Capteurs de température flexibles de haute précision pour la surveillance du corps humain : une revue complète

Résumé

Ces dernières années, le développement et la recherche des capteurs flexibles se sont progressivement approfondis, et les performances des dispositifs flexibles portables pour la surveillance de la température corporelle se sont également améliorées. Pour le corps humain, les changements de température corporelle reflètent de nombreuses informations sur la santé humaine, et les changements anormaux de température indiquent généralement une mauvaise santé. Bien que la température corporelle soit indépendante de l'environnement, la température de surface du corps est facilement affectée par l'environnement environnant, ce qui pose des défis aux équipements de surveillance de la température corporelle. Pour réaliser une détection en temps réel et sensible de la température de diverses parties du corps humain, les chercheurs ont développé de nombreux types différents de capteurs de température flexibles à haute sensibilité, perfectionnant la fonction de la peau électronique, et ont également proposé de nombreuses applications pratiques. Cet article passe en revue l'état actuel de la recherche sur les capteurs de température flexibles à haute sensibilité à motifs utilisés pour surveiller les changements de température corporelle. Premièrement, les substrats et matériaux actifs couramment utilisés pour les capteurs de température flexibles ont été résumés. Deuxièmement, les méthodes et processus de fabrication à motifs des capteurs de température flexibles sont introduits. Ensuite, les performances de détection de température flexibles sont discutées de manière exhaustive, incluant la plage de mesure de température, la sensibilité, le temps de réponse, la résolution de température. Finalement, l'application des capteurs de température flexibles basés sur un motif très délicat est démontrée, et les défis futurs des capteurs de température flexibles sont envisagés.

Introduction

Toutes les activités vitales du corps humain sont basées sur le métabolisme et une température corporelle relativement constante est nécessaire pour un métabolisme sain [1]. L'hyperthermie ou l'hypothermie affecteront l'activité des enzymes dans le corps, affectant ainsi le fonctionnement régulier du métabolisme humain, causant des troubles de diverses cellules, tissus et organes, et même la mort dans les cas graves. On peut voir que la stabilité relative de la température corporelle est une condition nécessaire pour maintenir un environnement stable dans le corps et assurer le déroulement régulier des activités vitales telles que le métabolisme. Pour le corps humain, les changements de température corporelle reflètent de nombreuses informations sur la santé humaine, et les changements anormaux de température indiquent généralement une mauvaise santé. Dans la surveillance de la santé humaine [2, 3], la température corporelle est un facteur essentiel qui ne peut être ignoré, et la surveillance en temps réel et précise de la température corporelle est particulièrement importante.

Les capteurs de température flexibles se sont développés vers des tendances portables, hautement sensibles, portables, de grande surface, précises et en temps réel. Le capteur de température flexible utilise principalement le changement de signal électrique du matériau thermosensible dû au changement de température pour réaliser la surveillance en temps réel de la température [4]. Il utilise également la caractéristique du substrat flexible pour adhérer strictement à la peau pour réaliser sa fonction. Comparés aux instruments traditionnels de mesure de température, en plus d'être difficiles à transporter, coûteux et applicables aux occasions de surveillance, il y a des limitations, dues au mouvement intentionnel ou non intentionnel du patient et à l'incapacité de surveiller des emplacements spécifiques (tels que les plaies [5], les sites d'ablation de tumeurs dans le corps [6]), peuvent facilement conduire à des résultats de mesure inexacts ou imparfaits. Afin de résoudre les problèmes ci-dessus, les capteurs de température flexibles, minces et sensibles à motifs portables sont devenus un sujet de recherche brûlant pour les chercheurs scientifiques.

Ces dernières années, la recherche sur les capteurs de température flexibles pour la surveillance de la température corporelle s'est continuellement développée, et il y a de nombreuses innovations [7]. L'utilisation de la fabrication à motifs pour réaliser la fabrication de grande surface des capteurs de température flexibles est devenue une tendance de développement [8] ; imiter les structures biologiques dans la nature est une excellente idée [9]. Les pieds de pieuvre avec des propriétés d'adsorption, les joues de vipère qui peuvent détecter les changements de température biologique [10], et les structures de type moustache [11] de certains arthropodes ou mammifères ont également une fonction de détection de température ; afin d'afficher clairement la température corporelle surveillée par le capteur, les chercheurs mettront le capteur de température flexible en réseau [12,13,14], et le dispositif d'imagerie ou son matériau électrochromique peut être utilisé pour visualiser la cartographie thermique [5, 15, 16]. La recherche approfondie sur les capteurs de température flexibles fournit également un support technique approprié pour répondre à des exigences élevées telles que la surveillance de la température corporelle à haute sensibilité.

Cet article passe en revue les progrès récents de la recherche sur les capteurs de température flexibles à haute sensibilité dans la surveillance de la température corporelle humaine, les matériaux thermosensibles, les stratégies de fabrication, les performances de base et les applications. La première partie sélectionnera les matériaux pour les capteurs de température flexibles et résumera une variété de substrats flexibles, de matériaux thermosensibles qui peuvent être utilisés comme capteurs de surveillance de température flexibles. La deuxième partie se concentre sur l'utilisation des capteurs de température flexibles dans la littérature ces dernières années. La méthode de fabrication à motifs est passée en revue, montrant le processus de fabrication typique. La troisième partie introduit les paramètres de performance clés des capteurs de température. La quatrième partie montre les scénarios d'application et les applications pratiques des capteurs de température flexibles ces dernières années. Finalement, les défis potentiels et les perspectives de développement futur des capteurs de température flexibles imprimables et hautement sensibles sont brièvement discutés.

Méthodes

Matériaux

Substrats flexibles

Ces dernières années, l'application et la recherche des matériaux flexibles dans les domaines de la technologie électronique et de la santé médicale ont progressivement augmenté. La fabrication de capteurs flexibles exige que le capteur lui-même soit flexible, extensible et ductile ainsi que les substrats et circuits dont il dépend. Des caractéristiques d'étirement et d'extension spécifiques pour s'adapter à l'adhérence sur la surface du corps humain, les substrats flexibles courants sont généralement traités en film, tels que le polydiméthylsiloxane (PDMS) [17,18,19,20], le polyimide (PI) [21, 22], le polyuréthane (PU) [23], le téréphtalate de polyéthylène (PET) [24, 25], l'alcool polyvinylique (PVA) [26], le butyral polyvinylique (PVB) [27], le papier [28, 29], le caoutchouc de silicone [5, 30, 31], et des matériaux plus biocompatibles et biodégradables peuvent également être utilisés, tels que la pectine [32], le coton, la soie [33] et d'autres matériaux cellulosiques [34, 35].

Actuellement, le substrat flexible le plus utilisé dans les capteurs de température flexibles est le PDMS, qui est un excellent matériau isolant thermique et électrique, avec une permittivité relative de 2,3–2,8 et une résistivité volumique de \({1}{\text{.2}} \times {10}^{{14 }} \,\Omega \,{\text{cm}}^{ - 1}\), sa gravité spécifique est de \(1,03\,{\text{kg}}\,{\text{m}}^{ - 3}\) à 25 °C, le PDMS a une meilleure stabilité thermique, et la conductivité thermique du PDMS est \(0,15\,{\text{W}}\,{\text{m}}^{ - 1} \,{\text{K}}^{ - 1}\) [36]. La température de transition vitreuse est aussi basse que 125 °C, le coefficient de dilatation thermique (CDT) [37] est de \(301\,{\text{ppm}}\,^{ \circ } {\text{C}}^{ - 1}\). Et son module de Young est \(\approx 3,7 \,{\text{MPa}}\) [38], faisant que l'étirement et la déformation sont supérieurs à 200 %. Données ses excellentes propriétés d'étirement, d'extensibilité, thermoélectriques [39,40,41], de haute stabilité chimique et de facilité d'utilisation, le PDMS est plus abondant dans des applications telles que la peau électronique [42]. Le matériau polyimide (PI) avec des propriétés similaires au PDMS (montrées dans le Tableau 1), le PI présente une faible conductivité thermique de l'ordre de \(0,1\,{\text{W}}\,{\text{m}}^{ - 1} \,{\text{K}}^{ - 1}\) [43,44,45], avec une résistivité isolante électrique \({1}{\text{.5}} \times {10}^{{{17}}} \, \Omega \,{\text{cm}}^{ - 1}\) [46]. La constante diélectrique relative 3,0–3,6, avec une température de transition vitreuse plus élevée (360–410 °C) [47] et un coefficient de dilatation thermique (CDT) plus faible (\(16\,{\text{ppm}}\,^{ \circ } {\text{C}}^{ - 1}\)). Son module de Young ≈\(2,8\,{\text{GPa}}\) [6, 48]. Les matériaux polyuréthane (PU) avec biocompatibilité, bonne ductilité d'étirement [49], économiques et pratiques pour les capteurs de température pour la surveillance de la température corporelle humaine [50]. Le substrat flexible en film mince n'a pas seulement d'excellentes propriétés mécaniques, mais est également adapté à la recherche d'application dans le domaine des capteurs de température flexibles basés sur d'excellentes propriétés thermiques. Comme montré en Fig. 1. En plus d'utiliser les matériaux polymères organiques susmentionnés dans la détection flexible, les tissus courants ou d'autres matériaux biodégradables, tels que le tissu [51, 52], la soie [53] et le coton [54], sont également souples et déformables, légers, économiques, respirants, confortables, durables et réutilisables. D'autres avantages, il est également attendu et concerné d'être étudié comme matériau de base pour les capteurs de température flexibles.

Matériau thermosensible

Le matériau actif est le matériau sensible dans le capteur qui est responsable de répondre directement et efficacement aux sources de chaleur et aux signaux thermiques, ses propriétés déterminent directement la performance du capteur de température, incluant la sensibilité à la température, la longueur du temps de réponse, la durabilité et la résolution à la température [59]. Un matériau thermosensible qui est simple à fabriquer, raisonnable en matières premières, biocompatible et ayant un certain degré de ductilité et d'excellentes performances a un plus grand attrait pour la recherche approfondie sur les capteurs de température flexibles [60,61,62].

Carbone

Beaucoup d'efforts ont été faits pour créer des matériaux composites conducteurs thermosensibles en incorporant différents charges conductrices (tels que les matériaux à base de carbone, les polymères conducteurs et les particules métalliques) dans des matrices polymères semi-conductrices et isolantes. Les matériaux de carbone courants incluent le noir de carbone (CB), le graphite (Gr), les nanotubes de carbone (CNT) et le graphène.

Le noir de carbone (CB) et le graphite sont souvent utilisés comme charges conductrices en raison de leurs excellentes propriétés électroniques et mécaniques et de leurs faibles coûts de traitement. Parmi eux, le CB est facile à former des agrégats lors du mélange avec les polymères pour former des matériaux composites, et les changements de température affecteront ses propriétés électriques [63]. La stabilité entraîne un coefficient de température de résistance (CTR) plus élevé [64]. Le graphite est un allotrope du carbone, avec une bonne conductivité électrique, conductivité thermique et stabilité chimique, et un coefficient de dilatation thermique inférieur à \(5,0 \times 10^{ - 6} \,{\text{K}}^{ - 1}\) [65]. Comparé au noir de carbone, la poudre de graphite comme charge conductrice est plus sensible à la température, et les deux et leurs mélanges réduiront le seuil de percolation du film composite thermosensible formé par le polymère chargé. Le graphite expansé (GE) est un nouveau type de matériau fonctionnel de carbone, substance vermiforme lâche et poreuse obtenue à partir de paillettes de graphite naturel par intercalation, lavage, séchage et expansion à haute température. La conductivité thermique du composite formé par pressage à chaud après que le matériau puisse atteindre \(4,70\,{\text{W}}\,{\text{m}}^{ - 1} \,{\text{K}}^{ - 1} { }\) lorsque 10 % en poids de GE est imprégné dans le prépolymère PDMS [66]. Shih et al. [67] ont utilisé le PDMS comme matériau de base et la poudre de graphite comme matériau de détection thermosensible, et ont utilisé le film PI par le processus d'impression pour produire un réseau de capteurs de température flexibles composé de capteurs composites Gr/PDMS (montré en Fig. 2a). Comparé au capteur de température à film mince de platine (Pt) classique (CTR = \({ }0,0055\,{\text{K}}^{ - 1}\)) dans la même mesure de la résistivité sous le changement de température ambiante (30–110 °C), lorsque la fraction volumique de graphite est de 15 % et 25 %, le CTR des matériaux composites est \(0,286\,{\text{K}}^{ - 1}\) et \(0,042\,{\text{K}}^{ - 1}\), les résultats prouvent que la sensibilité du matériau composite Gr-PDMS est plus élevée. Huang et autres ont recherché et fabriqué un matériau composite de polyéthylène oxyde (PEO) et de fluorure de polyvinylidène (PVDF) chargé de graphite [68], (Fig. 2b) qui peut être facilement attaché à la surface du corps humain avec une courbure variable par un simple processus de centrifugation. Un capteur de température avec une plage de détection de 25,0–42,0 °C, avec une haute résolution de 0,1 °C et une haute stabilité cyclique, une excellente capacité anti-interférence (incluant anti-pliage et étanche), et peut maintenir le capteur pendant 1 mois. Il peut mesurer la température des aisselles en continu pendant une longue période. Ses excellentes propriétés mécaniques sont peut-être dues au fait que les particules de Gr comme charges dans le composite bougent moins sous différentes courbures. La performance thermique est liée à la dilatation thermique du polymère. En tant que nanomatériau unidimensionnel, les nanotubes de carbone connectés pour former une structure topologique spatiale [69]. Le diamètre est généralement de 2–20 nm. Il a de nombreuses propriétés mécaniques anormales (module d'élasticité jusqu'à \(1 \,{\text{TPa}}\)), propriétés électriques, incluant une conductivité électrique jusqu'à \(10^{4 } \;{\text{S}}\,{\text{cm}}^{ - 1}\) [70], mobilité de porteurs intrinsèque (\({10\,000}\, {\text{cm}}^{2} \,{\text{V}}^{ - 1} \,{\text{S}}^{ - 1}\)) [71]. Ces dernières années, avec l'approfondissement de la recherche sur les nanotubes de carbone et les nanomatériaux, leurs vastes perspectives d'application ont également été continuellement révélées. Les nanotubes de carbone ont d'excellentes performances de transfert de chaleur, et les CNT ont un rapport d'aspect considérable, donc ils sont le long de la direction de longueur. La performance d'échange de chaleur est très élevée, et l'application des capteurs de température flexibles est aussi en constante innovation, incluant d'excellentes idées de conception et performances [72]. Les composites formés par les nanotubes de carbone et le poly(3,4-éthylène dioxythiophène)-poly(styrène sulfonate) (PEDOT:PSS) ont été étudiés, et il a été trouvé que la performance des nanotubes de carbone à parois multiples (MWCNT) et des nanotubes de carbone à paroi unique (SWCNT) n'étaient pas les mêmes [73]. À la même température, les matériaux composites formés par les MWCNT et PEDOT:PSS plus tard, tout en réduisant l'impédance du composite, le composite réduit aussi sa sensibilité à la température et à l'humidité [74]. Kim et al. [75] ont utilisé un processus de filage humide et ont aussi utilisé un composite PEDOT:PSS. Les SWCNT composités avec peuvent améliorer significativement la conductivité électrique et le facteur de puissance du composite et améliorer la performance du composite (Fig. 2d).

