Ulasan Mini tentang Elektronik yang Fleksibel dan Dapat Dipakai untuk Memantau Informasi Kesehatan Manusia

Sensor Gaya Fleksibel

Sensor gaya adalah perangkat penginderaan yang dapat mendeteksi nilai gaya mekanik seperti tegangan, tekanan, torsi, tegangan, dan regangan dan mengubahnya menjadi sinyal listrik. Berbagai rangsangan fisik yang dihasilkan oleh aktivitas fisiologis tubuh manusia yang teratur mengandung banyak informasi kesehatan yang penting, misalnya, detak jantung, gerakan otot, laju pernapasan, dan tekanan darah. Sebagian besar sensor gaya tradisional berukuran besar dan berat karena sebagian besar didasarkan pada bahan logam dan semikonduktor, dan tidak dapat diterapkan pada perangkat elektronik yang dapat dikenakan untuk memantau tanda-tanda vital tubuh manusia karena portabilitas dan fleksibilitasnya yang sangat terbatas. Dibandingkan dengan sensor gaya tradisional, sensor gaya fleksibel yang menggunakan substrat plastik dan elastomer memiliki serangkaian keunggulan, seperti biokompatibilitas yang lebih baik, daya regangan, transparansi, daya tahan pakai, dan kemampuan deteksi berkelanjutan. Kita akan membahas di bawah bahwa sensor gaya fleksibel dapat dibagi menjadi sensor resistivitas, sensor kapasitif, dan sensor piezoelektrik.

Sensor Gaya Resistif

Sensor resistif adalah sensor yang mengubah perubahan resistansi bahan sensitif yang disebabkan oleh stimulus eksternal menjadi output sinyal listrik. Bahan aktif dari sensor gaya resistif fleksibel umumnya komposit elastomer yang dibentuk dengan menggabungkan pengisi konduktif, seperti graphene [5, 6], karbon nanotube (CNTs) [7,8,9,10, 11], film tipis logam, kawat nano, partikel [12,13,14], dan polimer konduktif [15] menjadi elastomer (misalnya, PDMS, PU, ​​SEBS). Perubahan resistansi sensor terutama disebabkan oleh tiga faktor berikut:(1) perubahan geometri elemen sensitif [15], (2) perubahan celah antara nanopartikel atau kawat nano [5,6,7,8, 9,10, 13, 14], dan (3) perubahan resistansi kontak antara lapisan material yang berbeda [12, 11]. Sensor piezoresistif telah menerima perhatian luas karena konsumsi daya yang rendah, proses manufaktur yang sederhana, dan aplikasi yang luas [16].

Pemanfaatan substrat dengan permukaan struktur mikro menawarkan cara yang efektif untuk membuat sensor gaya piezoresistif yang sangat sensitif. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2a, b, Choong et al. [15] melaporkan sensor piezoresistif fleksibel dengan menggunakan micropyramid polydimethylsiloxane (PDMS) array untuk meningkatkan sensitivitas tekanan sensor. Pekerjaan ini membuktikan bahwa menggunakan substrat mikropiramid dapat memaksimalkan perubahan geometri elektroda konduktif yang disebabkan oleh tekanan atau peregangan, secara signifikan meningkatkan sensitivitas (Gbr. 2c). Seperti dapat dilihat dari Gambar. 2d, sensor memiliki respon linier yang baik terhadap tekanan. Namun, fabrikasi struktur mikropiramid didasarkan pada cetakan Si, yang mengalami proses fabrikasi yang rumit dan biaya tinggi [1, 3]. Wang dkk. [1] menggunakan sepotong syal sutra halus sebagai cetakan untuk membuat substrat PDMS berpola mikro. Dalam pekerjaan mereka, film ultra tipis karbon nanotube (SWCNTs) berdinding tunggal yang berdiri bebas dipindahkan pada permukaan berpola mikro dan sensor dibuat dengan menempatkan dua lapisan film SWCNTs/PDMS secara langsung. Sensor dengan struktur mikro permukaan yang disiapkan dengan menggunakan sutra sebagai template untuk mempersiapkan menunjukkan sensitivitas tinggi, waktu respons cepat, stabilitas luar biasa, batas deteksi sangat rendah, dan kinerja penginderaan yang sangat baik dalam pengenalan suara dan deteksi pulsa secara real time. Selain itu, Su et al. [17] melaporkan film tipis PDMS dengan pola mikrodomain yang tidak teratur menggunakan daun mimosa. Wei dkk. [18] memproduksi film PDMS berstruktur mikrodome menggunakan substrat kaca tanah. Upaya ini memberikan metode sederhana dan berbiaya rendah untuk membuat substrat film tipis area besar dengan struktur mikro dan memperoleh hasil yang baik dalam meningkatkan sensitivitas sensor piezoresistif. Bahan fleksibel berstruktur mikro yang melekat, misalnya kertas [4], tekstil [19], tanaman, dan biomaterial yang berasal dari tumbuhan [20, 21], telah menarik minat yang luas untuk digunakan sebagai substrat. Tao dkk. [4] melaporkan sensor tekanan berbasis graphene/kertas untuk mendeteksi aktivitas manusia. Mereka mencampur kertas tisu dengan larutan graphene oxide (GO) untuk mendapatkan kertas GO. Setelah dipanaskan dalam oven pengering selama beberapa jam, kertas GO direduksi menjadi komposit konduktif rGO/kertas. Sensitivitas sensor berbasis kertas dalam rentang tekanan 0–20 kPa bervariasi dengan jumlah lapisan kertas tisu. Sensor delapan lapis mencapai sensitivitas maksimum 17,2 kPa ⁻¹ dalam kisaran 0-2 kPa. Sensor tekanan berbasis graphene/kertas menunjukkan potensi besar dalam memantau denyut nadi pergelangan tangan, pernapasan, bicara, dan keadaan gerak. Selain itu, Yang dkk. [19] menyiapkan sensor regangan yang dapat dipakai dengan mereduksi lembaran GO menjadi lembaran graphene secara termal pada substrat kain poliester. Substrat kain dengan struktur jalinan memberikan sensor beberapa karakteristik respons khusus, termasuk koefisien regangan resistansi negatif ultra-tinggi dan sensitivitas arah yang unik. Sensor regangan tekstil yang telah disiapkan dapat diintegrasikan secara sempurna dengan pakaian untuk memantau gerakan manusia secara real-time seperti denyut nadi, gerakan mulut, ekspresi wajah, dan sebagainya.

