可精確監測體溫的柔性溫度傳感器

人體溫度與生理系統中發生的各種化學反應息息相關,被認為是人體內最重要的生理參數之一。精確測量體溫,還可以預防疾病和監測人體健康情況。在傳統醫療領域,一般通過水銀溫度計或者紅外成像儀來測量人體溫度,但是這兩種溫度計都有一定的侷限性:水銀溫度計因為無法穩定放在新生嬰兒或麻醉病人的腋下,所以使用起來不方便,而且水銀溫度計易碎,一旦裡面的水銀洩漏就容易造成安全隱患同時也會對環境造成汙染;紅外成像儀雖然可以保證極高的準確性,但是有成本高和不能便攜的缺點。因此,能用在可穿戴電子設備上並具有生物相容性和柔性的溫度傳感器,其在健康醫療領域的應用引起廣泛的興趣。

在過去十幾年裡,很多研究致力於開發這種具備生物相容性的柔性溫度傳感器,包括熱電偶型傳感器、熱阻式傳感器和有機二極管傳感器。一類極薄的類似皮膚陣列的溫度傳感器,可以用於連續精確地測量人體溫度;一類基於鎂金屬薄膜和Ecoflex的可以生物降解和高形變量的溫度傳感器可以保持很好的機械穩定性;還有一類更加先進的是將功能性物質摻雜到高分子材料中作為溫度傳感器,此類溫度傳感器可以通過電阻的改變來測量溫度。目前儘管有很多類型的溫度傳感器被開發出來,但是能很好地抗干擾和在34~42℃的溫度區間內精確測量的功能還是很難實現。

近日,合肥工業大學的研究人員開發出了一種生物相容性的柔性溫度傳感器。該傳感器是將PDMS覆蓋在傳感材料上,外部用硅膠封裝。經測試,可以在34~42℃區間高度重複測試。同時,該傳感器表現出極好的抗干擾能力,在測量人體溫度時具有高度重複性和持久性,並且能測量皮膚上微小的溫度變化。

下面介紹這種溫度傳感器的製備過程和測試效果:

可精確監測體溫的柔性溫度傳感器

圖1. (a)溫度傳感器的製作過程;(b)溫度傳感層的厚度;(c)溫度傳感層的硬度;(d)溫度傳感器的結構;(e)製備樣品的照片

可精確監測體溫的柔性溫度傳感器

圖2. (a)使用紅外熱成像測量人體不同部位皮膚的溫度;(b)使用溫度傳感器測量人體皮膚的溫度;(c)測量運動前後皮膚表面的溫度;(d)使用水銀溫度計和溫度傳感器測量健康和感冒時溫度對比


參考文獻:

Huang Y, Zeng X,Wang W, et al. High-resolution flexible temperature sensor basedgraphite-filled polyethylene oxide and polyvinylidene fluoride composites forbody temperature monitoring[J]. Sensors and Actuators A: Physical, 2018,278:1-10.

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