparação de filme fino pode ser dividido em deposição a vapor e deposição de fase de acordo com a fase do material usado. A deposição de fase inclui processos de spin-coating e impressão a jato de tinta mencionados posteriormente. Em contraste, a deposição a vapor depende se o processo de deposição contém processo de reação química dividido em deposição física a vapor (PVD) e deposição química a vapor (CVD).

PVD é a deposição de átomos gerados por métodos físicos em um substrato sob condições de vácuo para formar um filme fino, geralmente usado para preparar eletrodos ou camadas ativas metálicas. Métodos de deposição comuns incluem evaporação a vácuo, sputtering a vácuo e revestimento iônico. Entre eles, o sputtering iônico de alvo metálico refere-se ao recipiente a vácuo, sob ação de alta tensão 1500 V, as moléculas de gás residuais são ionizadas para formar plasma, e os cátions bombardeiam o alvo metálico sob aceleração do campo elétrico, fazendo com que átomos metálicos façam sputtering na superfície da amostra para formar filme condutor. Ahmed et al. introduziram sensor de temperatura baseado em Si em substrato flexível de PI. Depositaram silício amorfo não dopado como material sensível entre eletrodos metálicos formados por sputtering de magnetron de radiofrequência e os encapsularam. Finalmente, o elemento de detecção de temperatura é incorporado no filme flexível de poliamida, e o desempenho de detecção não é afetado. O TCR máximo a 30 °C é 0,0288 K⁻¹. Webb et al. introduziram dois métodos de fabricação de sensores ultra-finos, semelhantes à pele, que se auto-montam na superfície da pele na forma de array para fornecer monitoramento de desempenho térmico claro e preciso. Uma estrutura é composta por array de sensores de temperatura, a camada sensível formada por estrutura de traço serpentina da camada Cr/Au depositada no filme de PI pelo método de deposição por evaporação metálica, tecnologia de microlitografia e tecnologia de gravação úmida, e gravação por íons reativos e deposição metálica para contatos e interconexões completam o array. Outra estrutura de sensor usa endereçamento multiplexado para formar design de sensor de diodo PIN padronizado de nanofilme de Si dopado. A camada sensível é definida por evaporação metálica, fotolitografia, deposição química a vapor e etapas de gravação úmida. Os dois arrays são mostrados. Cloreto de ftalocianina de alumínio (AlPcCl) é frequentemente usado como material para células solares e sensores de umidade. Sob desenvolvimento de estudo de Chani et al., AlPcCl é usado como termistor e depositado em eletrodo de alumínio em substrato de vidro usando evaporador térmico a vácuo. Os autores descobriram que o filme de AlPcCl tem maior sensibilidade à temperatura em 25–80 °C, e recozimento pode melhorar o desempenho de detecção. Em sensor de temperatura flexível desenvolvido por Bin et al. que usa resistores de Pt como material termosensível, Pt é evaporado na camada de Al depositada no filme de PI spin-coated, e a camada de Pt é padronizada como camada sensível, spin-coated e encapsulada com material de poliamida. Após tratamento com ácido clorídrico, um sensor de temperatura flexível completo é descascado, que pode ser usado para medir temperatura de superfície de objetos no campo biomédico.

Comparado com outros processos de preparação de filme fino, o método de deposição química a vapor pode alcançar filmes finos de alta pureza e alta qualidade. Pode ser estruturado e controlado no nível de camada atômica ou nanômetro. O processo de síntese de filme de GNWs em folha de cobre por tecnologia de deposição química a vapor aprimorada por plasma de radiofrequência de baixa pressão (RF-PECVD). Yang et al. desenvolveram sensor de temperatura flexível baseado em GNWs/PDMS. O processo de fabricação é mostrado. Verificaram que GNWs é viável como camada ativa de sensor de temperatura, e seu desempenho de resposta térmica excede o de sensor de temperatura metálico tradicional. Comparado com tecnologia CVD tradicional, usar tecnologia PECVD sob condições de baixa temperatura e baixa pressão pode melhorar efetivamente a taxa de deposição e qualidade do filme. Em outro estudo, Zhou et al. usaram método de deposição química a vapor de catalisador flutuante (FCCVD) para sintetizar diretamente filme original de SWCNT com espessura controlável. A rede contínua de CNTs crescida por este método tem condutividade significativa e alto coeficiente de Seebeck favorável. Após transferir o filme original de SWCNT para substrato PET, gota de solução de etanol de poliéterimida ramificada (PEI), e secar para obter filme de SWCNT tipo-n que pode ser usado na fabricação de módulos termoelétricos flexíveis. Embora CVD possa alcançar deposição de qualquer material em qualquer substrato, à medida que a demanda por tecnologia de fabricação de nanodispositivos simples, de baixo custo e grande área continua a crescer, o processo de fabricação complexo, alto custo e tóxico de crescimento CVD e o processo de gravação demorado estão sendo substituídos por tecnologia de fabricação de dispositivos eletrônicos flexíveis mais adequada.

Fabricação com Padrão Micro-nano

Padronização de filme fino é uma das tecnologias centrais de fabricação de eletrônica flexível. Segue a ideia básica de remover materiais de cima para baixo ou adicionar materiais de baixo para cima na indústria de fabricação. Suas tecnologias-chave são fabricação de filme fino, padronização, transferência, replicação, fidelidade e outros ofícios. Eletrônica flexível requer tecnologia de padronização de grande área, baixa temperatura, baixo custo. Aprendida da tecnologia de padronização de microeletrônica e dispositivos micro-eletromecânicos. No entanto, ao mesmo tempo, devemos considerar as características de dispositivos eletrônicos flexíveis como substratos flexíveis, materiais orgânicos e grandes áreas. As tecnologias de padronização atualmente disponíveis para sensores de temperatura flexíveis incluem litografia, impressão, gravação suave, nanoimpressão, impressão a jato de tinta, sinterização a laser, impressão por transferência, nano-escrita direta e outros processos.

Litografia é um método de padronização para realizar várias e engenhosas figuras geométricas ou estruturas em eletrônica flexível. O processo de fotolitografia envolve transferir o padrão na fotomáscara para o substrato usando fotorresiste com diferentes sensibilidades e reações físico-químicas sob luz. O processo de fotolitografia geralmente usa fotorresiste em um isolador (geralmente uma pastilha de silício) para padronizar o padrão ou estrutura requerido após spin-coating, e realizá-lo ainda através de processo de descascamento. Devido ao processo de fotolitografia e processo de descascamento, alto alinhamento e precisão de gravação, produção simples de máscara e condições de processo confortáveis geralmente podem alcançar sistemas de microestrutura de alta precisão e ricos em características. Na aplicação de sutura flexível ultra-fina com sensor de temperatura integrado e atuador térmico desenvolvida por Kim et al., usaram tecnologia de fotolitografia para microprocessar o equipamento, e o dispositivo médico flexível fabricado tem desempenho térmico estável. A tecnologia de litografia limitada pela necessidade de materiais disponíveis e equipamentos de precisão. A espessura de materiais e filmes finos processáveis é limitada. Não é adequada para processos de fabricação de dispositivos que requerem grande quantidade de materiais ativos. Yang et al. propuseram sensor de temperatura micro flexível implantável, e usaram microlitografia de superfície para gravar o sensor micro flexível na superfície externa do capilar polimérico. Usando Pt como material sensível tem boa linearidade, e tem futuro promissor como sensor de temperatura implantável no campo biomédico. No entanto, esta tecnologia é a base da indústria de microeletrônica e inaugurou a era de eletrônica flexível vestível.

