Sensores de Temperatura Flexibles de Alta Precisión para Monitorización Corporal: Una Revisión Exhaustiva

Resumen

En los últimos años, el desarrollo e investigación de sensores flexibles se ha profundizado gradualmente, y el rendimiento de dispositivos flexibles y portátiles para monitorizar la temperatura corporal también ha mejorado. Para el cuerpo humano, los cambios de temperatura reflejan mucha información sobre la salud, y los cambios anormales de temperatura suelen indicar mala salud. Aunque la temperatura corporal es independiente del entorno, la temperatura superficial del cuerpo se ve fácilmente afectada por el entorno circundante, lo que plantea desafíos a los equipos de monitorización de temperatura. Para lograr una detección en tiempo real y sensible de la temperatura de diversas partes del cuerpo humano, los investigadores han desarrollado muchos tipos diferentes de sensores flexibles de temperatura de alta sensibilidad, perfeccionando la función de piel electrónica, y también han propuesto muchas aplicaciones prácticas. Este artículo revisa el estado actual de investigación de sensores flexibles de temperatura de alta sensibilidad con patrones utilizados para monitorizar cambios de temperatura corporal. Primero, se resumen los sustratos y materiales activos comúnmente utilizados para sensores flexibles de temperatura. Segundo, se introducen los métodos y procesos de fabricación con patrones de sensores flexibles de temperatura. Luego, se discuten exhaustivamente el rendimiento de detección de temperatura flexible, incluyendo rango de medición, sensibilidad, tiempo de respuesta y resolución de temperatura. Finalmente, se demuestran las aplicaciones de sensores flexibles de temperatura basados en patrones altamente delicados, y se vislumbran los desafíos futuros de los sensores flexibles de temperatura.

Introducción

Todas las actividades vitales del cuerpo humano se basan en el metabolismo y una temperatura corporal relativamente constante es necesaria para un metabolismo saludable. La hipertermia o hipotermia afectarán la actividad de las enzimas en el cuerpo, afectando así el funcionamiento regular del metabolismo humano, causando trastornos de diversas células, tejidos y órganos, e incluso la muerte en casos graves. Se puede ver que la estabilidad relativa de la temperatura corporal es una condición necesaria para mantener un entorno estable en el cuerpo y asegurar el progreso regular de actividades vitales como el metabolismo. Para el cuerpo humano, los cambios en la temperatura corporal reflejan mucha información sobre la salud humana, y los cambios anormales en la temperatura corporal suelen indicar mala salud. En la monitorización de la salud humana, la temperatura corporal es un factor esencial que no se puede ignorar, y la monitorización en tiempo real y precisa de la temperatura corporal es particularmente importante.

Los sensores flexibles de temperatura se han desarrollado hacia tendencias portátiles, de alta sensibilidad, portátiles, de gran área, precisas y en tiempo real. El sensor flexible de temperatura utiliza principalmente el cambio de señal eléctrica del material termosensible debido al cambio de temperatura para realizar la monitorización en tiempo real de la temperatura. También utiliza la característica del sustrato flexible para adherirse estrictamente a la piel para realizar su función. En comparación con los instrumentos tradicionales de medición de temperatura, además de ser difíciles de transportar, costosos y aplicables a ocasiones de monitorización, existen limitaciones, debido al movimiento intencional o no intencional del paciente y la incapacidad de monitorizar ubicaciones específicas (como heridas, sitios de ablación de tumores en el cuerpo), pueden llevar fácilmente a resultados de medición inexactos o imperfectos. Para resolver los problemas anteriores, los sensores de temperatura flexibles, portátiles, delgados, sensibles y con patrones se han convertido en un foco de investigación para los investigadores científicos.

En los últimos años, la investigación de sensores flexibles de temperatura para monitorizar la temperatura corporal se ha desarrollado continuamente, y hay muchas innovaciones. El uso de fabricación con patrones para lograr la fabricación de gran área de sensores flexibles de temperatura se ha convertido en una tendencia de desarrollo; imitar estructuras biológicas en la naturaleza es una excelente idea. Los pies de pulpo con propiedades de adsorción, las mejillas de víbora que pueden detectar cambios de temperatura biológica, y las estructuras tipo bigote de algunos artrópodos o mamíferos también tienen función de detección de temperatura; para mostrar claramente la temperatura corporal monitorizada por el sensor, los investigadores arreglan el sensor flexible de temperatura en array, y el dispositivo de imagen o su material electrocrómico puede usarse para visualizar el mapeo de imagen térmica. La investigación profunda sobre sensores flexibles de temperatura también proporciona apoyo técnico apropiado para cumplir requisitos de alta exigencia como la monitorización de alta sensibilidad de la temperatura corporal.

Este artículo revisa el progreso reciente de investigación de sensores flexibles de temperatura de alta sensibilidad en monitorización de temperatura corporal humana, materiales termosensibles, estrategias de fabricación, rendimiento básico y aplicaciones. La primera parte seleccionará materiales para sensores flexibles de temperatura y resumirá una variedad de sustratos flexibles, materiales termosensibles que pueden usarse como sensores de monitorización de temperatura flexible. La segunda parte se centra en el uso de sensores flexibles de temperatura en la literatura en años recientes. Se revisa el método de fabricación con patrones, mostrando el proceso de fabricación típico. La tercera parte introduce los parámetros clave de rendimiento de sensores de temperatura. La cuarta parte muestra los escenarios de aplicación y aplicaciones prácticas de sensores flexibles de temperatura en años recientes. Finalmente, se discuten brevemente los desafíos potenciales y las perspectivas de desarrollo futuro de sensores flexibles de temperatura imprimibles y de alta sensibilidad.

