在室温下直接在皮肤表面烧结来监测健康的可穿戴传感器
皮肤接口的可穿戴电子设备由于在预防性监测，诊断确认和方便的治疗选择方面具有独特的作用而备受关注。这些生物集成设备在实际和便捷应用中的最终应用取决于人体传感器与无线传输模块的无缝集成。
多功能的人体传感器可以精确，连续地监视人体的健康状况，而无线传输模块可以为传感器无线供电，并将传感器产生的数据传输给医疗专业人员。
作为面向此类集成系统的有希望的方向，软体区域传感器网络包括用于生理信号监控的人体传感器以及用于信号调节/读出和无线传输的柔性印刷电路板（FPCB）。
当前，软体区域传感器网络的实现依赖于从光刻和转移印刷到直接印刷的各种复杂的制造技术，特别是当可拉伸传感器与读出电路分离时。目前学术界已经进行了广泛的研究努力来探索可穿戴电子设备在纸/织物或人体皮肤上的集成。然而，由于在具有易于去除功能的纹理表面上进行低温处理的挑战性要求，到目前为止，缺少一种简单而通用的方法来制造与软体区域传感器网络相关的所有模块。
柔软的皮肤级传感器网络为可穿戴设备提供了一个有希望的方向，以集成用于生理信号监测的人体传感器和用于信号调节/读出和无线传输的柔性印刷电路板（FPCB）。然而，其实现当前依赖于各种复杂的制造方法，例如在附着到主体之前在载体衬底上的光刻或直接印刷。
由于该领域的常规技术需要昂贵的设备和复杂的程序，并且正在增加电子设备的浪费，因此开发一种新的制造技术来应对所有这些挑战显得尤为迫切。
宾夕法尼亚州立大学和哈尔滨工业大学的一个国际研究小组已经做到了这一点，目前正在报告一种简单但普遍适用的皮肤界面传感器制造技术。该方案可以在纸/织物上进行金属纳米颗粒的印刷和室温烧结，以用于FPCB，并直接在人体皮肤上进行具有新型涂层的人体传感器的印刷和室温烧结。新型涂层由水中的聚乙烯醇（PVA）糊和纳米颗粒添加剂组成，可降低烧结温度。加上表面粗糙度显着降低，它允许集成具有增强的机电性能的亚微米级导电图案。
这项工作在ACS Applied Materials＆Interfaces中进行了报道（"在室温下直接在皮肤表面烧结以进行健康监测的可穿戴电路" "Wearable Circuits Sintered at Room Temperature Directly on The Skin Surface for Health Monitoring"）。
"一个在我们的工作中的核心的创新是设计和一种新的烧结助剂层的示范启用用于构造纸- /基于光纤的FPCBs和在体传感器的各种金属油墨直接印刷和室温烧结，" 环宇宾州州立大学材料研究所的工程科学与力学助理教授。"与其他方法的数百摄氏度相比，这种方法允许在较低甚至室温下烧结金属纳米颗粒。"
该团队的制造方案依赖于烧结助剂层，该助剂层由粘性聚乙烯醇（PVA）浆料和纳米添加剂（例如TiO 2或CaCO 3等）组成。
他们解释说，以前发表的文献表明，当在包含TiO 2作为主要成分的耐高温纸上烧结银纳米颗粒油墨时，银纳米颗粒的烧结温度从180°C降低到120°C ：
"因此，我们通过选择TiO 2添加剂开始了我们的研究，因为它有助于降低电荷中和后的烧结温度，从而降低增强烧结的活化能。由于电荷中和需要阳离子基团，我们选择了其他几种金属氧化物（Al 2以O 3，MgO），盐（CaCO 3，BaTiO 3）和金属（Cu）为添加剂来证明这一概念。通过使用CaCO 3添加剂，烧结温度进一步降低至室温。"
Cheng解释说："我们将使用烧结助剂层降低了银纳米粒子的烧结温度，归因于电荷中和增加了晶界扩散系数，这一点在实验和模拟中都可以看出，" Cheng解释说。"烧结助剂层还降低了各种基材的表面粗糙度，从而可以印刷具有改善的机电性能的超薄金属图案层，以抵抗各种机械变形（例如弯曲或折叠）。"
