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壓力/溫度雙感知柔性雙模態(tài)傳感器研制與應用

多功能傳感器

單模態(tài)傳感器（如應變、溫度、壓力和濕度等）通常具有超高靈敏度，但為了滿足人工智能、醫(yī)療健康、電子皮膚等領(lǐng)域?qū)Χ嗄B(tài)耦合傳感功能的需求，必須在發(fā)展單模態(tài)傳感技術(shù)的基礎(chǔ)上研究多功能傳感器。電子皮膚是一種柔性集成電子裝置，可模仿人體皮膚上感受器的功能。作為人體*大的器官，皮膚可以不斷感知外部環(huán)境的變化，在這些變化中，壓力和溫度是日常生活中*重要的兩個物理條件。因此，設計一種既能監(jiān)測壓力又能監(jiān)測溫度的雙模傳感器對電子皮膚具有重要意義。然而，如何將壓力和溫度傳感器合理地組合成一個多功能傳感器，并消除它們之間不可避免的串擾，仍然是研究人員需要克服的巨大挑戰(zhàn)。

大連理工大學團隊在柔性雙模態(tài)傳感器領(lǐng)域取得重要進展

近日，大連理工大學潘路軍教授課題組在柔性雙模態(tài)傳感器領(lǐng)域取得重要進展，研究成果以“Fully inkjet-printed dual-mode sensor for simultaneous pressure and temperature sensing with high decoupling”為題發(fā)表在工程技術(shù)領(lǐng)域期刊《Chemical Engineering Journal》。大連理工大學袁廷康博士為文章*一作者，大連理工大學李成偉助理研究員和潘路軍教授為通訊作者。

本文基于多孔聚二甲基硅氧烷（PDMS）和還原氧化石墨烯（rGO）制備了一種柔性雙模態(tài)傳感器。該雙模態(tài)傳感器不僅具有超寬檢測范圍（0-1000 kPa）、低壓檢測限（2.5 Pa）、快速響應時間（40 ms）和高循環(huán)穩(wěn)定性（10,000次）等優(yōu)異的壓力傳感能力，還能同時準確分辨出 0.2°C 的溫度變化。此外，成功開發(fā)了理論公式來解釋信號串擾的原因，并根據(jù)機理分析實現(xiàn)了對壓力和溫度的有效解耦。在此基礎(chǔ)上，采用全噴墨打印方法制作了雙模傳感器陣列，該陣列結(jié)合了雙模傳感器單元的結(jié)構(gòu)和共享電極的電路設計，降低了多模態(tài)傳感器陣列電路布局的復雜性。*后，基于這種雙模態(tài)傳感器構(gòu)建了一個壓力-溫度報警系統(tǒng)，以監(jiān)測不同的環(huán)境變化。這項研究不僅提出了壓力和溫度雙模態(tài)傳感器的有效結(jié)構(gòu)設計，還為雙模傳感的信號分離和解耦提供了理論解決方案。該傳感器在多功能同步傳感場景中具有巨大潛力。

成果展示

圖1. (a)人體皮膚結(jié)構(gòu)示意圖。(b)具有仿生結(jié)構(gòu)的柔性壓力-溫度雙模態(tài)傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。(c)利用鹽模板法以及噴墨打印技術(shù)制備雙模態(tài)傳感器的實驗過程示意圖。(d)多孔PDMS 介電層的照片。(e)rGO 溫度傳感器的照片。(f)底部為銀電極的數(shù)碼照片。

圖2. (a)-(c)不同比例多孔PDMS的截面SEM圖像。(d)底面和(e)頂面的SEM圖像。(f)孔結(jié)構(gòu)、(g)底表面和 (h) rGO 納米片的放大 SEM 圖像。(i) 壓力-溫度雙模態(tài)傳感器的截面 SEM 圖像。

拉曼光譜用于分析氧化石墨烯薄膜的溫度傳感機理，本文中的拉曼光譜數(shù)據(jù)采用北京卓立漢光儀器有限公司Finder 930系列全自動化拉曼光譜分析系統(tǒng)檢測完成。石墨烯的拉曼峰強ID/IG比值增大，說明氧化石墨烯的親水官能團被去除，表面產(chǎn)生了更多的缺陷。