a Proses fabrikasi array PDMS mikropiramid. b Skema prinsip penginderaan sensor dengan struktur mikropiramid di bawah kekuatan eksternal. c Peningkatan sensitivitas sensor piramida dibandingkan dengan sensor tidak terstruktur. d Respon tekanan linier dari sensor mikropiramid saat diregangkan. Diadaptasi dengan izin dari ref. 10. Hak Cipta 2014 John Wiley and Sons

Menanamkan bahan konduktif dengan struktur berpori ke dalam matriks elastomer untuk membangun jaringan konduktif dua atau tiga dimensi adalah pendekatan lain untuk mencapai sensitivitas tinggi dalam sensor gaya resistif [7, 22, 23, 19, 24]. Deformasi yang disebabkan oleh gaya eksternal akan mengubah kepadatan distribusi spasial bahan konduktif dan dengan demikian mengubah resistansi sensor. Seperti yang ditampilkan pada Gambar. 3a, Wang et al. [7] menghasilkan komposit konduktif bola berongga dengan menggabungkan mikrokapsul serbuk sari bunga matahari (SFP) dengan tabung nano karbon berdinding banyak (MWCNT), dan kemudian menambahkannya ke dalam PDMS untuk menyiapkan film komposit MWCNT/PDMS. Perangkat E-skin dibuat dengan mengapit film komposit MWCNT/PDMS ini di antara dua elektroda konduktif. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3b-d, dibandingkan dengan sensor planar, arsitektur bola berongga yang diperkenalkan oleh mikrokapsul berbasis serbuk sari ini memungkinkan sensor untuk menunjukkan sensitivitas yang lebih tinggi, waktu relaksasi yang lebih cepat, dan stabilitas yang sangat tinggi. Sensor tersebut dapat secara bersamaan mendeteksi tekanan dan regangan secara dinamis ketika dipasang pada jari manusia atau tenggorokan manusia. Li dkk. [23] memperkenalkan metode sederhana untuk membangun jaringan konduktif berpori dengan mengubah kertas tisu menjadi kertas karbon (CP) melalui proses pirolisis suhu tinggi. Gambar 3e adalah gambar SEM dari kertas karbon. Sensor regangan yang sangat sensitif yang terdiri dari kertas karbon dan resin PDMS berhasil dibuat melalui proses infus vakum sederhana. Struktur berpori membuat sensor sangat sensitif terhadap regangan yang diterapkan, hampir satu urutan besarnya lebih tinggi daripada sensor logam tradisional. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 3f, 3, sensor CP/PDMS menunjukkan pemantauan napas orang dewasa dan gerakan tangan manusia melalui integrasi dengan sabuk dan sarung tangan masing-masing. Lee dkk. [22] fabrikasi nanofibers sensitif tekanan dengan struktur berpori dengan menggunakan proses electrospinning. Nanomaterial konduktor (CNT dan graphene) tersebar merata di dalam nanofibers untuk meningkatkan kemampuan penginderaan. Karena struktur nanopori, sensor tekanan tipe resistif yang diproduksi dengan menggunakan serat nano komposit ini menunjukkan sensitivitas tinggi untuk deformasi akibat tekanan dan kesesuaian yang sangat baik dengan struktur tiga dimensi.

a Skema mekanisme sensor dengan struktur bola berongga yang diinduksi oleh mikrokapsul serbuk sari bunga matahari di bawah tekanan. b Respons sementara dari film komposit (CF) berbasis SFP dan CF planar di bawah tekanan 600Pa. c Waktu relaksasi dari dua sensor terkait. d Uji stabilitas CF berbasis SFP pada 80 Pa Diadaptasi dengan izin dari ref. 3. Hak Cipta 2017 Elsevier. e Gambar SEM dari kertas karbon yang dikonversi. f , g Memantau napas (f ) dan isyarat (g ) orang dewasa oleh sensor CP/PDMS. Diadaptasi dengan izin dari ref. 63. Hak Cipta 2017 American Chemical Society

Sensor Gaya Kapasitif

Sensor kapasitif dapat merespons yang menunjukkan perubahan gaya eksternal melalui perubahan kapasitansi. Kapasitor umumnya terdiri dari lapisan dielektrik yang diapit oleh dua pelat konduktif. Rumus yang digunakan untuk menghitung kapasitansi adalah \( C=\frac{\varepsilon_0{\varepsilon}_rA}{d} \), dengan ε₀ adalah permitivitas vakum, _r adalah permitivitas relatif dielektrik, A adalah luas tumpang tindih efektif dari dua pelat konduktif, dan d adalah jarak antara dua pelat konduktif. Elektroda dari sensor gaya kapasitif fleksibel biasanya menggunakan CNT [25], kawat nano Ag [26, 3], dan bahan ionik konduktif [27]. Bahan elastis modulus rendah termasuk PDMS, SEBS, dan Ecoflex adalah kandidat yang baik untuk lapisan dielektrik.