Materiales

Sustratos Flexibles

En los últimos años, la aplicación e investigación de materiales flexibles en los campos de tecnología electrónica y salud médica ha aumentado gradualmente. La fabricación de sensores flexibles requiere que el sensor sea flexible, estirable y dúctil, y los sustratos y circuitos de los que depende. Características de estiramiento específicas para adaptarse a la adhesión en la superficie del cuerpo humano, los sustratos flexibles comunes generalmente se procesan en película, como polidimetilsiloxano (PDMS), poliamida (PI), poliuretano (PU), tereftalato de polietileno (PET), alcohol polivinílico (PVA), butiral polivinílico (PVB), papel, caucho de silicona, y materiales biodegradables más amigables con la piel también pueden usarse, como pectina, algodón, seda y otros materiales de celulosa.

Actualmente, el sustrato flexible más usado en sensores flexibles de temperatura es PDMS, que es un excelente material aislante térmico y eléctrico, con permitividad relativa de 2.3–2.8 y resistividad volumétrica de 1.2 × 10¹⁴ Ω·cm⁻¹, su gravedad específica es 1.03 kg·m⁻³ a 25 °C, el PDMS tiene mejor estabilidad térmica, y la conductividad térmica del PDMS es 0.15 W·m⁻¹·K⁻¹. La temperatura de transición vítrea es tan baja como 125 °C, el coeficiente de expansión térmica (CTE) es 301 ppm·°C⁻¹. Y su módulo de Young es ≈ 3.7 MPa, haciendo que el estiramiento y la deformación sean más del 200%. Dado su excelente estiramiento, extensibilidad, propiedades termoeléctricas, alta estabilidad química y facilidad de uso, el PDMS es más abundante en aplicaciones como piel electrónica. El material de poliamida (PI) con propiedades similares al PDMS, PI exhibe una conductividad térmica pobre en el orden de 0.1 W·m⁻¹·K⁻¹, con resistividad aislante eléctrica 1.5 × 10¹⁷ Ω·cm⁻¹. La constante dieléctrica relativa 3.0–3.6, con una temperatura de transición vítrea más alta (360–410 °C) y un coeficiente de expansión térmica (CTE) más bajo (16 ppm·°C⁻¹). Su módulo de Young ≈ 2.8 GPa. Los materiales de poliuretano (PU) con bioadaptabilidad, buena ductilidad de estiramiento, económicos y prácticos en sensores de temperatura para monitorización de temperatura corporal humana. El sustrato flexible de película delgada no solo tiene excelentes propiedades mecánicas, sino que también es adecuado para investigación de aplicación en el campo de sensores flexibles de temperatura basado en excelentes propiedades térmicas. Además de usar los mencionados materiales poliméricos orgánicos en detección flexible, telas comunes u otros materiales biodegradables, como tela, seda y algodón, también son suaves y deformables, ligeros, económicos, transpirables, cómodos, duraderos y reutilizables. Otras ventajas, también se espera y preocupa ser estudiados como material base para sensores flexibles de temperatura.

Materiales Térmicos

El material activo es el material sensible en el sensor responsable de responder directa y eficazmente a fuentes de calor y señales térmicas, sus propiedades determinan directamente el rendimiento del sensor de temperatura, incluyendo la sensibilidad a la temperatura, la longitud del tiempo de respuesta, la durabilidad y la resolución a la temperatura. Un material termosensible que sea simple de fabricar, razonable en materias primas, biadaptable y que tenga cierto grado de ductilidad y excelente rendimiento tiene mayor atractivo para la investigación profunda de sensores flexibles de temperatura.

Carbono

Se ha hecho mucho esfuerzo para crear materiales compuestos conductivos sensibles a la temperatura incorporando diferentes rellenos conductivos (como materiales basados en carbono, polímeros conductivos y partículas metálicas) en matrices de semiconductores y polímeros aislantes. Los materiales de carbono comunes incluyen negro de carbón (CB), grafito (Gr), nanotubos de carbono (CNTs) y grafeno.

El negro de carbón (CB) y el grafito a menudo se usan como rellenos conductivos debido a sus excelentes propiedades electrónicas y mecánicas y bajos costos de procesamiento. Entre ellos, el CB es fácil de formar agregados al mezclar con polímeros para formar materiales compuestos, y los cambios de temperatura afectarán sus propiedades eléctricas. La estabilidad resulta en un coeficiente de temperatura de resistencia (TCR) más alto. El grafito es un alótropo de carbono, con buena conductividad eléctrica, conductividad térmica y estabilidad química, y un coeficiente de expansión térmica menor a 5.0 × 10⁻⁶ K⁻¹. Comparado con el negro de carbón, el polvo de grafito como relleno conductor es más sensible a la temperatura, y los dos y sus mezclas reducirán el umbral de percolación de la película compuesta termosensible formada por el polímero relleno. El grafito expandido (EG) es un nuevo tipo de material funcional de carbono, sustancia suelta y porosa similar a gusano obtenida de escamas de grafito natural a través de intercalación, lavado, secado y expansión a alta temperatura. La conductividad térmica del compuesto formado por prensado en caliente después del material puede alcanzar 4.70 W·m⁻¹·K⁻¹ cuando el 10% en peso de EG se impregna en prepolímero PDMS.

