可穿戴設(shè)備在疾病診斷、醫(yī)療監(jiān)測(cè)、生理傳感等方面越來(lái)越重要。溫度傳感器是重要的可穿戴設(shè)備之一，具有靈活性和生物相容性的特點(diǎn)。還可以附著在人體皮膚表面，實(shí)現(xiàn)對(duì)人體生理信號(hào)的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確檢測(cè)。人體的生理溫度，如呼吸溫度，具有溫度變化小、頻率高的特點(diǎn)，這對(duì)傳感器的靈敏度和速度提出了很高的要求。在以往的報(bào)道中，也未曾有過(guò)從材料層面解決高靈敏度、快速響應(yīng)的傳感器非線性的問題。
圖1 石墨烯-聚苯胺-聚二甲基硅氧烷柔性溫度傳感器的制備過(guò)程
近期，清華大學(xué)任天令教授團(tuán)隊(duì)和北京化工大學(xué)俞度立/李宇濤教授團(tuán)隊(duì)合作，由李宇濤教授帶隊(duì)制備出高靈敏度石墨烯-聚苯胺-聚二甲基硅氧烷復(fù)合材料。通過(guò)摻雜具有特殊負(fù)溫度特性的聚苯胺(PANI)作為復(fù)合材料的溫度補(bǔ)償，最終創(chuàng)造性地從材料層面解決了傳感器非線性問題。研究構(gòu)建了“空間-間隙”的分布模型，并將這些空間特征引入到復(fù)合材料的數(shù)學(xué)公式，定量研究了“空間-間隙”對(duì)石墨烯-聚苯胺-聚二甲基硅氧烷納米材料熱敏特性的影響。所制備的傳感器在25-40℃的溫度感應(yīng)范圍內(nèi)表現(xiàn)出高靈敏度(1.60%/°C)、線性度(R2=0.99)、 精確度(0.3°C) 和快速時(shí)間響應(yīng)(0.7 s)。在此基礎(chǔ)上，制造的溫度傳感器可以與讀出電路和濾波電路相結(jié)合，并帶有高精度的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)，以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)皮膚溫度、環(huán)境溫度和呼吸頻率等。這種高性能的溫度傳感器揭示了其在電子皮膚、疾病診斷、醫(yī)療監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域的巨大潛力。文章第一作者是博士研究生劉航和碩士研究生孫寬以及郭霄亮副教授。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委、北京化工大學(xué)人才引進(jìn)項(xiàng)目的支持。
圖2 具有“空間-間隙”結(jié)構(gòu)的柔性溫度傳感器的理論仿真分析
圖3 石墨烯-聚苯胺-聚二甲基硅氧烷柔性溫度傳感器的溫度特性
論文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsnano.2c10342
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