Kemampuan penginderaan sensor kapasitif dapat ditingkatkan secara signifikan dengan elektroda mikrostruktur atau lapisan dielektrik [3, 2, 28]. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4a-d, Quan et al. [3] menggunakan kaca permukaan matte sebagai templat untuk menyiapkan film PDMS berstruktur mikro sebagai substrat elektroda untuk sensor kapasitif fleksibel. Mereka membandingkan sensor dengan elektroda berstruktur mikro dengan yang tidak. Hasil pada Gambar. 4e-g menunjukkan bahwa sensor dengan mikro menunjukkan sensitivitas yang lebih tinggi, batas deteksi yang lebih rendah, dan waktu respon yang lebih cepat. Kang dkk. [28] mengembangkan sensor tekanan kapasitif kinerja tinggi berdasarkan lapisan dielektrik berpori seperti spons. Struktur berpori seperti spons dicapai dengan melapisi PDMS pada substrat silikon yang ditumpuk dengan microbeads polimer diikuti dengan melarutkan microbeads polimer. Film PDMS berpori kemudian dipindahkan ke elektroda film tipis ITO, menghasilkan sensor kapasitif dengan sensitivitas ultra-tinggi dan stabilitas tinggi. Sensitivitas sensor tekanan PDMS berpori lebih dari delapan kali lebih tinggi daripada sensor berdasarkan film PDMS telanjang. Alasan untuk kinerja yang lebih baik dari sensor kapasitif berstruktur mikro dapat dikaitkan dengan dua poin berikut. Untuk satu hal, penataan substrat elektroda elastomer atau lapisan dielektrik meningkatkan kompresibilitas perangkat. Untuk yang lain, mikroarsitektur menambahkan rongga udara antara pelat konduktif kapasitor secara teratur, yang membuat permitivitas berubah di bawah tekanan. Ketika gaya eksternal diterapkan pada sensor untuk menyebabkan deformasi, total volume rongga udara di lapisan dielektrik berkurang dan permitivitas lapisan dielektrik hibrida udara/elastomer meningkat, sehingga kenaikan nilai kapasitansi sensor kapasitif disebabkan oleh dua faktor:pengurangan jarak pelat dan peningkatan permitivitas. Selain itu, Pang et al. [2] mengembangkan sensor tekanan yang sangat sensitif dengan lapisan dielektrik PDMS berbentuk piramida dan antarmuka berstruktur rambut mikro, seperti yang ditampilkan pada Gambar 5a, b. Gambar 5c–f membandingkan hasil tes arteri radial oleh empat sensor dengan geometri antarmuka yang berbeda, yang mengungkapkan bahwa antarmuka microhairy jelas dapat meningkatkan rasio signal-to-noise dari sensor tekanan kapasitif.

a –d Gambar SEM dari tampilan atas (a ) dan tampak samping (b ) dari film PDMS tidak terstruktur, gambar SEM dari tampilan atas (c ), dan tampak samping (d ) dari film PDMS berstruktur mikro. e Perbandingan respon relatif dari sensor dengan struktur yang berbeda. f Pengujian sensitivitas dari dua sensor terstruktur. g Respon dari dua sensor terstruktur di bawah tekanan 1 Pa. Diadaptasi dengan izin dari ref. 18. Hak Cipta 2017 Elsevier

a Diagram skema dari sensor berstruktur rambut mikro. b Gambar SEM dari struktur rambut mikro dengan rasio aspek yang berbeda. c –f Tes arteri radial menggunakan empat perangkat dengan geometri antarmuka yang berbeda:c permukaan datar, struktur berbulu mikro dengan rasio aspek d 3, e 6, dan f 10

Untuk meningkatkan sensitivitas, pengintegrasian dengan transistor efek medan organik (OFET) juga merupakan proyek yang dipelajari secara luas untuk sensor kapasitif. Dalam perangkat OFET, arus sumber-drain secara langsung bergantung pada kapasitansi dielektrik gerbang. Schwartz dkk. [29] melaporkan perangkat OFET E-skin yang sangat sensitif menggunakan film PDMS berstruktur mikro sebagai lapisan dielektrik dan polimer terkonjugasi baru, polyisoindigobithiophene-siloxane (PiI2T-Si) [30] sebagai semikonduktor. Perangkat OFET yang mengintegrasikan dielektrik PDMS berstruktur mikro mencapai sensitivitas sangat tinggi (8,4 kPa ⁻ 1) dalam rezim tekanan rendah < 8 kPa serta waktu respons yang cepat (< 10 ms). Kemampuan superior ini menunjukkan bahwa perangkat semacam itu menjanjikan dalam pengukuran gelombang nadi pergelangan tangan dengan fidelitas tinggi.