Como material nanomaterial unidimensional, los nanotubos de carbono conectados forman una estructura topológica espacial. El diámetro es generalmente 2–20 nm. Tiene muchas propiedades mecánicas anómalas (módulo elástico hasta 1 TPa), propiedades eléctricas, incluyendo conductividad eléctrica hasta 10⁴ S·cm⁻¹, movilidad de portadores intrínseca (10,000 cm²·V⁻¹·S⁻¹). En años recientes, con el profundizamiento de la investigación en nanotubos de carbono y nanomateriales, sus amplias perspectivas de aplicación también se han revelado continuamente. Los nanotubos de carbono tienen excelente rendimiento de transferencia de calor, y los CNTs tienen una considerable relación de aspecto, por lo que a lo largo de la dirección de longitud. El rendimiento de intercambio de calor es muy alto, y la aplicación de sensores flexibles de temperatura también está innovando constantemente, incluyendo excelentes ideas de diseño y rendimiento.

El grafeno es una capa híbrida de carbono bidimensional con una red de panal hexagonal. Hay una gran cantidad de electrones deslocalizados, lo que hace que su transporte de carga único permita alta concentración de portadores (10³³ cm⁻²), bajo ciertas condiciones ambientales, la movilidad supera 10⁵ cm²·V⁻¹·s⁻¹. Y la estructura espacial puede proporcionar abundantes puntos. Los grupos funcionales se modifican para cumplir diversos requisitos de aplicación. Simultáneamente, tiene alta fluidez, excelente conductividad térmica, excelente transparencia, propiedades mecánicas hasta 1 TPa de módulo elástico, estabilidad química y biocompatibilidad. Ha atraído mucha atención en los campos de aplicación de diversos dispositivos electrónicos. El óxido de grafeno (GO) transparente o grafeno reducido (rGO) con excelentes propiedades electrónicas y mecánicas es un producto con estructura en capas formado por polvo de grafito después de oxidación o reducción adicional de GO. La superficie contiene grupos hidroxilo, grupos carboxilo y anillos. Muchos grupos funcionales, como grupos oxi, son fácilmente modificables y sensibles a condiciones ambientales, incluyendo humedad, temperatura y sustancias químicas, y características de respuesta visibles. Sin embargo, la baja conductividad del óxido de grafeno (GO) no es adecuada para dispositivos electrónicos. El óxido de grafeno reducido (rGO) se sintetiza por reducción térmica para mejorar la conductividad. Su excelente sensibilidad a la temperatura también se requiere para sensores flexibles de temperatura. Los nanomuros de grafeno (GNWs) se cultivan en nanoláminas de grafeno perpendiculares al sustrato empleando la técnica de deposición química de vapor mejorada por plasma (PECVD) y método de transferencia asistida por polímero. El proceso de crecimiento forma una estructura escalonada para darle mayor rendimiento de deformación. Excelentes propiedades mecánicas también se han aplicado a sensores de temperatura en investigación.

Metales y Óxidos Metálicos

Los materiales metálicos son generalmente materiales conductivos como oro (Au), plata (Ag), cobre (Cu) y platino (Pt), níquel (Ni) y aluminio (Al), que se usan principalmente como electrodos y cables de sensores. Comparado con el sensor de temperatura metálico rígido tradicional, el sensor de temperatura metálico flexible tiene alta flexibilidad mecánica, puede adherirse fácilmente a superficies altamente curvadas, y es más adecuado para detectar pequeños cambios y distribuciones de temperatura en un rango pequeño. En cuanto al proceso de impresión actual, algunos materiales metálicos son sensibles a la temperatura y tienen buena conductividad, y se hacen de nano-tinta metálica conductiva, nano-relleno, nano-hilo y película con patrones para hacer una capa activa sensible a la temperatura, que se usa ampliamente en sensores flexibles de temperatura.

Los materiales sensibles más comunes en sensores de temperatura típicos son Pt y Au. Bin et al. usaron la tecnología de Micro-Sistema Electro-Mecánico (MEMS) y propusieron platino como material de detección depositado en película PI después de un proceso de pelado. Después de laminación formando el patrón requerido, se usa para monitorizar el cambio de temperatura de 20–120 °C, y el valor TCR es 0.0032 °C⁻¹. Comparado con el costoso platino, Au tiene mejor conductividad y flexibilidad. Para realizar que el rendimiento del dispositivo no se vea afectado por la tensión de tracción, Yu et al. usaron hábilmente deposición por sputtering en un sustrato flexible PDMS pre-estirado película delgada Cr/Au, y se fabrica un sensor flexible de temperatura reversible, doblable y estirable a través de un proceso de fotolitografía. Cuando el estiramiento máximo del dispositivo es 30%, el rendimiento del dispositivo no cambiará. La investigación mejora el defecto de mala resistencia a la tracción de sensores flexibles.

El óxido metálico también es material activo importante y se ha usado ampliamente en sensores de temperatura. El alto coeficiente de temperatura de resistencia de materiales de óxido metálico puede mejorar el rendimiento de detección de temperatura. La sensibilidad térmica de semiconductores de óxido metálico es un fenómeno en el que el compuesto semiconductor cambia a diferentes temperaturas y el valor de resistencia cambia. Liao et al. reportaron un sensor dual de alta sensibilidad temperatura/mecánico que contiene material térmico inorgánico dióxido de vanadio (VO₂), basado en PET/dióxido de vanadio fabricado por tecnología de impresión por transferencia (VO₂)/PDMS estructura multicapa. La capa VO₂ depositada por tecnología de deposición asistida por polímero (PAD) se graba y adhiere a la película PDMS. Puede detectar la temperatura en el rango de 270–320 K. El rendimiento de detección de temperatura con una resolución de 0.1 K atribuido al alto TCR del material VO₂. Para mapear con precisión los cambios de temperatura superficial corporal, Huang et al. desarrollaron un proceso de impresión por inyección de tinta. Usando óxido de níquel (NiO) para generar una tinta de nanopartículas estable en la película PI. La diminuta película cuadrada de NiO se imprime en los extremos entre las pistas conductoras de plata para fabricar sensores de temperatura rápidamente. Aún puede mantener el rendimiento bajo prueba de flexión y tiene una velocidad de respuesta similar a un termopar.

