Wearable Temperature Sensors and Their Applications in Healthcare

No Thumbnail Available

Files

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Kemiantekniikan korkeakoulu | Bachelor's thesis
Electronic archive copy is available locally at the Harald Herlin Learning Centre. The staff of Aalto University has access to the electronic bachelor's theses by logging into Aaltodoc with their personal Aalto user ID. Read more about the availability of the bachelor's theses.
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2024-12-02

Department

Major/Subject

Bio- ja kemiantekniikka

Mcode

CHEM3012

Degree programme

Kemiantekniikan kandidaattiohjelma

Language

en

Pages

20

Series

Abstract

Monitoring patients' body temperature is crucial in healthcare, as it provides essential information about their health and enables timely interventions. However, traditional temperature measurement methods have posed challenges such as discomfort due to invasive procedures, variability in measurement accuracy, and the difficulty of continuous monitoring. In clinical environments where constant and accurate monitoring is often necessary, the limitations of traditional methods can hinder effective patient care, optimal use of staff resources, and swift decision-making. A possible solution to these challenges is wearable temperature sensors. Wearable temperature sensors allow for real-time, non-invasive monitoring of temperature changes. A patient can wear the sensor continuously, and the data is transmitted wirelessly to the healthcare facility or doctor’s monitoring system, enabling continuous surveillance and rapid response to potential changes in health. This also frees up staff to attend to other tasks. RTD sensors (Resistance Temperature Detectors) are a common type of sensor used in wearable temperature sensors. They are accurate and reliable temperature detectors that work based on changes in electrical resistance as the temperature changes. Coating them with electrically conductive thin films like MXene can improve their sensitivity to temperature changes. In this study, we focus on examining the effect of MXene thin film concentration on the sensitivity of RTD sensors. This thesis explores the impact of MXene thin films on the sensitivity of RTD sensors to temperature changes. The study utilizes three different RTD sensor architectures. The sensors were coated with MXene mixtures of four concentrations (10, 5, 2, and 1 mg/ml), followed by a protective polydimethylsiloxane (PDMS) coating. The sensitivity of the samples to temperature variations was examined within the range of human body temperature. The sensors were heated to 45°C and then allowed to cool down to 30°C, and this process was repeated five times. The measurements were performed using Arduino hardware and compatible software from the same manufacturer. The sensitivities were determined using the slope of the linear fit. Measurements were successful only for the sample series with 2 mg/ml, 5 mg/ml, and 10 mg/ml concentrations. The 1 mg/ml concentration might have been too low to detect changes in resistance. The 10 mg/ml coating responded best and worst to temperature changes, with measured sensitivities of 0.98 for sensor one and 0.60 for sensor nine. A linear relationship between resistance change and temperature was observed in all samples up to 38°C, after which the data points began to scatter. The results suggest that a higher concentration MXene thin film enhances the sensitivity of RTD sensors more effectively than a lower concentration film. MXene-coated RTD sensors thus offer significant potential for the development of wearable temperature monitors and patient care, but further research is needed, especially with higher MXene concentrations at elevated temperatures.