Dibandingkan dengan sensor resistif, sensor kapasitif umumnya memiliki sensitivitas yang lebih tinggi dan batas deteksi yang lebih rendah. Namun, respons linieritas yang buruk dan kerentanannya terhadap kapasitansi parasit dan kapasitansi tepi dapat menjadi tantangan dalam aplikasi praktis.

Sensor Gaya Piezoelektrik

Efek piezoelektrik mengacu pada fenomena bahwa rangsangan mekanik merusak beberapa bahan kristal anisotropik dan menyebabkan polarisasi dipol internal, yang menyebabkan perbedaan potensial yang ada antara dua permukaan kristal yang berlawanan. Karena karakteristik unik dari bahan piezoelektrik, sensor piezoelektrik dengan waktu respons yang cepat mampu mengukur sinyal dinamis frekuensi tinggi secara efisien dan cukup menjanjikan untuk perangkat mandiri.

Bahan piezoelektrik yang biasa digunakan dalam sensor fleksibel termasuk P(VDF-TrFE) [31, 32], ZnO [33], PbTiO3 [34], dan PZT [35, 36] dll. P(VDF-TrFE) adalah salah satu yang paling bahan favorit untuk sensor piezoelektrik fleksibel karena fleksibilitasnya, proses fabrikasi sederhana, stabilitas luar biasa, dan koefisien piezoelektrik besar. Persano dkk. [31] melaporkan sensor piezoelektrik fleksibel berdasarkan susunan serat P(VDF-TrFE) selaras yang disiapkan oleh electrospinning. Sensor tekanan sederhana ini menunjukkan kinerja penginderaan yang sangat baik bahkan dalam rezim tekanan yang sangat kecil (sekitar 0,1 Pa). Hasilnya menunjukkan potensi aplikasi yang luar biasa dalam deteksi gerakan manusia dan elektronik robot. Meskipun bahan anorganik kurang fleksibel, banyak bahan anorganik skala nano dan polimer-keramik nanokomposit (seperti ZnO NWs [33], nanoribbon PZT [35] dan nanosheets [36], dan P(VDF-TrFE)/BaTiO₃ nanokomposit [4]) dapat menunjukkan tingkat fleksibilitas tertentu. Shin dkk. [33] menggunakan lithium (Li)-doped ZnO NWs dikemas ke dalam PDMS sebagai elemen penginderaan. Tegangan keluaran piezoelektrik komposit ZnO NW-PDMS yang didoping Li adalah fungsi dari gaya dan frekuensi yang diterapkan. Perangkat yang dibuat mampu memberikan informasi instan tentang gerakan manusia, yang sangat penting untuk penerapan perangkat kulit elektronik dalam pemantauan aktivitas manusia. Sensor piezoelektrik sangat berguna untuk mendeteksi rangsangan fisik dinamis tetapi tidak bekerja dengan baik dalam pengukuran sinyal statis. Ini karena sinyal tegangan yang dihasilkan oleh bahan piezoelektrik hanya akan muncul pada saat tekanan diterapkan atau ditarik. Untuk mengatasi masalah ini, Chen et al. [34] melaporkan sensor tekanan piezoelektrik fleksibel untuk pengukuran statis berdasarkan PbTiO₃ kawat nano (PTNWs) / heterostruktur graphene. Dalam perangkat ini, muatan polarisasi yang diinduksi oleh regangan pada PTNWs bertindak sebagai pengotor bermuatan dalam graphene dan mempengaruhi mobilitas pembawanya. Mekanisme kerjanya adalah bahwa muatan polarisasi di PTNWs meningkatkan hamburan pembawa di graphene sehingga mengakibatkan penurunan mobilitas pembawa. Berdasarkan mekanisme yang disebutkan di atas, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6, sensor heterostruktur ini memiliki sensitivitas yang lebih tinggi daripada sensor tekanan graphene yang ditumbuhkan CVD [37, 38] dan mampu mengukur sinyal mekanik statis.

Respon tekanan sensor tekanan berbasis PTNW (kiri) dan transistor PTNWs/graphene di bawah pulsa tekanan. Diadaptasi dengan izin dari ref. 25. Hak Cipta 2017 American Chemical Society

Sensor Suhu Fleksibel

Deteksi suhu adalah bagian penting dari perangkat penginderaan. Suhu tubuh dapat mencerminkan kondisi fisik seseorang dengan kandungan yang besar. Suhu inti tubuh orang sehat relatif konstan, umumnya berkisar antara 36,2~37,2 °C. Itu tidak tergantung pada lingkungan, sedangkan suhu cangkang dapat dipengaruhi oleh kondisi fisik dan suhu lingkungan. Perubahan suhu tubuh yang tidak normal biasanya menunjukkan kesehatan yang buruk. Misalnya, suhu tubuh yang meningkat adalah gejala demam atau infeksi, sedangkan suhu tubuh yang menurun mungkin menandakan anemia. Untuk deteksi suhu secara real-time di perangkat E-skin, banyak jenis sensor suhu fleksibel telah dikembangkan.