Polímeros y Materiales Orgánicos

Los polímeros son los materiales más usados en sensores flexibles. Además de ser usados como sustratos o agentes activos, materiales compuestos termosensibles con flexibilidad mecánica, ligereza, transparencia, rendimiento estable, fácil procesamiento y bajos costos de fabricación son flexibles. La aplicación en el sensor de temperatura ha atraído mucha atención. Los polímeros termosensibles a menudo usados en sensores de temperatura incluyen poli(3,4-etilendioxitiofeno)-poli(estireno sulfonato) (PEDOT:PSS), poli(3-hexil tiofeno) (P3HT), polipirrol (PPy), pentaceno, poli(N-isopropil acrilamida) (pNIPAM), poli(fluoruro de vinilideno) (PVDF), etc.

Basado en una estrategia de diseño de circuito que puede mejorar la precisión y robustez de un sensor de temperatura de nanotubos de carbono estirable, Zhu et al. usaron tecnología de lectura diferencial para comparar la composición de la capa activa sensible de un sensor de temperatura estirable basado en OTFTs. Entre ellos, Poliestireno-bloque-poli(etileno-ran-butileno)-bloque-poliestireno (SEBS) con azida-entrecruzado y Poli(dicetopirrolopirrol-[3,2-b]tieno[2′,3′:4,5]tieno[2,3-d]tiofeno]) (PDPPFT4) y Poli(isoindigo-bitiofeno) (PII2T) estos dos semiconductores orgánicos (OSCs) se mezclan y se recubren por centrifugado en el dieléctrico de compuerta, los CNTs se usan como electrodos, y el rango de medición de temperatura es 25–55 °C. Dentro, los coeficientes de temperatura de los dos sensores son -2.89% °C⁻¹ y -4.23% °C⁻¹, respectivamente. Cuando el rango de deformación uniaxial es 0–30%, los errores son < 1 °C y < 1.5 °C, respectivamente, muestran además la factibilidad y generalidad del método de lectura diferencial y OSCs en sensores estirables.

La autoalimentación energética siempre ha sido el foco de atención de muchas personas. La realización de autoalimentación energética por equipos flexibles reducirá significativamente la necesidad de energía externa del equipo, haciendo los equipos flexibles más portátiles y simples. Entre ellos, los materiales poliméricos termoeléctricos son la realización de autoalimentación energética requerida. Yang et al. desarrollaron un nanogenerador termoeléctrico flexible (TENG) basado en un material termoeléctrico compuesto limpio formado por nanohilos de Te cultivados a temperatura ambiente y polímero poli(3-hexil tiofeno) (P3HT). TENG puede generar electricidad solo con una diferencia de temperatura de 55 K. Debido a las características de materiales termoeléctricos, TENG puede usarse como sensor flexible de temperatura para monitorizar la diferencia de temperatura de todo el dispositivo, y usar la temperatura corporal humana como fuente de energía para alimentar directamente el sensor.

Materiales de bajo costo, ecológicos, fáciles de obtener y procesar con excelente biocompatibilidad siempre han sido una condición esencial para que los seres humanos persigan para satisfacer la producción en masa continuamente. Existe un material biológico casi inagotable: la celulosa, que tiene excelentes propiedades. Su elasticidad y otras ventajas también juegan un papel esencial en dispositivos de sensores flexibles y puede usarse como sustrato flexible. El polipirrol (PPy) es un polímero lineal biocompatible con excelente estabilidad electroquímica y respuesta rápida. Mahadeva et al. reportaron un método basado en adsorción inducida por polimerización in situ que combina celulosa única y polipirrol (PPy) de nano-espesor con excelentes propiedades eléctricas para formar un compuesto sensible a temperatura y humedad. El material usado para fabricar un sensor flexible de temperatura ecológico, de bajo costo y biadaptable.

Los hidrogeles han recibido atención continua en años recientes de investigación. Debido a su buena capacidad de auto-curación, excelente tenacidad y estirabilidad, y adaptabilidad biológica, ha despertado gran interés de investigación en campos de aplicación como electrónica flexible, monitorización de salud y diagnóstico biomédico. Sin embargo, el hidrogel iónico, como buen conductor iónico, puede responder a una variedad de estímulos, hidrogeles con resistencia mecánica débil y sensibilidad a la temperatura reducida presentan desafíos en la aplicación de sensores flexibles de temperatura. Para resolver las desventajas de hidrogeles tradicionales, An et al. propusieron un hidrogel de red doble (DN) conductor iónico de doble malla con excelentes propiedades de auto-curación de sensores de temperatura. La adición de nanotubos de carbono con alta conductividad térmica al hidrogel con entrecruzamiento físico dinámico y red de asociación hidrofóbica de alta conductividad y red de asociación iónica mejora la sensibilidad de temperatura del hidrogel DN. El sensor de temperatura de hidrogel lineal puede adaptarse perfectamente a la superficie de objetos complejos y producir cambios de resistencia sensibles.