Les méthodes conventionnelles de fabrication de matériaux biologiques reposent sur l'ingénierie inverse des structures biologiques, le biomimétisme et l'inspiration biologique. Les structures biologiques surpassent souvent les matériaux fabriqués par l'homme. Par exemple, les plantes supérieures détectent les changements de température avec une grande réactivité. Montré en Fig. 2c, Giacomo et al. [76] ont proposé un matériau biomimétique avec une excellente sensibilité de réponse à la température fait de cellules végétales isolées et de nanotubes de carbone (MWCNT) en utilisant la technologie de nano-biomimétisme végétal. En utilisant les CNT comme canal pour connecter directement les cellules, créant un matériau bionique avec un coefficient de résistivité de température efficace (CTR) de \(- \,1730\% \,{\text{K}}^{ - 1}\), ce qui est deux ordres de grandeur plus élevé que le meilleur capteur actuel, et la plage de température de surveillance est de 35–75 °C. De nombreux types de recherche sur les capteurs de température peuvent atteindre une haute sensibilité dans une plage de température étroite, mais dans une large plage de température (40 K), la performance de réponse est insuffisante. Aussi se référer à la structure de détection de température biologique des serpents dans la nature - la membrane des fosses des serpents, la membrane biologique a une sensibilité exceptionnellement élevée à la température et à la distance. Elle peut être utilisée pour localiser des proies à sang chaud à une certaine distance. Ils ont utilisé l'ajout d'ions Ca²⁺ au film de pectine pour imiter le mécanisme de détection de la membrane des joues du serpent pour préparer un matériau thermosensible d'hydrogel de pectine ajouté de CaCl₂ [10]. Il est possible de cartographier et surveiller les sources de température avec une sensibilité de < 10 mK et de détecter des objets chauds à une certaine distance. La combinaison de cellules végétales ou l'imitation de structures biologiques animales fournit de nouvelles idées et rend la direction de recherche des capteurs flexibles plus étendue.

Le graphène est une couche de carbone hybride bidimensionnelle avec un réseau en nid d'abeille hexagonal [77, 78]. Il y a un grand nombre d'électrons délocalisés, rendant son transport de charge unique permettant une haute concentration de porteurs (\({10}^{{{33}}} \,{\text{cm}}^{ - 2}\)), sous certaines conditions environnementales, la mobilité dépasse \({10}^{5} \,{\text{cm}}^{2} \,{\text{V}}^{{ - {1}}} \,{\text{s}}^{ - 1}\). Et la structure spatiale peut fournir des points abondants. Les groupes fonctionnels sont modifiés pour répondre à diverses exigences d'application. Simultanément, il a une grande fluidité, une excellente conductivité thermique, une excellente transparence, des propriétés mécaniques jusqu'à \(1 \,{\text{TPa}}\) module d'élasticité, stabilité chimique et biocompatibilité [79]. Il a attiré beaucoup d'attention dans les domaines d'application de divers dispositifs électroniques [80]. L'oxyde de graphène (GO) transparent ou l'oxyde de graphène réduit (rGO) avec d'excellentes propriétés électroniques et mécaniques est un produit avec une structure en couches formé par la poudre de graphite après oxydation ou réduction supplémentaire du GO [81, 82]. La surface contient des groupes hydroxyle, des groupes carboxyle et des cycles. De nombreux groupes fonctionnels, tels que les groupes oxy, sont facilement modifiés et sensibles aux conditions environnementales, incluant l'humidité, la température et les substances chimiques, et des caractéristiques de réponse visibles [54, 83]. Cependant, la faible conductivité de l'oxyde de graphène (GO) n'est pas adaptée aux dispositifs électroniques. L'oxyde de graphène réduit (rGO) est synthétisé par réduction thermique pour améliorer la conductivité. Son excellente sensibilité à la température est aussi requise pour les capteurs de température flexibles [54, 84, 85]. Les nanofeuilles de graphène (GNWs) sont cultivées en nanosheets de graphène perpendiculaires au substrat en employant la technique de dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD) [77] et la méthode de transfert assisté par polymère. Le processus de croissance forme une structure décalée pour lui donner une performance de déformation plus élevée [61, 83]. D'excellentes propriétés mécaniques ont aussi été appliquées aux capteurs de température dans la recherche. L'utilisation de graphène multi-usage et de ses dérivés dans les applications de peau électronique pave la voie pour les capteurs de température flexibles avec d'excellentes performances, transparence, fonctions riches et un processus de fabrication simple.

Yan et al. [58] ont fabriqué un capteur de température flexible qui utilise le graphène plissé tridimensionnel comme matériau actif et peut surveiller la température dans la plage de 30–100 °C par une méthode de filtration lithographique [34]. En raison de la particularité de la structure en ressort, les caractéristiques de détection de changement de température peuvent être caractérisées jusqu'à 50 % de déformation. Le CTR (\(- \,1,05 \pm 0,28\% \,{\text{K}}^{ - 1}\)) du capteur dans des conditions non contraintes est plus élevé que le capteur de température à nanofils de silicium rapporté (\(0,15 - 0,37\% \,{\text{K}}^{ - 1}\)) fois. Il est à noter que l'indice thermique du matériau thermosensible de cette structure peut être ajusté. La réponse et la récupération de température peuvent se compléter en quelques dizaines de secondes, ce qui augmente son applicabilité comparé aux thermistances céramiques rigides traditionnelles. Liu et al. [87] ont utilisé le matériau rGO comme matériau thermosensible pour fabriquer un capteur de température flexible léger et peu coûteux par la technologie d'impression. La température de surveillance est de 20–110 °C, la sensibilité est \(0,6345\% \,^{ \circ } {\text{C}}^{ - 1}\), et le temps de réponse peut atteindre 1,2 s. Avec des caractéristiques de contrainte et déformation spécifiques, peut être attaché à une surface à courbure spécifique. Sous les mêmes conditions expérimentales, après avoir comparé l'oxyde de graphène réduit (rGO), les nanotubes de carbone à paroi unique (SWCNT) et les nanotubes de carbone à parois multiples (MWCNT), dans la comparaison de linéarité, sensibilité, propriétés mécaniques et répétabilité, il a été trouvé que la performance du capteur de température utilisant le rGO comme matériau actif est la plus équilibrée, fournissant des idées pour la préparation à grande échelle de la peau électronique à l'avenir. Sadasivuni et al. [54] ont proposé un film composite utilisant la cellulose comme matrice et le rGO thermique comme charge pour produire une surveillance de température flexible et efficace dans la plage de 25–80 °C, selon les changements de température (montré en Fig. 2e) Capteur de température capacitif flexible avec une relation linéaire. Comparé au capteur de température platine commercial standard, le capteur de température ne causera pas de pollution due aux phénomènes de corrosion métallique au fil du temps et peut maintenir la stabilité pendant longtemps. Trung et al. [17] ont fabriqué un capteur de température flexible transparent et extensible (TE) par une simple méthode de centrifugation et technologie de stratification. La couche de détection de température formée par les nanosheets de rGO et un substrat de polyuréthane (PU) élastique. Formation de matériau composite. La nouveauté du dispositif électronique est que chaque couche de matériau dans la structure est TE et peut être facilement directement enduite sur un substrat transparent et extensible. Il peut ensuite être facilement attaché au corps humain. Le dispositif peut détecter des changements de température aussi petits que 0,2 °C. Après avoir été étiré 10 000 fois avec une déformation de 30 %, il a presque aucun effet sur la réponse de température. Le dispositif peut encore être utilisé lorsque la déformation est de 70 %. Yang et al. [86] ont proposé d'utiliser la technologie de dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD) pour cultiver une structure de réseau conductrice 3D interlacée spéciale de GNWs sur feuille de cuivre (Fig. 2f), combinée avec une méthode de transfert assisté par polymère et PDMS pour former un capteur de température portable ultra-sensible. La réponse thermique dépasse de loin celle des capteurs de température traditionnels. L'excellente ductilité et sensibilité thermique des GNWs combinées avec le grand coefficient d'expansion du PDMS permettent au capteur de surveiller le changement de température de 25–120 °C avec une précision de 0,1 °C, un temps de réponse de 1,6 s et un temps de récupération de 8,52 s, et maintenir la stabilité pendant des mois. Le CTR atteint \(0,214\,^{ \circ } {\text{C}}^{ - 1}\), ce qui est deux ordres de grandeur plus élevé que le capteur de température platine commercial standard (\(39,2 \times 10^{ - 4 } \,^{ \circ } {\text{C}}^{ - 1}\)). L'utilisation de matériaux de carbone dans les capteurs de température flexibles a favorisé son potentiel d'application dans la surveillance de la santé, les dispositifs portables, la robotique, les interfaces homme-machine et la peau artificielle.

Métal et Oxyde Métallique

Les matériaux métalliques sont généralement des matériaux conducteurs tels que l'or (Au) [88,89,90], l'argent (Ag) [91, 92], le cuivre (Cu) [93], et le platine (Pt) [55, 94] (en Fig. 3c), le nickel (Ni) [95], et l'aluminium (Al) [96], qui sont principalement utilisés comme électrodes et fils des capteurs. Comparé au capteur de température métallique rigide traditionnel, le capteur de température métallique flexible a une grande flexibilité mécanique, peut être facilement attaché à des surfaces hautement courbées, et est plus adapté pour détecter de petits changements et distributions de température dans une petite plage. Pour ce qui concerne le processus d'impression actuel, certains matériaux métalliques sont sensibles à la température et ont une bonne conductivité, et sont faits d'encre nano-métallique conductrice [97], nano-charge [95], nano-fil [98], et film à motifs pour faire une couche active thermosensible [19], qui est largement utilisée dans le capteur de température flexible.

Les matériaux sensibles les plus courants dans les capteurs de température typiques sont le Pt et l'Au. Bin et al. [6] ont utilisé la technologie des Micro-systèmes Électro-Mécaniques (MEMS) et ont proposé le platine comme matériau de détection déposé sur le film PI après un processus de décollement. Après stratification formant le motif requis, il est utilisé pour surveiller le changement de température de 20–120 °C, et la valeur CTR est \(0,0032\,^{ \circ } {\text{C}}^{ - 1}\). Comparé au platine coûteux, l'Au a une meilleure conductivité et flexibilité. Pour réaliser que la performance du dispositif ne peut pas être affectée par la contrainte de traction, Yu et al. [99] ont astucieusement utilisé le dépôt par pulvérisation sur un substrat flexible PDMS pré-étiré un film mince Chromium (Cr)/Au (en Fig. 3a), et un capteur de température flexible réversiblement pliable et extensible est fabriqué par un processus de photolithographie. Lorsque l'étirement maximal du dispositif est de 30 %, la performance du dispositif ne changera pas. La recherche améliore le défaut de mauvaise résistance à la traction des capteurs flexibles. Dankoco et al. [100] ont utilisé une encre composite organique d'argent pour déposer des lignes d'argent sur un film de polyimide de manière lisse et uniforme par impression par jet d'encre (voir en Fig. 3b). Il a fait une température de surface corporelle mesurable de 20–60 °C peut être un capteur de température flexible et pliable. La sensibilité moyenne est \(2,23 \times 10^{3} \,^{ \circ } {\text{C}}^{ - 1}\). Cependant, le capteur a < 5 % d'hystérésis. Ren et al. [101] ont proposé un capteur de température flexible avec une haute résolution thermique (gamme dynamique = 10 bits) basé sur l'intégration du thermistance nanoparticules d'argent (NPs)/pentacène et transistor à film mince organique (OTFT) avec une plage de température de 15–70 °C. La recherche a testé la forte dépendance des matériaux composites à la température et a prouvé la faisabilité des nanoparticules d'argent (NPs) dans les applications de thermistance. Les capteurs à grande gamme dynamique sont également adaptés aux grands réseaux de capteurs et à la peau électronique. Jeon et al. [95] ont développé un capteur de température flexible conçu avec un mélange de polymères polyéthylène (PE) semi-cristallin et oxyde de polyéthylène (PEO) chargés de particules de nickel. Parmi eux, lorsque la concentration de particules de nickel dépasse le seuil de percolation des charges de nickel, une haute conductivité (\(40 \,{\text{S}}\,{\text{cm}}^{ - 1}\)) peut être obtenue. Avec le grand coefficient de température positif (CTP) unique au mélange de polymères binaires, le capteur fabriqué peut non seulement fournir une plage de température sensible ajustable tout en maintenant la stabilité du cycle thermique pour atteindre un processus de réponse de température répétable. Le capteur a une sensibilité trois ordres de grandeur plus élevée (\(0,3\, {\text{V}}\,^{ \circ } {\text{C}}^{ - 1}\)) que les thermocouples standards et une fonction de transmission sans fil, mais il y a une erreur significative de ± 3,1 °C. Il est à noter qu'ils veulent combiner la technologie de détection sans fil avec des matériaux imprimables pour atteindre une large gamme d'applications.