Sensor Suhu Resistif

Mendeteksi suhu melalui perubahan resistansi bahan sensitif adalah metode yang paling umum digunakan untuk pengukuran suhu pada perangkat elektronik mirip kulit. Koefisien suhu resistansi (TCR) merupakan indikator penting dari sensitivitas sensor suhu resistif. Ini didefinisikan sebagai variasi relatif dari resistansi ketika suhu berubah sebesar 1 °C. Berbagai sensor suhu resistif telah dilaporkan menggunakan elemen logam murni (Pt, Au, Cu) [39,40,41,42], partikel oksida logam [43], komposit polimer karbon nanotube (CNT) [8, 9], dan graphene [44, 45] sebagai materi sensitif.

Logam telah digunakan untuk deteksi suhu sejak lama karena sensitivitas suhunya. Mekanisme deteksi dapat dijelaskan oleh fakta bahwa kenaikan suhu meningkatkan getaran termal kisi, menghasilkan hamburan gelombang elektron yang intensif, sehingga meningkatkan resistivitas. Sensor suhu berbasis logam tradisional memberikan kemampuan regangan atau kelenturan terbatas. Rekayasa struktur, seperti kerut tekuk, struktur seperti tapal kuda in-line, dan desain pulau kaku [39, 41, 46], telah disertifikasi sebagai cara yang efektif untuk mengatasi keterbatasan. Seperti yang ditampilkan pada Gambar. 7a, b, Yu et al. [39] mengembangkan sensor suhu yang dapat diregangkan berdasarkan elemen penginderaan film tipis bergelombang pada substrat elastis. Sensor dibuat dengan deposisi sputtering dari film Cr/Au tipis (5 nm/20 nm) pada substrat fleksibel 30% yang telah diregangkan sebelumnya. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 7c, d, geometri bergelombang periodik yang dibentuk dengan melepaskan pra-regangan memungkinkan perangkat meregangkan hingga 30% regangan mekanis dengan kinerja yang tidak berubah. Webb dkk. [41] melaporkan ultrathin, sesuai kulit seperti sensor suhu array menggunakan tipis (50 nm), sempit (20 m), film tipis emas dalam bentuk serpentin disiapkan oleh teknik mikrolitografi. Ketika diimplementasikan dengan pemodelan dan teknik analisis yang canggih, sistem elektronik yang dapat diregangkan ini mampu memetakan suhu cangkang secara non-invasif dalam akurasi milikelvin.

a Skema sensor yang dapat diregangkan dengan pola bergelombang secara berkala. b SEM dari sensor suhu yang dapat diregangkan. c Perubahan nilai resistansi sensor ketika regangan sensor terus menerus diregangkan dari 2,25 menjadi 30%. d Hubungan antara tahanan dan temperatur dari sensor stretchable dengan regangan 0%, 5%, dan 10%. Diadaptasi dengan izin dari ref. 29. Hak Cipta 2009 AIP Publishing

Pekerjaan yang disebutkan di atas telah secara efektif meningkatkan fleksibilitas sensor suhu berbasis logam, tetapi metode rekayasa struktur yang digunakan pada perangkat tersebut membatasi kemampuan regangan hingga 25–30%. Untuk lebih jauh melanggar batas tarik sensor suhu fleksibel, penggunaan bahan yang dapat diregangkan secara inheren diperlukan. Harada dan rekan kerja [8, 9] memperkenalkan sensor suhu fleksibel berdasarkan film komposit poli(3,4-etilendioksitiofena)-poli (stirena sulfonat) (PEDOT:PSS)-CNT yang dibuat dengan proses pencetakan. Sensitivitas sensor suhu campuran PEDOT:PSS-CNT adalah dari 0,25 hingga 0,63%/°C dalam rasio komposit yang berbeda dari pasta CNT dan larutan PEDOT:PSS, yang lebih baik daripada sensor suhu berbasis logam [39,40,41, 42]. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 8a, b, Yan et al. [45] mengembangkan termistor berbasis graphene yang dapat diregangkan dengan menggunakan metode filtrasi litografi untuk menyiapkan saluran deteksi graphene dengan struktur mikropori. Perangkat menunjukkan daya regangan intrinsik yang tinggi hingga 50% dan TCR-nya dapat disetel secara efektif oleh regangan mekanis, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 8c, d. Namun, ketergantungan regangan tidak ideal untuk sensor yang dapat dikenakan karena meregangkan atau memutar sensor dapat mengubah resistansi termistor. Dalam kasus deformasi sensor, tidak mungkin untuk membaca nilai regangan dan suhu dari sinyal numerik tunggal. Masih merupakan tantangan untuk menghindari pengaruh efek regangan pada penginderaan suhu dalam termistor yang disiapkan dengan bahan yang dapat diregangkan secara inheren. Untuk mendapatkan daya regangan yang tinggi dan daya adaptasi regangan secara bersamaan, Zhu et al. [47] melaporkan sensor suhu berdasarkan transistor CNT dengan kemampuan penekanan regangan dengan merancang sirkuit diferensial (diagram sirkuit ditunjukkan pada Gambar. 8e, f). Transistor film tipis tunggal yang dapat diregangkan dengan SWCNTs yang diurutkan polimer supramolekul sebagai saluran semikonduktor dibuat sebagai perangkat pendeteksi suhu. Jaringan SWCNT padat yang tidak disortir dan film tipis SEBS nonpolar masing-masing digunakan sebagai elektroda sumber-penguras dan gerbang dan dielektrik gerbang. Mekanisme utama dapat dikaitkan dengan ketergantungan suhu transportasi muatan di jaringan SWCNT semikonduktor [48]. Pergeseran tegangan ambang batas yang diinduksi regangan dihilangkan dengan menggunakan konfigurasi rangkaian diferensial statis, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 8g, h. Tegangan keluaran diferensial (V_OD ) dengan demikian dapat ditekan selama keduanya cocok di antara dua cabang.

