Mini revisión sobre dispositivos electrónicos flexibles y portátiles para monitorear la información de salud humana

un Proceso de fabricación de matriz PDMS de micropyramid. b Esquema del principio de detección del sensor con estructura de micropiramida bajo fuerza externa. c Sensibilidad mejorada de los sensores piramidales en comparación con los sensores no estructurados. d Respuestas de presión lineal de los sensores de micropyramid cuando se estiran. Adaptado con permiso de ref. 10. Copyright 2014 John Wiley and Sons

La incrustación de materiales conductores con estructura porosa en una matriz de elastómero para construir redes conductoras bidimensionales o tridimensionales es otro enfoque para lograr una alta sensibilidad en los sensores de fuerza resistiva [7, 22, 23, 19, 24]. La deformación causada por fuerzas externas cambiará la densidad de distribución espacial de los materiales conductores y, por lo tanto, cambiará la resistencia del sensor. Como se muestra en la Fig. 3a, Wang et al. [7] produjo compuestos conductores de esfera hueca combinando microcápsulas de polen de girasol (SFP) con nanotubos de carbono de paredes múltiples (MWCNT), y luego los agregó a PDMS para preparar una película compuesta MWCNT / PDMS. Se fabricó un dispositivo E-skin intercalando esta película compuesta MWCNT / PDMS entre dos electrodos conductores. Como se muestra en la Fig. 3b-d, en comparación con el sensor plano, esta arquitectura de esfera hueca introducida por microcápsulas a base de polen permitió que el sensor mostrara una mayor sensibilidad, un tiempo de relajación más rápido y una estabilidad muy alta. El sensor podría detectar simultáneamente presión y tensión dinámicamente cuando se conecta a un dedo humano o una garganta humana. Li y col. [23] introdujo un método simple para construir redes conductoras porosas mediante la conversión de papel tisú en papel carbón (CP) mediante un proceso de pirólisis a alta temperatura. La Figura 3e es la imagen SEM del papel carbón. Un sensor de deformación altamente sensible compuesto por papel carbón y resina PDMS se fabricó con éxito mediante un sencillo proceso de infusión al vacío. La estructura porosa hizo que el sensor tuviera una sensibilidad ultra alta a la tensión aplicada, casi un orden de magnitud más alta que la del sensor metálico tradicional. Como se muestra en las Fig. 3f, 3, el sensor CP / PDMS demuestra la monitorización de la respiración de un adulto y el gesto de una mano humana mediante la integración con un cinturón y un guante, respectivamente. Lee y col. [22] fabricaron nanofibras sensibles a la presión con estructura porosa utilizando un proceso de electrohilado. El nanomaterial conductor (CNT y grafeno) se dispersó uniformemente dentro de las nanofibras para mejorar la capacidad de detección. Debido a la estructura nanoporosa, el sensor de presión de tipo resistivo fabricado con estas nanofibras compuestas exhibió una alta sensibilidad a la deformación inducida por la presión y una excelente adaptabilidad a estructuras tridimensionales.

un Esquema del mecanismo del sensor con estructura de esfera hueca inducida por microcápsulas de polen de girasol bajo presión. b Respuesta transitoria de película compuesta (CF) basada en SFP y CF plana bajo una presión de 600Pa. c Tiempo de relajación de los dos sensores relacionados. d Prueba de estabilidad de CF basada en SFP a 80 Pa. Adaptado con permiso de la ref. 3. Copyright 2017 Elsevier. e La imagen SEM del papel carbón convertido. f , g Monitorización de la respiración ( f ) y gesto ( g ) de un adulto por el sensor CP / PDMS. Adaptado con permiso de ref. 63. Copyright 2017 Sociedad Química Estadounidense

Sensores de fuerza capacitivos

Los sensores capacitivos pueden responder indicando cambios en las fuerzas externas a través de cambios en la capacitancia. Un condensador generalmente consta de una capa dieléctrica intercalada por dos placas conductoras. La fórmula utilizada para calcular la capacitancia es \ (C =\ frac {\ varepsilon_0 {\ varepsilon} _rA} {d} \), donde ε ₀ es la permitividad del vacío, ε _r es la permitividad relativa del dieléctrico, A es el área de superposición efectiva de las dos placas conductoras, y d es el espacio entre las dos placas conductoras. Los electrodos de los sensores de fuerza capacitivos flexibles suelen utilizar CNT [25], nanocables de Ag [26, 3] y materiales iónicos conductores [27]. Los materiales elásticos de bajo módulo, incluidos PDMS, SEBS y Ecoflex, son buenos candidatos para la capa dieléctrica.