L'oxyde métallique est aussi un matériau actif important et a été largement utilisé dans les capteurs de température. Le coefficient de température de résistance élevé des matériaux d'oxyde métallique peut améliorer la performance de détection de température. La sensibilité thermique des semi-conducteurs d'oxyde métallique est un phénomène dans lequel le composé semi-conducteur change à différentes températures et la valeur de résistance change. Liao et al. [103] ont rapporté un capteur double-paramètre température/mécanique à haute sensibilité contenant le matériau thermosensible inorganique dioxyde de vanadium (VO₂), qui basé sur PET/dioxyde de vanadium fabriqué par la technologie d'impression par transfert (VO₂)/PDMS structure multicouche. La couche VO₂ déposée par la technologie de dépôt assisté par polymère (PAD) est gravée et attachée au film PDMS. Il peut détecter la température dans la plage de 270–320 K. La performance de détection de température avec une résolution de 0,1 K attribuée au CTR élevé du matériau VO₂. Afin de cartographier avec précision les changements de température de surface corporelle, Huang et al. [91] ont développé un processus d'impression par jet d'encre. En utilisant l'oxyde de nickel (NiO) pour générer une encre de nanoparticules stable sur le film PI. Le minuscule film carré de NiO est imprimé aux extrémités entre les pistes conductrices en argent pour fabriquer rapidement des capteurs de température. Il peut encore maintenir la performance sous le test de pliage et a une vitesse de réponse similaire à un thermocouple. La recherche extensive sur le métal et l'oxyde métallique a posé les bases pour l'application des matériaux métalliques dans le domaine des capteurs de température flexibles basés sur les propriétés thermiques des matériaux métalliques et a montré une exploration intéressante.

Polymères et Matériaux Organiques

Les polymères sont les matériaux les plus utilisés dans les capteurs flexibles. En plus d'être utilisés comme substrats ou agents actifs, les matériaux composites thermosensibles avec flexibilité mécanique, légèreté, transparence, performance stable, facile à traiter et faibles coûts de fabrication sont flexibles. L'application dans le capteur de température a attiré beaucoup d'attention. Les polymères thermosensibles souvent utilisés dans les capteurs de température incluent le poly(3,4-éthylène dioxythiophène)-poly(styrène sulfonate) (PEDOT:PSS) [16, 104,105,106], le poly(3-hexyl thiophène) (P3HT) [107], le polypyrrole (PPy) [57], le pentacène [101], le poly(N-isopropyl acrylamide) (pNIPAM) [108], le poly(fluorure de vinylidène) (PVDF) [109,110,111,112,113], etc.

Basé sur une stratégie de conception de circuit [114] qui peut améliorer la précision et la robustesse d'un capteur de température à nanotubes de carbone extensible, Zhu et al. [115] ont utilisé la technologie de lecture différentielle pour comparer la composition de la couche active sensible d'un capteur de température extensible basé sur les OTFT (voir Fig. 4a). Parmi eux, le Polystyrène-bloc-poly(éthylène-ran-butylène)-bloc-polystyrène (SEBS) avec azide-réticulé et le Poly(diketopyrrolopyrrole-[3,2-b]thieno[2′,3′:4,5]thieno[2,3-d]thiophène]) (PDPPFT4) et le Poly(isoindigo-bithiophène) (PII2T) ces deux semi-conducteurs organiques (OSC) sont mélangés et centrifugés sur le diélectrique de grille, les CNT sont utilisés comme électrodes, et la plage de mesure de température est de 25–55 °C. À l'intérieur, les coefficients de température des deux capteurs sont \(- \,2,89\% \,^{ \circ } {\text{C}}^{ - 1}\) et \(- \,4,23\% \,^{ \circ } {\text{C}}^{ - 1}\), respectivement. Lorsque la plage de contrainte uniaxiale est de 0–30 %, les erreurs sont < 1 °C et < 1,5 °C, respectivement, montrant davantage la faisabilité et la généralisabilité de la méthode de lecture différentielle et des OSC dans les capteurs extensibles. Yokota et al. [116] ont rapporté un capteur de température super-flexible de grande surface basé sur un matériau composite polymère acrylate semi-cristallin/graphite qui peut être mesuré à plusieurs points et peut être imprimé (en Fig. 4b). Entre 25 °C et 50 °C, il montre des changements de résistance notables à cette température, ce qui est approprié pour mesurer les changements de température physiologique du corps humain. Il a une stabilité de cycle thermique stable, la sensibilité jusqu'à 20 mK, et un temps de réponse à haute vitesse de moins de 100 ms. Dans les expériences in vivo, les changements stables de la température centrale des poumons du rat mesurés, mais la haute résolution du capteur s'est avérée être de 0,1 °C. Le réseau de capteurs basé sur les caractéristiques ci-dessus réalise la démonstration dynamique visuelle d'imagerie thermique du changement de température spatiale. Cependant, la perméabilité à l'air des composants du dispositif n'est pas correcte, et le port à long terme est l'un des problèmes à résoudre.

L'auto-alimentation en énergie a toujours été au centre de l'attention de nombreuses personnes [117]. La réalisation de l'auto-alimentation par des équipements flexibles réduira significativement le besoin des équipements en énergie externe, rendant les équipements flexibles plus portables et plus simples [118]. Parmi eux, les matériaux polymères thermoélectriques sont la réalisation de l'auto-alimentation requise. Yang et al. [107] ont développé un nanogénérateur thermoélectrique flexible (TENG) basé sur un matériau thermoélectrique composite propre formé par des nanofils de Te cultivés à température ambiante et le polymère poly(3-hexyl thiophène) (P3HT) (montré en Fig. 4c). Le TENG peut générer de l'électricité seulement avec une différence de température de 55 K. En raison des caractéristiques des matériaux thermoélectriques, le TENG peut être utilisé comme capteur de température flexible pour surveiller la différence de température de l'ensemble du dispositif, et utiliser la température corporelle humaine comme source d'énergie pour alimenter directement le capteur. La sensibilité de surveillance à température ambiante est de 0,15 K. De plus, ils ont également démontré un autre capteur de température auto-alimenté avec un temps de réponse de 0,9 s et un changement de température minimum de 0,4 K à température ambiante. La petite résolution de température fait que le dispositif capteur peut surveiller le changement de température du bout du doigt. L'auto-alimentation peut rendre les équipements de capteurs flexibles plus indépendants et réduire le poids. C'est aussi une possibilité pour le développement des capteurs flexibles à l'avenir (Tableau 2).

Les matériaux à faible coût, respectueux de l'environnement, faciles à obtenir et à traiter avec une excellente biocompatibilité ont toujours été une condition essentielle pour les êtres humains pour poursuivre afin de répondre continuellement à la production de masse [119]. Il existe un tel matériau biologique presque inépuisable – la cellulose, qui a d'excellentes propriétés. Son élasticité et d'autres avantages jouent aussi un rôle essentiel dans les dispositifs de capteurs flexibles et peuvent être utilisés comme substrat flexible. Le polypyrrole (PPy) est un polymère biocompatible linéaire avec une excellente stabilité électrochimique et une réponse rapide. Mahadeva et al. [57] ont rapporté une méthode basée sur l'adsorption induite par polymérisation in-situ qui combine la cellulose unique et le polypyrrole (PPy) d'épaisseur nanométrique aux excellentes propriétés électriques pour former un composite sensible à la température et à l'humidité. Le matériau utilisé pour fabriquer un capteur de température flexible respectueux de l'environnement, peu coûteux et biocompatible. En raison de la sensibilité des matériaux à l'humidité, à mesure que la température augmente, la capacitivité du capteur augmente aussi. Les hydrogels ont reçu une attention continue ces dernières années de recherche [120, 121]. En raison de sa bonne capacité d'auto-guérison, d'une excellente ténacité et extensibilité, et d'une adaptabilité biologique, il a suscité un grand intérêt de recherche dans les domaines d'application tels que l'électronique flexible, la surveillance de la santé et le diagnostic biomédical [122, 123]. Cependant, l'hydrogel ionique, en tant que bon conducteur d'ions, peut répondre à une variété de stimuli, les hydrogels avec une résistance mécanique faible et une sensibilité à la température réduite présentent des défis dans l'application des capteurs de température flexibles. Pour résoudre les inconvénients des hydrogels traditionnels, An et al. [121] ont proposé un hydrogel à double réseau (DN) ion-conducteur à double maillage avec d'excellentes propriétés d'auto-guérison des capteurs de température. Le processus d'auto-guérison des hydrogels DN est montré en Fig. 4d. L'ajout de nanotubes de carbone avec une haute conductivité thermique à l'hydrogel avec réticulation physique dynamique et réseau d'association hydrophobe à haute conductivité et réseau d'association ionique améliore la sensibilité à la température de l'hydrogel DN. Le capteur de température hydrogel linéaire peut parfaitement s'adapter à la surface d'objets complexes et produire des changements de résistance sensibles. La recherche et le développement de ce matériau élargissent l'application des hydrogels dans les domaines de la biomédecine et de l'électronique flexible.

Dans les recherches récentes, le PEDOT:PSS est un nouveau type de polymère conducteur organique qui est souvent utilisé dans les capteurs de température flexibles imprimables [124]. En général, le PEDOT:PSS a les avantages d'une haute conductivité (\(10^{3} \,{\text{S}}\,{\text{cm}}^{ - 1}\)), d'excellentes performances thermoélectriques [125,126,127,128], d'une forte stabilité [123, 129], et de transparence lorsqu'il est dopé [60]. La plupart des polymères sont des semi-conducteurs de type p. En ajoutant certains solvants, tels que le sulfoxyde de diméthyle (DMSO) [130] ou des composés organiques polyhydroxylés, tels que l'éthylène glycol [131], le taux de conductivité du polymère peut être augmenté des dizaines de fois ou même des centaines de fois. Harada et collègues ont utilisé différents rapports composites de CNT et de solutions conductrices PEDOT:PSS pour produire une série de films composites thermosensibles avec une sensibilité à la température dans \(0,25 - 0,78\% \,^{ \circ } {\text{C}}^{ - 1}\) par divers processus d'impression [11, 132,133,134]. La performance de détection est meilleure que le capteur de température métallique typique. Certains des dispositifs ont présenté une résolution de température corporelle proche de moins de 0,1 °C ou un temps de réponse rapide de 90 ms. L'équipe de recherche a utilisé diverses méthodes d'impression pour créer une variété de capteurs de température flexibles avec différentes structures et performances exceptionnelles, en plus d'enrichir les applications des capteurs de température flexibles dans le médical et la santé, les dispositifs portables. Ont aussi déclenché la réflexion de tous sur les capteurs flexibles imprimables. Les détails de fabrication des capteurs de température flexibles imprimables seront développés dans l'unité suivante. En plus de changer le rapport composite qui affectera la performance du film composite, l'amélioration structurelle optimisera aussi les propriétés du même film composite. Comme montré en Fig. 4e, Oh et al. [108] ont démontré un matériau biologique fait par un processus de décollement photolithographique et un processus de centrifugation, imitant inspirativement la structure d'adhérence de la ventouse de pied de pieuvre. C'est un capteur de température résistif à haute sensibilité composé d'hydrogel thermosensible poly(n-isopropyl acrylamide) (pNIPAM), PEDOT:PSS et CNT. Le dispositif a une sensibilité de \(2,6\% \,^{ \circ } {\text{C}}^{ - 1}\) dans la plage de température de 25–40 °C, et peut détecter avec précision les changements de température de la peau de 0,5 °C. En raison de la microstructure similaire à la ventouse et de sa viscosité, le dispositif a un certain degré de résistance au pliage, non irritant, durable et réutilisable.

Le transistor à effet de champ nanocomposite transparent et extensible basé sur le fluorure de polyvinylidène (PVDF) et son copolymère fluorure de polyvinylidène (P(VDF-TrFE)) avec une haute stabilité, de fortes propriétés mécaniques et une faible distorsion, est souvent utilisé dans la détection de pression, la détection de contrainte et les dispositifs de détection de lumière infrarouge (IR) [135, 136]. Intéressant, les chercheurs ont trouvé que ce type de dispositif est aussi hautement réactif au rayonnement infrarouge du corps humain, donc il est prévu d'être utilisé pour surveiller les changements de température physiologique du corps humain [137]. Trung et collègues, basés sur l'expérience de recherche précédente [113, 138], utilisent la couche active de détection composite rGO/(P(VDF-TrFE)) comme canal par un simple processus de centrifugation, intégré PEDOT:PSS peut fabriquer un capteur de température à transistor à effet de champ (FET) flexible ajustable [139]. La réponse de température et la transparence du film peuvent être ajustées en changeant la concentration de rGO et l'épaisseur du film composite (Fig. 5a). Le capteur peut surveiller les changements de température de 30 à 80 °C. Avec une résolution de 0,1 °C et une capacité de surveillance, et une réponse thermique super élevée, l'excellente performance de détection de température vérifie la faisabilité de l'application des matériaux polymères pyroélectriques dans le domaine des capteurs de température à noyau souple. De même, Tien et al. [112] afin de réaliser que le capteur peut collecter les signaux de pression et de température sans interférence mutuelle, ils ont proposé l'utilisation de la plateforme de détection à transistor à effet de champ (FET) pour changer le matériau de la couche sensible de réponse, basé sur leur recherche précédente, ils ont conclu qu'un mélange de fluorure de polyvinylidène (P(VDF-TrFE)) et de nanoparticules (NPs) de BaTiO₃ (BT) est utilisé comme piézoélectrique (voir Fig. 5b), diélectrique de grille pyroélectrique et pentacène sont utilisés comme canal semi-conducteur organique pour la résistance thermique de pression directement intégrée dans la plateforme FET lorsque le capteur flexible est sous plusieurs stimuli, il découple le signal de sortie et minimise l'interférence de signal de couplage de contrainte. Le capteur FET peut présenter disproportionnellement la contrainte et la température en même temps. Le réseau de capteurs FET peut aussi répondre visuellement aux stimuli, exhibant les avantages de faible consommation d'énergie et de faible taux d'échec, ce qui montre une possibilité pour l'application de capteurs flexibles multi-modaux de grande surface dans le domaine de la peau électronique à l'avenir. Les dispositifs OFET flexibles multi-paramètres qui peuvent être imprimés et fabriqués en grande surface ont un excellent potentiel d'application dans la surveillance biomédicale, l'imagerie infrarouge et la peau électronique.