En investigaciones recientes, PEDOT:PSS es un nuevo tipo de polímero conductor orgánico que a menudo se usa en sensores flexibles de temperatura imprimibles. Generalmente, PEDOT:PSS tiene las ventajas de alta conductividad (10³ S·cm⁻¹), excelente rendimiento termoeléctrico, fuerte estabilidad y transparencia cuando se dopa. La mayoría de polímeros son semiconductores tipo p. Al agregar algunos disolventes, como dimetil sulfóxido (DMSO) o compuestos orgánicos polihidroxilados, como glicol etileno, la tasa de conductividad del polímero puede aumentar docenas de veces o incluso cientos de veces. Harada y colegas usaron diferentes proporciones compuestas de CNTs y soluciones conductoras PEDOT:PSS para producir una serie de películas compuestas termosensibles con sensibilidad de temperatura dentro de 0.25–0.78% °C⁻¹ a través de varios procesos de impresión.

El transistor de efecto de campo de nanocompuesto transparente y escalable basado en fluoruro de polivinilideno (PVDF) y su copolímero fluoruro de polivinilideno (P(VDF-TrFE)) con alta estabilidad, fuertes propiedades mecánicas y baja distorsión, a menudo se usa en detección de presión, detección de tensión y dispositivos de detección de luz infrarroja (IR). Interesantemente, los investigadores han encontrado que este tipo de dispositivo también es altamente sensible a la radiación infrarroja del cuerpo humano, por lo que se predice que se usará para monitorizar los cambios de temperatura fisiológica del cuerpo humano. Trung y colegas, basados en experiencia de investigación previa, usan capa activa de detección compuesta rGO/(P(VDF-TrFE)) como canal a través de un simple proceso de recubrimiento por centrifugado, integrado PEDOT:PSS puede fabricar sensor de temperatura FET flexible ajustable. La respuesta de temperatura y transparencia de la película puede ajustarse cambiando la concentración de rGO y el espesor de la película compuesta. El sensor puede monitorizar cambios de temperatura de 30 a 80 °C. Con resolución de 0.1 °C y capacidad de monitorización, y respuesta de temperatura super alta, excelente rendimiento de detección de temperatura verifica la factibilidad de la aplicación de materiales poliméricos piroeléctricos en el campo de sensores de temperatura de núcleo suave.

Fabricación

Deposición de Película Delgada

El método de preparación de película delgada se puede dividir en deposición de vapor y deposición de fase según la fase del material usado. La deposición de fase incluye recubrimiento por centrifugado e impresión por inyección de tinta mencionados después. En contraste, la deposición de vapor depende de si el proceso de deposición contiene el proceso de reacción química dividido en deposición física de vapor (PVD) y deposición química de vapor (CVD).

PVD es depositar iones o átomos generados por métodos físicos en un sustrato bajo condiciones de vacío para formar una película delgada, que generalmente se usa para preparar electrodos o capas activas metálicas. Los métodos de deposición comunes incluyen evaporación al vacío, sputtering al vacío y recubrimiento iónico. Entre ellos, el sputtering iónico de objetivo metálico se refiere al contenedor de vacío, bajo la acción de alto voltaje 1500 V, las moléculas de gas restantes se ionizan para formar plasma, y los cationes bombardean el objetivo metálico bajo la aceleración del campo eléctrico, causando que los átomos metálicos sputteren en la superficie de la muestra para formar película conductiva.

Comparado con otros procesos de preparación de película delgada, el método de deposición química de vapor puede lograr películas delgadas de alta pureza y alta calidad. Puede estructurarse y controlarse a nivel de capa atómica o nanométrico. El proceso de síntesis de película GNWs en lámina de cobre por tecnología de deposición química de vapor mejorada por plasma de radiofrecuencia a baja presión (RF-PECVD). Yang et al. desarrollaron un sensor flexible de temperatura basado en GNWs/PDMS. El proceso de fabricación se muestra. Verificaron que GNWs es factible como capa activa de un sensor de temperatura, y su rendimiento de respuesta térmica supera al de un sensor de temperatura metálico tradicional. Comparado con la tecnología CVD tradicional, usando tecnología PECVD bajo condiciones de baja temperatura y baja presión puede mejorar eficazmente la tasa de deposición y calidad de la película.

Fabricación con Patrones Micro-nano

El patrón de película delgada es una de las tecnologías centrales de fabricación de electrónica flexible. Sigue la idea básica de remover materiales de arriba a abajo o agregar materiales de abajo a arriba en la industria de fabricación. Sus tecnologías clave son fabricación de película delgada, patrón, transferencia, replicación, fidelidad y otras artes. La electrónica flexible requiere tecnología de patrón de gran área, baja temperatura, bajo costo. Aprendida de la tecnología de patrón de microelectrónica y dispositivos micro-electromecánicos. Sin embargo, al mismo tiempo, debemos considerar las características de dispositivos electrónicos flexibles como sustratos flexibles, materiales orgánicos y gran área. Las tecnologías de patrón actualmente disponibles para sensores flexibles de temperatura incluyen litografía, impresión, grabado suave, nanoimpresión, impresión por inyección de tinta, sinterizado láser, impresión por transferencia, nano-escritura directa y otros procesos.

La litografía es un método de patrón para realizar varias y ingeniosas figuras geométricas o estructuras en electrónica flexible. El proceso de fotolitografía implica transferir el patrón en la máscara al sustrato usando el fotorresistente con diferente sensibilidad y reacciones físico-químicas bajo la luz. El proceso de fotolitografía generalmente usa fotorresistente en un aislante (generalmente una oblea de silicio) para patrón el patrón o estructura requerido después de recubrimiento por centrifugado, y realizarlo más a través de un proceso de pelado. Debido al proceso de fotolitografía y proceso de pelado, alta alineación y precisión de grabado, producción simple de máscara y condiciones de proceso cómodas pueden lograr usualmente sistemas microestructurados de alta precisión y ricos en características.