Com o desenvolvimento da ciência e tecnologia, o processo de impressão expandiu-se do campo tradicional de texto e imagem para o campo de padronização de estrutura micro-nano. A tecnologia pode depositar vários materiais em vários substratos, e o processo de impressão não é rigoroso com o ambiente. Em suma, a tecnologia de impressão inclui tipografia, litografia, gravura, serigrafia, e evoluiu para gravação suave, impressão por transferência, nanoimpressão e outros métodos. De acordo com o método de implementação específico, o sensor vestível pode distinguir a parte impressa da não impressa com a ajuda da máscara. Na impressão com máscara, o padrão a ser transferido deve ser projetado antecipadamente e então formado através da máscara. O material ativo funcional pode ser transferido diretamente para o substrato ou eletrodo através do processo de impressão de tinta funcional. Serigrafia é uma técnica típica de impressão com máscara. No processo de impressão por pressão absoluta, a tinta funcional é transferida para o substrato através de uma espátula com malha padronizada para formar um padrão. O método de impressão único permite que a serigrafia atinja requisitos de fabricação rápidos, de grande área e baixo custo em superfícies planas ou curvas. Tem sido amplamente usada na fabricação de circuitos de trabalho de sensores, eletrodos e elementos de detecção de sensores. Comparado com tecnologia de fotolitografia, a serigrafia pode produzir padrões em vários materiais. No entanto, sua resolução de padrão não atende requisitos de formas geométricas complexas e é apenas adequada para fazer padrões com formas simples.

Yokota et al. misturaram e agitaram uma variedade de polímeros semi-cristalinos com grafite para formar copolímero super-flexível termosensível para sensores de temperatura flexíveis para monitoramento de temperatura fisiológica humana. O elemento de sensor de temperatura super-flexível é impresso por impressão com máscara intercalando o copolímero misturado com carga de grafite entre dois eletrodos de ouro interdigitados depositados no filme de PI e então formando por prensagem a quente. Yan et al. usaram método de impressão por filtração de sucção de placa plana para depositar grafeno através de máscara, filtrar a vácuo e transferir para o substrato para formar estrutura de padrão de dobra tridimensional produzir grafeno elástico com índice térmico variável. O termistor aumenta a área de detecção e elasticidade do sensor. O padrão de material sensível elástico pré-projetado ainda pode manter monitoramento sensível de temperatura quando esticado a menos de 50%. Para alcançar fabricação econômica de sensores com área maior, Harada e colegas abandonaram processos de fabricação complexos e caros (como deposição e fotolitografia). Escolheram fabricar uma série de sensores flexíveis multifuncionais usando apenas processos de impressão. A tinta compósita PEDOT:PSS/CNT impressa no circuito formado por serigrafia no substrato PET através de máscara de sombra, e há furos após escrita a laser (LS) para combinar com camada inferior de PDMS. A estrutura semelhante a impressão digital é combinada com a camada de sensor de deformação serigrafada para formar array de sensores flexíveis. A deformação e diferença de temperatura causada pelos contatos de contato alcançam desempenho de monitoramento semelhante ao humano.

Em outro estudo, também usando tecnologia de impressão completa, Kanao et al. propuseram array de sensores flexíveis multifuncionais baseado em estrutura de viga em balanço. Colocaram sensores de deformação e sensores de temperatura em circuito flexível serigrafiado. Em ambos os lados do substrato PET, máscara de sombra padronizada com sensor de temperatura flexível (tinta compósita PEDOT:PSS/CNT) impresso nos contatos elétricos do circuito serigrafiado. O array de sensores totalmente impresso usado para imitar características de detecção da pele humana. Quando a estrutura de viga em balanço é deformada, a fonte de calor fica mais próxima do sensor de temperatura na superfície inferior do substrato para monitorar mudanças de temperatura mais precisamente.

Impressão por transferência é um método de impressão que a estrutura côncava ou convexa padronizada da superfície é transferida para o substrato receptor através de um carimbo não padronizado. O princípio básico é usar a diferente viscosidade da camada de impressão relativa ao carimbo e ao substrato para alcançar transferência de padrão. Existem dois tipos de impressão por transferência: impressão por transferência direta e indireta. Na fabricação de sensores de temperatura flexíveis, esta última é frequentemente usada, ou seja, o uso de filme padronizado pré-impresso para transferir para o substrato receptor. Na revisão anterior, muitos exemplos de materiais orgânicos como camadas sensíveis foram mencionados, mas poucos materiais inorgânicos são usados como materiais termosensíveis. Vale notar que Liao et al. relataram sensor de alta sensibilidade de duplo parâmetro temperatura/mecânico contendo material térmico inorgânico dióxido de vanádio (VO₂), baseado em PET/dióxido de vanádio fabricado por tecnologia de impressão por transferência (VO₂)/PDMS estrutura multicamada. A camada de VO₂ depositada por tecnologia de deposição assistida por polímero (PAD) é gravada e anexada ao filme de PDMS. Após alongamento, rachaduras tipo teia de aranha nano formadas, e então a camada pressionada ao substrato flexível de PET. Pode detectar temperatura na faixa de 270–320 K. O desempenho de detecção de temperatura com resolução de 0,1 K atribuído ao alto TCR do material VO₂. O sinal de temperatura coletado e o sinal mecânico são separados através da diferença do algoritmo para alcançar monitoramento simultâneo do efeito de mudanças de temperatura e mecânicas. Para resolver o problema de elasticidade insuficiente do sensor de temperatura flexível, Yu et al., baseados em tecnologia de impressão por transferência, inventaram dispositivo flexível que pode manter o desempenho do sensor mesmo quando o dispositivo flexível é esticado ou comprimido por 30%. Usaram camada Au/Cr como termistor para padronizar em SOI através de tecnologia de fotolitografia padrão. A camada termosensível descascada aderiu através de carimbo flexível de PDMS, e então transferida e impressa em substrato flexível de PDMS pré-esticado para liberar o substrato. O processo de fabricação formando sensor de temperatura flexível elástico, como mostrado.

Impressão a jato de tinta é uma tecnologia de fabricação de filme fino precisa, rápida e reproduzível, amplamente usada no desenvolvimento de sensores. Comparado com outros métodos de impressão, a impressão a jato de tinta tem vantagens de conveniência, flexibilidade, rapidez, baixo custo, compatibilidade, precisão, etc. Os padrões de impressão a jato de tinta precisam ser pós-processados (secagem, cura, sinterização, etc.) para serem totalmente formados. Melhorar o desempenho de padrões impressos convertendo nanopartículas de tinta em materiais contínuos. As propriedades da tensão superficial e viscosidade da tinta durante o processo de impressão, a qualidade do padrão impresso também coloca altos requisitos no desempenho do equipamento de jato de tinta. Sob condição de tamanho específico do substrato, o comprimento da trilha condutora formada o mais longo possível, e a espessura, largura e espaçamento da trilha são razoáveis. Experimentos repetidos obtêm o coeficiente de ejeção do sistema de jato de tinta. Por exemplo, Dankoco et al. usaram método de impressão a jato de tinta depositar tinta compósita com prata como componente principal no filme PET para fazer sensor de temperatura flexível e dobrável. O circuito no substrato é claro e suave, e as gotas de tinta são consistentes, usado para medir temperatura corporal humana.

