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Adv. Mater.封面文章:高度集成化的高灵敏可穿戴柔性温度传感器

2020-12-01
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温度是各个领域中最重要的测量之一。疫情期间的测温枪作为一款电子测温设备。它简单、高效、零接触的特点,几乎成为了疫情期间,每个公共场所标配的安全工具之一。
近年来,除了传统的温度传感以外,科学家的兴趣已演变为更亲密的问题:人体与温度。另外,软机器人技术的最新进展引起了人们对电子皮肤的极大兴趣。由于温度感应是主要的触摸感应机制之一,可提供所接触物体的关键信息,因此高灵敏柔性温度传感器被视为制造电子皮肤的基本要素。
与此同时,由于人体温度变化也反应着有关代谢或病理状态的重要生理信息。因此,使用可保形附着的表皮传感器连续长期监测生理温度的概念,在各种临床用途中显示了巨大潜力。然而,对于大多数电子皮肤和表皮传感器而言,其主要挑战是:(1)、可检测的温度精度和灵敏度问题;(2)、柔韧性问题;(3)、制造成本问题
韩国嘉川大学Daeho Lee和首尔国立大学Seung Hwan Ko教授课题组在国际期刊Advanced Materials (IF 27.398)(封面文章)上发表题为“Sensitive Wearable Temperature Sensor with Seamless Monolithic Integration”的研究论文。



准确的温度测量可为许多科学问题提供关键信息。本文报道了一种基于高灵敏度、柔性、负温度系数(NTC)热敏电阻的人造皮肤的新范例,其温度感测能力高于以前报道的NTC热敏电阻。该人造皮肤的制造通过开发新型的整体激光烧结诱导还原方案和独特的整体结构来完成。独特的无缝整体结构同时集成了同一材料的两个不同组件(金属电极和金属氧化物感测通道)。
除了出色的性能外,由于该工艺的低温要求,因此可以在热敏聚合物基材上制造具有高温敏感性的电子皮肤。作为概念的证明,对温度敏感的人造皮肤用适形连接的生理温度传感器阵列进行测试,以测量呼出气的温度,以及早发现呼吸系统中的病原体进程。
可以预见,本文所提出的整体式高灵敏度柔性温度传感器将极大地促进包括软机器人和医疗保健系统在内的各个新兴研究领域中基本部件的开发。

工艺概念图、温度灵敏度以及与先前研究的比较。a)m-LRS过程的示意图。通过刮刀技术将NiONP油墨涂覆在基材上。b)m-LRS处理的Ni电极和Ni-NiO-Ni结构的PTC和NTC特性。c)适合热敏电阻的材料常数(B值)。在整个测量范围(25-70℃)中空前的B值高达7350K,在室温范围(25–30℃)中的B值达到空前的8162K。d)在最大加工温度和温度敏感性方面,将当前工作与先前的研究进行比较。


对温度敏感的人造皮肤。a)模型手覆盖有对温度敏感的人造皮肤,并放大了皮肤温度感受器的图示。将NiO温度传感器系统(红色圆圈:感应通道)保形地附着在弹性人造皮肤表面上。b)液体流量检测的实验装置。三个指尖(白色圆圈)位于PDMS平板中嵌入的液体流动通道上。c)指尖上的NiO温度传感器系统的放大数字图像(红色圆圈:感应通道)。d)传感器“1,”,“2”和“3”的瞬态电阻变化。根据传感器的位置,对注入热水(35℃)和冷水(20℃)有明显的响应,并且信号延迟明显。使用信号延迟和传感器位置精确计算注射速度。实际注水流量的热像图图像(下图)(黄色圆圈:指尖位置)。e)人造热感受器阵列的数字图像由25个功能齐全的NiO子传感器(黄色圆圈)和子传感器的放大图像(插图)(比例尺:4cm和100µm(插图))组成。f)通过用字母图案(“S”,“N”和“U”)掩盖的扩展IR激光对选择性加热的传感器阵列的热像图像。g)从NiO温度传感器阵列获得的温度图与相应的热成像图像吻合得很好。


适形连接的表皮温度传感器及其在呼吸传感中的应用。a)贴合在各种面部位置的NiO表皮温度传感器。b)持续监测呼吸。通过安装在鼻腔前部的NiO表皮温度传感器(在红色区域:屏住呼吸),稳定监测呼气和吸入(在26-28°C的环境中)产生的温度变化。c)热像图显示呼吸引起的鼻腔(虚线圆圈)附近的温度变化(≈1°C)。d)在递增运动测试(IET)期间(在26-28°C的环境中)实时监测过度通气(红色区域)的发生和进展,并记录SpO2的变化。限制氧气摄入量(仅鼻呼吸)可有效诱导过度换气。


在本文中,DaehoLee,SeungHwanKo团队介绍了选择性激光还原金属纳米颗粒的技术,以创建具有极高灵敏度的整体式人造皮肤柔性温度传感器。该高度灵敏的柔性温度传感器适用于软机器人和医疗保健系统应用。


原文链接:

https://doi.org/10.1002/adma.201905527


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