Con el desarrollo de ciencia y tecnología, el proceso de impresión se ha expandido desde el campo tradicional de texto e imagen al campo de patrón de estructura micro-nano. La tecnología puede depositar varios materiales en varios sustratos, y el proceso de impresión no es severo con el entorno. En resumen, la tecnología de impresión incluye tipografía, litografía, huecograbado, serigrafía, y ha evolucionado en grabado suave, impresión por transferencia, nanoimpresión y otros métodos. Según el método de implementación específico, el sensor portátil puede distinguir la parte impresa de la no impresa con la ayuda de la máscara. En impresión con máscara, el patrón a transferir debe diseñarse de antemano y luego formarse a través de la máscara. El material activo funcional puede transferirse directamente al sustrato o electrodo a través del proceso de impresión de tinta funcional.

La impresión por transferencia es un método de impresión que transfiere la estructura cóncava o convexa del patrón al sustrato receptor a través de un sello no patternado. El principio básico es usar la diferente viscosidad de la capa de impresión relativa al sello y el sustrato para lograr la transferencia de patrón. Hay dos tipos de impresión por transferencia: impresión por transferencia directa e indirecta. En la fabricación de sensores flexibles de temperatura, a menudo se usa la última, es decir, el uso de una película pre-impresa con patrón para transferir al sustrato receptor.

La impresión por inyección de tinta es una tecnología de fabricación de película delgada precisa, rápida y reproducible, que se ha usado ampliamente en desarrollo de sensores. Comparado con otros métodos de impresión, la impresión por inyección de tinta tiene las ventajas de conveniencia, flexibilidad, rapidez, bajo costo, compatibilidad, precisión, etc. Los patrones de impresión por inyección de tinta necesitan ser post-procesados (secado, curado, sinterizado, etc.) para formarse completamente. Mejorar el rendimiento de patrones impresos convirtiendo nanopartículas de tinta en materiales continuos.

La tecnología de escritura directa láser (LDW) usa cálculos para diseñar patrones pre-diseñados. Directamente usa ablación de haz láser sin máscara y deposición de vacío. Puede completar directamente la transferencia de patrón en la superficie del material de sustrato, con buena selectividad espacial y alta velocidad de escritura directa y precisión de procesamiento, ciclo corto, alta utilización de material y baja contaminación. Comparado con termistores de temperatura tradicionales que requieren alta temperatura y una variedad de procesos complejos para activar la función de detección, LDW puede lograr recocido selectivo en un patrón pre-determinado.

Resultados y Discusión

Parámetros Clave de Sensor Flexible de Temperatura

El sensor flexible de temperatura puede adherirse al cuerpo humano para monitorizar los sutiles cambios de temperatura en la superficie del cuerpo humano o monitorización en tiempo real de temperatura de partes específicas, e incluso la temperatura del núcleo o tejidos y órganos en el cuerpo. Responden a cambios de temperatura cambiando la resistencia y emiten los cambios de temperatura como señales eléctricas. Con la creciente demanda de dispositivos electrónicos flexibles, las desventajas de sensores de temperatura tradicionales, como mala escalabilidad, incapacidad de transportar y mal rendimiento en tiempo real, se están volviendo cada vez más inadecuados para dispositivos portátiles flexibles. Hoy los sensores flexibles de temperatura requieren alto rendimiento, como alta sensibilidad, tiempo de respuesta rápido, rango de prueba razonable, alta precisión y alta durabilidad para realizar mejor la función de monitorización.

Sensibilidad

La sensibilidad del sensor se refiere a la relación del cambio ∆y de la respuesta del sistema bajo condiciones estáticas al correspondiente cambio de entrada ∆x, es decir, la relación de las dimensiones de salida e entrada. Cuando las dimensiones de salida e entrada del sensor son las mismas, la sensibilidad puede entenderse como la amplificación. El coeficiente de temperatura de resistencia TCR (TCR, en °C⁻¹) del sensor flexible de temperatura tipo resistencia común se expresa en la siguiente expresión, ΔR/R₀ = s(T - T₀), es el cambio de resistencia relativo (ΔR/R₀) como función de temperatura, donde s representa TCR. Si la salida e entrada del sensor muestran una relación lineal, la sensibilidad es constante. De lo contrario, cambiará con la cantidad de entrada. Generalmente, al aumentar la sensibilidad, se puede obtener mayor precisión de medición. La mayoría de sensores flexibles usados para monitorización de temperatura corporal solo prestan atención a cambios de temperatura dentro de 10 °C y por lo tanto requieren alta sensibilidad de temperatura para capturar cambios de temperatura relativamente pequeños.

El rendimiento de detección de sensores flexibles de temperatura generalmente está estrechamente relacionado con las propiedades de materiales. Una posible forma de realizar el desarrollo de sensores sensibles es adoptar materiales compuestos con rendimiento térmico visible. Después de estimulación de temperatura, la red conductiva interna cambiará, lo que llevará a afectar la sensibilidad de temperatura del dispositivo. Para mejorar la sensibilidad de temperatura del material activo, se adapta una estrategia que convierte fluctuaciones de temperatura en deformación mecánica para amplificar la respuesta de la red conductiva a cambios de temperatura. El material termosensible se conecta a un sustrato con alto coeficiente de expansión térmica positivo para mejorar la deformación inducida térmicamente. Este método tiene aplicaciones en sensores hechos de grafeno, grafito y nanomuros de grafeno.

