感知系统、可穿戴技术、电子皮肤、电力电子、结构健康监测和智能机器人的快速发展,在可靠的温度传感方面引起了工业界和教育界的极大兴趣[1]、[2]。温度的测定在日常生活的许多方面都至关重要。近几十年来,冶金、航空航天、核能和医疗行业一直依赖于精确的温度监测[3]。为测量、监测、控制和记录而开发的适应性温度传感器吸引了研究人员对传统传感器应用多样性的关注[4]、[5]、[6]。目前,大多数柔性温度传感器专注于与人体内部温度相关的温度范围[7]、[8]。内脏器官的温度即人体温度;因此,对体温进行合理一致的监测对正常生活至关重要[9]、[10]。COVID-19的出现引发了人们对医疗领域温度监测设备需求的增加,以便在公共场所持续监测个体体温[6]、[11]。传感器将某些环境中的物理量转换为电信号,这些物理量包括温度、质量、速度、压力和热量(如人体内的)。微处理器根据具体测量结果将电信号转换为输出[12]、[13]。
传统的温度监测方法使用昂贵的金属热电偶传感器,因为它们操作简单、制造技术成熟且适用范围广[13]。然而,热电偶传感器存在一些缺点,如寿命有限、耐腐蚀性差、精度不高且易受电磁干扰。使用热电偶设备的主要问题是,在高温下制造的金属或合金容易氧化和损坏,从而导致使用寿命缩短和传感精度下降[12]。
为满足医疗监测设备的巨大市场需求,已经开发出了多种灵敏的功能材料和传感器[14]、[15]、[16]、[17]、[18]。为了制造高性能、低成本的温度传感器,研究创新材料和制造技术至关重要。常用的温度传感器制造材料包括碳纳米材料的同素异形体[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]。这些碳同素异形体以其高热导率和电导率、优异的机械刚性和强度以及显著的化学稳定性而著称[25]、[26]、[27]、[28]、[29]。此外,它们还具有快速响应、高灵敏度和一致的重复性。碳纳米材料包括富勒烯、碳纳米纤维(CNFs)、单壁碳纳米管(SWCNTs)[25]、多壁碳纳米管(MWCNTs)[23]、[30]、[31]、石墨烯、炭黑(CB)[32]、[33]、[34]、碳纳米洋葱和纳米钻石。此外,这些材料价格低廉且易于获取。这些特性共同提升了碳同素异形体在印刷和可穿戴电子领域的价值。
这些成分必须被适当分散并配制成具有适当粘度和电学特性的稳定纳米油墨,以便最佳地打印这些组件。与金属不同,碳纳米材料在纳米尺度上表现出独特的性质,包括较高的长宽比、可调的表面功能以及强大的界面相互作用,这有助于通过喷墨、丝网和气溶胶喷射等可扩展的印刷技术制造高性能设备。
本文回顾了用于温度传感器和可穿戴传感器的基于碳的纳米油墨复合材料的最新研究进展。内容涵盖了导电纳米油墨的机制、制造策略、制造方法、温度传感器的类型、实施情况及其应用。第一部分重点介绍了过去几年文献中描述的柔性温度传感器中的导电纳米油墨机制。第二部分讨论了基于碳的温度传感器的最新进展和制造技术。第三部分描述了不同类型的基于碳纳米油墨的温度传感器。第四部分阐述了使用基于碳的纳米油墨改进柔性温度传感器的方法。第五部分概述了过去十年柔性温度传感器的应用场景。