近日，合肥工業(yè)大學(xué)微電子學(xué)院/安徽省MEMS工程技術(shù)研究中心許高斌教授課題組在柔性傳感器領(lǐng)域取得了多項(xiàng)研究突破，相關(guān)成果相繼發(fā)表于國(guó)際知名期刊Nature子刊《Microsystems & Nanoengineering》與《Sensors and Actuators A: Physical》上。通過(guò)跨學(xué)科的創(chuàng)新設(shè)計(jì)與材料組合，研究團(tuán)隊(duì)成功解決了柔性傳感器在高性能、低成本和可靠性方面的諸多挑戰(zhàn)，推動(dòng)了柔性電子技術(shù)的發(fā)展。
 

　　團(tuán)隊(duì)基于柔性熱電偶傳感器僅限于接觸式監(jiān)測(cè)溫度的特性，提出了柔性雙模式溫度監(jiān)測(cè)傳感器。在溫度傳感領(lǐng)域，傳統(tǒng)的柔性熱電偶傳感器由于聚合物材料的熱電性能有限以及無(wú)機(jī)材料的固有剛性，常面臨著靈活性和性能之間的權(quán)衡問(wèn)題。針對(duì)這一難題，課題組提出了一種基于PEDOT:PSS/CNTs和MXene/Bi?Se?復(fù)合材料的柔性熱電偶傳感器(FTCS)，該傳感器采用了絲網(wǎng)印刷和壓縮技術(shù)，應(yīng)用于紙/PDMS/Si?N?(PPSN)復(fù)合基底上。研究表明，該傳感器在接觸模式下具有優(yōu)異的溫度靈敏度(379.5μV/°C)、寬廣的檢測(cè)范圍(20-200°C)、高分辨率(約0.3°C)以及快速響應(yīng)時(shí)間(約12.6ms)。在非接觸模式下，傳感器依舊展現(xiàn)了良好的性能，最大靈敏度為52.67μV/°C，響應(yīng)時(shí)間更短(約9.8ms)。這項(xiàng)研究突破了柔性熱電偶傳感器的性能瓶頸，尤其在可穿戴設(shè)備和鋰電池溫度監(jiān)測(cè)領(lǐng)域展現(xiàn)了重要應(yīng)用潛力。該項(xiàng)成果以“Dual-mode temperature monitoring using high-performance flexible thermocouple sensors based on PEDOT:PSS/CNTs and MXene/Bi2Se3”為題于發(fā)表在《Microsystems & Nanoengineering》。
 

圖1.柔性雙模式熱電偶監(jiān)測(cè)傳感器的示意圖和實(shí)物圖
 

　　團(tuán)隊(duì)仿照貝殼層結(jié)構(gòu)提出了新型的仿生柔性基底。柔性基底在柔性電子設(shè)備中起著至關(guān)重要的作用，不僅提供支撐和靈活性，還直接影響到傳感器的穩(wěn)定性。傳統(tǒng)的柔性基底在大規(guī)模生產(chǎn)和成本控制方面仍面臨挑戰(zhàn)。為了解決這一問(wèn)題，課題組受自然界珍珠殼“磚-砂漿”分層結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，提出了一種新型的PPSN柔性基底。該基底采用紙/PDMS/Si?N?納米顆粒復(fù)合材料，并通過(guò)拓補(bǔ)互鎖技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性。研究表明，PPSN基底在經(jīng)過(guò)1萬(wàn)次彎曲循環(huán)后依舊保持形態(tài)完整，具有良好的耐熱性，疏水角超過(guò)了125°。此外，該基底能夠有效消散熱應(yīng)力，并在300°C下保持低于較低的熱膨脹系數(shù)，滿足高性能柔性傳感器的要求。該技術(shù)的突破將為柔性電子器件的低成本、大規(guī)模生產(chǎn)提供新的解決方案。該項(xiàng)成果以“Nacre-inspired hierarchical bionic substrate for enhanced thermal and mechanical stability in flexible applications”為題發(fā)表在《Sensors and Actuators A: Physical》。
 

圖2. PPSN基底的實(shí)物圖以及結(jié)構(gòu)示意圖
 

　　團(tuán)隊(duì)基于柔性溫度傳感器易受應(yīng)力影響的問(wèn)題提出了抗應(yīng)力形變的柔性熱敏電阻傳感器。柔性熱敏電阻傳感器因其卓越的熱敏性能和良好的柔性，廣泛應(yīng)用于應(yīng)變監(jiān)測(cè)和動(dòng)態(tài)溫度測(cè)量。課題組針對(duì)該領(lǐng)域的挑戰(zhàn)，提出了一種基于碳納米管(CNTs)與MXene復(fù)合材料的新型FTS傳感器，并結(jié)合創(chuàng)新的PPSN柔性基底，實(shí)現(xiàn)了低成本、抗壓和寬溫檢測(cè)范圍(-20°C至220°C)的優(yōu)勢(shì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該傳感器具有出色的熱靈敏度(-0.52%/°C)、卓越的溫度分辨率(約0.3°C)、快速響應(yīng)(約300ms)和恢復(fù)時(shí)間(約3s)，在2000次彎曲疲勞測(cè)試后依舊保持穩(wěn)定性能。此外，F(xiàn)TS傳感器在不同環(huán)境條件下，如壓縮、水底和曲面上，表現(xiàn)出色。課題組還成功地將其應(yīng)用于鋰電池溫度監(jiān)測(cè)、人類(lèi)體溫檢測(cè)及環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)，具有廣泛的應(yīng)用前景。該項(xiàng)成果以“A strain-resistant flexible thermistor sensor array based on CNT/MXene hybrid materials for lithium-ion battery and human temperature monitoring”為題發(fā)表在《Sensors and Actuators A: Physical》。
 

圖3.柔性熱敏溫度傳感器的實(shí)物圖以及在鋰電池溫度監(jiān)測(cè)和人體溫度監(jiān)測(cè)的應(yīng)用圖
 

　　課題組的研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃以及安徽省科技創(chuàng)新攻堅(jiān)計(jì)劃等項(xiàng)目的資助與支持。通過(guò)不斷優(yōu)化材料和工藝，許高斌教授課題組的工作為先進(jìn)制造和集成傳感器技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。柔性傳感器作為下一代智能設(shè)備/人形機(jī)器人的核心組成部分，具有極大的應(yīng)用潛力。隨著柔性傳感器在可穿戴設(shè)備、智能家居、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸深入，它們將在更廣泛的領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用，推動(dòng)現(xiàn)代科技向更加智能化、便捷化方向發(fā)展。