A figura mostra o processo de fabricação da matriz de sensor de pele eletrônica multifuncional extremamente sensível e transparente desenvolvida por Oh et al. O array flexível tem função de monitorar temperatura, umidade e deformação. Pode sentir sensações, como respiração e toque. GO e rGO, usados como materiais de detecção de umidade e temperatura, são pulverizados no substrato de PDMS do circuito de grafeno crescido pelo método CVD através de tecnologia de impressão a jato de tinta através de máscara. Os dois sensores são alinhados horizontal e verticalmente, e o sensor de temperatura está na camada inferior. Após laminação cruzada, um sensor de deformação de pressão PDMS/grafeno é formado. Como sensor flexível multifuncional, pode coletar ao mesmo tempo mas responder independentemente a um único sinal. Grafeno impresso a jato de tinta é sete ordens de magnitude maior que grafeno cultivado por CVD. As vantagens de desempenho refletidas em muitos artigos, e alguns resultados de pesquisa são melhores que produtos de grafite feitos por CVD. Impressão a jato de tinta e serigrafia são ambos meios técnicos rápidos e de baixo custo para realizar fabricação de sensores de grande área. Zirkl et al. combinaram as duas tecnologias de fabricação rápida para criar array de sensores flexíveis totalmente impresso que usa múltiplas telas. Em impressão e impressão a jato de tinta, apenas cinco tintas funcionais usadas para integrar facilmente múltiplos componentes eletrônicos funcionais (incluindo sensores sensíveis a pressão e temperatura, displays eletrocrômicos e transistores orgânicos) no mesmo substrato flexível. Como a velocidade de fabricação e baixo custo do processo também podem ser aplicados à rede de sensores inteligentes usando processo de fabricação rolo-a-rolo (R2R) no futuro. O desenvolvimento de sistema de pele eletrônica descartável (EES) é particularmente crítico. Semelhante ao exemplo anterior. Vuorinen et al. introduziram sensor de temperatura semelhante a band-aid após impressão a jato de tinta. O sensor usa tinta compósita grafeno/PEDOT:PSS e a impressão feita em material PU adequado para pele. Em particular, além de alcançar sensibilidade superior a 0,06% °C⁻¹, eles usaram impressoras a jato de tinta para realizar impressão a jato de tinta padronizada serpentina entre a prata serigrafiada com alta resolução (1270 dpi) melhorou a falta de impressão a jato de tinta para imprimir gráficos complexos como serpentes. Com o uso e pesquisa de tecnologia de jato de tinta em eletrônica flexível, a tecnologia para controle de bicos e tintas também está melhorando. Comparado com o processo de fabricação rápido de serigrafia, a impressão a jato de tinta precisa passar por processo de depuração, e a velocidade de impressão não é tão boa quanto serigrafia. Além disso, o pequeno número de bicos funcionando simultaneamente e a alta taxa de falha de bicos limitam a tecnologia de fabricação por impressão a jato de tinta a laboratórios, e os requisitos de fabricação de grande área de produção industrial não podem ser alcançados.

Tecnologia de escrita direta a laser (LDW) usa cálculos para projetar padrões pré-projetados. Usa diretamente ablação por feixe de laser sem máscara e deposição a vácuo. Pode completar diretamente transferência de padrão na superfície do material do substrato, com boa seletividade espacial e alta velocidade de escrita direta e precisão de processamento, ciclo curto, alta utilização de material e baixa poluição. Comparado com termistores de temperatura tradicionais que requerem alta temperatura e variedade de processos complexos para ativar a função de detecção, LDW pode alcançar recozimento seletivo em padrão predeterminado. Um esquema novo de fabricação integral de redução sinterização induzida por laser (m-LRS) proposto por Shin et al. também pode reduzir NPs de óxido metálico durante o processo de recozimento. Riscar tinta de NPs de NiO em substrato frágil de PET, e usar tecnologia m-LRS para reduzir diretamente NiO para padronizar eletrodo linear de Ni para formar estrutura planar heterogênea Ni–NiO–Ni. O método único de fabricação de um sistema completo de sensor de temperatura flexível composto por eletrodos de Ni e canais de detecção de NiO a partir de um único material NPs de NiO fornece nova ideia para fabricação rápida de sensores de temperatura flexíveis. Diferente dos arrays de sensores totalmente impressos previamente projetados e fabricados, Harada et al. propuseram método mais direto de fabricação em massa de sensores de temperatura flexíveis baseado em pesquisa anterior. A tinta compósita de detecção de temperatura flexível impressa no substrato, usando laser para gravar diretamente a parte excedente, deixa o padrão projetado no substrato e completa a fabricação do array de sensor de temperatura. Corta a base para imitar bigodes de animal para criar estrutura de bigode eletrônico artificial (e-whisker), sensor de deformação formado por serigrafia laminada. Arrays de sensores biomiméticos podem escanear e perceber objetos tridimensionais usando vantagens estruturais.

Sob a premissa de realizar fabricação de baixo custo e grande área, equipamento de monitoramento inteligente descartável não apenas permite comportamento de monitoramento a qualquer hora e lugar mas também garante segurança e higiene do equipamento de monitoramento flexível. Gong et al. propuseram método de fabricação caneta-no-papel que usa pincel escrever ou máscara para grafeno nanofita (GNR) tinta condutora gotejada entre eletrodos de nanotubo de carbono na base de papel. Mostrado. O sensor de temperatura flexível fabricado após encapsulamento com fita transparente. Em sua pesquisa, GNRs têm excelente desempenho de detecção e atendem requisitos para monitoramento de temperatura corporal. O método de fabricação fornece suporte confiável para aplicação de equipamentos flexíveis descartáveis rápidos e de grande área.

Outros Métodos de Fabricação Comumente Usados

Spin-coating da camada base, camada ativa e camada de encapsulamento camada por camada é uma maneira comum de fabricar sensores de temperatura flexíveis pelo método de fase líquida. Tecnologia de spin-coating frequentemente usada para fabricação de substrato e proteção de encapsulamento. Para materiais sensíveis tipo solução, o spin-coating é usado. O revestimento não apenas melhora significativamente a eficiência de produção mas também tem excelente potencial para fabricação de grande área. Kim et al. demonstraram processo de fabricação de array de transistor de efeito de campo orgânico (OFET), usando processo de spin-coating para projetar microestrutura em molde com material P(VDF-TrFE) cristalizado como dielétrico de porta e outros materiais. Encapsulamento de material forma OFETs, e a introdução de microestruturas melhora o desempenho de detecção. O processo de fabricação do sensor de temperatura flexível da estrutura biomimética. A camada adesiva da estrutura de ventosa de pé de polvo biomimética é fabricada por processo de spin-coating, combinada com tecnologia de descascamento fotolitográfico e tecnologia de molde invertido. Tem excelente efeito de monitoramento de temperatura, e os materiais usados também têm bom desempenho em termos de biocompatibilidade humana. Liu et al. Após tratamento de ionização de superfície no substrato, o eletrodo flexível foi serigrafiado, e então a camada sensível rGO foi conectada ao fio flexível através do método de fabricação de revestimento por pulverização aérea, e a estrutura principal do sensor flexível termosensível foi formada após encapsulamento. É possível fazer peles de robôs. Huang et al. fabricaram sensor de temperatura com flexibilidade, alta resolução e alta repetibilidade na faixa de temperatura de 25–42 °C. Gotejaram solução compósita PEO1500/PVDF/Gr após agitação e tratamento ultrassônico em substrato flexível de poliamida. Foi spin-coated em certa velocidade para formar uma camada. Encapsulou em sensor de temperatura, que verificou a possibilidade e viabilidade do sentido de transmissão de temperatura corporal médica. Tecnologia de spin-coating como processo de fabricação eficaz para dispositivos vestíveis também foi introduzida na pesquisa de Wu et al. Projetaram transistor de filme fino orgânico com capacidade de detecção de calor. Inteligentemente através da solução única de compósito tridimensional de três braços de polilactida, ácido polilático (tascPLA) spin-coated no eletrodo de porta Au evaporado no substrato Si. Então os eletrodos de fonte e dreno Au são depositados nele por método de evaporação térmica. O filme compósito contendo tascPLA também serve como dielétrico de porta do OFET e materiais de substrato. Em eletrônica flexível, não são poucos os que usam tecido como suporte do elemento de detecção. O revestimento por imersão de fio/tecido condutor em tinta condutora é a tecnologia de revestimento mais comumente usada para sensores flexíveis. O desenvolvimento de tecidos condutores fornece pré-requisito razoável para aplicação de tecidos inteligentes. Sibinski et al. desenvolveram sensor de temperatura que monitora faixa de temperatura de 30–45 °C. Além disso, atualmente realiza miniaturização filamentos em um único fio. Mostrado, a fibra monofilamento de PVDF é revestida com composto polimérico PMMA misturado com nanotubos de carbono de paredes múltiplas (MWCNTs) como camada termosensível por tecnologia de revestimento por imersão tem boa sensibilidade de temperatura e repetibilidade extremamente alta. É usado como tecido facilmente integrado em roupas de malha. Outro método, baseado nas propriedades de moldagem de materiais orgânicos, também é usado para fabricar estruturas de membrana de sensores flexíveis ou fabricar amostras para testar desempenho de detecção. O processo de fabricação do nanogerador termoelétrico (TENG) estudado por Yang et al. O método de filme por gota, após comparação, descarta material PEDOT:PSS, que tem efeito fraco de gota e é fácil de quebrar, não apenas a mistura de nanofios de Te e polímero P3HT em solução de clorobenzeno é gota no substrato flexível Kapton para fazer filme compósito, o material compósito também é fundido em tecido branco, que também tem aparente capacidade de detecção de temperatura e desempenho termoelétrico, que pode ser usado em coletores de calor vestíveis. Métodos de fabricação ricos e diversos lançam base para o desenvolvimento de eletrônica flexível. Sob requisitos de produção em larga escala, tecnologia de fabricação adequada também está se desenvolvendo continuamente. No futuro, dispositivos flexíveis vestíveis perfeitos são esperados.