a Diagram skematis dari termistor graphene yang dapat diregangkan. b Gambar termistor graphene pada regangan 0% dan 50%. c Variasi resistansi dengan suhu. d Variasi resistansi dengan suhu dalam regangan 0-50%. Diadaptasi dengan izin dari ref. 35. Hak Cipta 2015 American Chemical Society. e Mikrograf optik dari sirkuit sensor suhu yang dapat diregangkan yang terdiri dari lima TFT. f Skema rangkaian pendekatan penginderaan diferensial statis. g Performa penginderaan suhu dari TFT tunggal. h Kinerja penginderaan suhu dari perangkat penginderaan sirkuit diferensial statis yang dapat diregangkan. Diadaptasi dengan izin dari ref. 39. Hak Cipta 2018 Springer Nature

Perlu disebutkan bahwa perangkat struktur TFT tersebut telah dibuktikan oleh peneliti lain untuk secara signifikan meningkatkan sensitivitas sensor suhu. Trung dkk. [44] fabricated stretchable resistive and gated temperature sensors for wearable electronics and compared the performance differences between the two types of sensors. The temperature sensing layer was a composite conductive material formed by inserting temperature-responsive R-GO nanosheets into an elastomeric PU matrix. According to their test results, gated devices achieved higher temperature sensitivity (1.34% per °C) than resistive devices (0.9% per °C).

Pyroelectric Temperature Sensors

A variation of temperature will change the remnant polarization of pyroelectric materials thus generating opposite bound charges on both surfaces of the crystal. Materials that have been found to exhibit pyroelectricity include different ceramics (PZT, LiTaO₃ , LiNbO₃ ) and polymer (PVDF, P(VDF-TrFE)) [49,50,51,52,53]. A lot of pyroelectric devices have been fabricated on rigid substrate and widely used in missile detection, fire alarm, and other fields. Nevertheless, flexible pyroelectric devices still need to be explored. In particular, P(VDF-TrFE) is ideal for temperature sensing applications in flexible electronics. Tien et al. [51] directly used a highly crystalline β-phase P(VDF-TrFE) material with extremely large remnant polarization as gate insulator in an OTFT structure for temperature sensing. The remnant polarization inside the P(VDF-TrFE) can change with temperature, causing a change in the density the holes accumulated at the interface between the semiconductor channel and P(VDF-TrFE). Therefore, the source-drain current increases as the increase of temperature. The linear response of the device in a certain temperature range and its simple fabrication process suggest its potential application in flexible temperature sensors. However, for (P(VDF-TrFE)), the pyroelectric effect is indistinguishable from the piezoelectric effect, which means that mechanical deformation will interfere with temperature detection. To decouple strain-induced interference from temperature effect, Tien et al. [54] developed flexible pyroelectric OFET devices with piezo- and pyroelectric nanocomposite gate dielectrics formed by a mixture of (P(VDF-TrFE)) and BaTiO₃ nanoparticles as well as piezo- and thermoresistive organic semiconductor channel(pentacene). The fabricated devices can extract effects from the target sensing signals successfully while the flexible sensor is under multiple stimuli because the two chosen materials were able to respond to strain and temperature in a disproportionate manner simultaneously. This approach is able to distinguish the temperature effects from strain for flexible pyroelectric sensors.

Flexible Physiological Biochemical Sensors

In order to understand all aspects of human health, various physiological biochemical sensors have been developed for analysis of vital biochemical signs, such as blood glucose [55, 56, 57, 58] and body fluids (sweat, interstitial fluids, saliva, and tears) [59, 60, 61]. Flexible biochemical sensors typically adopt chemical methods to detect the composition and amount of a biological substance. The chemical reaction between the sensing material and the target detection substance changes the electrical properties of the sensor, therefore the physiological health information can be obtained by analyzing the electrical parameters of the sensor.

Continuous measurement of glucose is vital to maintain the health and quality of life of diabetics. Commercially available products for glucose detection are performed by invasive lancet approaches that requires sampling the patient’s blood, leading to pain to the patient. New electronics fabrication techniques on flexible substrates have been developed to enable noninvasive wearable glucose monitoring. Chen dkk. [55] developed a skin-like biosensor for noninvasive blood glucose monitoring via electrochemical channels. The detection mechanism and structure of this sensor are shown in Fig. 9a, b. A paper battery was attached to the skin to produce subcutaneous electrochemical twin channels (ETCs), through which more intravascular blood glucose was expelled from the blood vessel and transported to the skin surface. The outward-transported glucose thus can be measured easily by a glucose oxidase (GOx) immobilization layer. The experimental test results are shown in Fig. 9c, d. As can be seen from the figure, the monitoring results of the biosensor are in good agreement with the results of the commercial glucometer. Besides glucose monitoring, sweat analysis can be important in facilitating insight into an individual’s heath state. For example, sweat glucose is metabolically related to blood glucose and low electrolyte levels in sweat may be a sign of dehydration. Gao et al. [61] presented a highly integrated wearable sensing system for multiplexed in situ sweat analysis. As shown in Fig. 9e, f, the sensing system composed of four different sensing elements for simultaneous and selective screening of a panel of biomarkers in sweat—sodium (Na+), potassium (K+), sweat glucose, and sweat lactate. They also exploited a flexible printed circuit board (FPCB) to realize the conditioning, processing, and wireless transmission of critical signals. According to the test results in Fig. 9, it can be seen that the wearable system can be used to measure the detailed sweat characteristics of a human subject and to evaluate the physiological state of the object in real time.