En plus de la méthode de découplage pour réduire ou éliminer l'interférence de signal, afin de résoudre le problème d'interférence mutuelle des signaux de capteurs flexibles multi-paramètres, Lee et al. [110] ont proposé une méthode d'inférence de température basée sur le temps de récupération du signal de changement de résistance, de sorte que la nanostructure de semi-conducteur oxyde de zinc (ZnO) est mélangée dans le substrat fluorure de polyvinylidène (PVDF) comme charge (comme montré en Fig. 5c) pour faire une couche sensible multifonctionnelle hautement sensible qui peut collecter les signaux de température et de pression en même temps. Parmi eux, le semi-conducteur ZnO peut augmenter la constante diélectrique du PVDF, et il a aussi une stabilité thermique. Zhang et al. [23] ont rapporté un capteur flexible double-paramètre basé sur un matériau thermoélectrique organique auto-alimenté à microstructure-supportée (MFSOTE). La Fig. 5e montre les matrices MFSOTE flexibles. En convertissant les changements de signal causés par la stimulation de température et de pression en deux signaux électriques indépendants, la température et la pression sont détectées simultanément. Ce matériau unique montre d'excellentes caractéristiques de détection de température. La plage de température de surveillance est de 25–75 °C, la résolution peut atteindre < 0,1 K, le temps de réponse sous une différence de température de 1 K est < 2 s, et il peut aussi être ajusté selon différents substrats pour répondre aux besoins de détection.

Fabrication

Avec les exigences croissantes de flexibilité, multi-fonction, fabrication simple et haute sensibilité des dispositifs électroniques, l'exploration et la découverte de méthodes de fabrication de capteurs flexibles avec légèreté, processus simple, faible coût et fabrication de grande surface ont toujours été ce que les chercheurs recherchent [140]. Cette section résume principalement les stratégies de fabrication de capteurs de température flexibles récemment rapportées et réalisables et discute les processus clés pour améliorer leur performance.

Dépôt de film mince

La méthode de préparation de film mince peut être divisée en dépôt en phase vapeur et dépôt en phase selon la phase du matériau utilisé. Le dépôt en phase inclut les procédés de centrifugation et d'impression par jet d'encre mentionnés plus tard. En revanche, le dépôt en phase vapeur dépend de savoir si le processus de dépôt contient le processus de réaction chimique divisé en dépôt physique en phase vapeur (PVD) et dépôt chimique en phase vapeur (CVD).

Le PVD consiste à déposer des atomes générés par des méthodes physiques sur un substrat sous conditions de vide pour former un film mince, généralement utilisé pour préparer des électrodes ou des couches actives métalliques [141, 142]. Les méthodes de dépôt courantes incluent l'évaporation sous vide, la pulvérisation sous vide et le placage ionique. Parmi eux, la pulvérisation ionique de cible métallique fait référence au conteneur sous vide, sous l'action d'une haute tension de 1500 V, les molécules de gaz résiduelles sont ionisées pour former un plasma, et les cations bombardent la cible métallique sous l'accélération du champ électrique, causant l'éjection d'atomes métalliques sur la surface de l'échantillon pour former un film conducteur [143]. Ahmed et al. [144] ont introduit un capteur de température Si basé sur un substrat PI flexible. Ils ont déposé du silicium amorphe non dopé comme matériau de détection entre les électrodes métalliques formées par pulvérisation magnétron à radiofréquence et les ont encapsulés. Finalement, l'élément de détection de température est intégré dans le film de polyimide flexible, et la performance de détection n'est pas affectée. Le CTR maximal à 30 °C est \(0,0288\,{\text{K}}^{ - 1}\). Webb et al. [145] ont introduit deux méthodes de fabrication de capteurs ultra-minces, semblables à la peau, qui s'auto-assemblent sur la surface de la peau sous forme de réseau pour fournir une surveillance thermique claire et précise. Une structure est composée d'un réseau de capteurs de température, la couche sensible formée par la structure de trace serpentine de la couche Cr/Au déposée sur le film PI par la méthode de dépôt par évaporation métallique, la technologie de microlithographie et la technologie de gravure humide, et la gravure ionique réactive et le dépôt métallique pour les contacts et interconnexions complètent le réseau. Une autre structure de capteur utilise l'adressage multiplexé pour former un design de capteur à diode PIN dopé de nano-film de Si. La couche sensible est définie par l'évaporation métallique, la photolithographie, le dépôt chimique en phase vapeur et les étapes de gravure humide. Les deux réseaux sont montrés en Fig. 6a. Le chlorure de phthalocyanine d'aluminium (AlPcCl) est souvent utilisé comme matériau pour les cellules solaires et les capteurs d'humidité. Sous le développement de l'étude de Chani et al. [146] AlPcCl est utilisé comme thermistance et déposé sur une électrode d'aluminium sur un substrat de verre en utilisant un évaporateur thermique sous vide. Les auteurs ont trouvé que le film AlPcCl a une sensibilité plus élevée à la température à 25–80 °C, et le recuit peut améliorer la performance de détection. Dans un capteur de température flexible développé par Bin et al. [6] qui utilise des résistances Pt comme matériau thermosensible, le Pt est évaporé sur la couche Al déposée sur le film PI centrifugé, et la couche Pt est structurée comme couche sensible, est centrifugée et encapsulée avec du matériau polyimide. Après traitement à l'acide chlorhydrique, un capteur de température flexible complet est décollé, qui peut être utilisé pour mesurer la température de surface d'objets dans le domaine biomédical.

Comparé aux autres procédés de préparation de film mince, la méthode de dépôt chimique en phase vapeur peut atteindre des films minces de haute pureté et haute qualité. Il peut être structuré et contrôlé au niveau de la couche atomique ou nanométrique [147,148,149]. Le processus de synthèse du film GNWs sur feuille de cuivre par la technologie de dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma radiofréquence à basse pression (RF-PECVD). Yang et al. [86] ont développé un capteur de température flexible basé sur GNWs/PDMS. Le processus de fabrication est montré en Fig. 6b. Ils ont vérifié que GNWs est faisable comme couche active d'un capteur de température, et sa performance de réponse thermique dépasse celle d'un capteur de température métallique traditionnel. Comparé à la technologie CVD traditionnelle, l'utilisation de la technologie PECVD [150] sous des conditions de basse température et basse pression peut efficacement améliorer le taux de dépôt et la qualité du film. Dans une autre étude, Zhou et al. ont utilisé la méthode de dépôt chimique en phase vapeur à catalyseur flottant (FCCVD) [151] pour synthétiser directement le film SWCNT original avec une épaisseur contrôlable. Le réseau continu de CNT cultivé par cette méthode a une conductivité significative et un coefficient Seebeck favorable élevé. Après le transfert du film SWCNT original sur le substrat PET, déposer la solution d'éthanol de polyétherimide (PEI) ramifié, et sécher pour obtenir un film SWCNT de type n qui peut être utilisé dans la fabrication de modules thermoélectriques flexibles. Bien que le CVD puisse atteindre le dépôt de tout matériau sur tout substrat, alors que la demande pour une technologie de fabrication de nanodispositifs simple, peu coûteuse et de grande surface continue de croître, les processus de croissance CVD complexes, coûteux et toxiques et le processus de gravure chronophage sont remplacés par des technologies de fabrication de dispositifs électroniques flexibles plus appropriées [58].

Fabrication à motifs micro-nano

Le structuration de film mince est l'une des technologies de base de la fabrication d'électronique flexible. Elle suit l'idée de base de l'enlèvement de matériaux de haut en bas ou de l'ajout de matériaux de bas en haut dans l'industrie de la fabrication. Ses technologies clés sont la fabrication de film mince, la structuration, le transfert, la réplication, la fidélité et autres métiers. L'électronique flexible nécessite une technologie de structuration de grande surface, basse température, faible coût. Apprise de la technologie de structuration de la microélectronique et des dispositifs micro-électromécaniques. Cependant, en même temps, nous devons considérer les caractéristiques des dispositifs électroniques flexibles tels que les substrats flexibles, les matériaux organiques et les grandes surfaces. Les technologies de structuration actuellement disponibles pour les capteurs de température flexibles incluent la lithographie, l'impression, la gravure douce, le nanoimprimage, l'impression par jet d'encre, le frittage laser, l'impression par transfert, l'écriture nano-directe [152] et d'autres processus.

La lithographie est une méthode de structuration pour réaliser diverses figures géométriques ou structures ingénieuses dans l'électronique flexible. Le processus de photolithographie implique le transfert du motif sur le masque photographique vers le substrat en utilisant le photorésistif avec différentes sensibilités et réactions physiques et chimiques sous la lumière. Le processus de photolithographie utilise généralement le photorésistif sur un isolant (généralement une tranche de silicium) pour structurer le motif ou la structure requis après centrifugation, et le réaliser davantage par un processus de décollement [153, 154]. En raison du processus de photolithographie et du processus de décollement, une haute précision d'alignement et de gravure, une production de masque simple et des conditions de processus confortables peuvent généralement atteindre des systèmes de microstructure de haute précision et riches en caractéristiques. Dans l'application de suture ultra-fine avec capteur de température intégré et actionneur thermique développé par Kim et al. [155], ils ont utilisé la technologie de photolithographie pour micro-traiter l'équipement, et l'équipement médical flexible fabriqué a une performance thermique stable. La technologie de lithographie limitée par la nécessité de matériaux disponibles et d'équipements de précision. L'épaisseur des matériaux et films minces traitables est limitée. Elle n'est pas adaptée aux processus de fabrication de dispositifs qui nécessitent une grande quantité de matériaux actifs. Yang et al. [156] ont proposé un capteur de température micro-implantable flexible, et ont utilisé la microlithographie de surface pour graver le capteur de température micro-flexible sur la surface externe du capillaire polymère (Le diagramme du principe de détection du thermomètre miniature est montré en Fig. 6c). En utilisant le Pt comme matériau sensible a une bonne linéarité, et il a un avenir prometteur en tant que capteur de température implantable dans le domaine biomédical. Cependant, cette technologie est la fondation de l'industrie de la microélectronique et a ouvert l'ère de l'électronique flexible portable.

Avec le développement de la science et de la technologie, le processus d'impression s'est étendu du domaine traditionnel du texte et de l'image au domaine de la structuration de structure micro-nano. La technologie peut déposer divers matériaux sur divers substrats, et le processus d'impression n'est pas dur pour l'environnement. En résumé, la technologie d'impression comprend la typographie, la lithographie, l'héliogravure, l'impression sérigraphique, et a évolué vers la gravure douce [158, 159], l'impression par transfert, le nanoimprimage et d'autres méthodes. Selon la méthode de mise en œuvre spécifique, le capteur portable peut distinguer la partie imprimée de la non-imprimée avec l'aide du masque. Dans l'impression par masque, le motif à transférer doit être conçu à l'avance et puis formé à travers le masque. Le matériau fonctionnel actif peut être directement transféré vers le substrat ou l'électrode par le processus d'imprégnation d'encre fonctionnelle [160]. L'impression sérigraphique est une technique typique d'impression par masque [161]. Dans le processus d'impression par pression absolue, l'encre fonctionnelle est transférée vers le substrat à travers une raclette avec un maillage structuré pour former un motif. La méthode d'impression unique permet à l'impression sérigraphique d'atteindre les exigences de fabrication rapide, de grande surface et à faible coût sur des surfaces planes ou courbes. Elle a été largement utilisée dans la fabrication de circuits de travail de capteurs, d'électrodes et d'éléments de détection de capteurs. Comparé à la technologie de photolithographie, l'impression sérigraphique peut produire des motifs sur divers matériaux. Cependant, sa résolution de motif ne peut pas répondre aux exigences de formes géométriques complexes et n'est adaptée que pour faire des motifs avec des formes simples. Yokota et al. [116] ont mélangé et brassé une variété de polymères semi-cristallins avec du graphite pour former un copolymère thermosensible super-flexible pour les capteurs de température flexibles pour la surveillance de la température physiologique humaine. L'élément de capteur de température super-flexible est imprimé par impression par masque en sandwichant le copolymère mélangé avec charge de graphite entre deux électrodes d'or interdigitales déposées sur le film PI et puis formant par pressage à chaud. Yan et al. [58] ont utilisé une méthode d'impression par filtration sous vide à plat pour déposer le graphène à travers un masque, le filtrer sous vide, et le transférer sur le substrat pour former une structure de motif plié tridimensionnel produisant du graphène extensible avec un indice thermique variable. Le thermistance augmente la surface de détection et l'extensibilité du capteur. Le motif de matériau sensible pré-conçu extensible peut encore maintenir une surveillance sensible de la température lorsqu'il est étiré à moins de 50 %. Pour atteindre la fabrication économique de capteurs avec une plus grande surface, Harada et collègues ont abandonné les processus de fabrication complexes et coûteux (tels que le dépôt et la photolithographie). Ils ont choisi de fabriquer une série de capteurs flexibles multifonctionnels en utilisant seulement des processus d'impression. L'encre composite PEDOT:PSS/CNT imprimée sur le circuit formé par impression sérigraphique sur le substrat PET à travers un masque d'ombre, et il y a des trous après l'écriture laser (LS) pour combiner avec la couche inférieure de PDMS. La structure de type empreinte digitale (voir en Fig. 6d) est combinée avec la couche de capteur de contrainte imprimée par sérigraphie pour former un réseau de capteurs flexibles. La déformation et la différence de température causées par les contacts de contact atteignent une performance de surveillance humaine. Dans une autre étude, aussi en utilisant la technologie d'impression complète, Kanao et al. [134] ont proposé un réseau de capteurs flexibles multifonctionnels basé sur une structure de poutre en porte-à-faux (Fig. 6e). Ils ont placé des capteurs de contrainte et des capteurs de température sur un circuit imprimé par sérigraphie flexible. Des deux côtés du substrat PET, un masque d'ombre structuré avec un capteur de température flexible (encre composite PEDOT:PSS/CNT) imprimé sur les contacts électriques du circuit imprimé sur l'écran. Le réseau de capteurs entièrement imprimé utilisé pour imiter les caractéristiques de détection de la peau humaine. Lorsque la structure de poutre en porte-à-faux est contrainte, la source de chaleur est plus proche du capteur de température sur la surface inférieure du substrat pour surveiller les changements de température plus précisément.

