可穿戴的柔性溫度傳感器

分類：行業(yè)動態(tài) 2091人瀏覽 2019-08-28

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溫度檢測是傳感設備的重要組成部分。體溫可以將人的身體狀況反映到很大的內(nèi)容。健康人的體核溫度相對恒定，一般在36.2——37.2°C之間。它獨立于環(huán)境，而殼體溫度會受到物理條件和環(huán)境溫度的影響。體溫的異常變化通常表明健康狀況不佳，所以溫度傳感器有很多的用途。例如，體溫升高是發(fā)燒或感染的癥狀，而體溫降低可能意味著貧血。為了實時檢測E-skin裝置中的溫度，已經(jīng)開發(fā)了許多類型的柔性溫度傳感器。

電阻溫度傳感器

通過敏感材料的電阻變化來檢測溫度是皮膚狀電子設備中最常用的溫度測量方法。溫度電阻系數(shù)（TCR）是電阻式溫度傳感器靈敏度的重要指標。它定義為溫度變化1℃時電阻的相對變化。已報道各種電阻溫度傳感器使用純金屬元素（Pt，Au，Cu），金屬氧化物顆粒，碳納米管（CNT）聚合物復合材料和石墨烯作為敏感材料。

由于溫度敏感，金屬已被用于長時間的溫度檢測。檢測機制可以通過以下事實來解釋：溫度的升高增強了晶格的熱振動，導致電子波的強烈散射，從而增加了電阻率。傳統(tǒng)的基于金屬的溫度傳感器提供有限的拉伸性或可彎曲性。結(jié)構(gòu)工程，例如皺折，直線馬蹄形結(jié)構(gòu)和剛性島設計，已被證明是克服這些限制的有效方法。如圖7a，b，所示，Yu等開發(fā)了一種基于彈性基底上的波紋薄膜傳感元件的可拉伸溫度傳感器。通過在預拉伸的30％柔性基板上濺射沉積薄Cr / Au膜（5nm / 20nm）來制造傳感器。如圖7c，d所示，通過釋放預應變形成的周期性波狀幾何形狀允許裝置在不改變性能的情況下拉伸高達30％的機械應變。Webb等報道了一種超薄，柔順的皮膚狀溫度傳感器陣列，采用薄的（50納米）窄（20微米）金薄膜，采用微光刻技術(shù)制備的蛇形形狀。當采用先進的建模和分析技術(shù)實施時，可伸縮電子系統(tǒng)能夠以毫克級精度無創(chuàng)地繪制殼溫度。

圖1 a具有周期性波浪圖案的可拉伸傳感器的示意圖。b可拉伸溫度傳感器的SEM。c當傳感器應變從2.25連續(xù)拉伸至30％時，傳感器電阻值發(fā)生變化。d拉伸傳感器的電阻與溫度之間的關(guān)系，應變?yōu)?％，5％和10％。

上述工作有效地提高了金屬溫度傳感器的靈活性，但這些裝置中使用的結(jié)構(gòu)工程方法將拉伸性限制在25-30％。為了進一步突破柔性溫度傳感器的拉伸極限，需要使用固有的可拉伸材料。Harada及其同事介紹了基于聚（3,4-亞乙二氧基噻吩）-聚（苯乙烯磺酸鹽）（PEDOT：PSS）-CNT復合薄膜的柔性溫度傳感器，該復合薄膜是通過印刷工藝制備的。PEDOT：PSS-CNT混合溫度傳感器的靈敏度在CNT膏和PEDOT：PSS溶液的不同復合比下為0.25-0.63％/℃，優(yōu)于基于金屬的溫度傳感器。如圖8a，b所示，Yan等人利用光刻過濾方法開發(fā)了一種可拉伸的石墨烯熱敏電阻，制備了具有微孔結(jié)構(gòu)的石墨烯檢測通道。該裝置表明高固有拉伸性高達50％，并且其TCR可以通過機械應變有效地調(diào)節(jié)，如圖8c，d所示。然而，應變依賴性對于可穿戴感測并不理想，因為拉伸或扭曲傳感器會改變熱敏電阻的電阻。在傳感器變形的情況下，不可能從單個數(shù)字信號讀取應變和溫度值。在使用固有可拉伸材料制備的熱敏電阻中，避免應變效應對溫度傳感的影響仍然是一個挑戰(zhàn)。

