柔性温度传感器的最新进展：材料、机理、制造和应用

MEMS 2024-08-23 00:01

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研究背景

柔性电子器件是基于柔性材料的可弯曲性、可拉伸性和可穿戴性，对其进行微纳加工制成的一种电子设备。人工智能和物联网技术的快速发展和应用，拓展了柔性电子的应用领域，增加了其市场需求。基于柔性显示电子技术的有源矩阵有机发光二极管(AMOLED)已成功应用干折叠手机，扩大了手机的显示面积。除了柔性显示器的应用，柔性储能、柔性发电机、和柔性传感也开始大放异彩。

柔性电子器件的概念可追溯到 20世纪 60年代，标志着柔性器件(主要是柔性传感器)的出现，并在工业和医疗应用中得到广泛应用。传统传感器是刚性的，不具备弯曲和拉伸特性，因此对曲面物体的传感极为有限。柔性传感器可以弥补刚性传感器受形状影响的缺点；其适应形状变化的出色能力已引起医疗保健、智能可穿戴设备、汽车制造和机器人触觉传感等领域的广泛关注。

过去几十年来，柔性压力传感器发展迅速，产生了多种微结构，实现了高灵敏度、快速响应、低功耗等特性，并取得了许多实验成果。随着物联网和5G时代的到来，柔性温度传感器成为柔性压力传感器之外的柔性传感器的重要组成部分。体温蕴含着反映人体健康的生理信息，包括新陈代谢、情绪变化、病毒或细菌感染等。监测手术或外伤引起的伤口附近皮肤的温度变化有利于为伤口的术后恢复提供信息。在工业领域，基于柔性力传感器的机械臂已经能够执行抓取等动作。进一步集成温度传感器的机械臂可以执行更复杂的任务。

经过数百年的发展，传统的刚性温度传感器已显示出卓越的温度传感性能和对极端温度测量环境的耐受性。然而，近年来提出的可穿戴设备、电子皮肤和表皮机器人等概念暴露了刚性温度传感器的局限性。随着时代的发展，柔性温度传感器应运而生。与传统温度传感器相比，柔性温度传感器需要具备出色的机械性能和优异的温度传感性能。优异的机械性能是指传感器在外力作用下变形而不失效的能力。人体关节处的皮肤可承受 30% 以上的应变，而可穿戴设备需要承受更大的变形。因此，制备柔性温度传感器的主要挑战之一就是实现其柔性。柔性温度传感器由柔性敏感层、柔性基底层和柔性电极组成，它们直接影响传感器的柔性。刚性材料也可用于柔性器件，通过优化材料设计和器件结构来获得可变形性温度传感器具有高温灵敏度高、响应速度快、温度精度高等特点，确保了温度测量的准确性、及时性和可靠性，显示出卓越的温度传感性能。在某些特定条件下，如病人的体温，最大温度波动仅为2 至 3℃，温度变化非常小，几乎无法察觉。温度灵敏度以电阻温度系数(TCR)值来表征，即温度变化1℃ 时电阻值变化的相对大小。电阻温度系数越高，温度传感器能检测到的温度变化就越小。此外，在柔性电阻温度传感器中，温度波动或变形产生的应力都会导致电阻变化。输出电阻信号的去耦是柔性温度传感器制备过程中的另一个挑战。此外，材料变形产生的拉应力或压应力会影响传感器的电输出，导致温度测量不准确，甚至传感器失效。

研究成果

柔性电子技术是一项新兴的前沿技术，被认为是下一代微纳电子技术的基石。柔性电子器件集成了主动和被动功能，推动了医疗保健、物联网(loT)和工业领域的快速发展。其中，柔性温度传感器可直接附着在人体皮肤或物体的曲面上进行连续稳定的温度测量，在疾病预测、健康监测、机器人信号传感和曲面温度测量等领域的应用备受关注。制备具有高灵敏度、快速响应、宽测温间隔、高柔性、可拉伸、低成本、高可靠性和稳定性的柔性温度传感器已成为研究目标。中国科学院新疆理化技术研究所赵鹏君、常爱民、张慧敏&研究员团队综述了柔性温度传感器的最新发展，主要讨论了柔性温度传感器的敏感材料、工作机理、制备工艺和应用。最后，根据最新进展得出结论，并展望了该领域的研究挑战和前景。相关报道以“Recent Advances in Flexible Temperature Sensors: Materials, Mechanism, Fabrication, and Applications”为题发表在Advanced Science期刊上。

图文导读

Figure 1. Brief timeline of the development of the performance and manufacturing methods of flexible temperature sensors.

Figure 2. Structure, electrical properties and stretchability of CNTs modified temperature sensors.

Figure 3. Flexible temperature sensor with conductive polymer composite as active material, sensor of left side without substrate and right side with substrate.

Figure 4. a,b) the structure and electrical properties of NiO/Ni flexible temperature sensors. c) Atomic structure and SEM images of the Ni and NiO framework.

Figure 5. a) Resistance drift rate and B value of Mn-Co-Ni-O flexible temperature sensors after bending for different times. b) Stability and reliability testing of Sr-doped SmMnO3 flexible temperature sensors.

Figure 6. High Performance Metal Sulfide Temperature Sensor Array, a) Ag2S, b) MoS2. c) Temperature measurement ranges and sensitivity for various materials.

Figure 7. Classification of flexible substrate materials.

Figure 8. Schematic illustrations of common polymer substrates, including PET.

Figure 9. Application of PDMS in flexible/wearable devices.

Figure 10. Properties and applications of hydrogels.

总结与展望

柔性温度传感器具有柔韧性、可弯曲性和保形性等优良特性，可用于电子、能源和医疗保健领域。毫无疑问，柔性温度传感器的成功应用将为社会进步和工业改革做出贡献。本文介绍了柔性温度传感器的材料、传感机理、制备方法和应用。柔性温度传感器的感温材料种类越来越多，包括碳纳米材料、复合高分子材料、金属材料和其他无机材料。不同的材料可使柔性温度传感器获得优异的性能，如高灵敏度、高柔性、快速响应/恢复时间等。选择合适的制备方法可以简化工艺，节省时间和制备成本。

尽管许多人在这一领域做出了杰出贡献，但仍有大量工作要做：首先是性能优化。对柔性温度传感器性能的研究大多集中在灵敏度、可拉伸性和更快的响应时间上，而对其他基本性能如透气性、质量尺寸和透明度的研究较少。第二，多功能性。皮肤或触觉可以感知温度变化和其他信号，如压力、湿度等。此外，皮肤不具备的一些功能也可以集成到设备中，实现多功能。第三，微型化。自电子产品发展史以来，集成化、微型化一直是重要趋势。此外，一些微型设备需要小型传感器，如手术机器人需要通过血管进入人体。第四，优化电路。便携式设备要实现低功耗，延长设备的使用寿命，还要实现信号的无线传输，接收手机、智能手表等各种电子设备中的信号，实现移动终端的实时监控。一项技术从创意到商业应用需要很长的时间。总之，柔性温度传感器将为日常生活和工业带来诸多益处，我们乐观地认为，它的广泛应用将为拓展事物感知温度的方式带来无限可能。

文献链接：
https://doi.org/10.1002/advs.202405003

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