Resultados e Discussão

Parâmetros-Chave de Sensor de Temperatura Flexível

O sensor de temperatura flexível pode ser anexado ao corpo humano para monitorar mudanças sutis de temperatura na superfície do corpo humano ou monitoramento de temperatura em tempo real de partes específicas, e até mesmo a temperatura do núcleo ou tecidos e órgãos no corpo. Eles respondem a mudanças de temperatura mudando a resistência e produzem as mudanças de temperatura como sinais elétricos. Com a demanda crescente por dispositivos eletrônicos flexíveis, as desvantagens de sensores de temperatura tradicionais, como pobre escalabilidade, incapacidade de transportar e pobre desempenho em tempo real, estão se tornando cada vez mais inadequadas para dispositivos vestíveis flexíveis. Hoje sensores de temperatura flexíveis são requeridos a ter alto desempenho, como alta sensibilidade, tempo de resposta rápido, faixa de teste razoável, alta precisão e alta durabilidade para realizar melhor a função de monitoramento.

Sensibilidade

Sensibilidade do sensor refere-se à razão da mudança ∆y da resposta do sistema sob condições estáticas para a correspondente mudança de entrada ∆x, ou seja, a razão das dimensões de saída e entrada. Quando as dimensões de saída e entrada do sensor são as mesmas, a sensibilidade pode ser entendida como ampliação. O coeficiente de temperatura de resistência TCR (TCR, em °C⁻¹) do sensor de temperatura flexível tipo resistência comum é expresso na seguinte expressão, ΔR/R₀ = s(T − T₀), é a mudança relativa de resistência (ΔR/R₀) como função da temperatura, onde s representa TCR. Se a saída e entrada do sensor mostram relação linear, a sensibilidade é constante. Caso contrário, mudará com a quantidade de entrada. Geralmente, aumentando a sensibilidade, maior precisão de medição pode ser obtida. A maioria dos sensores flexíveis usados para monitoramento de temperatura corporal só presta atenção a mudanças de temperatura dentro de 10 °C e portanto requer alta sensibilidade térmica para capturar mudanças de temperatura relativamente pequenas. Aqui, vários métodos e conceitos típicos para melhorar a sensibilidade de sensores de temperatura flexíveis são resumidos para fornecer referência favorável para melhorias futuras.

O desempenho de detecção de sensores de temperatura flexíveis geralmente está intimamente relacionado às propriedades dos materiais. Uma maneira possível de realizar o desenvolvimento de sensores sensíveis é adotar materiais compósitos com desempenho térmico visível. Após estímulo de temperatura, a rede condutora interna mudará, o que afetará a sensibilidade de temperatura do dispositivo. Para melhorar a sensibilidade de temperatura do material ativo, uma estratégia que converte flutuações de temperatura em deformação mecânica é adaptada para amplificar a resposta da rede condutora a mudanças de temperatura. O material termosensível é conectado a um substrato com alto coeficiente de expansão térmica positivo para melhorar a deformação de indução térmica. Este método tem aplicações em sensores feitos de grafeno, grafite e nanoparedes de grafeno. Por exemplo, no sensor de temperatura flexível projetado e fabricado por Huang et al., Gr estabelece caminho condutor no material compósito binário PEO/PVDF. No processo mostrado. A mudança de temperatura fará com que o PEO transforme de cristalino para amorfo, e derreta quando a temperatura se aproxima do ponto de fusão do PEO, a expansão de volume do PEO destruirá a rede condutora no material compósito, resultando em aumento acentuado de resistividade — aumentando a força do PTC, que pode reagir rapidamente dentro de mudança de faixa de temperatura estreita. Experimentos mostram que o desempenho térmico do PEO desempenha papel principal no efeito PTC do dispositivo. Outra maneira de melhorar a sensibilidade de sensor de temperatura flexível é usar estrutura única. Nos últimos anos, para melhorar desempenho de detecção de temperatura, várias estratégias de design foram desenvolvidas mudando a estrutura. Yu et al. propuseram recentemente método baseado em engenharia de morfologia de microfissuras para mudar a morfologia de fissuras do filme PEDOT:PSS no substrato PDMS ajustando a rugosidade da superfície do substrato, tempo de tratamento ácido e grau de pré-estiramento para melhorar a sensibilidade de temperatura do sensor. Mostra o efeito do comprimento médio de fissuras e densidade de fissuras na sensibilidade de temperatura. O resultado é que quanto maior o comprimento da fissura, maior a densidade de fissuras, e maior a sensibilidade de temperatura. Prova que a estrutura de microfissuras desempenha papel vital na sensibilidade de temperatura do sensor. Verifica-se que obter estrutura de microfissuras de alta densidade é chave para obter alta sensibilidade de temperatura. Alta densidade e alto comprimento correspondem diretamente a maior sensibilidade de temperatura. O processo de fabricação de equipamentos eletrônicos flexíveis desempenha papel vital na produção do dispositivo e pode melhorar efetivamente a sensibilidade do sensor de temperatura flexível. Assim como Shin et al. usaram método rápido de redução sinterização induzida por laser integral (m-LRS) para fabricar sensor de temperatura flexível Ni/NiO é diferente do método de impressão a jato de tinta. Eles reduzem e sinterizam diretamente o eletrodo de Ni na camada de NiO, e formam contato integral de alta qualidade entre eletrodo metálico (Ni) e material termosensível (NiO). Sensor de temperatura heterogêneo Ni–NiO–Ni mostra maior sensibilidade de temperatura que outros sensores do mesmo tipo. Espectroscopia Raman e medições de difração de raios X (XRD) mostram que a sensibilidade superior vem do mecanismo único de ativação térmica do processo m-LRS. Além disso, como sensores de temperatura flexíveis são principalmente sensíveis ao toque, infere-se que a espessura do filme afeta a sensibilidade. O estudo de Lee et al. verificou o efeito da espessura da base de papel altamente sensível na sensibilidade, eles usam método simples de fabricação por imersão para depositar materiais sensíveis no papel de impressão. O tempo de imersão afetará a espessura do filme. Também mostra o diferente desempenho de sensibilidade devido a diferentes espessuras. Deve-se notar que quanto maior a sensibilidade, mais estreita a faixa de medição e, pior, a estabilidade. Portanto, é necessário prestar atenção em aumentar estabilidade e precisão enquanto melhora a sensibilidade.