為了同時獲得高拉伸性和應變適應性，Zhu等人報道了一種基于具有應變抑制能力的CNT晶體管的溫度傳感器，通過設計差分電路（電路圖如圖8e，f所示）。將具有超分子聚合物分選的SWCNT圖案化為半導體通道的單個可拉伸薄膜晶體管制成溫度檢測裝置。密集的未分類SWCNT網(wǎng)絡和非極性SEBS薄膜分別用作源極-漏極和柵極電極以及柵極電介質(zhì)。主要機制可歸因于半導體SWCNT網(wǎng)絡中電荷傳輸?shù)臏囟纫蕾囆?。通過采用靜態(tài)差分電路配置，應變引起的閾值電壓偏移無效，如圖8g，h所示。因此可以抑制差分輸出電壓（VOD），只要它們在兩個分支之間匹配即可。

圖2 a石墨烯熱敏電阻可拉伸性的示意圖。b石墨烯熱敏電阻在0％和50％應變下的圖像。c電阻隨溫度變化。d電阻隨溫度的變化在0-50％的應變范圍內(nèi)。e由五個TFT組成的可拉伸溫度傳感電路的光學顯微照片。f靜態(tài)差分傳感方法的電路原理圖。g單個TFT的溫度傳感性能。h可伸縮靜態(tài)差分電路傳感裝置的溫度傳感性能。

值得一提的是，這種TFT結(jié)構(gòu)器件已經(jīng)被其他研究人員證明可以顯著提高溫度傳感器的靈敏度。Rung等人為可穿戴電子設備制造了可拉伸電阻和門控溫度傳感器，并比較了兩種傳感器之間的性能差異。溫度傳感層是通過將溫度響應性R-GO納米片插入彈性體PU基質(zhì)中而形成的復合導電材料。根據(jù)他們的測試結(jié)果，門控器件實現(xiàn)了比電阻器件（每℃ 0.9％）更高的溫度靈敏度（每℃1.34％）。

熱釋電溫度傳感器

溫度的變化將改變熱電材料的剩余極化，從而在晶體的兩個表面上產(chǎn)生相反的束縛電荷。已發(fā)現(xiàn)具有熱電性的材料包括不同的陶瓷（PZT，LiTaO3，LiNbO3）和聚合物（PVDF，P（VDF-TrFE））。在剛性基板上制造了許多熱電裝置，廣泛應用于導彈探測，火災報警等領(lǐng)域。然而，仍然需要探索靈活的熱電裝置。特別是，P（VDF-TrFE）是柔性電子設備中溫度傳感應用的理想選擇。Tien等直接使用具有極大剩余極化的高結(jié)晶β相P（VDF-TrFE）材料作為用于溫度傳感的OTFT結(jié)構(gòu)中的柵極絕緣體。P（VDF-TrFE）內(nèi)部的殘余極化可以隨溫度變化，導致在半導體溝道和P（VDF-TrFE）之間的界面處累積的空穴的密度發(fā)生變化。因此，源極-漏極電流隨著溫度的升高而增加。器件在一定溫度范圍內(nèi)的線性響應及其簡單的制造工藝表明其在柔性溫度傳感器中的潛在應用。然而，對于（P（VDF-TrFE）），熱電效應與壓電效應無法區(qū)分，這意味著機械變形將干擾溫度檢測。為了將應變引起的干擾與溫度效應分離，Tien等人開發(fā)了柔性熱電OFET器件，其中壓電和熱電納米復合柵極電介質(zhì)由（P（VDF-TrFE））和BaTiO3納米顆粒以及壓電和熱電阻有機半導體通道（并五苯）的混合物形成。當柔性傳感器處于多個刺激下時，所制造的裝置可以成功地從目標感測信號中提取效果，因為所選擇的兩種材料能夠以不成比例的方式同時響應應變和溫度。該方法能夠區(qū)分柔性熱電傳感器的溫度效應和應變。