L'impression par transfert est une méthode d'impression où la structure concave ou convexe de surface structurée est transférée vers le substrat récepteur à travers un tampon non structuré. Le principe de base est d'utiliser la viscosité différente de la couche d'impression par rapport au tampon et au substrat pour réaliser le transfert de motif [162,163,164,165]. Il y a deux types d'impression par transfert : l'impression par transfert direct et l'impression par transfert indirect. Dans la fabrication de capteurs de température flexibles, le second est souvent utilisé, c'est-à-dire l'utilisation d'un film pré-structuré pour transférer vers le substrat récepteur. Dans la revue précédente, de nombreux exemples de matériaux organiques comme couches sensibles sont mentionnés, mais peu de matériaux inorganiques sont utilisés comme matériaux thermosensibles. Il est à noter que Liao et al. [103] ont rapporté un capteur double-paramètre température/mécanique à haute sensibilité contenant le matériau thermosensible inorganique dioxyde de vanadium (VO₂), qui basé sur PET/dioxyde de vanadium fabriqué par la technologie d'impression par transfert (VO₂)/PDMS structure multicouche. La couche VO₂ déposée par la technologie de dépôt assisté par polymère (PAD) est gravée et attachée au film PDMS. Après étirement, des fissures de type toile d'araignée nano se forment, et puis la couche est pressée sur le substrat PET flexible. Il peut détecter la température dans la plage de 270–320 K. La performance de détection de température avec une résolution de 0,1 K attribuée au CTR élevé du matériau VO₂. Le signal de température collecté et le signal mécanique sont séparés par la différence de l'algorithme pour atteindre la surveillance simultanée de l'effet des changements de température et mécaniques. Afin de résoudre le problème d'extensibilité insuffisante du capteur de température flexible, Yu et al. [99], basés sur la technologie d'impression par transfert, ont inventé un dispositif flexible qui peut maintenir la performance du capteur même lorsque le dispositif flexible est étiré ou compressé de 30 %. Ils ont utilisé la couche Au/Cr comme thermistance pour structurer sur SOI à travers la technologie de photolithographie standard. La couche thermosensible décollée a adhéré à travers un tampon PDMS flexible, et puis transférée et imprimée sur un substrat PDMS flexible pré-étiré pour libérer le substrat. Le processus de fabrication formant un capteur de température flexible extensible, comme montré en Fig. 7a.

L'impression par jet d'encre est une technologie de fabrication de film mince précise, rapide et reproductible, qui a été largement utilisée dans le développement de capteurs. Comparé aux autres méthodes d'impression, l'impression par jet d'encre a les avantages de commodité, flexibilité, rapidité, faible coût, compatibilité, précision, etc. [166,167,168]. Les motifs d'impression par jet d'encre doivent être post-traités (séchage, durcissement, frittage, etc.) pour être pleinement formés. Améliorer la performance des motifs imprimés en convertissant les nanoparticules d'encre en matériaux continus. Les propriétés de la tension de surface et de la viscosité de l'encre pendant le processus d'impression, la qualité du motif imprimé place aussi des exigences élevées sur la performance de l'équipement de jet d'encre [97]. Sous la condition d'une taille spécifique du substrat, la longueur de la piste conductrice formée aussi longue que possible, et l'épaisseur, la largeur et l'espacement de la piste sont raisonnables. Des expériences répétées obtiennent le coefficient d'éjection du système de jet d'encre. Par exemple, Dankoco et al. [102] ont utilisé la méthode d'impression par jet d'encre pour déposer une encre composite avec l'argent comme composant principal sur le film PET pour faire un capteur de température flexible et pliable. Le circuit sur le substrat est clair et lisse, et les gouttes d'encre sont cohérentes, utilisé pour mesurer la température corporelle humaine. L'image montre le processus de fabrication de la matrice de capteurs de peau électronique multifonctionnelle extrêmement sensible et transparente développée par Oh et al. [108] Le réseau flexible a la fonction de surveiller la température, l'humidité et la contrainte. Il peut ressentir des sensations, telles que la respiration et le toucher. Le GO et le rGO, qui sont utilisés comme matériaux de détection d'humidité et de température, sont pulvérisés sur le substrat PDMS du circuit de graphène cultivé par la méthode CVD à travers la technologie d'impression par jet d'encre à travers un masque. Les deux capteurs sont alignés horizontalement et verticalement, et le capteur de température est sur la couche inférieure (comme montré en Fig. 7b). Après stratification croisée, un capteur de contrainte de pression PDMS/graphène est formé. En tant que capteur flexible multifonctionnel, il peut collecter en même temps mais répondre indépendamment à un signal unique. Le graphène imprimé par jet d'encre est sept ordres de grandeur plus élevé que le graphène cultivé par CVD. Les avantages de performance se reflètent dans de nombreux articles, et certains résultats de recherche sont meilleurs que les produits de graphite faits par CVD. L'impression par jet d'encre et l'impression sérigraphique sont toutes deux des moyens techniques rapides et à faible coût pour réaliser la fabrication de capteurs de grande surface. Zirkl et al. [169] ont combiné les deux technologies de fabrication rapides pour créer un réseau de capteurs flexibles entièrement imprimé qui utilise plusieurs sérigraphies. Dans l'impression sérigraphique et l'impression par jet d'encre, seulement cinq encres fonctionnelles utilisées pour intégrer facilement plusieurs composants électroniques fonctionnels (incluant les capteurs sensibles à la pression et à la température, les affichages électrochromiques et les transistors organiques) sur le même substrat flexible (en Fig. 7c). Parce que la vitesse de fabrication et le faible coût du processus peuvent aussi être appliqués au réseau de capteurs intelligents utilisant le processus de fabrication rouleau-à-rouleau (R2R) à l'avenir. Le développement d'un système de peau électronique jetable (EES) est particulièrement critique. Similaire à l'exemple précédent. Vuorinen et al. [56] ont introduit un capteur de température similaire à un pansement après impression par jet d'encre. Le capteur utilise l'encre composite graphène/PEDOT:PSS et l'impression faite sur le matériau PU adapté pour la peau. En particulier, en plus de pouvoir atteindre une sensibilité supérieure à 0,06 % \(^{ \circ } {\text{C}}^{ - 1}\), ils ont utilisé des imprimantes à jet d'encre pour effectuer l'impression par jet d'encre en motif serpentine entre l'argent imprimé par sérigraphie avec une haute résolution (1270 ppp) améliorant le manque d'impression par jet d'encre pour imprimer des graphiques complexes tels que les serpents. Avec l'utilisation et la recherche de la technologie à jet d'encre dans l'électronique flexible, la technologie de contrôle des buses et des encres s'améliore aussi. Comparé au processus de fabrication rapide de l'impression sérigraphique, l'impression par jet d'encre a besoin de passer par un processus de débogage, et la vitesse d'impression n'est pas aussi bonne que l'impression sérigraphique. Aussi, le petit nombre de buses fonctionnant simultanément et le taux d'échec élevé des buses limitent la technologie de fabrication par jet d'encre aux laboratoires, et les exigences de fabrication de grande surface de la production industrielle ne peuvent pas être atteintes.

La technologie d'écriture directe laser (LDW) utilise des calculs pour concevoir des motifs pré-conçus. Elle utilise directement l'ablation par faisceau laser sans masquage et dépôt sous vide. Elle peut compléter directement le transfert de motif sur la surface du matériau de substrat, avec une bonne sélectivité spatiale et une vitesse d'écriture directe élevée et une précision de traitement, cycle court, haute utilisation des matériaux et faible pollution. Comparé aux thermistances de température traditionnelles qui nécessitent une haute température et une variété de processus complexes pour activer la fonction de détection, la LDW peut atteindre un recuit sélectif sur un motif pré-défini. Un nouveau frittage de réduction induit par laser intégral par Shin et al. [170] Le schéma de fabrication de frittage de réduction induit par laser (m-LRS) peut aussi réduire les NPs d'oxyde métallique pendant le processus de recuit. Gratter l'encre NiO NPs sur un substrat PET fragile, et utiliser la technologie m-LRS pour réduire directement le NiO pour structurer une électrode Ni linéaire pour former une structure hétérostructurale planaire Ni–NiO–Ni (comme montré en Fig. 8a). La méthode unique de fabrication d'un système complet de capteur de température flexible composé d'électrodes Ni et de canaux de détection NiO à partir d'un seul matériau NiO NPs fournit une nouvelle idée pour la fabrication rapide de capteurs de température flexibles. Différent des réseaux de capteurs entièrement imprimés précédemment conçus et fabriqués, Harada et al. [11] ont proposé une méthode plus directe de fabrication en masse de capteurs de température flexibles basée sur la recherche précédente. L'encre composite de détection de température flexible imprimée sur le substrat, utilisant le laser pour graver directement la partie excédentaire, laisse le motif conçu sur le substrat et complète la fabrication du réseau de capteurs de température. Couper la base pour imiter les moustaches de l'animal pour créer une structure de moustache électronique artificielle (e-whisker) (Fig. 7d), capteur de contrainte formé par stratification sérigraphique. Les réseaux de capteurs biomimétiques peuvent scanner et percevoir des objets tridimensionnels en utilisant les avantages structurels.

Sous la prémisse de réaliser une fabrication à faible coût et de grande surface, les équipements de surveillance intelligents jetables permettent non seulement au comportement de surveillance d'être utilisé n'importe quand et n'importe où, mais assurent aussi la sécurité et l'hygiène des équipements de surveillance flexibles. Gong et al. [171] ont proposé une méthode de fabrication stylo-sur-papier qui utilise un pinceau pour écrire ou un masque pour l'encre conductrice de nanoruban de graphène (GNR) goutté entre les électrodes de nanotubes de carbone sur la base de papier. Montré en Fig. 8b. Le capteur de température flexible fabriqué après encapsulation avec du ruban adhésif transparent. Dans leur recherche, les GNR ont d'excellentes performances de détection et répondent aux exigences pour la surveillance de la température corporelle. La méthode de fabrication fournit un support fiable pour l'application d'équipements flexibles jetables rapides et de grande surface.

Autres Méthodes de Fabrication Couramment Utilisées

La centrifugation de la couche de base, de la couche active et de la couche d'encapsulation couche par couche est une façon courante de fabriquer des capteurs de température flexibles par la méthode de phase liquide. La technologie de centrifugation est souvent utilisée pour la fabrication de substrat et la protection d'encapsulation. Pour les matériaux sensibles de type solution, la centrifugation est utilisée. Le revêtement peut non seulement améliorer significativement l'efficacité de production mais a aussi un excellent potentiel pour la fabrication de grande surface. Kim et al. [172] ont démontré le processus de fabrication d'un réseau de transistors à effet de champ organiques (OFET), en utilisant un processus de centrifugation pour concevoir une microstructure sur un moule avec un matériau P(VDF-TrFE) cristallisé comme diélectrique de grille et d'autres matériaux. L'emballage de matériaux forme des OFET, et l'introduction de microstructures améliore la performance de détection. Le processus de fabrication du capteur de température flexible de la structure biomimétique [108]. La couche adhésive de la structure de ventouse de pied de pieuvre biomimétique est fabriquée par un processus de centrifugation, combiné avec la technologie de décollement photolithographique et la technologie de moule inversé (en Fig. 8e). Il a un excellent effet de surveillance de température, et les matériaux utilisés performent aussi bien en termes de biocompatibilité humaine. Liu et al. [87] Après traitement d'ionisation de surface sur le substrat, l'électrode flexible a été imprimée par sérigraphie, et puis la couche sensible rGO a été connectée au fil flexible par la méthode de fabrication de revêtement par pulvérisation d'air, et la structure principale du capteur flexible thermosensible a été formée après encapsulation (voir en Fig. 8c). Il est possible de faire des peaux de robots. Huang et al. [68] ont fabriqué un capteur de température avec flexibilité, haute résolution et haute répétabilité dans la plage de température de 25–42 °C. Ils ont déposé la solution composite PEO1500/PVDF/Gr après brassage et traitement ultrasonique sur un substrat flexible de polyimide. Elle a été centrifugée à une certaine vitesse pour former une couche. Elle l'a encapsulée dans un capteur de température, ce qui a vérifié la possibilité et la faisabilité du sens de transmission de la température corporelle médicale. La technologie de centrifugation en tant que processus de fabrication efficace pour les dispositifs portables a aussi été introduite dans la recherche de Wu et al. [173]. Ils ont conçu un transistor à film mince organique avec capacité de détection de chaleur. Astucieusement à travers la solution unique de composite polylactide tridimensionnel à trois bras, acide polylactique (tascPLA) est centrifugée sur l'électrode de grille Au évaporée sur le substrat Si. Ensuite, la source Au et le drain sont déposés dessus par une méthode d'évaporation thermique. Le film composite contenant tascPLA sert aussi de diélectrique de grille OFET et de matériaux de substrat. Dans l'électronique flexible, il n'y en a pas peu qui utilisent le tissu comme support de l'élément de détection. Le trempage de fil/tissu conducteurs dans l'encre conductrice est la technologie de revêtement la plus couramment utilisée pour les capteurs flexibles. Le développement de tissus conducteurs fournit un prérequis raisonnable pour l'application de tissus intelligents. Sibinski et al. [111] ont développé un capteur de température qui surveille la plage de température de 30–45 °C. De plus, il réalise actuellement la miniaturisation filamenteuse sur un seul fil. En Fig. 8d montré, la fibre monofilament PVDF est enduite de composé polymère PMMA mélangé avec des nanotubes de carbone à parois multiples (MWCNT) comme couche thermosensible par la technologie de trempage a une bonne sensibilité à la température et une répétabilité extrêmement élevée. Il est utilisé comme tissu facilement intégré dans les vêtements tricotés. Une autre méthode, basée sur les propriétés de moulage des matériaux organiques, est aussi utilisée pour fabriquer des structures de membrane de capteurs flexibles ou pour fabriquer des échantillons pour tester la performance de détection. Le processus de fabrication du nanogénérateur thermoélectrique (TENG) étudié par Yang et al. [107] La méthode de film par coulée, après comparaison, rejette le matériau PEDOT:PSS, qui a un effet de coulée faible et est facile à casser, non seulement le mélange de nanofils de Te et de polymère P3HT dans une solution de chlorobenzène est coulé sur le substrat flexible Kapton pour faire un film composite, le matériau composite est aussi coulé sur le tissu blanc, qui a aussi une capacité de détection de température apparente et une performance thermoélectrique, qui peut être utilisée dans les collecteurs de chaleur portables. Des méthodes de fabrication riches et diverses posent les bases pour le développement de l'électronique flexible. Sous les exigences de production à grande échelle et de grande surface, la technologie de fabrication appropriée se développe aussi continuellement. À l'avenir, des dispositifs flexibles portables parfaits sont attendus.

