温度检测是传感设备的重要组成部分。体温可以将人的身体状况反映到很大的内容。健康人的体核温度相对恒定,一般在36.2——37.2°C之间。它独立于环境,而壳体温度会受到物理条件和环境温度的影响。体温的异常变化通常表明健康状况不佳,所以温度传感器有很多的用途。例如,体温升高是发烧或感染的症状,而体温降低可能意味着贫血。为了实时检测E-skin装置中的温度,已经开发了许多类型的柔性温度传感器。


电阻温度传感器


通过敏感材料的电阻变化来检测温度是皮肤状电子设备中最常用的温度测量方法。温度电阻系数(TCR)是电阻式温度传感器灵敏度的重要指标。它定义为温度变化1℃时电阻的相对变化。已报道各种电阻温度传感器使用纯金属元素(Pt,Au,Cu),金属氧化物颗粒,碳纳米管(CNT)聚合物复合材料和石墨烯作为敏感材料。


由于温度敏感,金属已被用于长时间的温度检测。检测机制可以通过以下事实来解释:温度的升高增强了晶格的热振动,导致电子波的强烈散射,从而增加了电阻率。传统的基于金属的温度传感器提供有限的拉伸性或可弯曲性。结构工程,例如皱折,直线马蹄形结构和刚性岛设计,已被证明是克服这些限制的有效方法。如图7a,b,所示,Yu等开发了一种基于弹性基底上的波纹薄膜传感元件的可拉伸温度传感器。通过在预拉伸的30%柔性基板上溅射沉积薄Cr / Au膜(5nm / 20nm)来制造传感器。如图7c,d所示,通过释放预应变形成的周期性波状几何形状允许装置在不改变性能的情况下拉伸高达30%的机械应变。Webb等报道了一种超薄,柔顺的皮肤状温度传感器阵列,采用薄的(50纳米)窄(20微米)金薄膜,采用微光刻技术制备的蛇形形状。当采用先进的建模和分析技术实施时,可伸缩电子系统能够以毫克级精度无创地绘制壳温度。


可穿戴的柔性温度传感器


图1 a具有周期性波浪图案的可拉伸传感器的示意图。b可拉伸温度传感器的SEM。c当传感器应变从2.25连续拉伸至30%时,传感器电阻值发生变化。d拉伸传感器的电阻与温度之间的关系,应变为0%,5%和10%。


上述工作有效地提高了金属温度传感器的灵活性,但这些装置中使用的结构工程方法将拉伸性限制在25-30%。为了进一步突破柔性温度传感器的拉伸极限,需要使用固有的可拉伸材料。Harada及其同事介绍了基于聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸盐)(PEDOT:PSS)-CNT复合薄膜的柔性温度传感器,该复合薄膜是通过印刷工艺制备的。PEDOT:PSS-CNT混合温度传感器的灵敏度在CNT膏和PEDOT:PSS溶液的不同复合比下为0.25-0.63%/℃,优于基于金属的温度传感器。如图8a,b所示,Yan等人利用光刻过滤方法开发了一种可拉伸的石墨烯热敏电阻,制备了具有微孔结构的石墨烯检测通道。该装置表明高固有拉伸性高达50%,并且其TCR可以通过机械应变有效地调节,如图8c,d所示。然而,应变依赖性对于可穿戴感测并不理想,因为拉伸或扭曲传感器会改变热敏电阻的电阻。在传感器变形的情况下,不可能从单个数字信号读取应变和温度值。在使用固有可拉伸材料制备的热敏电阻中,避免应变效应对温度传感的影响仍然是一个挑战。


为了同时获得高拉伸性和应变适应性,Zhu等人报道了一种基于具有应变抑制能力的CNT晶体管的温度传感器,通过设计差分电路(电路图如图8e,f所示)。将具有超分子聚合物分选的SWCNT图案化为半导体通道的单个可拉伸薄膜晶体管制成温度检测装置。密集的未分类SWCNT网络和非极性SEBS薄膜分别用作源极-漏极和栅极电极以及栅极电介质。主要机制可归因于半导体SWCNT网络中电荷传输的温度依赖性。通过采用静态差分电路配置,应变引起的阈值电压偏移无效,如图8g,h所示。因此可以抑制差分输出电压(VOD),只要它们在两个分支之间匹配即可。


可穿戴的柔性温度传感器


图2 a石墨烯热敏电阻可拉伸性的示意图。b石墨烯热敏电阻在0%和50%应变下的图像。c电阻随温度变化。d电阻随温度的变化在0-50%的应变范围内。e由五个TFT组成的可拉伸温度传感电路的光学显微照片。f静态差分传感方法的电路原理图。g单个TFT的温度传感性能。h可伸缩静态差分电路传感装置的温度传感性能。


值得一提的是,这种TFT结构器件已经被其他研究人员证明可以显着提高温度传感器的灵敏度。Rung等人为可穿戴电子设备制造了可拉伸电阻和门控温度传感器,并比较了两种传感器之间的性能差异。温度传感层是通过将温度响应性R-GO纳米片插入弹性体PU基质中而形成的复合导电材料。根据他们的测试结果,门控器件实现了比电阻器件(每℃ 0.9%)更高的温度灵敏度(每℃1.34%)。


热释电温度传感器


温度的变化将改变热电材料的剩余极化,从而在晶体的两个表面上产生相反的束缚电荷。已发现具有热电性的材料包括不同的陶瓷(PZT,LiTaO3,LiNbO3)和聚合物(PVDF,P(VDF-TrFE))。在刚性基板上制造了许多热电装置,广泛应用于导弹探测,火灾报警等领域。然而,仍然需要探索灵活的热电装置。特别是,P(VDF-TrFE)是柔性电子设备中温度传感应用的理想选择。Tien等直接使用具有极大剩余极化的高结晶β相P(VDF-TrFE)材料作为用于温度传感的OTFT结构中的栅极绝缘体。P(VDF-TrFE)内部的残余极化可以随温度变化,导致在半导体沟道和P(VDF-TrFE)之间的界面处累积的空穴的密度发生变化。因此,源极-漏极电流随着温度的升高而增加。器件在一定温度范围内的线性响应及其简单的制造工艺表明其在柔性温度传感器中的潜在应用。然而,对于(P(VDF-TrFE)),热电效应与压电效应无法区分,这意味着机械变形将干扰温度检测。为了将应变引起的干扰与温度效应分离,Tien等人开发了柔性热电OFET器件,其中压电和热电纳米复合栅极电介质由(P(VDF-TrFE))和BaTiO3纳米颗粒以及压电和热电阻有机半导体通道(并五苯)的混合物形成。当柔性传感器处于多个刺激下时,所制造的装置可以成功地从目标感测信号中提取效果,因为所选择的两种材料能够以不成比例的方式同时响应应变和温度。该方法能够区分柔性热电传感器的温度效应和应变。


可穿戴的柔性温度传感器


关于温度传感器


温度传感器(temperature transducer)是指能感受温度并转换成可用输出信号的传感器。温度传感器是温度测量仪表的核心部分,品种繁多。按测量方式可分为接触式和非接触式两大类,按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类。

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