Otra forma de mejorar la sensibilidad de un sensor flexible de temperatura es usar una estructura única. En años recientes, para mejorar el rendimiento de detección de temperatura, se han desarrollado varias estrategias de diseño cambiando la estructura. Yu et al. propusieron recientemente un método basado en ingeniería de morfología de microgrietas para cambiar la morfología de grietas de la película PEDOT:PSS en sustrato PDMS ajustando la rugosidad de la superficie del sustrato, tiempo de tratamiento ácido y grado de pre-estiramiento para mejorar la sensibilidad de temperatura del sensor. El resultado es que cuanto mayor la longitud de grieta, mayor la densidad de grietas, y mayor la sensibilidad de temperatura. Se prueba que la estructura de microgrietas juega un papel vital en la sensibilidad de temperatura del sensor. Se verifica que obtener una estructura de microgrietas de alta densidad es la clave para obtener alta sensibilidad de temperatura del sensor. Alta densidad y alta longitud corresponden directamente a mayor sensibilidad de temperatura. El proceso de fabricación de equipos electrónicos flexibles juega un papel vital en la producción del dispositivo y puede mejorar eficazmente la sensibilidad del sensor flexible de temperatura.

Otros Parámetros de Sensor Flexible de Temperatura

El rango de detección de un sensor flexible de temperatura es un parámetro importante, que se refiere a la temperatura mínima y máxima que puede detectarse. En este artículo, solo nos interesa el rango de medición (30–45 °C) adecuado para monitorización de temperatura corporal. Otro parámetro vital de rendimiento, tiempo de respuesta, generalmente se define como el tiempo consumido por el sensor de temperatura desde la aplicación de estimulación de temperatura hasta la generación de una salida de señal estable. Algunos documentos también definen el tiempo de respuesta del sensor de temperatura por el tiempo que la temperatura del sensor sube desde T_sensor al 90% del aumento de temperatura (T₀). Está relacionado con la respuesta térmica del material activo mismo y refleja la capacidad de respuesta rápida del sensor de temperatura a la temperatura. En términos de aplicaciones, como productos de monitorización de salud humana en tiempo real y elementos de inteligencia artificial portátiles con respuesta instantánea, todos tienen un tiempo de respuesta más corto.

La capacidad del sensor para detectar la menor cantidad de cambio a medir se define como resolución. En otras palabras, la cantidad de entrada comienza a cambiar desde un valor no nulo. En este momento, si el valor de cambio de entrada no supera un valor absoluto, y la salida del sensor no cambia, significa que el sensor no puede distinguir el cambio de la cantidad de entrada. La precisión se refiere a la relación del valor de más o menos tres desviaciones estándar cerca del valor real al rango, la diferencia máxima entre el valor medido y el valor real, y el grado de dispersión del valor medido. Para instrumentos de medición, la precisión es un concepto cualitativo y generalmente no requiere expresión numérica. Debido a que las fluctuaciones normales de la temperatura corporal humana dentro de un día son pequeñas, alta resolución o alta precisión es significativa para sensores flexibles de temperatura para monitorización de temperatura corporal, determinando la aplicación más amplia de sensores flexibles de temperatura.

La repetibilidad es el grado de inconsistencia de los resultados de medición para la misma cantidad de excitación cuando el sistema de medición realiza múltiples (más de 3) mediciones en el rango completo en la misma dirección bajo las mismas condiciones de trabajo. En un sensor flexible de temperatura, la durabilidad significa que mantiene una función de detección estable y una capacidad de dispositivo completa bajo un entorno de uso a largo plazo. Un sensor flexible de temperatura con alta durabilidad y alta repetibilidad puede cumplir los requisitos básicos de uso estable a largo plazo. La linealidad generalmente se define como el grado de desviación entre la curva real de relación entrada-salida y la curva de ajuste ideal, generalmente expresada como porcentaje. Por lo tanto, en el rango lineal, la señal de salida será más precisa y confiable. La alta linealidad también es propicia para el proceso de calibración de señal entrada-salida y posterior procesamiento de optimización de datos. La demanda de desarrollo de sensores flexibles de temperatura con alta linealidad también está aumentando.

Aplicaciones

La capacidad de los organismos vivos para responder con precisión y rapidez a estímulos ambientales externos es una característica esencial de la vida. La inducción de temperatura permite a los humanos predecir peligros y responder a enfermedades. Los cambios anormales en la temperatura corporal a menudo juegan un papel crucial de recordatorio y ayuda para la prevención temprana. Con la investigación y desarrollo de dispositivos electrónicos flexibles, como pieles electrónicas, sistemas inteligentes de monitorización de salud, textiles inteligentes y equipos biomédicos, los sensores con adquisición de señal multifuncional son necesarios. Entre ellos, el sensor flexible de temperatura es una parte indispensable y vital de aplicaciones médicas y de salud.

Los sensores flexibles tienen las características de deformabilidad de gran área, ligereza y portabilidad, que pueden realizar funciones que los sensores tradicionales no pueden. La piel electrónica integra varios sensores y conductores en un sustrato flexible para formar un sensor altamente flexible y elástico similar a la piel. Convierte estímulos externos como presión, temperatura, humedad y dureza en señales eléctricas y las transmite al computador para procesamiento, incluso puede reconocer objetos regulares. Una piel electrónica con funciones similares es una característica necesaria de futuros robots para lograr percepción en un entorno no estructurado.