La capacidad de detección de los sensores capacitivos se puede mejorar significativamente mediante la microestructuración de electrodos o capas dieléctricas [3, 2, 28]. Como se muestra en la Fig. 4a-d, Quan et al. [3] utilizó vidrio de superficie mate como plantillas para preparar películas de PDMS microestructuradas como sustratos de electrodos para sensores capacitivos flexibles. Compararon sensores con electrodos microestructurados con aquellos sin uno. Los resultados de la Fig. 4e-g demostraron que los sensores con microestructura exhiben una mayor sensibilidad, límites de detección más bajos y un tiempo de respuesta más rápido. Kang y col. [28] desarrolló un sensor de presión capacitivo de alto rendimiento basado en una capa dieléctrica porosa similar a una esponja. La estructura porosa similar a una esponja se logró revistiendo PDMS sobre un sustrato de silicio apilado con microperlas de polímero seguido de la disolución de las microperlas de polímero. La película porosa de PDMS se transfirió luego a un electrodo de película delgada ITO, dando lugar a un sensor capacitivo con sensibilidad ultra alta y alta estabilidad. La sensibilidad de los sensores de presión PDMS porosos es más de ocho veces mayor que la de los sensores basados ​​en película PDMS desnuda. La razón del mejor rendimiento del sensor capacitivo microestructurado se puede atribuir a los dos puntos siguientes. Por un lado, la estructuración del sustrato del electrodo de elastómero o la capa dieléctrica mejora la compresibilidad del dispositivo. Por otro lado, las microarquitecturas agregan huecos de aire entre las placas conductoras del capacitor de manera ordenada, lo que hace que la permitividad sea cambiante bajo presión. Cuando se aplica una fuerza externa al sensor para causar deformación, el volumen total de huecos de aire en la capa dieléctrica disminuye y la permitividad de la capa dieléctrica híbrida aire / elastómero aumenta, de modo que el aumento en el valor de capacitancia de los sensores capacitivos causado por dos factores:la reducción del espaciamiento de las placas y el aumento de la permitividad. Además, Pang et al. [2] desarrolló un sensor de presión altamente sensible con una capa dieléctrica PDMS de forma piramidal y una interfaz con estructura de micropelo, como se muestra en la Fig. 5a, b. La Figura 5c-f comparó los resultados de la prueba de la arteria radial mediante cuatro sensores con geometría de interfaz diferente, lo que reveló que la interfaz de micropelos obviamente puede mejorar la relación señal-ruido de los sensores de presión capacitivos.

un - d Imagen SEM de la vista superior ( a ) y vista lateral ( b ) de película PDMS no estructurada, imagen SEM de la vista superior ( c ) y vista lateral ( d ) de película de PDMS microestructurada. e Comparación de las respuestas relativas de los sensores con diferentes estructuras. f Prueba de sensibilidad de los dos sensores estructurados. g La respuesta de los dos sensores estructurados bajo una presión de 1 Pa. Adaptado con permiso de ref. 18. Copyright 2017 Elsevier

un Diagrama esquemático del sensor con estructura de micropelo. b Imagen SEM de la estructura del micropelo con diferentes proporciones. c - f Prueba de arteria radial con cuatro dispositivos con diferentes geometrías de interfaz: c superficie plana, estructura de micropelo con proporciones de d 3, e 6 y f 10

Para mejorar la sensibilidad, la integración con transistor de efecto de campo orgánico (OFET) también es un proyecto ampliamente estudiado para sensores capacitivos. En los dispositivos OFET, la corriente de fuente-drenaje depende directamente de la capacitancia dieléctrica de la puerta. Schwartz y col. [29] informaron sobre dispositivos OFET E-skin altamente sensibles que utilizan una película de PDMS microestructurada como capa dieléctrica y un nuevo polímero conjugado, poliisoindigobitiofeno-siloxano (PiI2T-Si) [30] como semiconductor. El dispositivo OFET que integra un dieléctrico PDMS microestructurado logró una sensibilidad ultra alta (8,4 kPa ^- 1) en el régimen de baja presión <8 kPa así como con un tiempo de respuesta rápido (<10 ms). Estas capacidades superiores demostraron que un dispositivo de este tipo es prometedor en las mediciones de alta fidelidad de la onda del pulso de la muñeca.

