柔性溫度傳感器研究進展

2020-11-12 02:23:06付世龍楊義君管晉楠

山西化工 2020年5期

楊旋，付世龍，楊義君，管晉楠

(中北大學化學工程與技術學院，山西太原 030051)

引言

溫度傳感是機械量傳感重要方面，生產生活需要柔性溫度傳感器的場合很多，如人體健康監測、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展的熱點。目前，對此領域的研究文獻較少，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展趨勢。

1 柔性溫度傳感器

目前，已經出現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，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。研究結果表明，采用SMIE技術制備的銀電阻溫度檢測器監測溫度為-20 ℃～200 ℃。在C的測試范圍內，它具有更好的溫度敏感性。這種設計的銀電阻溫度檢測器(RTD)可廣泛用于柔性電子產品的原位溫度檢測。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，測溫能力比傳統熱電偶更高效的優點[1]。

1.2 基于柔性MEMS皮膚技術溫度傳感器

上海微系統與信息技術研究所的肖素艷等利用MEMS皮膚技術，成功地在聚酰亞胺柔性基板上開發了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系，其電阻溫度系數達到0.002 3/℃。與固態聚酰亞胺薄膜基材相比，旋涂液態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，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

合肥工業大學的田敏等設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。通過比較實驗發現，GNP的溫度敏感性和線性優于其他碳基材料，并且其獨特的二維結構使其易于在層之間形成穩定的三角形結構，從而使導電網絡更加穩定。另外，GNP具有高重復性和溫度響應速度。基于GNP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

合肥工業大學曾曉將石墨用作導電填料，聚偏二氟乙烯(PVDF)和聚環氧乙烷(PEO)作為基體材料，開發了一種具有正溫度效應的熱敏復合材料。結合微觀表征和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，他設計了一個可穿戴的柔性溫度傳感器以監測人體溫度。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、穩定性、響應時間和抗干擾特性。結果表明，在25 ℃～42 ℃的感測溫度范圍內，它具有近2 000次的高重復性和0.1 ℃的高精度。基于以上材料，設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，在醫療衛生領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及系統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的熱膨脹系數高達310 ppm/℃的優勢，使其平均電阻TCR的溫度系數高達1.4/K。與使用金屬電阻隨溫度變化的現有傳感器相比，電阻的平均溫度系數增加了3個數量級[5]。

1.6 基于氧化石墨烯用于物聯網機器人皮膚的柔性溫度傳感器

中北大學儀器科學與動態測量教育部重點實驗室劉冠宇和譚秋林開發了一種基于氧化石墨烯的柔性溫度傳感器，用于物聯網機器人的皮膚。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個加熱和冷卻循環后仍保持穩定。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，可廣泛用于物聯網[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。