圖3. GO和rGO的拉曼光譜。

圖4. (a)基于多孔 PDMS 的電容式壓力傳感器的傳感機制。(b)不同 PDMS/NaCl 混合比例的多孔 PDMS 壓力傳感器的壓力傳感性能。(c)不同壓力梯度下的電容響應。(d) 壓力傳感器的快速響應和恢復時間（小于60 毫秒）。(e)壓力傳感器在 50 kPa 下 進行10,000 次循環(huán)的電容響應。(f)在不同頻率下進行 8 kPa 負載壓力的電容響應。(g) 壓力傳感器的超低壓力檢測極限（2.5 帕）。

圖5. (a) rGO 納米片的溫度傳感機制。(b)溫度傳感器的電阻響應。(c)不同靜態(tài)溫度梯度下的電阻響應。(d)溫度傳感器在 3°C 溫差下的快速響應和恢復時間。(e)不同動態(tài)溫度梯度循環(huán)下的電阻響應。(f)循環(huán)不同次后的穩(wěn)定電阻響應。(g)溫度傳感器在 0.2°C 溫差下的顯著電阻響應。

圖6. (a) 雙模態(tài)傳感器在無負載情況下的電容隨溫度的變化。(b)在四種溫度下，雙模傳感器的電容響應與負載的函數(shù)關(guān)系。(c)在 0-40 kPa 的壓力下，溫度傳感器在20°C時的電阻響應。(d)溫度傳感器在不同壓力下的電阻響應與溫度的函數(shù)關(guān)系。

圖7. (a)不同溫差下電阻變化率的修正值和壓力變化的關(guān)系。(b)三種溫差下電阻變化率修正值與壓力的擬合關(guān)系。 (c)不同壓力下電阻變化率的修正值和溫差的關(guān)系。(d)三種壓力下電阻變化率修正值與溫差的擬合關(guān)系。(e) 不同壓力和溫度狀態(tài)下 PDMS 橫向位移分布的模擬結(jié)果。(f)-(g) PDMS 在不同壓力和溫度條件下的橫向位移模擬數(shù)據(jù)。

圖8. 使用雙模態(tài)傳感器分別監(jiān)測三種不同情況下的電容和電阻變化：(a)馬克筆接觸、(b)紅外燈照射和(c)手指按壓，并通過設計的轉(zhuǎn)換應用程序獲得實時溫度和壓力。(d) 在 3×3 傳感陣列上放置一個裝有熱水的燒杯，不同單元的電阻和電容響應分布。

圖9. 基于雙模式傳感器的雙重監(jiān)控和警報系統(tǒng)，可應對各種溫度和壓力變化。裝有熱水的燒杯(a)接近雙模式傳感器時未與之接觸，(b)與雙模式傳感器接觸。(c)盛有室溫水的燒杯與雙模傳感器接觸。(d)向放置在雙模傳感器上方的空燒杯中倒入熱水

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https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.145475

大連理工大學潘路軍課題組簡介

潘路軍，大連理工大學物理學院教授，博士生導師。1988年于西安交通大學電氣工程系電氣絕緣技術(shù)專業(yè)本科畢業(yè)；1994年赴日本大阪府立大學工學部電子物理專業(yè)留學。2000年獲博士學位并留校擔任助理教授，其間兼任日本科學技術(shù)振興機構(gòu)（JST）及日本新能源和產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機構(gòu)（NEDO）研究員；2007年底回國工作，受聘大連理工大學教授，博士生導師。歷任物理與光電工程學院光電工程系主任、物理與光電實驗中心主任、光學學科點負責人。近5年在《Advanced Functional Materials》、《Nano Energy》、《Nano-Micro Letters》、《Energy Storage Materials 》、《Chemical Engineering Journal 》、《Small》、《Carbon》等國際納米期刊上發(fā)表論文80余篇；主編《基礎(chǔ)光學》，參編《ディスプレイ材料と機能性色素（顯示器材料和機能色素）》、《フィールドエミッションディスプレイ（場發(fā)射型顯示器）》、《Handbook of Nano Carbon （納米碳手冊）》。

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本研究拉曼光譜數(shù)據(jù)采用的北京卓立漢光儀器有限公Finder 930系列全自動化拉曼光譜分析系統(tǒng)檢測，如需了解產(chǎn)品，歡迎咨詢。

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