Potilaiden ruumiinlämpötilan seuranta on tärkeää terveydenhuollossa, sillä se tarjoaa keskeisiä tietoja potilaiden terveydestä ja mahdollistaa oikea-aikaiset toimenpiteet. Perinteisissä lämpötilanmittausmenetelmissä ongelmana on kuitenkin ollut mahdollinen epämukavuus invasiivisten menetelmien käytössä, mittaustarkkuuden vaihtelu sekä jatkuvan seurannan haastavuus. Kliinisissä ympäristöissä, joissa jatkuva ja tarkka seuranta on usein välttämätöntä, perinteisten menetelmien rajoitukset voivat vaikeuttaa tehokasta potilaan hoitoa, henkilöstoresurssien optimointia ja nopeaa päätöksentekoa. Mahdollinen ratkaisu näihin haasteisiin ovat puettavat lämpötilamittarit. Puettavat lämpötilamittarit mahdollistavat lämpötilamuutosten seurannan reaaliaikaisesti ja ei-invasiivisesti. Potilas voi pitää mittaria päällään jatkuvasti, ja tieto lähetetään langattomasti terveyskeskuksen tai lääkärin seurantajärjestelmään, mikä mahdollistaa jatkuvan valvonnan ja nopean reagoinnin mahdollisiin muutoksiin terveydentilassa. Henkilöstöä myös vapautuu hoitamaan muita tehtäviä. RTD-anturit (Resistance Temperature Detectors) ovat eräs anturityyppi, joka on yleinen puettavissa lämpötilamittareissa. Ne ovat tarkkoja ja luotettavia lämpötilamittareita, jotka perustuvat sähkövastuksen muutokseen lämpötilan muuttuessa. Niiden päällystäminen sähköä johtavilla ohutkalvoilla kuten MXenellä voi parantaa niiden herkkyyttä lämpötilanmuutoksille. Tässä tutkimuksessa keskityimme tutkimaan MXene-ohutkalvon konsentraation vaikutusta RTD-anturin herkkyyteen. Tämä tutkielma käsittelee MXene-ohutkalvon vaikutusta RTD-anturien herkkyyteen lämpötilanmuutoksille. Tutkimuksessa käytettiin kolmen eri arkkitehtuurin omaavaa RTD-anturia. Anturit pinnoitettiin neljän eri konsentraation (10, 5, 2, ja 1 mg/ml) MXene-seoksilla, minkä jälkeen ne suojattiin vielä PDMS-pinnoitteella. Näytteiden herkkyyttä lämpötilanvaihteluille keskityttiin tarkastelemaan ihmisen ruumiinlämmön alueella. Anturit lämmitettiin yksi kerrallaan 45°C jonka jälkeen lämpötilan annettiin laskea takaisin 30°C, ja tämä toistettiin viisi kertaa. Mittaamiseen käytettiin Arduino-laitteistoa ja yhteensopivaa saman valmistajan ohjelmistoa. Herkkyydet määritettiin lineaarisen sovituksen kulmakertomen mukaan. Vain 2 mg/ml, 5mg/ml ja 10 mg/ml konsentraation näytesarjojen mittaukset onnistuivat. 1 mg/ml konsentraatio saattoi olla liian alhainen resistanssinmuutosten havaitsemiseen. 10 mg/ml pinnoite reagoi parhaiten lämpötilamuutoksiin, ja sen herkkyydeksi mitattiin anturilla yksi 0, 98, anturilla viisi 0,95 ja anturilla yhdeksän 0,60. 5 mg/ml pinnoitteen herkkyydet olivat anturilla yksi 0,92 ja anturilla viisi 0,60. 2 mg/ml pinnoitteiden herkkyydet olivat matalempia, anturilla yksi 0,78, anturilla viisi 0,71 ja anturilla yhdeksän 0,88. Kaikissa näytteissä havaittiin myös lineaarinen suhde resistanssin muutoksen ja lämpötilan välillä 38°C saakka, minkä jälkeen havainnointipisteet alkoivat hajaantumaan. Tuloksista voidaan päätellä, että korkeamman konsentraation MXene-ohutkalvo parantaa RTD-anturin herkkyyttä paremmin kuin matalamman konsentraation kalvo. MXene-ohutkalvolla päällystetyt RTD-anturit siis tarjoavat merkittäviä mahdollisuuksia puettavien lämpötilamittareiden ja potilashoidon kehityksessä, mutta niiden tehokas hyödyntäminen vaatii lisätutkimusta etenkin korkeammilla MXenen konsentraatioilla korkeissa lämpötiloissa.

Description

Supervisor

Kontturi, Eero

Thesis advisor

Fevzihan, Basarir

Keywords

temperature sensor, wearable sensors, healthcare, RTD, MXene

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202412248099

Collections

[kand] Kemian tekniikan korkeakoulu / CHEM