研究人员应用他们的制造方案，启用了用于生理信号监控的皮肤印刷传感器，以及用于信号调节/读出和无线传输的基于纸/织物的FPCB。为了说明他们的技术的系统级示例，他们将各种人体传感器与FPCB集成在一起，如下所示。
由各种人体传感器和柔性印刷电路板（FPCB）组成的软体区域传感器网络的示意图和概念验证演示。a）软体区域传感器网络的设计概念。服装上基于纸/织物的FPCB可以集成无线数据和电源传输模块（例如，蓝牙或近场通信模块），以及用于扩展收集和处理数据的商用现货芯片（绿色框）。红色框说明了准备在室温下烧结的直接打印的人体传感器的简单过程。b）手的光学图像，该传感器具有直接打印并烧结在皮肤表面上的多个人体传感器（例如，电极，温度/水合传感器）。c）由一个红色组成的血氧饱和度测量单元的光学图像，一个红外发光二极管（LED）和一个指尖上的光电二极管。d）包括SL900A UHF RFID感应IC芯片和天线的纸基FPCB的光学图像。
该电子系统包括直接打印在人体各个部位的传感器（用于生命信号测量），用于扩展数据收集和处理的商用现货芯片，无线数据和电力传输模块以及基于纸/织物的FPCB用于系统集成。
"我们证明了我们的高性能皮肤打印传感器可以精确，连续地捕获温度，湿度或局部水分变化，血氧饱和度，心电图和肌电图等电生理信号，" Cheng指出。"与商业同类产品相比，这些增强型信号传感器具有更高的信号质量和更高的性能，与其他扩展模块一起，为健康监测提供了可穿戴电子产品的全部产品。"
他补充说："目前，该模块还具有高度相关性，该系统带有用于生理信号监视和无线传输的人体传感器模块，可以用于发出信号，指示COVID-19患者的病情进展和严重程度。"
当大规模采用这种可穿戴设备成为我们日常生活的一部分时，拆卸和与环境兼容的处置就成为一个问题。为此，研究人员证明了用温水洗手可以很方便地将设备从皮肤上移开。
此外，设备系统中利用的材料具有生物相容性，且毒性极小，这使其可以用于绿色电子设备，生物集成电子设备甚至可植入设备。
人体传感器的拆卸和处置演示。a）薄膜人体传感器的光学图像显示了器械溶解的顺序：（i）在室温下在水中稳定；（ii）在60°C以上开始分解；（iii）搅拌5分钟后完全溶解。b）剥落对皮肤的影响可忽略不计的人体感应膜，可以方便地卸下设备。c）一系列光学图像显示，通过用温水冲洗双手，很容易将设备从皮肤上取下。
Cheng及其合作者现在对将这种多功能，可穿戴的传感技术应用于心肺疾病（包括COVID-19，肺炎和纤维化肺病）的诊断确认和及时治疗感兴趣。
他们指出，凭借出色的机电性能和水下性能，该传感技术还可用于跟踪和监视海洋哺乳动物。
Cheng指出："具有气密性优异的水下性能似乎与需要长期透水穿着的气体和水可渗透设备相矛盾。" "但是，我们正在探索具有选择性封装的多孔结构中的新型烧结层，以解决这一挑战。该设计可以与浸入水中后表现出的稳定器件性能进一步结合。"
目前的工作只是该研究小组关注的一个中心例子，该研究小组集中在采用低成本技术制造的自供电无线多功能系统上。
对于自供电设备，他们的项目之一集中在可拉伸的整流天线上，以收集周围的射频能量，为电池充电或为电子设备供电。多功能方面还使他们致力于可伸展的气体传感器，以检测来自人体和暴露环境的气态生物标记。
另一个项目涉及可替代的低成本制造方法，该方法可在3D曲线自由曲面上直接制造可生物降解且持久的传感器。
这些不同工作领域的逻辑扩展包括可穿戴设备与大数据分析的组合，以用于未来的健康信息学。cheng总结说："这些不同的未来方向的跨学科性质要求临床医生和具有不同背景的工程师共同努力，以帮助促进这一新兴领域的快速发展。"