Résultats et Discussion

Paramètres Clés des Capteurs de Température Flexibles

Le capteur de température flexible peut être attaché au corps humain pour surveiller les changements subtils de température à la surface du corps humain ou la surveillance de température en temps réel de parties spécifiques, et même la température du noyau ou des tissus et organes dans le corps. Ils répondent aux changements de température en changeant la résistance et sortent les changements de température sous forme de signaux électriques. Avec la demande croissante pour les dispositifs électroniques flexibles, les inconvénients des capteurs de température traditionnels, tels que la mauvaise extensibilité, l'incapacité à transporter et la mauvaise performance en temps réel, deviennent de plus en plus inadaptés aux dispositifs portables flexibles. Aujourd'hui, les capteurs de température flexibles sont requis pour avoir une haute performance, telle que haute sensibilité, temps de réponse rapide, plage de test raisonnable, haute précision et haute durabilité pour mieux réaliser la fonction de surveillance.

Sensibilité

La sensibilité du capteur fait référence au rapport du changement ∆y de la réponse du système sous conditions statiques au changement d'entrée correspondant ∆x, c'est-à-dire le rapport des dimensions de sortie et d'entrée. Lorsque les dimensions de sortie et d'entrée du capteur sont les mêmes, la sensibilité peut être comprise comme le grossissement [21, 174, 175]. Le coefficient de température de résistance CTR (CTR, en \(^{ \circ } {\text{C}}^{ - 1}\)) du capteur de température flexible de type résistance courant est exprimé dans l'expression suivante, \(\Delta R/R_{0} = s\left( {T - T_{0} } \right)\), est le changement de résistance relatif (\(\Delta R/R_{0}\)) en fonction de la température, où \(s\) représente le CTR. Si la sortie et l'entrée du capteur montrent une relation linéaire, la sensibilité est constante [83]. Sinon, elle changera avec la quantité d'entrée. En général, en augmentant la sensibilité, une précision de mesure plus élevée peut être obtenue. La plupart des capteurs flexibles utilisés pour la surveillance de la température corporelle ne font attention qu'aux changements de température dans les 10 °C et nécessitent donc une haute sensibilité à la température pour capturer des changements de température relativement petits. Ici, plusieurs méthodes et concepts typiques pour améliorer la sensibilité des capteurs de température flexibles sont résumés pour fournir une référence favorable pour de futures améliorations.

La performance de détection des capteurs de température flexibles est généralement étroitement liée aux propriétés des matériaux. Une façon possible de réaliser le développement de capteurs sensibles est d'adopter des matériaux composites avec une performance thermique visible. Après stimulation thermique, le réseau conducteur interne changera, ce qui affectera la sensibilité à la température du dispositif. Pour améliorer la sensibilité à la température du matériau actif, une stratégie qui convertit les fluctuations de température en déformation mécanique est adaptée pour amplifier la réponse du réseau conducteur aux changements de température. Le matériau thermosensible est connecté à un substrat avec un coefficient de dilatation thermique positif élevé pour améliorer la déformation d'induction thermique. Cette méthode a des applications dans les capteurs faits de graphène, graphite et nanofeuilles de graphène. Par exemple, dans le capteur de température flexible conçu et fabriqué par Huang et al. [68], le Gr établit un chemin conducteur dans le matériau composite binaire PEO/PVDF. Dans le processus montré en Fig. 9b. Le changement de température fera transformer le PEO de cristallin à amorphe, et fondra lorsque la température est proche du point de fusion du PEO, l'expansion volumique du PEO détruira le réseau conducteur dans le matériau composite, résultant en une augmentation brutale de la résistivité - augmentant la force du CTP, qui peut réagir rapidement dans un changement de plage de température étroite. Les expériences montrent que la performance thermique du PEO joue un rôle principal dans l'effet CTP du dispositif. Une autre façon d'améliorer la sensibilité d'un capteur de température flexible est d'utiliser une structure unique. Ces dernières années, pour améliorer la performance de détection de température, diverses stratégies de conception ont été développées en changeant la structure. Yu et al. [176] ont récemment proposé une méthode basée sur l'ingénierie de la morphologie des microfissures pour changer la morphologie des fissures du film PEDOT:PSS sur le substrat PDMS en ajustant la rugosité de surface du substrat, le temps de traitement acide et le degré de pré-étirement pour améliorer la sensibilité à la température du capteur. La Figure 9d montre l'effet de la longueur moyenne des fissures et de la densité des fissures sur la sensibilité à la température. Le résultat est que plus la longueur de la fissure est longue, plus la densité des fissures est élevée, et plus la sensibilité à la température est élevée. Il est prouvé que la structure de microfissures joue un rôle vital dans la sensibilité à la température du capteur. Il est vérifié qu'obtenir une structure de microfissures à haute densité est la clé pour obtenir une haute sensibilité à la température du capteur. Haute densité et grande longueur correspondent directement à une plus haute sensibilité à la température. Le processus de fabrication d'équipements électroniques flexibles joue un rôle vital dans la production du dispositif et peut efficacement améliorer la sensibilité du capteur de température flexible. Tout comme Shin et al. [170] ont utilisé une méthode rapide de frittage de réduction induit par laser global (m-LRS) pour fabriquer le capteur de température flexible Ni/NiO est différent de la méthode d'impression par jet d'encre. Ils réduisent et frittent directement l'électrode Ni sur la couche NiO, et forment un contact global de haute qualité entre l'électrode métallique (Ni) et le matériau thermosensible (NiO). Le capteur de température hétérogène Ni–NiO–Ni montre une sensibilité à la température plus élevée que les autres capteurs du même type (Fig. 9e). La spectroscopie Raman et les mesures de diffraction des rayons X (DRX) montrent que la sensibilité supérieure vient du mécanisme d'activation thermique unique du processus m-LRS. De plus, puisque les capteurs de température flexibles sont majoritairement sensibles au toucher, il est déduit que l'épaisseur du film affecte la sensibilité. L'étude de Lee et al. [177] a vérifié l'effet de l'épaisseur de la base papier hautement sensible sur la sensibilité, ils utilisent une méthode de fabrication par trempage simple pour déposer des matériaux sensibles sur le papier d'impression. Le temps de trempage affectera l'épaisseur du film. La Fig. 9f montre aussi les différentes performances de sensibilité dues à différentes épaisseurs. Il faut noter que plus la sensibilité est élevée, plus la plage de mesure est étroite et, pire, la stabilité. Par conséquent, il est nécessaire de prêter attention à l'augmentation de la stabilité et de la précision tout en améliorant la sensibilité.

Autres Paramètres des Capteurs de Température Flexibles

La plage de détection d'un capteur de température flexible est un paramètre important, qui fait référence à la température minimale et maximale qui peut être détectée. Dans cet article, nous ne sommes intéressés que par la plage de mesure (30–45 °C) appropriée pour la surveillance de la température corporelle. Un autre paramètre de performance vital, le temps de réponse, est généralement défini comme le temps consommé par le capteur de température depuis l'application de la stimulation de température jusqu'à la génération d'une sortie de signal stable. Certains documents définissent aussi le temps de réponse du capteur de température par le temps où la température du capteur monte de \(T_{{{\text{sensor}}}}\) à 90 % de la montée de température (\(T_{0}\)) [145]. Il est lié à la réponse thermique du matériau actif lui-même et reflète la capacité de réponse rapide du capteur de température à la température. En termes d'applications, tels que les produits de surveillance de la santé humaine en temps réel et les éléments d'intelligence artificielle portables avec une réponse instantanée, tous ont un temps de réponse plus court.

La capacité du capteur à détecter la plus petite quantité de changement à mesurer est définie comme la résolution. En d'autres termes, la quantité d'entrée commence à changer à partir d'une valeur non nulle. À ce moment, si la valeur de changement d'entrée ne dépasse pas une valeur absolue, et que la sortie du capteur ne change pas, cela signifie que le capteur ne peut pas distinguer le changement de la quantité d'entrée. La précision fait référence au rapport de la valeur de plus ou moins trois écarts-types près de la valeur réelle à la plage, la différence maximale entre la valeur mesurée et la valeur réelle, et le degré de dispersion de la valeur mesurée. Pour les instruments de mesure, la précision est un concept qualitatif et ne nécessite généralement pas d'expression numérique. Parce que les fluctuations normales de la température corporelle humaine dans une journée sont petites, une haute résolution ou une haute précision est significative pour les capteurs de température flexibles pour la surveillance de la température corporelle, déterminant l'application plus large des capteurs de température flexibles.

La répétabilité est le degré d'incohérence des résultats de mesure pour la même quantité d'excitation lorsque le système de mesure effectue plusieurs (plus de 3) mesures sur la plage complète dans la même direction sous les mêmes conditions de travail. Dans un capteur de température flexible, la durabilité signifie qu'il maintient une fonction de détection stable et une capacité de dispositif complète sous un environnement d'utilisation à long terme. Un capteur de température flexible avec une haute durabilité et une haute répétabilité peut répondre aux exigences de base d'une utilisation stable à long terme. La linéarité définit généralement comme le degré de déviation entre la courbe de relation entrée-sortie réelle et la courbe d'ajustement idéale, généralement exprimée en pourcentage. Par conséquent, dans la plage linéaire, le signal de sortie sera plus précis et fiable. Une haute linéarité est aussi propice au processus d'étalonnage du signal entrée-sortie et au traitement ultérieur d'optimisation des données [58]. La demande pour le développement de capteurs de température flexibles avec une haute linéarité augmente aussi.

Applications

La capacité des organismes vivants à répondre avec précision et rapidité aux stimuli environnementaux externes est une caractéristique essentielle de la vie. L'induction de la température permet aux humains de prédire les dangers et de répondre aux maladies. Les changements anormaux de température corporelle jouent souvent un rôle crucial de rappel et d'aide pour la prévention précoce [179]. Avec la recherche et le développement des dispositifs électroniques flexibles, tels que les peaux électroniques, les systèmes intelligents de surveillance de la santé, les textiles intelligents et les équipements biomédicaux, les capteurs avec l'acquisition de signaux multifonctionnels sont nécessaires [180, 181]. Parmi eux, le capteur de température flexible est une partie indispensable et vitale des applications médicales et de santé [96]. Ces dernières années, les progrès des nouveaux matériaux, nouvelles technologies de fabrication et méthodes de détection uniques ont fourni une référence essentielle et une base solide pour le développement d'un nouveau type de capteur de température flexible semblable à la peau. Dans ces capteurs, certains paramètres de performance de base tels que la sensibilité, la résolution et le temps de réponse dépassent même la peau naturelle. Bien qu'après beaucoup de recherche fondamentale et appliquée, les résultats de recherche peuvent être transformés du laboratoire à l'utilisation réelle. Cependant, il y a encore de nombreux défis à résoudre dans les applications pratiques. Dans le contenu suivant, nous résumerons les résultats récents des capteurs de température flexibles dans les applications d'électronique flexible avec des exemples d'application uniques, excellents et pratiques.