Outros Parâmetros de Sensor de Temperatura Flexível

A faixa de detecção de um sensor de temperatura flexível é um parâmetro importante, que se refere à temperatura mínima e máxima que pode ser detectada. Neste artigo, estamos interessados apenas na faixa de medição (30–45 °C) adequada para monitoramento de temperatura corporal. Outro parâmetro vital de desempenho, tempo de resposta, é geralmente definido como o tempo consumido pelo sensor de temperatura desde a aplicação de estímulo de temperatura até gerar saída de sinal estável. Alguns documentos também definem o tempo de resposta do sensor de temperatura pelo tempo que a temperatura do sensor sobe de T_sensor para 90% do aumento de temperatura (T₀). Está relacionado à resposta térmica do próprio material ativo e reflete a capacidade de resposta rápida do sensor de temperatura à temperatura. Em termos de aplicações, como produtos de monitoramento de saúde humana em tempo real e elementos de inteligência artificial vestíveis com resposta instantânea, todos têm tempo de resposta mais curto.

A capacidade do sensor de detectar a menor quantidade de mudança a ser medida é definida como resolução. Em outras palavras, a quantidade de entrada começa a mudar de um valor não-zero. Neste momento, se o valor de mudança de entrada não exceder um valor absoluto, e a saída do sensor não mudar, significa que o sensor não pode distinguir a mudança da quantidade de entrada. Precisão refere-se à razão do valor de mais ou menos três desvios padrão perto do valor real para a faixa, a diferença máxima entre o valor medido e o valor real, e o grau de dispersão do valor medido. Para instrumentos de medição, precisão é um conceito qualitativo e geralmente não requer expressão numérica. Como as flutuações normais da temperatura corporal humana dentro de um dia são pequenas, alta resolução ou alta precisão é significativa para sensores de temperatura flexíveis para monitoramento de temperatura corporal, determinando a aplicação mais ampla de sensores de temperatura flexíveis.

Repetibilidade é o grau de inconsistência dos resultados de medição para a mesma quantidade de excitação quando o sistema de medição realiza múltiplas (mais de 3) medições na faixa completa na mesma direção sob as mesmas condições de trabalho. Em sensor de temperatura flexível, durabilidade significa que mantém função de detecção estável e capacidade completa do dispositivo sob ambiente de uso a longo prazo. Sensor de temperatura flexível com alta durabilidade e alta repetibilidade pode atender aos requisitos básicos de uso estável a longo prazo. Linearidade geralmente define como o grau de desvio entre a curva real de relação entrada-saída e a curva de ajuste ideal, geralmente expressa como porcentagem. Portanto, na faixa linear, o sinal de saída será mais preciso e confiável. Alta linearidade também é propícia ao processo de calibração de sinal entrada-saída e processamento subsequente de otimização de dados. A demanda para desenvolvimento de sensores de temperatura flexíveis com alta linearidade também está aumentando.

Aplicações

A capacidade de organismos vivos de responder com precisão e rapidez a estímulos ambientais externos é uma característica essencial da vida. A indução de temperatura permite aos humanos prever perigos e responder a doenças. Alterações anormais na temperatura corporal frequentemente desempenham papel crucial de lembrete e ajuda para prevenção precoce. Com a pesquisa e desenvolvimento de dispositivos eletrônicos flexíveis, como peles eletrônicas, sistemas inteligentes de monitoramento de saúde, têxteis inteligentes e equipamentos biomédicos, sensores com aquisição de sinal multifuncional são necessários. Entre eles, o sensor de temperatura flexível é parte indispensável e vital de aplicações médicas e de saúde. Nos últimos anos, o progresso de novos materiais, novas tecnologias de fabricação e métodos únicos de detecção forneceram referência essencial e base sólida para o desenvolvimento de novo tipo de sensor de temperatura flexível semelhante à pele. Nestes sensores, alguns parâmetros básicos de desempenho como sensibilidade, resolução e tempo de resposta até excedem a pele natural. Embora, após muita pesquisa básica e aplicada, resultados de pesquisa possam ser transformados do laboratório para uso real. No entanto, ainda há muitos desafios esperando para serem resolvidos em aplicações práticas. No conteúdo a seguir, resumiremos resultados recentes de sensores de temperatura flexíveis em aplicações de eletrônica flexível com exemplos de aplicação únicos, excelentes e práticos.

Sensores flexíveis têm características de deformabilidade de grande área, leveza e portabilidade, que podem realizar funções que sensores tradicionais não podem. Pele eletrônica integra vários sensores e condutores em substrato flexível para formar sensor altamente flexível e elástico semelhante à pele. Converte estímulos externos como pressão, temperatura, umidade e dureza em sinais elétricos e os transmite ao computador para processamento, podendo até reconhecer objetos regulares. Uma pele eletrônica com funções semelhantes é característica necessária de robôs futuros para alcançar percepção em ambiente não estruturado. A pele eletrônica permite que o robô perceba mudanças no ambiente externo tão agudamente quanto uma pessoa real. Embora o princípio da pele eletrônica seja simples, ainda há desafios em cobrir a superfície do robô com pele eletrônica. O uso da pele eletrônica determina, ou seja, manter a integridade do dispositivo mantendo o desempenho de detecção durante deformação mecânica. O método ideal de pele eletrônica flexível é fabricação com padrão. Usando materiais de solução, depositados diretamente no substrato através de tecnologia de impressão para formar padrões, e alcançar fabricação rolo-a-rolo (R2R) de grande área sob temperatura e pressão normais para que a pele tenha vantagens de tamanho considerável, alto rendimento, baixo custo de produção e proteção ambiental.

Someya et al. desenvolveram pele eletrônica de malha com flexibilidade, grande área, capacidade integrada de detecção de temperatura e pressão. A pele eletrônica elástica tem múltiplos sensores de calor e pressão distribuídos nos nós e lê dados através de OTFT. Entre eles, o array de sensores térmicos é baseado em diodos orgânicos, preparado em naftalato de polietileno (PEN) revestido com óxido de índio e estanho (ITO) na superfície. O filme térmico é cortado mecanicamente por máquina de corte de controle numérico, e o processo R2R prepara a estrutura de rede, e então o filme de rede é combinado por laminação para completar a preparação do array de sensores térmicos. A camada protetora de parileno é colocada na camada semicondutora orgânica para atuar como camada barreira de gás flexível, estendendo a durabilidade do dispositivo de dias para semanas e evitando danos mecânicos a transistores e diodos durante testes. Quando o sensor está em seu estado original, o espaço é quadrado, e torna-se losango após ser esticado, e ainda pode manter excelentes características elétricas quando esticado 25%. O estabelecimento da estrutura de malha expande o uso de pele eletrônica. A estrutura distribuída de múltiplos parâmetros e múltiplos nós também torna possível monitorar objetos de forma irregular.