a Schematic of the ETCs (left) and the biosensor multilayers (right). b A biosensor attached to skin surface for glucose monitoring. c Results of glucose monitoring in one day by a glucometer and a biosensor. d Results of glucose monitoring in 5 days by a glucometer and a biosensor. Adapted with permission from ref. 48. Copyright 2017 American Association for the Advancement of Science. e Schematic of the sensor system for multiplexed sweat analysis. f Photograph of a flexible integrated sensing device. g The result of sweat analysis by wearing the sensor on the forehead of the subject. h The result of sweat analysis by wearing the sensor on the forehead of another subject. Adapted with permission from ref. 54. Copyright 2016 Springer Nature

Multifunctional Sensors

Integrating multifunctional sensing components into one device is an important advance in wearable electronics. Future wearable electronics should enable to integrate the function of detecting multiple signals such as strain, pressure, temperature, humidity, gas [8, 9, 62, 63], and so on into a single device to provide more comprehensive human health and environmental information. Laminating multiple layers of thin film e-skin device with different sensing functions together is the major method to prepare multifunctional sensors. Harada et al. [8] fabricated a triaxial tactile sensor and temperature sensor array to simultaneously detect the tactile forces, slip forces, and temperature by using a printing manufacturing technique. Four strain sensors printed by a screen printer were designed with a PDMS fingerprint for a pixel, as shown in Fig. 10a, b. Three-axis force directions can be detected by characterizing the strain distribution at the four integrated force sensors with a finite element method (FEM). Figure 10c shows the measurement results of the multifunctional sensor when touching a fingerprint-like structure with a human finger. The integrated strain/temperature sensing array for e-skin application show good performance in imitating human skin. Ho dkk. [62] developed a multimodal all graphene e-skin sensor matrix. Three different sensors—humidity, thermal, and pressure sensors—were included in this matrix. Sprayed graphene oxide (GO) and reduced graphene oxide (rGO) were used as active sensing materials for the humidity and temperature sensors, respectively. Whereas the top PDMS substrate sandwiched between two CVD-graphene electrodes acted as the capacitive strain sensor, as displayed in Fig. 10d, e. The three sensors were integrated into a single unit through a simple lamination process. As can be seen from the test results in Fig. 10f–h, each sensor is sensitive to its associated external stimulus, but not affected by the other two stimuli. These results indicate that the E-skin device offers unique opportunities for healthcare applications in the future.

a Schematic for the structure of multilayer sensor. b Picture of a 3 × 3 sensor array. c schematic and measurement results of the multifunctional sensor when touching a fingerprint-like structure with a human finger. Adapted with permission from ref. 4. Copyright 2014 American Chemical Society. d Schematic diagram of the multimodal e-skin sensor. e Circuit diagram of the sensor matrix. f Performance of the humidity sensor based on GO. g Performance of the temperature sensor based on rGO. h Performance of the pressure sensor based on PDMS. Adapted with permission from ref. 55. Copyright 2016 John Wiley and Sons

Functional Modules of Wearable Electronics

In order to develop highly integrated wearable system for applications in health monitoring, physical state assessment, and telemedicine, researchers have tried various manufacturing processes and device structures to combine different functions together. Self-powered modules working continuously without external power sources should be an integral part of future wearable electronics. In addition, for real-life application of wearable electronics in monitoring critical health information, a wireless digital system for processing and transmitting signals over long distances is necessary.

To realize independent operation of wearable sensors, nanogenerators based on piezoelectric, pyroelectric, and triboelectric effects have been developed to incorporate into wearable systems [64,65,66,67]. Nanogenerators are able to harvest mechanical energy or thermal energy from human activities to power wearable devices. Zi et al. [64] developed a tribo-, pyro-, and piezoelectric hybrid cell that is composed of a sliding mode triboelectric nanogenerator (TENG) and a pyroelectric-piezoelectric nanogenerator (PPENG) for self-powered sensing. The structure and working principle of the hybrid cell are shown in Fig. 11a–d. The TENG, fabricated with a piece of aluminum foil as the sliding layer and a piece of polytetrafluoroethylene (PTFE) film deposited on Cu electrode as the static layer, is able to harvest the sliding mechanical energy. The PPENG was fabricated by depositing a piece of PVDF with Cu electrodes on both sides to harvest the thermal energy generated by friction and the mechanical energy generated by the normal force. As can be seen from Fig. 11e–j, the hybrid cell is demonstrated as an efficient power source that can drive the LED with extended lighting time, and a versatile self-powered sensor for detecting both the subtle temperature alteration and strain on the surface of human skin. Nevertheless, the rapid development of flexible electronics places higher demands on corresponding power devices, which should be comparably flexible or stretchable. Pu et al. [65] reported a soft skin-like triboelectric nanogenerator that achieves ultrahigh stretchability (maximum stretch up to 12.6 or strain of 1160%) and high degree of transparency (96.2%) by using PDMS or LED as the elastomer electrification layer and PAAm-LiCl hydrogel as the electrode. This skin-like generator is capable of outputting an open circuit voltage of up to 145 V and an instantaneous power density of 35 mW m ⁻² through harvesting biomechanical energy. Meanwhile, the TENG-based electronic skin can serve as a tactile sensor to sense pressure and achieved a sensitivity of 0.013 kPa ⁻¹ . The development of self-powered, wearable platforms has opened up opportunities for many potential applications including soft robots, smart artificial e-skins, wearable electronics, etc. However, there are still limitations of flexible energy harvesting devices because the power generation of nanogenerators that have been reported so far cannot meet the needs of practical applications.