Les capteurs flexibles ont les caractéristiques de déformabilité de grande surface, légèreté et portabilité, qui peuvent réaliser des fonctions que les capteurs traditionnels ne peuvent pas. La peau électronique intègre divers capteurs et conducteurs sur un substrat flexible pour former un capteur hautement flexible et élastique similaire à la peau. Elle convertit les stimuli externes tels que la pression, la température, l'humidité et la dureté en signaux électriques et les transmet à l'ordinateur pour traitement, peut même reconnaître des objets réguliers [14]. Une peau électronique avec des fonctions similaires est une caractéristique nécessaire des futurs robots pour atteindre la perception dans un environnement non structuré. La peau électronique permet au robot de percevoir les changements dans l'environnement externe aussi vivement qu'une vraie personne. Bien que le principe de la peau électronique soit simple, il y a encore des défis pour couvrir la surface du robot avec de la peau électronique. L'utilisation de la peau électronique détermine, c'est-à-dire maintenir l'intégrité du dispositif tout en maintenant la performance de détection pendant la déformation mécanique. La méthode idéale de peau électronique flexible est la fabrication à motifs. En utilisant des matériaux en solution, déposés directement sur le substrat par la technologie d'impression pour former des motifs, et atteindre la fabrication rouleau-à-rouleau (R2R) de grande surface sous température et pression normales afin que la peau ait les avantages de taille considérable, haut rendement, faible coût de production et protection de l'environnement. Someya et al. [182] ont développé une peau électronique en maille avec flexibilité, grande surface, capacités de détection de température et de pression intégrées, comme montré dans la figure. La peau électronique extensible a plusieurs capteurs de chaleur et de pression distribués aux nœuds et lit les données à travers OTFT. Parmi eux, le réseau de capteurs thermiques est basé sur des diodes organiques, préparé sur du naphtalate de polyéthylène (PEN) revêtu d'oxyde d'indium-étain (ITO) sur la surface. Le film thermique est découpé mécaniquement par une machine de découpe à commande numérique, et le processus R2R prépare la structure de réseau, et puis le film de réseau est combiné par stratification pour compléter la préparation du réseau de capteurs thermiques. La couche protectrice de parylène est placée sur la couche semi-conductrice organique pour agir comme une couche barrière gazeuse flexible, prolongeant la durabilité du dispositif de jours à semaines et évitant les dommages mécaniques aux transistors et diodes pendant les tests. Lorsque le capteur est dans son état d'origine, l'espace est carré, et il devient un losange après étirement, et il peut encore maintenir d'excellentes caractéristiques électriques lorsqu'il est étiré de 25 % (montré en Fig. 10a). L'établissement de la structure de maille élargit l'utilisation de la peau électronique. La structure distribuée de multiples paramètres et multiples nœuds rend aussi possible la surveillance d'objets de forme irrégulière. Un type d'électronique épidermique proposé par Kim et al. [53] fait référence à des dispositifs électroniques ultra-minces flexibles fixés sur la surface de la peau (en Fig. 10b). Seulement par la force de van der Waals, il peut s'adapter parfaitement à la peau et détecter la température, la contrainte et la réponse dynamique. Les applications potentielles incluent la détection d'état physiologique (électroencéphalogramme, électrocardiogramme, électromyographie), la détection ou le traitement des plaies, la perception biologique/chimique, l'interface homme-machine, la communication sans fil, etc. L'intégration de tous les dispositifs dans le dispositif de mesure d'une manière complètement différente intègre une variété de capteurs fonctionnels (tels que la température, la contrainte, l'électrophysiologie), des diodes électroluminescentes (DEL) à micro-échelle, des unités de circuit actives/passives (transistors, diodes, résistances), des bobines d'alimentation sans fil, des dispositifs de communication radiofréquence sans fil (inductances haute fréquence, condensateurs, oscillateur et antenne). L'électronique cutanée a les caractéristiques d'ultra-mince, faible module d'élasticité, légèreté et ductilité. Le dispositif est fabriqué sous forme de nanofils filiformes ou de films minces micro-nano, permettant au système de supporter une déformation élastique plus grande. Il peut être facilement transféré sur la surface de la peau par le processus de toucher doux, comme un autocollant de tatouage. Bien que la peau électronique ait des fonctions riches, la fréquence de résonance dérivera lorsque la contrainte dépasse 12 %. De plus, la durabilité des dispositifs flexibles ultra-minces nécessite aussi de l'attention. Les lacunes mentionnées ci-dessus doivent être considérées lors de la conception et de la fabrication de futurs systèmes de peau électronique.

Le développement d'un système de surveillance de la santé portable est pour collecter les paramètres thermiques du corps humain : température corporelle, température épidermique, flux de chaleur [183], etc. Pour l'observation et l'inférence telles que le métabolisme, la fièvre, l'infection maladie, la guérison de la peau, l'adaptation thermique (implants, prothèses), etc. Comparé aux limitations des systèmes de surveillance traditionnels dans les cas d'utilisation. Les systèmes de surveillance de la température portables flexibles ont démontré des applications plus flexibles et d'excellents effets de surveillance des paramètres thermiques dans les recherches récentes – le système de capteur de température NiO m-LRS fabriqué par l'équipe de Shin et al. que nous avons introduit plus tôt. Dans une expérience pour vérifier le potentiel de son système en tant qu'application de peau électronique. Comme montré en Fig. 10c, trois capteurs de température côte à côte attachés au doigt du robot peuvent faire une réponse précise de débit d'eau chaude ou froide circulant dans le tuyau microfluidique, direction du flux et température. De plus, il a une capacité de haute résolution pour l'augmentation de température causée par le rayonnement de chaleur infrarouge. De plus, la caractéristique d'adaptation à haute courbure permet au système de capteur de température de surveiller aussi la respiration pour fournir une alerte précoce des symptômes respiratoires anormaux causés par la maladie ou l'empoisonnement. Les expériences sur les changements de respiration avant et après l'exercice ont vérifié l'efficacité du système dans la surveillance des petits changements de respiration et de température humaine. La technologie de fabrication holistique qu'ils ont proposée fournit une aide utile pour le développement à grande échelle du système de santé et de la peau électronique. Webb et al. [145] ont rapporté deux types de capteurs/actionneurs de température flexibles, ultra-minces et sensibles avec différentes structures, à savoir, un réseau de capteurs TCR avec un réseau serpentine formé par Cr/Au fabriqué par la technologie de microlithographie et un réseau de capteurs TCR après dépôt. Capteur nano PIN de corrosion, les deux capteurs ont une haute sensibilité, une réponse rapide et une haute précision. La surveillance non invasive des changements subtils de la température de surface de la peau causés par les changements de flux sanguin humain causés par des stimuli externes peut être réalisée. En mesurant avec précision la conductivité thermique de la peau et en surveillant l'humidité de la peau, il a une valeur d'application pratique pour la gestion de la santé telle que la surveillance de la glycémie, la délivrance et l'absorption de médicaments, et les changements de plaies ou de tumeurs malignes. Pour un système de capteur flexible qui a besoin de surveiller l'état de santé basé sur les signes vitaux, la fabrication facile, l'attache sécurisée et la forte adaptabilité biologique sont essentielles. Comme montré en Fig. 10d, Yamamoto et al. [184] ont développé une électrode visqueuse sans gel qui est plus adaptée pour les capteurs d'électrocardiogramme (ECG). Un capteur de température fabriqué par impression à motifs est assemblé pour former un système de capteur flexible qui peut surveiller l'occurrence de symptômes de déshydratation ou de coup de chaleur. L'utilisation de matériaux biocompatibles résout le problème que les gels traditionnels ne peuvent pas être attachés au corps humain pendant longtemps. La plateforme de système de détection flexible ouverte peut aussi ajouter divers capteurs pour développer une gamme plus large d'applications. La température et les propriétés de transfert de chaleur de la peau peuvent être caractérisées comme une information critique pour la médecine clinique et la recherche fondamentale sur la physiologie de la peau. En termes d'adaptation thermique, il est crucial de surveiller et prédire la température de la peau du membre résiduel. Par exemple, les espaces de la prothèse créent un micro-environnement chaud et humide, ce qui favorise la croissance de bactéries et cause l'inflammation de la peau. La surveillance locale de la température de la peau utilise des capteurs de température flexibles cachés dans les textiles quotidiens. En raison de sa haute cohérence, il est très approprié pour la surveillance inexistante de la température de la peau, ce qui bénéficie significativement aux patients et au personnel médical. Lugoda et al. [185] ont utilisé différents processus de fabrication de fils industriels pour intégrer des capteurs de température flexibles dans les tissus, et ont étudié l'effet de détection de l'intégration de capteurs de température flexibles dans les fils textiles. La résistance au pliage et la répétabilité du capteur de température intégré dans le fil sont vérifiées. Le capteur allongé est fait en structurant une couche Ti/Au déposée sur un film PI (voir en Fig. 10e). Les expériences avec le capteur de température intégré dans le brassard ont vérifié que ce fil capteur peut être utilisé pour fabriquer des vêtements textiles intelligents de mesure de température. Les textiles intelligents de mesure de température peuvent être utilisés pour les applications de surveillance d'adaptation thermique telles que la détection de l'inconfort thermique dans les prothèses, les chaussettes pour la prédiction précoce des ulcères du pied diabétique [186], les textiles qui mesurent continuellement la température corporelle des bébés, et les bandages pour la surveillance des infections des plaies. L'utilisation de la technologie de fabrication de fils industriels pour intégrer des capteurs de température flexibles rend possible la fabrication à grande échelle de textiles intelligents.

Avec le développement de l'électronique flexible, l'application de dispositifs portables multifonctionnels flexibles dans les soins de santé, les équipements de surveillance intelligents, l'interaction/combinaison homme-machine, les robots intelligents et d'autres domaines connexes est devenue de plus en plus étendue. Les capteurs de température flexibles ont une forte praticabilité dans les dispositifs électroniques portables flexibles, en particulier pour la surveillance de la santé humaine, qui est inséparable du contrôle précis de la température. L'introduction de la fonction de transmission sans fil permet aux gens d'analyser et d'utiliser les résultats de mesure du capteur de température. Honda et al. [133] ont proposé un dispositif portable d'interaction homme-machine, un « pansement intelligent » à motifs avec fonction de délivrance de médicaments. Le dispositif utilise la technologie d'impression à motifs à faible coût pour intégrer des capteurs de température, des capteurs tactiles capacitifs à structure MEMS et des bobines sans fil sur un substrat flexible. La Figure 11a montre l'objet physique du dispositif flexible sur le bras. Une pompe de délivrance de médicaments (PDM) faite par lithographie douce et un microcanal pour la décharge de médicaments peuvent être ajoutés pour fournir des médicaments aux plaies ou parties internes pour améliorer la santé du porteur. En tant qu'application de dispositif sans fil interactif humanisé de surveillance de la santé portable, il jouera un rôle positif dans les futures applications électroniques portables. Pansement intelligent pour plaies : les plaies après un traumatisme sont infectées et difficiles à guérir. Sous les pansements traditionnels, le processus de guérison des plaies est souvent imprévisible, et des résultats de réparation satisfaisants ne peuvent pas être obtenus. Dans l'infection ou la guérison des plaies, des changements de température différents de la température corporelle normale se produiront. Par conséquent, surveiller les changements subtils de température au niveau de la plaie est assez nécessaire pour une guérison idéale de la plaie [188]. Pour éliminer l'état de « boîte noire » dans le processus de guérison des plaies et saisir la situation de la plaie en temps réel, Lou et al. [189] ont proposé un système de guérison de plaie transparent et souple en boucle fermée pour promouvoir la surveillance en temps réel de la guérison des plaies. Le système flexible de guérison de plaie (FWHS) et le dispositif flexible de détection de température de plaie (FWTSD) aiment la forme de pansements, leur dispositif flexible en forme de pansement double couche peut être directement attaché à la plaie. La couche supérieure est une couche de détection de température flexible composée de capteurs de température, de circuits de gestion d'énergie et de circuits de traitement de données. La couche inférieure est un équivalent dermique collagène-chitosane pour la régénération de la peau. Une application logicielle personnalisée (app) installée sur le smartphone reçoit les données de la couche de détection, affichant et analysant la température de la plaie en temps réel (Fig. 11b). Le système a une haute sensibilité et stabilité, bonne ductilité, fiabilité et biocompatibilité. En plus de surveiller le processus normal de régénération de la plaie, dans les expériences biologiques, une alerte opportune d'infection grave de la plaie a été réalisée. Un système intelligent de guérison de plaie avec promotion de croissance, surveillance de température en temps réel, transmission sans fil et visualisation qui intègre la surveillance des plaies, l'alerte précoce et l'intervention à la demande peut se produire à l'avenir. Si la plaie après une blessure est gravement infectée et n'est pas traitée à temps, des dommages plus graves au corps peuvent survenir. La surveillance opportune des conditions de la plaie et le diagnostic et le traitement rapides et efficaces sont des besoins urgents pour réduire l'occurrence et l'aggravation des complications d'infection de plaie. Dans une autre étude, Pang et al. [190] ont proposé un pansement intelligent flexible avec une structure double couche avec une haute sensibilité, une bonne durabilité et un contrôle à distance. La couche supérieure est encapsulée dans le PDMS connecté et intégré à travers un fil serpentine. Le capteur de température, la diode électroluminescente ultraviolette (UV), l'alimentation et le circuit de traitement de signal sont conçus, et la couche inférieure est conçue avec un hydrogel antibactérien réactif aux UV. Lorsque le capteur de température détecte une température anormale dépassant le seuil, il transmettra sans fil le signal au dispositif intelligent. De plus, contrôler le rayonnement ultraviolet in-situ par l'application terminale pour libérer les antibiotiques de l'hydrogel sous-jacent et l'appliquer à la plaie pour atteindre le diagnostic précoce d'infection et le traitement. Le système peut surveiller l'état de la plaie en temps réel, diagnostiquer avec précision et traiter à la demande. La recherche de ce système de diagnostic intelligent de traumatisme fournit de nouvelles stratégies et idées de diagnostic et de traitement pour la prévention et le traitement des maladies traumatiques telles que le traitement des plaies et les ulcères diabétiques. La popularisation et l'application de tels systèmes ont aussi des perspectives significatives. Le développement d'outils chirurgicaux avancés est une mesure importante pour améliorer la santé humaine. L'avancement de l'électronique flexible fournit un support fiable pour la flexibilité et la miniaturisation des instruments médicaux cliniques. Simultanément, la fonction des dispositifs flexibles est enrichie, permettant aux instruments cliniques d'effectuer plusieurs opérations sur les parties malades en peu de temps, réduisant le risque de chirurgie. En Fig. 11c,d, Kim et al. [191] ont inventé une intégration directe d'un groupe d'éléments multifonctionnels, incluant un réseau de capteurs de température flexible avec le film élastique d'un cathéter ballonnet traditionnel, ce qui fournit une variété de fonctions pour les applications cliniques. L'utilisation de ce cathéter ballonnet dans des expériences sur animaux vivants a vérifié la capacité de l'instrument à fournir des informations clés sur la profondeur de la lésion, la pression de contact, le flux sanguin ou la température locale, et les électrodes radiofréquence sur le ballonnet pour l'ablation locale contrôlée des tissus. Utilisation spécifique dans la thérapie d'ablation cardiaque. Dans une autre étude, ils ont développé deux applications de capteurs de température flexibles minces et pliables. Utilisées pour les sutures médicales, l'un des dispositifs les plus simples et les plus largement utilisés en médecine clinique. L'un est une ligne de suture ultra-mince basée sur l'actionneur thermique Au intégré et le capteur de température à nanodiode de silicium sur la membrane de biofibre. L'autre ligne de suture est deux réseaux de capteurs de température en métal Pt \(1 \times 4\) formés entre les fils Au des deux côtés du substrat. Pour atteindre le but d'aider les plaies biologiques à guérir et de surveiller la récupération des plaies. C'est plein de défis de construire des dispositifs semi-conducteurs et capteurs et d'autres composants sur une plateforme biocompatible qui touche la surface courbe flexible du corps humain.