Um tipo de eletrônica epidérmica proposto por Kim et al. refere-se a dispositivos eletrônicos flexíveis ultra-finos fixados na superfície da pele. Apenas através de força de van der Waals pode se ajustar perfeitamente com a pele e detectar temperatura, deformação e resposta dinâmica. Aplicações potenciais incluem detecção de estado fisiológico (eletroencefalograma, eletrocardiograma, eletromiografia), detecção ou tratamento de feridas, percepção biológica/química, interface de interação homem-computador, comunicação sem fio, etc. Integrando todos os dispositivos no dispositivo de medição de forma completamente diferente integra uma variedade de sensores funcionais (como temperatura, deformação, eletrofisiologia), diodos emissores de luz (LEDs) de microescala, unidades de circuito ativas/passivas (transistores, diodos, resistores), bobinas de alimentação sem fio, dispositivos de comunicação de radiofrequência sem fio (indutores de alta frequência, capacitores, oscilador e antena). Eletrônica de pele tem características de ultra-fino, baixo módulo elástico, leveza e ductilidade. O dispositivo é fabricado na forma de nanofios filamentosos enrolados ou filmes finos micro-nano, permitindo que o sistema suporte deformação elástica mais significativa. Pode ser facilmente transferido para a superfície da pele através do processo de toque suave, como um adesivo de tatuagem. Embora a pele eletrônica tenha funções ricas, a frequência de ressonância desviará quando a deformação exceder 12%. Além disso, a durabilidade de dispositivos flexíveis ultra-finos também requer atenção. As deficiências mencionadas acima precisam ser consideradas ao projetar e fabricar futuros sistemas de pele eletrônica.

O desenvolvimento de sistema de monitoramento de saúde vestível é para coletar parâmetros térmicos do corpo humano: temperatura corporal, temperatura epidérmica, fluxo de calor, etc. Para observação e inferência como metabolismo, febre, infecção por doença, cicatrização da pele, adaptação térmica (implantes, próteses), etc. Comparado com as limitações dos sistemas de monitoramento tradicionais nos casos de uso. Sistemas flexíveis vestíveis de monitoramento de temperatura demonstraram aplicações mais flexíveis e excelentes efeitos de monitoramento de parâmetros térmicos em estudos recentes — o sistema de sensor de temperatura m-LRS NiO fabricado pela equipe de Shin et al. que introduzimos anteriormente. Em experimento para verificar o potencial de seu sistema como aplicação de pele eletrônica. Três sensores de temperatura lado a lado anexados ao dedo do robô podem fazer taxa de fluxo precisa de água quente ou fria fluindo no tubo microfluidico, direção de fluxo e resposta de temperatura. Além disso, tem capacidade de alta resolução para aumento de temperatura causado por radiação de calor infravermelho. Além disso, a característica de ajuste de alta curvatura permite que o sistema de sensor de temperatura também monitore a respiração para fornecer alerta precoce de sintomas respiratórios anormais causados por doença ou envenenamento. Experimentos em mudanças de respiração antes e depois do exercício verificaram a eficácia do sistema no monitoramento de pequenas mudanças na respiração e temperatura humanas. A tecnologia de fabricação holística que propuseram fornece ajuda útil para o desenvolvimento em larga escala do sistema de saúde e pele eletrônica.

Webb et al. relataram dois tipos de sensores/atuadores de temperatura flexíveis, ultra-finos e sensíveis com diferentes estruturas, a saber, array de sensor TCR com rede serpentina formada por Cr/Au fabricado por tecnologia de microlitografia e array de sensor TCR após deposição. Sensor nano PIN de corrosão, os dois sensores têm alta sensibilidade, resposta rápida e alta precisão. Monitoramento não invasivo das mudanças sutis na temperatura da superfície da pele causadas por mudanças no fluxo sanguíneo humano causadas por estímulos externos pode ser realizado. Medindo com precisão a condutividade térmica da pele e monitorando a umidade da pele, tem valor de aplicação prática para gerenciamento de saúde como monitoramento de glicose no sangue, entrega e absorção de medicamentos, e mudanças em feridas ou tumores malignos. Para um sistema de sensor flexível que precisa monitorar estado de saúde baseado em sinais vitais, fácil fabricação, fixação segura e forte adaptabilidade biológica são essenciais. Yamamoto et al. desenvolveram eletrodo viscoso sem gel mais adequado para sensores de eletrocardiograma (ECG). Sensor de temperatura fabricado por impressão padronizada é montado para formar sistema de sensor flexível que pode monitorar ocorrência de sintomas de desidratação ou insolação. O uso de materiais biocompatíveis resolve o problema que géis tradicionais não podem ser anexados ao corpo humano por longo tempo. A plataforma de sistema de detecção flexível aberta também pode adicionar vários sensores para desenvolver gama mais ampla de aplicações. As propriedades de temperatura e transferência de calor da pele podem ser caracterizadas como informação crítica para medicina clínica e pesquisa básica em fisiologia da pele. Em termos de adaptação térmica, é crucial monitorar e prever a temperatura da pele do membro residual. Por exemplo, lacunas da prótese criam microambiente quente e úmido, que promove crescimento de bactérias e causa inflamação da pele. Monitoramento local de temperatura da pele usa sensores de temperatura flexíveis escondidos em têxteis diários. Devido à sua alta consistência, é muito adequado para monitoramento não invasivo de temperatura da pele, o que beneficia significativamente pacientes e equipe médica. Lugoda et al. usaram diferentes processos de fabricação de fio industrial para integrar sensores de temperatura flexíveis em tecidos, e estudaram o efeito de detecção de incorporar sensores de temperatura flexíveis em fios têxteis. A resistência à dobra e repetibilidade do sensor de temperatura incorporado no fio são verificadas. O sensor alongado é feito por padronização de camada Ti/Au depositada em filme de PI. Experimentos com sensor de temperatura incorporado na faixa de braço verificaram que este fio sensor pode ser usado para fabricar roupas têxteis inteligentes de medição de temperatura. Têxteis inteligentes de medição de temperatura podem ser usados para aplicações de monitoramento de adaptação térmica como detecção de desconforto térmico em próteses, meias para previsão precoce de úlceras diabéticas nos pés, têxteis que medem continuamente a temperatura corporal de bebês, e bandagens para monitoramento de infecção de feridas. O uso de tecnologia de fabricação de fio industrial para integrar sensores de temperatura flexíveis torna possível a fabricação de têxteis inteligentes em larga escala.

Com o desenvolvimento de eletrônica flexível, a aplicação de dispositivos vestíveis flexíveis multifuncionais em saúde, equipamentos de monitoramento inteligente, interação/combinação homem-computador, robôs inteligentes e outros campos relacionados tornou-se cada vez mais extensa. Sensores de temperatura flexíveis têm forte praticidade em dispositivos eletrônicos vestíveis flexíveis, especialmente para monitoramento da saúde humana, que é inseparável do controle preciso de temperatura. A introdução da função de transmissão sem fio permite que as pessoas analisem e utilizem os resultados de medição do sensor de temperatura. Honda et al. propuseram dispositivo vestível de interação homem-computador, "curativo inteligente" padronizado com função de administração de medicamentos. O dispositivo usa tecnologia de impressão padronizada de baixo custo para integrar sensores de temperatura, sensores táteis capacitivos estruturados MEMS e bobinas sem fio em substrato flexível. Mostra o objeto físico do dispositivo flexível no braço. Uma bomba de administração de medicamentos (DDP) feita por litografia suave e microcanal para descarga de medicamentos pode ser adicionada para fornecer medicamentos a feridas ou partes internas para melhorar a saúde do usuário. Como aplicação de dispositivo sem fio vestível interativo humanizado de monitoramento de saúde, desempenhará papel positivo em futuras aplicações eletrônicas vestíveis.