En comparación con los sensores resistivos, los sensores capacitivos generalmente tienen una mayor sensibilidad y límites de detección más bajos. Sin embargo, su pobre respuesta de linealidad y su susceptibilidad a la capacitancia parásita y la capacitancia periférica pueden ser desafíos en aplicaciones prácticas.

Sensores de fuerza piezoeléctricos

El efecto piezoeléctrico se refiere al fenómeno de que los estímulos mecánicos deforman algunos materiales cristalinos anisotrópicos y provocan la polarización de los dipolos internos, dando lugar a diferencias de potencial existentes entre las dos superficies opuestas de los cristales. Debido a las características únicas de los materiales piezoeléctricos, los sensores piezoeléctricos con tiempo de respuesta rápido son capaces de medir señales dinámicas de alta frecuencia de manera eficiente y son bastante prometedores para dispositivos autoamplificados.

Los materiales piezoeléctricos comúnmente utilizados en sensores flexibles incluyen P (VDF-TrFE) [31, 32], ZnO [33], PbTiO3 [34] y PZT [35, 36], etc. P (VDF-TrFE) es uno de los más materiales favoritos para sensores piezoeléctricos flexibles debido a su flexibilidad, proceso de fabricación simple, estabilidad notable y gran coeficiente piezoeléctrico. Persano y col. [31] informó sobre un sensor piezoeléctrico flexible basado en matrices de fibras P alineadas (VDF-TrFE) preparadas por electrohilado. Este sencillo sensor de presión exhibe un excelente rendimiento de detección incluso en el régimen de presión extremadamente pequeño (alrededor de 0,1 Pa). Los resultados sugirieron un potencial de aplicación extraordinario en la detección de movimiento humano y la electrónica robótica. Aunque los materiales inorgánicos carecen de flexibilidad, muchos materiales inorgánicos a nanoescala y nanocompuestos de polímero-cerámica (como ZnO NW [33], nanocintas de PZT [35] y nanoláminas [36] y P (VDF-TrFE) / BaTiO ₃ nanocompuesto [4]) puede exhibir un cierto grado de flexibilidad. Shin y col. [33] empleó NW de ZnO dopado con litio (Li) empaquetados en PDMS como elemento sensor. El voltaje de salida piezoeléctrico de los compuestos ZnO NW-PDMS dopados con Li era una función de la fuerza aplicada y la frecuencia. Los dispositivos fabricados fueron capaces de proporcionar información instantánea de los movimientos humanos, lo cual es de gran importancia para la aplicación de dispositivos electrónicos de la piel en el monitoreo de la actividad humana. Los sensores piezoeléctricos son particularmente útiles para la detección de estímulos físicos dinámicos pero no funcionan bien en la medición de señales estáticas. Esto se debe a que la señal de voltaje generada por los materiales piezoeléctricos solo aparecerá en el momento en que se aplique o retire la presión. Para resolver este problema, Chen et al. [34] informó un sensor de presión piezoeléctrico flexible para medición estática basado en PbTiO ₃ nanocables (PTNW) / heteroestructura de grafeno. En este dispositivo, las cargas de polarización inducidas por la tensión en los PTNW actuaron como impurezas cargadas en el grafeno y afectaron la movilidad de su portador. El mecanismo de trabajo es que las cargas de polarización en los PTNW aumentaron la dispersión de los portadores en el grafeno, lo que resultó en una disminución de la movilidad del portador. Basado en el mecanismo mencionado anteriormente, como se muestra en la Fig. 6, este sensor de heteroestructura poseía una mayor sensibilidad que los sensores de presión de grafeno intrínsecos desarrollados por CVD [37, 38] y era capaz de medir señales mecánicas estáticas.

Respuesta de presión del sensor de presión basado en PTNW (izquierda) y de un transistor PTNW / grafeno bajo un pulso de presión. Adaptado con permiso de ref. 25. Copyright 2017 Sociedad Química Estadounidense

Sensores de temperatura flexibles

La detección de temperatura es una parte importante de los dispositivos de detección. La temperatura corporal puede reflejar la condición física de las personas en un gran contenido. La temperatura corporal central de las personas sanas es relativamente constante, generalmente entre 36,2 y 37,2 ° C. Es independiente del medio ambiente, mientras que la temperatura de la carcasa puede verse afectada tanto por las condiciones físicas como por la temperatura ambiente. Los cambios anormales en la temperatura corporal generalmente indican mala salud. Por ejemplo, un aumento de la temperatura corporal es un síntoma de fiebre o infección, mientras que una temperatura corporal degradada probablemente signifique anemia. Para la detección de temperatura en tiempo real en dispositivos E-skin, se han desarrollado muchos tipos de sensores de temperatura flexibles.