a –d The structure and working principle of the tribo-, pyro-, and piezoelectric hybrid cell. e The circuit that hybridizes TENG and PPENG outputs. f The LED was lighted by the hybridized output current. g The schematic diagram of the structure used to demonstrate the temperature sensing. h The voltage and the temperature variation of the PPENG. saya The schematic diagram of the measurement setup. j A force of approximately 0.5 N applied to the surface. Adapted with permission from ref. 56. Copyright 2015 John Wiley and Sons

The integration of flexible sensors with information processing system is the next frontier for wearable electronics. Current research on flexible electronics mainly focused on the fabrication and optimization of sensing elements, while the research on flexible electronic circuits for information processing is relatively limited. The delivery and processing of human health information collected by the sensor still needs to be done by a computer. Wireless transmission of sensor data that has been reported so far is principally realized by combining a flexible sensor with a rigid silicon-based digital circuit technology. Pang et al. [2] built a custom wireless measurement system based on an XBee Series 2 radio module integrating to a programmed Arduino microcontroller. This system allows the sensor data to be wirelessly transmitted to a computer but is relatively bulky and not portable. Gao et al. [61] devise a multiplexed sensing system that integrated the functions of signal conditioning, processing, and wireless transmission by merging commercially available technologies of consolidating integrated circuits on a flexible printed circuit board (FPCB), with flexible sensor technologies fabricated on elastic substrates. The introduction of FPCB technology bridges the technological gap between signal conditioning, processing, and wireless transmission in wearable sensors to some extent, but the flexibility and comfort of the system still do not meet the requirement of next-generation wearable electronics. Realizing skin electronics rely on the development of intrinsically stretchable circuits [68].

Conclusions and Outlook

In past several years, the rapid development of wearable electronics attracts extensive attention. Researchers have made many fruitful attempts and achieved good results in developing wearable electronics with high sensitivity, flexibility, and stability. This review analyzed recent research strategy and advancements in wearable electronics for human health detection from the aspects of force sensors, temperature sensors, physiological biochemical sensors, multi-functional sensor, and other functional modules applied in flexible electronics. The successful fabrication of flexible sensing devices with high sensitivity, low-cost, portability, and long-term stability indicates that flexible and wearable electronics will definitely become the mainstream in the field of medical care in the future. However, there are certain challenges remaining for practical applications of current wearable sensors in real life.

1. 1.

   Wearable electronic devices should be able to clearly identify the deformations caused by pulse, muscle movements, and external contact. While most of the flexible force sensors that have been reported so far cannot accurately identify the source and direction of external forces.

2. 2.

   In terms of temperature sensors, it is still difficult to achieve high stretchability, sensitivity, and strain adaptability simultaneously. Improving the sensing performance and eliminating the influence of the elastic deformation of the sensor on temperature detection remain important research topics.

3. 3.

   The detection accuracy of flexible physiological biochemical sensors is insufficient compared to traditional medical devices. Besides, most of the valuable physiological health information needs to be extracted from internal secretions. More biophilic implantable materials should be taken into consideration for the development of biochemical sensors to extract information from blood and muscles.

4. 4.

   Multifunctional sensors should be able to simultaneously detect pressure, stress, temperature, and other different signals such as humidity and gas atmosphere and avoid crosstalk between them. The realization of multifunctional sensors requires further development of new materials, nanotechnology, and device structure design.

5. 5.

   Processing the data in situ and transmitting them in real time are also essential parts of future wearable electronics. It is quite challenging to integrate multiple functional modules into a complete wearable system so that it can fully meet the requirements of practical applications.

Ketersediaan Data dan Materi

Not applicable.

Singkatan

Au:

Aurum

Cu:

Cuprum

CVD:

Deposisi uap kimia

LED:

Dioda pemancar cahaya

NW:

Nanowire

OFET:

Organic field-effect transistor

P(VDF-TrFE):

Poly(vinylidenefluoride-tirfluoroethylene)

PAAm:

Polyacrylamide

PbTiO₃ :

Lead titanate

PDMS:

Polidimetilsiloksan

Pt:

Platinum

PU:

Polyurethane

PZT:

Timbal zirkonat titanat

SEBS:

Styrene-ethylene-butylene-styrene block copolymer

VHB:

Very high bond

ZnO:

Seng oksida

Sintesis Kubik Ni(OH)2 Nanocage Melalui Koordinasi Rute Etching dan Pengendapan untuk Superkapasitor Berperforma Tinggi Sebuah ekspresi potensial kimia yang dikembangkan untuk deformasi cepat pada elektroda nanopartikel baterai lithium-ion