Curativo inteligente para feridas: feridas após trauma são infectadas e difíceis de cicatrizar. Sob curativos tradicionais, o processo de cicatrização de feridas é frequentemente imprevisível, e resultados satisfatórios de reparo não podem ser obtidos. Em infecção ou cicatrização de feridas, mudanças de temperatura diferentes da temperatura corporal normal ocorrerão. Portanto, monitorar mudanças sutis de temperatura na ferida é bastante necessário para cicatrização ideal. Para eliminar o estado "caixa preta" no processo de cicatrização de feridas e compreender a situação da ferida em tempo real, Lou et al. propuseram sistema transparente e macio de cicatrização de feridas em malha fechada para promover monitoramento em tempo real da cicatrização de feridas. O sistema flexível de cicatrização de feridas (FWHS) e dispositivo flexível de detecção de temperatura de feridas (FWTSD) na forma de band-aids de dupla camada podem ser anexados diretamente à ferida. A camada superior é uma camada flexível de detecção de temperatura composta por sensores de temperatura, circuitos de gerenciamento de energia e circuitos de processamento de dados. A camada inferior é um equivalente dérmico de colágeno-quitosana para regeneração da pele. Um aplicativo de software personalizado (app) instalado no smartphone recebe dados da camada de detecção, exibindo e analisando temperatura da ferida em tempo real. O sistema tem alta sensibilidade e estabilidade, boa ductilidade, confiabilidade e biocompatibilidade. Além de monitorar o processo normal de regeneração de feridas, nos experimentos biológicos, aviso oportuno de infecção grave de ferida foi alcançado. Sistema inteligente de cicatrização de feridas com promoção de crescimento, monitoramento de temperatura em tempo real, transmissão sem fio e visualização que integra monitoramento de feridas, alerta precoce e intervenção sob demanda pode ocorrer no futuro. Se a ferida após lesão for severamente infectada e não tratada a tempo, dano mais sério ao corpo pode ocorrer. Monitoramento oportuno de condições de ferida e diagnóstico e tratamento rápidos e eficazes são necessidades urgentes para reduzir ocorrência e agravamento de complicações de infecção de feridas. Em outro estudo, Pang et al. propuseram curativo inteligente flexível com estrutura de dupla camada com alta sensibilidade, boa durabilidade e controle remoto. A camada superior é encapsulada em PDMS conectada e integrada através de fio serpentina. Sensor de temperatura, diodo emissor de luz ultravioleta (UV), fonte de alimentação e circuito de processamento de sinal são projetados, e a camada inferior é projetada com hidrogel antibacteriano responsivo a UV. Quando o sensor de temperatura detecta temperatura anormal excedendo o limiar, transmitirá sinal sem fio para dispositivo inteligente. Além disso, controla a radiação ultravioleta in-situ através do aplicativo terminal para liberar antibióticos do hidrogel subjacente e aplicá-lo à ferida para alcançar diagnóstico precoce de infecção e processamento. O sistema pode monitorar status da ferida em tempo real, diagnosticar com precisão e tratar sob demanda. A pesquisa deste sistema inteligente de diagnóstico de trauma fornece novas estratégias e ideias de diagnóstico e tratamento para prevenção e tratamento de doenças traumáticas como tratamento de feridas e úlceras diabéticas. A popularização e aplicação de tais sistemas também têm perspectivas significativas.

O desenvolvimento de ferramentas cirúrgicas avançadas é medida importante para melhorar a saúde humana. O avanço da eletrônica flexível fornece suporte confiável para flexibilidade e miniaturização de instrumentos médicos clínicos. Simultaneamente, a função de dispositivos flexíveis é enriquecida, permitindo que instrumentos clínicos realizem múltiplas operações em partes doentes em curto período, reduzindo risco de cirurgia. Kim et al. inventaram integração direta de grupo de elementos multifuncionais, incluindo array de sensor de temperatura flexível com filme elástico de cateter balão tradicional, que fornece variedade de funções para aplicações clínicas. O uso deste cateter balão em experimentos com animais vivos verificou a capacidade do instrumento de fornecer informações-chave sobre profundidade da lesão, pressão de contato, fluxo sanguíneo ou temperatura local, e os eletrodos de radiofrequência no balão para ablação local controlada de tecido. Uso específico em terapia de ablação cardíaca. Em outro estudo, desenvolveram duas aplicações de sensor de temperatura flexível finas e dobráveis. Usadas para suturas médicas, um dos dispositivos mais simples e amplamente usados na medicina clínica. Uma é linha de sutura ultra-fina baseada em atuador térmico Au integrado e sensor de temperatura de nanodiodo de silício em membrana de biofibra. A outra linha de sutura é dois arrays de sensor de temperatura de metal Pt 1 × 4 formados entre fios Au em ambos os lados do substrato. Para alcançar o propósito de ajudar feridas biológicas a cicatrizar e monitorar recuperação da ferida. É cheio de desafios construir dispositivos semicondutores e sensores e outros componentes em plataforma biologicamente adaptável que toca a superfície curva flexível do corpo humano.

Como sabemos, algumas operações deixarão objetos diferentes dos tecidos do corpo como placas de aço, stents, marcapassos, implantes, etc., dentro do corpo, que causarão desconforto ao corpo. O desenvolvimento de dispositivos absorvíveis otimizará equipamentos de implante cirúrgico problemas pós-acesso reduzem risco de cirurgia e dificuldade de cicatrização pós-ferida. Kang et al. relataram sensor de silício multifuncional. O experimento de implantação do sensor no cérebro de ratos provou que todos os materiais (ácido polilático-glicólico, nanomembranas de silício (Si-NMs), silício nanoporoso, SiO₂) constituindo o sensor poderiam ser naturalmente absorvidos através de hidrólise e/ou metabolismo, sem necessidade de extração novamente. Pode monitorar continuamente parâmetros como pressão intracraniana e temperatura, o que ilustra as vantagens de desempenho de dispositivos absorvíveis para tratamento de trauma cerebral. O surgimento de stents vasculares absorvíveis fornece forte suporte para o progresso suave de cirurgia intervencionista. O stent vascular pode expandir o vaso sanguíneo através de estrutura contínua no vaso sanguíneo bloqueado para restaurar fluxo sanguíneo. No entanto, a inflamação causada por stents vasculares tradicionais no corpo por longo tempo ainda é difícil de ser diagnosticada e curada. Son et al. introduziram aplicações de stent eletrônico bioabsorvível (BES) baseadas em nanomateriais bioabsorvíveis e bioinertes. Integrado detecção de fluxo, monitoramento de temperatura, transmissão sem fio de energia/dados, supressão de inflamação, administração local de medicamentos e dispositivo de hipertermia. O sensor de temperatura e fluxo de Mg é composto por camada de adesão, resistência Mg em forma de fibra (unidade de detecção) e camada de encapsulamento externo (MgO e ácido polilático (PLA)). Estudos experimentais mostraram que combinar implantes eletrônicos bioabsorvíveis e nanopartículas terapêuticas bioinertes em sistemas de stent intravasculares inteligentes ainda não foi reconhecido.