Sensores resistivos de temperatura

La detección de temperatura a través de cambios en la resistencia de materiales sensibles es el método más comúnmente utilizado para medir la temperatura en dispositivos electrónicos similares a la piel. El coeficiente de temperatura de resistencia (TCR) es un indicador importante de la sensibilidad de los sensores de temperatura resistivos. Se define como la variación relativa de la resistencia cuando la temperatura cambia en 1 ° C. Se ha informado de varios sensores de temperatura resistivos que utilizan elementos metálicos puros (Pt, Au, Cu) [39,40,41,42], partículas de óxido metálico [43], compuestos poliméricos de nanotubos de carbono (CNT) [8, 9] y grafeno. [44, 45] como material sensible.

Los metales se han utilizado para la detección de temperatura durante mucho tiempo debido a su sensibilidad a la temperatura. El mecanismo de detección puede explicarse por el hecho de que el aumento de temperatura mejora la vibración térmica de la red, lo que resulta en una dispersión intensificada de la onda de electrones, aumentando así la resistividad. Los sensores de temperatura tradicionales basados ​​en metal proporcionan una capacidad de estiramiento o flexión limitada. Se ha certificado que la ingeniería de estructuras, como el pandeo por arrugas, la estructura en línea en forma de herradura y el diseño de isla rígida [39, 41, 46], es una forma eficaz de superar las limitaciones. Como se muestra en la Fig. 7a, b, Yu et al. [39] desarrolló un sensor de temperatura extensible basado en elementos de detección de película delgada corrugada sobre un sustrato elástico. El sensor se fabricó mediante pulverización catódica de una película fina de Cr / Au (5 nm / 20 nm) sobre un sustrato flexible preestirado al 30%. Como se muestra en la Fig. 7c, d, la geometría ondulada periódica formada al liberar la tensión previa permite que el dispositivo se estire hasta un 30% de la tensión mecánica sin cambiar el rendimiento. Webb y col. [41] informaron de una matriz de sensores de temperatura similar a la piel, ultradelgada y compatible, que utilizaba una película fina de oro fina (50 nm), estrecha (20 μm) en forma de serpentina preparada mediante técnicas microlitográficas. Cuando se implementaron con técnicas avanzadas de modelado y análisis, los sistemas electrónicos extensibles fueron capaces de realizar un mapeo no invasivo de la temperatura de la carcasa con una precisión de milikelvin.

un Esquema de los sensores extensibles con patrones periódicamente ondulados. b SEM del sensor de temperatura estirable. c Cambios en el valor de resistencia del sensor cuando la tensión del sensor se estira continuamente de 2.25 a 30%. d La relación entre la resistencia y la temperatura de un sensor extensible con deformaciones del 0%, 5% y 10%. Adaptado con permiso de ref. 29. Copyright 2009 AIP Publishing