Comme nous le savons tous, certaines opérations laisseront des objets différents des tissus du corps tels que des plaques d'acier, des stents, des stimulateurs cardiaques, des implants, etc., à l'intérieur du corps, ce qui causera de l'inconfort au corps [192]. Le développement de dispositifs absorbables optimisera les problèmes post-opératoires des équipements d'implantation chirurgicale, réduira le risque de chirurgie et la difficulté de la guérison post-plaie. Kang et al. [193] ont rapporté un capteur de silicium multifonctionnel. L'expérience d'implantation du capteur dans le cerveau de rats a prouvé que tous les matériaux (acide polylactique-glycolique, nanomembranes de silicium (Si-NM), silicium nanoporeux, SiO₂) constituant le capteur pouvaient être absorbés naturellement par hydrolyse et/ou métabolisme, pas besoin d'extraire à nouveau. Il peut surveiller en continu des paramètres tels que la pression intracrânienne et la température, ce qui illustre les avantages de performance des dispositifs absorbables pour le traitement des traumatismes crâniens. L'émergence de stents vasculaires implantables fournit un fort soutien pour le bon déroulement de la chirurgie interventionnelle. Le stent vasculaire peut dilater le vaisseau sanguin par une structure continue dans le vaisseau sanguin bloqué pour restaurer le flux sanguin. Cependant, l'inflammation causée par les stents vasculaires traditionnels dans le corps pendant longtemps est encore difficile à diagnostiquer et à guérir. Son et al. [194] ont introduit les applications de stent électronique bioabsorbable (BES) basées sur des nanomatériaux bioabsorbables et bioinertes. (Fig. 11e,f) Intégrant la détection de flux, la surveillance de température, la transmission sans fil d'énergie/données, la suppression de l'inflammation, la délivrance locale de médicaments et le dispositif d'hyperthermie. Le capteur de température et de flux Mg est composé d'une couche d'adhésion, d'une résistance Mg en forme de fibre (unité de détection) et d'une couche d'encapsulation externe (MgO et acide polylactique (PLA)) (comme montré en Fig. 12a). Les études expérimentales ont montré que la combinaison d'implants électroniques bioabsorbables et de nanoparticules thérapeutiques bioinertes dans les systèmes de stents vasculaires intelligents n'a pas encore été reconnue.

La visualisation de la température rend la fonction des capteurs de température flexibles plus proéminente. Elle compense les inconvénients des équipements d'imagerie infrarouge traditionnels qui sont chers, défavorables au transport et inexacts dans la mesure d'objets dynamiques. L'apparition des ultrasons focalisés de haute intensité (HIFU [55]), de la surveillance par dispositifs intelligents et d'autres occasions rendra la mesure de température plus précise et utile [195]. An et al. [196] ont développé un capteur de température PEDOT:PSS avec des nanofibres d'argent (AgNF) ultra-longues et un réseau hybride de nanofils d'argent (AgNW) comme électrode transparente haute performance, couche, et fabrication à motifs, en utilisant la technologie de multiplexage pour créer un réseau de capteurs capacitifs flexibles et transparents multifonctionnels (Fig. 12b). Le changement de capacitivité est 17 fois plus élevé que celui d'un capteur à motifs qui utilise aussi des électrodes ITO. À l'avenir, l'affichage visuel des empreintes digitales, de la pression et des changements de température entre les doigts sur le capteur flexible peut être réalisé simultanément sur les dispositifs intelligents. En appliquant dans la fonction de reconnaissance d'empreintes digitales, la fonction de sécurité des dispositifs mobiles intelligents peut améliorer plus de sécurité. Gao et al. [15] ont introduit un dispositif émetteur de lumière qui combine un indicateur de température colorimétrique avec une technologie électronique flexible sans fil, à motifs et extensible. Un grand réseau de pixels de cristal liquide thermochromique (TLC) est formé sur un substrat élastique mince en combinaison avec la lecture colorimétrique et la commande radiofréquence (RF) pour cartographier les caractéristiques thermiques de la peau. Sous la prémisse de non-invasivité, le système de capteur utilise des signaux radiofréquence pour contrôler le chauffage local pour surveiller et cartographier la température de la peau avec une haute précision de température (50 mK) et une haute résolution spatiale. Le flux sanguin sous la peau est évalué par le test d'hyperémie réactive (voir en Fig. 12c). Aussi, l'analyse d'hydratation reflète les problèmes de santé de la peau. La figure vérifie que le dispositif peut répondre visuellement rapidement aux petits changements de flux sanguin. Refléter les problèmes cardiovasculaires et de santé de la peau par l'analyse d'hydratation. Comme la capacité de fluoroscopie d'une caméra infrarouge, le dispositif peut être utilisé pour la surveillance de la température centrale et de la guérison des plaies, l'inspection de dispositifs d'implantation proches du corps, le dépistage du cancer des tumeurs malignes et d'autres fonctions biomédicales connexes. La caractéristique unique est que le dispositif flexible peut être lu en utilisant un téléphone mobile, et il peut être porté pendant longtemps. Le système de visualisation de la température fournit une perspective massive pour la description des propriétés thermiques de la peau. Il fait des efforts pour fournir des indicateurs utiles pour déterminer l'état de santé et physiologique humain. Dans une autre étude, Kim et al. [197] ont fourni une idée faisable en utilisant des matériaux thermochromiques pour observer les changements de température directement. La différence est que leur description du changement de température n'a pas d'affichage numérique spécifique, et ne peut juger que la plage approximative de changement de température. Cependant, comme montré en Fig. 12d, He et al. ont optimisé la précision de la cartographie de température des matériaux thermochromiques, qui peut refléter la valeur spécifique de la température plus précisément [198]. Dans la recherche future, le développement de matériaux thermochromiques sensibles à la température et pouvant répondre avec précision à la température deviendra aussi progressivement un axe de recherche. En particulier, le matériau d'amortissement inverse qu'ils ont fait montre une couleur similaire à la peau humaine. De plus, ils ont utilisé la technologie d'impression 3D pour fabriquer le capteur de pression flexible, simplifiant le processus de fabrication, parce que les paramètres de structure du capteur peuvent être ajustés, montrant des fonctions personnalisables, et atteignant le but de fabrication structurelle globale. À l'avenir, l'impression 3D est le meilleur candidat pour le développement de structures fonctionnelles uniques [199]. Parce que cette technologie peut atteindre la fabrication globale du dispositif, elle simplifie le processus de fabrication et assure les exigences de moulage intégré. Elle gagnera aussi une popularité énorme dans le domaine des capteurs flexibles.

Conclusions

Cet article passe en revue les progrès récents de la recherche sur les capteurs de température flexibles à haute sensibilité dans la surveillance de la température corporelle humaine, les matériaux thermosensibles, les stratégies de fabrication, les performances de base et les applications. En tant que variable dynamique relativement stable dans le corps humain, la température corporelle ou la température locale (traumatisme) peut avoir des fluctuations de différents degrés (environ 0,5 °C) sous l'influence des émotions ou des activités physiologiques. La température de surveillance du capteur de température flexible doit être comparable. Les caméras infrarouges traditionnelles ont une résolution de température plus petite (< 0,1 °C). De plus, la surveillance opportune et rapide de la température corporelle est une autre clé de percée. Le temps de réponse du capteur de température actuel peut être dans quelques millisecondes, mais il y a un problème de temps de réinitialisation trop long. Comment raccourcir la différence de temps entre le temps de réponse et le temps de réinitialisation affectera directement l'efficacité et la capacité de surveillance du capteur. Avec le développement des capteurs multifonctionnels, comment éviter l'interférence mutuelle entre plusieurs signaux pour que les stimuli des réponses respectives entre les signaux puissent répondre indépendamment sans interférence mutuelle et sortir avec précision, ce qui est devenu un problème urgent à résoudre et à perfectionner pour améliorer la performance du capteur. Le développement des capteurs de température flexibles nous montre un avenir prévisible. À l'avenir, les capteurs de température flexibles réaliseront aussi la fabrication de grande surface à faible coût, la haute sensibilité, l'auto-alimentation, la visualisation, l'auto-guérison, la biodégradabilité et la transmission de détection sans fil à distance [200]. De plus, d'autres fonctions sont intégrées et mises en usage. Le tri des données de température collectées dans la plateforme de big data santé peut fournir la meilleure aide et le support de données pour le diagnostic médical futur humain. Aussi, la technologie de fabrication micro-nano à motifs est une bonne suggestion pour la production de masse à faible coût des capteurs. Basé sur le flux de processus relativement mature du processus d'impression, la réalisation de dispositifs flexibles multifonctionnels intégrés de grande surface est imminente. Le capteur de température flexible actuel peut atteindre une sensibilité plus élevée, mais certains capteurs n'éliminent pas l'interférence des facteurs environnementaux sur le capteur de température. À l'avenir, le capteur de température flexible utilisé pour la surveillance de la température corporelle peut faire des efforts pour lutter contre les influences environnementales. Bien que le capteur flexible lui-même puisse être fragile et léger, il a besoin d'être connecté au circuit d'alimentation et à l'alimentation, ce qui réduit considérablement la flexibilité globale. À l'avenir, pour les capteurs de température flexibles qui surveillent la température corporelle, avec l'optimisation supplémentaire des méthodes d'acquisition de signaux, la transmission de données visuelle en temps réel peut être réalisée sous des conditions d'auto-alimentation plus efficaces, ce qui sera une vaste amélioration pour les systèmes de surveillance intelligents. La surveillance de la température de surface du corps est grandement affectée par l'environnement, tandis que la température centrale est relativement stable. Le capteur de température flexible utilisé pour la surveillance de la température corporelle peut être attaché à la surface du corps (front, bras, aisselle, etc.) pour surveiller la température de surface du corps et même fluctuer. La température centrale avec une petite plage peut aussi être mesurée. Les capteurs flexibles non implantables nécessitent plus d'améliorations en termes de portabilité, biocompatibilité et durabilité pour répondre aux besoins d'une gamme plus large de personnes et devenir un dispositif d'application flexible disponible pour tous. Pour les capteurs de température flexibles intrusifs, que ce soit dans le processus d'intrusion ou pendant l'utilisation du capteur, minimiser les dommages au corps est la considération principale. Par conséquent, explorer et développer des matériaux de détection et des capteurs biocompatibles ou biodégradables est sans aucun doute une direction d'amélioration. Il n'y aura pas de rejet ou de réactions allergiques dans le corps dues aux corps étrangers. À l'avenir, les capteurs de température flexibles apparaîtront dans de nombreuses occasions autour de nous. L'exploration du développement de capteurs de température flexibles avec haute performance, fabrication facile, faible coût et large gamme d'applications continuera.

Disponibilité des données et matériaux

Non applicable.

Abréviations

PDMS :

Polydiméthylsiloxane

PI :

Polyimide

PU :

Polyuréthane

PET :

Téréphtalate de polyéthylène

PVA :

Alcool polyvinylique

PVB :

Butyral polyvinylique

CDT :

Coefficient de dilatation thermique

CB :

Noir de carbone

CNT :

Nanotubes de carbone

CTR :

Coefficient de température de résistance

GE :

Graphite expansé

Gr :

Graphite

PEO :

Oxyde de polyéthylène

PVDF :

Fluorure de polyvinylidène

PEDOT:PSS :

Poly(3,4-éthylène dioxythiophène)-poly(styrène sulfonate)

MWCNT :

Nanotubes de carbone à parois multiples

SWCNT :

Nanotubes de carbone à paroi unique

GO :

Oxyde de graphène

rGO :

Oxyde de graphène réduit

GNWs :

Graphène

PECVD :

Dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma

TE :

Transparent et extensible

Au :

Or

Ag :

Argent

Cu :

Cuivre

Pt :

Platine

Ni :

Nickel

Al :

Aluminium

MEMS :

Micro-système électro-mécanique

Cr :

Chrome

OTFT :

Transistor à film mince organique

NPs :

Nanoparticules

PE :

Polyéthylène

CTP :

Coefficient de température positif

VO₂ :

Dioxyde de vanadium

PAD :

Dépôt assisté par polymère

NiO :

Oxyde de nickel

P3HT :

Poly(3-hexyl thiophène)

PPy :

Polypyrrole

pNIPAM :

Poly(N-isopropyl acrylamide)

SEBS :

Polystyrène-bloc-poly(éthylène-ran-butylène)-bloc-polystyrène

PDPPFT4 :

Poly(diketopyrrolopyrrole-[3,2-b]thieno[2′,3′:4,5]thieno[2,3-d]thiophène])

PII2T :

Poly(isoindigo-bithiophène)

OSC :

Semi-conducteurs organiques

TENG :

Nanogénérateur thermoélectrique

DN :

Double réseau

DMSO :

Sulfoxyde de diméthyle

P(VDF-TrFE) :

Copolymère fluorure de polyvinylidène

IR :

Infrarouge

FET :

Transistor à effet de champ

BT :

BaTiO₃

ZnO :

Oxyde de zinc

MFSOTE :

Thermoélectrique organique supporté par microstructure

PVD :

Dépôt physique en phase vapeur

CVD :

Dépôt chimique en phase vapeur

AlPcCl :

Chlorure de phthalocyanine d'aluminium

RF-PECVD :

Dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma radiofréquence

FCCVD :

Dépôt chimique en phase vapeur à catalyseur flottant

PEI :

Polyétherimide

LS :

Écriture laser

R2R :

Rouleau-à-rouleau

EES :

Système de peau électronique

LDW :

Écriture directe laser

GNR :

Nanoruban de graphène

tascPLA :

Composite polylactide tridimensionnel à trois bras, acide polylactique

DRX :

Diffraction des rayons X

m-LRS :

Frittage de réduction induit par laser

CTN :

Coefficient de température négatif

ITO :

Oxyde d'indium-étain

DEL :

Diodes électroluminescentes

ECG :

Électrocardiogramme

PDM :

Pompe de délivrance de médicaments

FWHS :

Système flexible de guérison de plaie

FWTSD :

Dispositif flexible de détection de température de plaie

UV :

Ultraviolet

Si-NM :

Nanomembranes de silicium

BES :

Stent électronique bioabsorbable

HIFU :

Ultrasons focalisés de haute intensité

AgNF :

Nanofibres d'argent

AgNW :

Nanofils d'argent

TLC :

Cristal liquide thermochromique

RF :

Radiofréquence