El desarrollo de un sistema portátil de monitorización de salud es para recolectar parámetros térmicos del cuerpo humano: temperatura corporal, temperatura epidérmica, flujo de calor, etc. Para observación e inferencia como metabolismo, fiebre, infección de enfermedad, curación de piel, adaptación térmica (implantes, prótesis), etc. Comparado con las limitaciones de los sistemas de monitorización tradicionales en casos de uso. Los sistemas flexibles portátiles de monitorización de temperatura han demostrado aplicaciones más flexibles y excelentes efectos de monitorización de parámetros térmicos en estudios recientes.

La visualización de temperatura hace la función de sensores flexibles de temperatura más prominente. Compensa las desventajas de los equipos tradicionales de imagen infrarroja que son costosos, desfavorables para transportar e inexactos en la medición de objetos dinámicos. La aparición de ultrasonido focalizado de alta intensidad (HIFU), monitorización de dispositivos inteligentes y otras ocasiones harán la medición de temperatura más precisa y útil. An et al. desarrollaron un sensor de temperatura PEDOT:PSS con nanofibras de plata ultra-largas (AgNFs) y red híbrida de nanohilos de plata (AgNWs) como electrodo transparente de alto rendimiento, capa, y fabricación con patrones, usando tecnología de multiplexación para crear un array de sensores multifuncionales capacitivos, flexibles y transparentes. El cambio de capacitancia es 17 veces mayor que el de un sensor de patrón que también usa electrodos ITO.

Gao et al. introdujeron un dispositivo emisor de luz que combina un indicador de temperatura colorimétrico con tecnología electrónica flexible inalámbrica, con patrones y estirable. Un array de píxeles de cristal líquido termocrómico (TLC) a gran escala se forma en un sustrato elástico delgado en combinación con lectura colorimétrica y conducción de radiofrecuencia (RF) para mapear las características térmicas de la piel. Bajo la premisa de no invasividad, el sistema de sensores usa señales de radiofrecuencia para controlar calentamiento local para sondear y mapear la temperatura de la piel con alta precisión de temperatura (50 mK) y alta resolución espacial.

Kim et al. proporcionaron una idea factible usando materiales termocrómicos para observar cambios de temperatura directamente. La diferencia es que su descripción del cambio de temperatura no tiene una visualización numérica específica, y solo puede juzgar el rango aproximado de cambio de temperatura. Sin embargo, He et al. optimizaron la precisión del mapeo de temperatura de materiales termocrómicos, que pueden reflejar el valor específico de la temperatura con mayor precisión. En investigación futura, el desarrollo de materiales termocrómicos sensibles a la temperatura y que puedan responder con precisión a la temperatura también se convertirá gradualmente en un foco de investigación.

Conclusiones

Este artículo revisa el progreso reciente de investigación de sensores flexibles de temperatura de alta sensibilidad en monitorización de temperatura corporal humana, materiales termosensibles, estrategias de fabricación, rendimiento básico y aplicaciones. Como una variable dinámica relativamente estable en el cuerpo humano, la temperatura corporal o temperatura local (trauma) puede tener diferentes grados de pequeñas fluctuaciones (aproximadamente 0.5 °C) bajo la influencia de emociones o actividades fisiológicas. La temperatura de monitorización del sensor flexible de temperatura necesita ser comparable. Las cámaras infrarrojas tradicionales tienen menor resolución de temperatura (< 0.1 °C). Además, la monitorización oportuna y rápida de la temperatura corporal es otra clave para el avance. El tiempo de respuesta del sensor de temperatura actual puede ser dentro de unos milisegundos, pero hay un problema de tiempo de reinicio demasiado largo. Cómo acortar la diferencia de tiempo entre tiempo de respuesta y tiempo de reinicio afectará directamente la eficiencia y capacidad de monitorización del sensor. Con el desarrollo de sensores multifuncionales, cómo evitar la interferencia mutua entre múltiples señales para que los estímulos de las respectivas respuestas entre las señales puedan responder independientemente sin interferencia mutua y emitir con precisión, se ha convertido en un problema urgente a resolver y perfeccionar para mejorar el rendimiento del sensor.

El desarrollo de sensores flexibles de temperatura nos muestra un futuro previsible. En el futuro, los sensores flexibles de temperatura también lograrán fabricación de gran área y bajo costo, alta sensibilidad, autoalimentación, visualización, auto-curación, biodegradabilidad y transmisión inalámbrica remota. Además, otras funciones se integran y ponen en uso. Clasificar los datos de temperatura recolectados en la plataforma de big data de salud puede proporcionar la mejor ayuda y soporte de datos para el diagnóstico médico futuro humano. También, la tecnología de fabricación micro-nano con patrones es una buena sugerencia para la producción en masa de bajo costo de sensores. Basado en el flujo de proceso relativamente maduro del proceso de impresión, la realización de dispositivos flexibles multifuncionales integrados de gran área está a la vuelta de la esquina. El sensor flexible de temperatura actual puede lograr mayor sensibilidad, pero algunos sensores no eliminan la interferencia de factores ambientales en el sensor de temperatura. En el futuro, el sensor flexible de temperatura usado para monitorización de temperatura corporal puede esforzarse por combatir influencias ambientales. Aunque el sensor flexible en sí puede ser frágil y ligero, necesita conectarse al circuito de alimentación y la fuente de alimentación, lo que reduce drásticamente la flexibilidad general. En el futuro, para sensores flexibles de temperatura que monitorizan la temperatura corporal, con la optimización adicional de métodos de adquisición de señales, la transmisión inalámbrica de datos visuales en tiempo real puede realizarse bajo condiciones de autoalimentación más eficientes, lo que será una gran mejora para sistemas de monitorización inteligentes.