Los trabajos antes mencionados han mejorado efectivamente la flexibilidad de los sensores de temperatura basados ​​en metales, pero los métodos de ingeniería de estructuras utilizados en esos dispositivos limitaron la capacidad de estiramiento a un 25-30%. Para romper aún más el límite de tracción de los sensores de temperatura flexibles, se requiere el uso de materiales inherentemente estirables. Harada y colaboradores [8, 9] introdujeron sensores de temperatura flexibles basados ​​en una película compuesta de poli (3,4-etilendioxitiofeno) -poli (sulfonato de estireno) (PEDOT:PSS) -CNT preparada mediante un proceso de impresión. La sensibilidad del sensor de temperatura mixto PEDOT:PSS-CNT es de 0,25 a 0,63% / ° C en diferentes proporciones compuestas de la pasta CNT y la solución PEDOT:PSS, que es mejor que los sensores de temperatura a base de metal [39,40,41, 42]. Como se muestra en la Fig. 8a, b, Yan et al. [45] desarrolló un termistor estirable basado en grafeno mediante el uso de un método de filtración litográfica para preparar un canal de detección de grafeno con estructura microporosa. El dispositivo indica una alta capacidad de estiramiento intrínseca de hasta un 50% y su TCR puede ajustarse eficazmente mediante tensión mecánica, como se muestra en la Fig. 8c, d. Sin embargo, la dependencia de la tensión no es ideal para la detección portátil porque estirar o girar el sensor puede alterar la resistencia del termistor. En el caso de la deformación del sensor, no es posible leer los valores de tensión y temperatura de una sola señal numérica. Sigue siendo un desafío evitar la influencia de los efectos de tensión en la detección de temperatura en termistores preparados con materiales inherentemente extensibles. Para obtener una alta capacidad de estiramiento y adaptabilidad a la deformación simultáneamente, Zhu et al. [47] informó de un sensor de temperatura basado en transistores CNT con capacidad de supresión de tensión mediante el diseño de circuitos diferenciales (el diagrama del circuito se muestra en la Fig. 8e, f). Un solo transistor de película delgada estirable con SWCNTs clasificados con polímeros supramoleculares modelados como el canal semiconductor se fabricó como un dispositivo de detección de temperatura. Se utilizaron redes SWCNT densas sin clasificar y una película delgada SEBS no polar como electrodos fuente-drenaje y puerta y dieléctrico de puerta, respectivamente. El mecanismo principal puede atribuirse a la dependencia de la temperatura del transporte de carga en la red semiconductora SWCNT [48]. El cambio de voltaje de umbral inducido por deformación se anuló empleando la configuración del circuito diferencial estático, como se muestra en la Fig. 8g, h. El voltaje de salida diferencial (V _OD ) pueden suprimirse siempre que coincidan entre las dos ramas.

un Diagrama esquemático del extensible de los termistores de grafeno. b Imagen del termistor de grafeno al 0% y al 50% de deformación. c Variación de la resistencia con la temperatura. d Variación de la resistencia con la temperatura dentro de tensiones de 0 a 50%. Adaptado con permiso de ref. 35. Copyright 2015 Sociedad Química Estadounidense. e Micrografía óptica de un circuito sensor de temperatura extensible que consta de cinco TFT. f Esquema de circuito del enfoque de detección diferencial estática. g Rendimiento de detección de temperatura de un solo TFT. h Rendimiento de detección de temperatura de un dispositivo sensor de circuito diferencial estático extensible. Adaptado con permiso de ref. 39. Copyright 2018 Springer Nature

Cabe mencionar que otros investigadores han demostrado que este dispositivo de estructura TFT mejora significativamente la sensibilidad de los sensores de temperatura. Trung y col. [44] fabricó sensores de temperatura resistivos y con compuerta elásticos para dispositivos electrónicos portátiles y comparó las diferencias de rendimiento entre los dos tipos de sensores. The temperature sensing layer was a composite conductive material formed by inserting temperature-responsive R-GO nanosheets into an elastomeric PU matrix. According to their test results, gated devices achieved higher temperature sensitivity (1.34% per °C) than resistive devices (0.9% per °C).

Pyroelectric Temperature Sensors

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

Flexible Physiological Biochemical Sensors

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

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

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

Multifunctional Sensors

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

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

Functional Modules of Wearable Electronics

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

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

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

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

Conclusions and Outlook

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

1. 1.

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

2. 2.

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

3. 3.

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

4. 4.

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

5. 5.

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

Disponibilidad de datos y materiales

No aplica.

Abreviaturas

Au:

Aurum

Cu:

Cuprum

CVD:

Deposición de vapor químico

LED:

Diodo emisor de luz

NW:

Nanocable

OFET:

Organic field-effect transistor

P(VDF-TrFE):

Poly(vinylidenefluoride-tirfluoroethylene)

PAAm:

Polyacrylamide

PbTiO₃ :

Lead titanate

PDMS:

Polydimethylsiloxane

Pt:

Platinum

PU:

Poliuretano

PZT:

Lead zirconate titanate

SEBS:

Styrene-ethylene-butylene-styrene block copolymer

VHB:

Very high bond

ZnO:

Óxido de zinc

Síntesis de nanocajas de Ni (OH) 2 cúbico mediante la coordinación de la ruta de grabado y precipitación para supercondensadores de alto rendimiento Una expresión desarrollada de potencial químico para una deformación rápida en electrodos de nanopartículas de baterías de iones de litio