Visualização de temperatura torna a função de sensores de temperatura flexíveis mais proeminente. Compensa as desvantagens de equipamentos tradicionais de imagem infravermelha que são caros, desfavoráveis para transporte e imprecisos na medição de objetos dinâmicos. O aparecimento de ultrassom focalizado de alta intensidade (HIFU), monitoramento de dispositivo inteligente e outras ocasiões tornarão a medição de temperatura mais precisa e útil. An et al. desenvolveram sensor de temperatura PEDOT:PSS com nanofibras de prata ultra-longas (AgNFs) e rede híbrida de nanofios de prata (AgNWs) como eletrodo transparente de alto desempenho, camada e fabricação padronizada, usando tecnologia de multiplexação para criar array de sensores multifuncionais capacitivos flexíveis e transparentes. A mudança de capacitância é 17 vezes maior que a de sensor de padrão que também usa eletrodos ITO. No futuro, a exibição visual de impressões digitais, pressão e mudanças de temperatura entre os dedos no sensor flexível pode ser realizada simultaneamente em dispositivos inteligentes. Aplicando na função de reconhecimento de impressão digital, a função de segurança de dispositivos móveis inteligentes pode melhorar mais segurança. Gao et al. introduziram dispositivo emissor de luz que combina indicador de temperatura colorimétrico com tecnologia eletrônica flexível padronizada, elástica e sem fio. Um array de pixels de cristal líquido termocrômico (TLC) de grande escala é formado em substrato elástico fino em combinação com leitura colorimétrica e acionamento de radiofrequência (RF) para mapear características térmicas da pele. Sob a premissa de não invasividade, o sistema de sensor usa sinais de radiofrequência para controlar aquecimento local para pesquisar e mapear temperatura da pele com alta precisão de temperatura (50 mK) e alta resolução espacial. O fluxo sanguíneo sob a pele é avaliado pelo teste de hiperemia reativa. Além disso, análise de hidratação reflete problemas de saúde da pele. A figura verifica que o dispositivo pode responder visualmente rapidamente a pequenas mudanças no fluxo sanguíneo. Reflete problemas cardiovasculares e de saúde da pele através de análise de hidratação. Como a capacidade de fluoroscopia de uma câmera infravermelha, o dispositivo pode ser usado para monitoramento de temperatura central e cicatrização de feridas, inspeção de dispositivo de implante próximo ao corpo, triagem de câncer de tumor maligno e outras funções biomédicas relacionadas. A característica única é que o dispositivo flexível pode ser lido usando telefone celular, e pode ser usado por longo tempo. O sistema de visualização de temperatura fornece enorme perspectiva para a descrição das propriedades térmicas da pele. Faz esforços para fornecer indicadores úteis para determinar o estado de saúde e fisiológico humano. Em outro estudo, Kim et al. forneceram ideia viável usando materiais termocrômicos para observar mudanças de temperatura diretamente. A diferença é que sua descrição da mudança de temperatura não tem exibição numérica específica, e só pode julgar faixa aproximada de mudança de temperatura. No entanto, He et al. otimizaram a precisão do mapeamento de temperatura de materiais termocrômicos, que podem refletir o valor específico da temperatura com mais precisão. Em pesquisas futuras, o desenvolvimento de materiais termocrômicos sensíveis à temperatura e que podem responder à temperatura com precisão também se tornará gradualmente um foco de pesquisa. Em particular, o material de amortecimento reverso que fizeram mostrou cor semelhante à pele humana. Além disso, usaram tecnologia de impressão 3D para fabricar sensor de pressão flexível, simplificando o processo de fabricação, porque os parâmetros da estrutura do sensor podem ser ajustados, mostrando funções personalizáveis, e alcançando o propósito de fabricação estrutural geral. No futuro, impressão 3D é a melhor candidata para o desenvolvimento de estruturas funcionais únicas. Porque esta tecnologia pode alcançar fabricação geral do dispositivo, simplifica o processo de fabricação e garante requisitos de moldagem integrada. Também ganhará enorme popularidade no campo de sensores flexíveis.

Conclusões

Este artigo revisa o progresso recente de pesquisa de sensores de temperatura flexíveis de alta sensibilidade em monitoramento de temperatura corporal humana, materiais termosensíveis, estratégias de fabricação, desempenho básico e aplicações. Como variável dinâmica relativamente estável no corpo humano, a temperatura corporal ou temperatura local (trauma) pode ter diferentes graus de pequenas flutuações (cerca de 0,5 °C) sob influência de emoções ou atividades fisiológicas. A temperatura de monitoramento do sensor de temperatura flexível precisa ser comparável. Câmeras infravermelhas tradicionais têm menor resolução de temperatura (< 0,1 °C). Além disso, monitoramento oportuno e rápido da temperatura corporal é outra chave para avanço. O tempo de resposta do sensor de temperatura atual pode estar dentro de poucos milissegundos, mas há problema de tempo de reset muito longo. Como encurtar a diferença de tempo entre tempo de resposta e tempo de reset afetará diretamente a eficiência e capacidade de monitoramento do sensor. Com o desenvolvimento de sensores multifuncionais, como evitar interferência mútua entre múltiplos sinais para que os estímulos das respectivas respostas entre os sinais possam responder independentemente sem interferência mútua e produzir saída precisa, tornou-se problema urgente a ser resolvido e aperfeiçoado para melhorar desempenho do sensor. O desenvolvimento de sensores de temperatura flexíveis nos mostra um futuro previsível. No futuro, sensores de temperatura flexíveis também alcançarão fabricação de grande área e baixo custo, alta sensibilidade, autossuprimento, visualização, auto-cura, biodegradabilidade e transmissão sem fio de detecção remota. Além disso, outras funções são integradas e postas em uso. Classificar os dados de temperatura coletados na plataforma de big data de saúde pode fornecer melhor ajuda e suporte de dados para diagnóstico médico humano futuro. Além disso, tecnologia de fabricação micro-nano com padrão é boa sugestão para produção em massa de baixo custo de sensores. Baseado no fluxo de processo relativamente maduro do processo de impressão, a realização de dispositivos flexíveis multifuncionais integrados de grande área está ao virar da esquina. O sensor de temperatura flexível atual pode alcançar maior sensibilidade, mas alguns sensores não eliminam interferência de fatores ambientais no sensor de temperatura. No futuro, sensor de temperatura flexível usado para monitoramento de temperatura corporal pode fazer esforços para combater influências ambientais. Embora o sensor flexível em si possa ser frágil e leve, precisa ser conectado ao circuito de alimentação e fonte de alimentação, o que reduz drasticamente a flexibilidade geral. No futuro, para sensores de temperatura flexíveis que monitoram temperatura corporal, com otimização adicional de métodos de aquisição de sinal, transmissão sem fio de dados visuais em tempo real pode ser realizada sob condições de autossuprimento mais eficientes, o que será uma grande melhoria para sistemas de monitoramento inteligentes. O monitoramento de temperatura da superfície corporal é muito afetado pelo ambiente, enquanto a temperatura central é relativamente estável. O sensor de temperatura flexível usado para monitoramento de temperatura corporal pode ser anexado à superfície corporal (testa, braço, axila, etc.) para monitorar a temperatura da superfície corporal e até flutuar. A temperatura central com pequena faixa também pode ser medida. Sensores flexíveis não implantáveis requerem mais melhorias em vestibilidade, biocompatibilidade e durabilidade para atender às necessidades de uma gama mais ampla de pessoas e se tornar um dispositivo de aplicação flexível disponível para todos. Para sensores de temperatura flexíveis invasivos, seja no processo de invasão ou durante o uso do sensor, minimizar dano ao corpo é a consideração primária. Portanto, explorar e desenvolver materiais de detecção e sensores biocompatíveis ou biodegradáveis é undoubtedly uma direção de melhoria. Não haverá rejeição ou reações alérgicas no corpo devido a corpos estranhos. No futuro, sensores de temperatura flexíveis aparecerão em muitas ocasiões ao nosso redor. A exploração do desenvolvimento de sensores de temperatura flexíveis com alto desempenho, fácil fabricação, baixo custo e ampla faixa de aplicação continuará.