柔性溫度傳感器研究進展

楊 旋，付世龍，楊義君，管晉楠

(中北大學化學工程與技術(shù)學院，山西 太原 030051)

引 言

溫度傳感是機械量傳感重要方面，生產(chǎn)生活需要柔性溫度傳感器的場合很多，如人體健康監(jiān)測、工作曲面場合、軟組織情況等，為此，柔性溫度傳感器成為各國大力發(fā)展的熱點。目前，對此領(lǐng)域的研究文獻較少，本文對柔性溫度傳感器進行了簡單介紹，并展望了其今后的發(fā)展趨勢。

1 柔性溫度傳感器

目前，已經(jīng)出現(xiàn)了較多的柔性溫度傳感器，其中，下面幾種特別具有代表性。

1.1 基于噴墨打印技術(shù)的柔性溫度傳感器

華東師范大學徐驍雯等使用噴墨打印技術(shù)，成功地在柔性聚酰亞胺基板上制備了銀溫度傳感器。通過離子交換技術(shù)SMIE對聚酰亞胺基板進行表面改性，并且噴墨打印機印刷所需的圖案作為掩模，以實現(xiàn)耐銀性溫度裝置的制備。通過SEM、XRD等測試方法對制備的銀層進行了表征，并對制備的溫度傳感器的性能進行了研究。研究結(jié)果表明，采用SMIE技術(shù)制備的銀電阻溫度檢測器監(jiān)測溫度為-20 ℃～200 ℃。在C的測試范圍內(nèi)，它具有更好的溫度敏感性。這種設(shè)計的銀電阻溫度檢測器(RTD)可廣泛用于柔性電子產(chǎn)品的原位溫度檢測。該銀電阻溫度探測器(RTD)具有精度高、響應時間短、體積小，制造簡單且可批量制造，測溫能力比傳統(tǒng)熱電偶更高效的優(yōu)點[1]。

1.2 基于柔性MEMS皮膚技術(shù)溫度傳感器

上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所的肖素艷等利用MEMS皮膚技術(shù)，成功地在聚酰亞胺柔性基板上開發(fā)了8×8陣列的鉑薄膜熱敏電阻溫度傳感器。在實驗中，熱硅晶片被用作機械載體，以便于液體聚酰亞胺柔性基板上組件的旋涂處理。最后，從載體上用濕法腐蝕釋放柔性設(shè)備。試驗表明，鉑薄膜熱敏電阻與聚酰亞胺基板上的溫度變化具有良好的線性關(guān)系，其電阻溫度系數(shù)達到0.002 3/℃。與固態(tài)聚酰亞胺薄膜基材相比，旋涂液態(tài)聚酰亞胺解決了制備過程中遇到的兩個主要難題：第一，它消除了聚酰亞胺涂層基材與載體之間界面的氣泡，聚酰亞胺基材的表面可以保持良好的平整度；第二，由于在制備過程中的熱循環(huán)，大大降低了柔性基板的熱膨脹。這種靈活的溫度傳感器陣列可以輕松地連接到高曲率物體的表面，以檢測小面積溫度場分布[2]。

1.3 基于石墨烯的機器人用柔性溫度傳感器

合肥工業(yè)大學的田敏等設(shè)計了一種用于機器人的基于石墨烯的柔性溫度傳感器，測試其溫度特性，分析其溫度敏感機制，并將其應用于模型抓取物體時的溫度感測和接近感測。石墨烯電導率的提高或下降與聲子的作用密不可分。基于Holstein-Hamiltonian模型，格林公式和Kubo-Grreenwood公式，總結(jié)了單層石墨烯電子聲子耦合模型，并分析了溫度對電子聲子耦合強度的影響。在柔性基板上制備了石墨烯溫度傳感器(GNP)，并研究了其電阻溫度特性。通過結(jié)合電子模型和熱膨脹分析了石墨烯溫度傳感器(GNP)的溫度敏感機制。通過比較實驗發(fā)現(xiàn)，GNP的溫度敏感性和線性優(yōu)于其他碳基材料，并且其獨特的二維結(jié)構(gòu)使其易于在層之間形成穩(wěn)定的三角形結(jié)構(gòu)，從而使導電網(wǎng)絡(luò)更加穩(wěn)定。另外，GNP具有高重復性和溫度響應速度?；贕NP良好的溫度敏感性特性，將傳感器陣列布置在操縱器上，以準確獲取所抓取的熱源溫度信息，并將其應用于當操縱器抓住物體時在0 mm～20 mm距離內(nèi)的接近感知。當操縱器接近熱源時，傳感器陣列可以準確地檢測距離信息。因此，當機器人抓緊特定的熱源時，這種基于石墨烯的柔性溫度傳感器可以應用于溫度檢測和接近感知[3]。

