合肥工業(yè)大學在柔性傳感器研究方面取得系列新進展

　　近日，合肥工業(yè)大學微電子學院/安徽省MEMS工程技術研究中心許高斌教授課題組在柔性傳感器領域取得了多項研究突破，相關成果相繼發(fā)表于國際知名期刊Nature子刊《Microsystems & Nanoengineering》與《Sensors and Actuators A: Physical》上。通過跨學科的創(chuàng)新設計與材料組合，研究團隊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)，推動了柔性電子技術的發(fā)展。
 

　　團隊基于柔性熱電偶傳感器僅限于接觸式監(jiān)測溫度的特性，提出了柔性雙模式溫度監(jiān)測傳感器。在溫度傳感領域，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機材料的固有剛性，常面臨著靈活性和性能之間的權衡問題。針對這一難題，課題組提出了一種基于PEDOT:PSS/CNTs和MXene/Bi?Se?復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，應用于紙/PDMS/Si?N?(PPSN)復合基底上。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)、寬廣的檢測范圍(20-200°C)、高分辨率(約0.3°C)以及快速響應時間(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，響應時間更短(約9.8ms)。這項研究突破了柔性熱電偶傳感器的性能瓶頸，尤其在可穿戴設備和鋰電池溫度監(jiān)測領域展現(xiàn)了重要應用潛力。該項成果以“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)測傳感器的示意圖和實物圖
 

　　團隊仿照貝殼層結(jié)構提出了新型的仿生柔性基底。柔性基底在柔性電子設備中起著至關重要的作用，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)。為了解決這一問題，課題組受自然界珍珠殼“磚-砂漿”分層結(jié)構的啟發(fā)，提出了一種新型的PPSN柔性基底。該基底采用紙/PDMS/Si?N?納米顆粒復合材料，并通過拓補互鎖技術，實現(xiàn)了優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和機械穩(wěn)定性。研究表明，PPSN基底在經(jīng)過1萬次彎曲循環(huán)后依舊保持形態(tài)完整，具有良好的耐熱性，疏水角超過了125°。此外，該基底能夠有效消散熱應力，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基底的實物圖以及結(jié)構示意圖
 

　　團隊基于柔性溫度傳感器易受應力影響的問題提出了抗應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，廣泛應用于應變監(jiān)測和動態(tài)溫度測量。課題組針對該領域的挑戰(zhàn)，提出了一種基于碳納米管(CNTs)與MXene復合材料的新型FTS傳感器，并結(jié)合創(chuàng)新的PPSN柔性基底，實現(xiàn)了低成本、抗壓和寬溫檢測范圍(-20°C至220°C)的優(yōu)勢。實驗結(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(約300ms)和恢復時間(約3s)，在2000次彎曲疲勞測試后依舊保持穩(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用于鋰電池溫度監(jiān)測、人類體溫檢測及環(huán)境溫度監(jiān)測，具有廣泛的應用前景。該項成果以“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物圖以及在鋰電池溫度監(jiān)測和人體溫度監(jiān)測的應用圖
 

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