1.4 基于PVDF/PEO柔性溫度傳感器

合肥工業(yè)大學曾曉將石墨用作導電填料，聚偏二氟乙烯(PVDF)和聚環(huán)氧乙烷(PEO)作為基體材料，開發(fā)了一種具有正溫度效應的熱敏復合材料。結(jié)合微觀表征和DSC分析，描述了加熱過程中導電材料在復合材料內(nèi)部的運動，揭示了柔性溫度傳感器的溫度敏感機理。同時，他設(shè)計了一個可穿戴的柔性溫度傳感器以監(jiān)測人體溫度。對可穿戴的柔性溫度傳感器進行了溫度敏感特性分析，如，可重復性、穩(wěn)定性、響應時間和抗干擾特性。結(jié)果表明，在25 ℃～42 ℃的感測溫度范圍內(nèi)，它具有近2 000次的高重復性和0.1 ℃的高精度?；谝陨喜牧?，設(shè)計了一種具有良好透氣性的黏性柔性溫度傳感器，該傳感器可以緊密附著在人體皮膚上，從而可以準確獲取人體不同部位的皮膚溫度。另外，設(shè)計了一種拉伸率大于50%的可拉伸柔性溫度傳感器。正常人為活動引起的伸展運動不會影響溫度測量，它可以在健康和發(fā)燒的情況下測量人體的溫度。該柔性溫度傳感器滿足人體溫度測量的要求，在醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域具有廣闊的應用前景[4]。

1.5 基于納米裂紋的超高靈敏度柔性溫度傳感器

大連理工大學遼寧省微納米技術(shù)及系統(tǒng)重點實驗室初永志等彎曲沉積有金薄膜的柔性材料PDMS，以使納米裂紋出現(xiàn)在金薄膜上。基于該納米裂紋，制造了對溫度變化極其敏感的溫度傳感器。該傳感器利用在PDMS基板上具有裂紋的金膜的極敏感應變以及PDMS的熱膨脹系數(shù)高達310 ppm/℃的優(yōu)勢，使其平均電阻TCR的溫度系數(shù)高達1.4/K。與使用金屬電阻隨溫度變化的現(xiàn)有傳感器相比，電阻的平均溫度系數(shù)增加了3個數(shù)量級[5]。

1.6 基于氧化石墨烯用于物聯(lián)網(wǎng)機器人皮膚的柔性溫度傳感器

中北大學儀器科學與動態(tài)測量教育部重點實驗室劉冠宇和譚秋林開發(fā)了一種基于氧化石墨烯的柔性溫度傳感器，用于物聯(lián)網(wǎng)機器人的皮膚。這項研究演示了3個溫度傳感器，其中的敏感材料由r-GO，MWCNTS和SWCNTS制成。為了確定最適合制造溫度傳感器的材料，比較了這3種材料的線性、靈敏度和可重復性。結(jié)果表明，r-GO溫度傳感器具有最平衡的性能，具有更好的線性度和約0.634 5%的高靈敏度，并且在3個加熱和冷卻循環(huán)后仍保持穩(wěn)定。此外，r-GO溫度傳感器具有良好的機械性能，并且可以在不同角度彎曲且電阻變化可忽略不計，這意味著它可以分布在被測物體的任何表面上。彎曲能力對于實際使用溫度傳感器的應用也很重要。同樣，r-GO溫度傳感器實際上不受周圍環(huán)境(如濕度或其他氣體)的影響。其溫度傳感器靈活、輕便，易于制造且成本低廉。此外，不同的外部壓力刺激不會影響其性能。以上所有因素表明，r-GO溫度傳感器適用于機器人皮膚和電子皮膚，可廣泛用于物聯(lián)網(wǎng)[6]。

但是，溫度傳感器的RES不是很好。僅少量壓力將不會影響r-GO傳感器的性能。當外部壓力過高時，傳感器的電阻會受到影響。

傳感器的詳細制作過程見圖1。

圖1 傳感器的詳細制作過程

2 結(jié)語

柔性傳感器用處很大，目前發(fā)展勢頭迅猛，希望我國科學家加大研究力度、國家加大投入，趕超世界。