使用微結構框架支撐的有機熱電材料的柔性自供電溫度-壓力雙參數(shù)傳感器

2021-11-17 16:44 睿度光電RUIDU

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中國科學院化學研究所相關研究團隊基于微結構框架支持的有機熱電（MFSOTE）材料開發(fā)出了靈活的溫度-壓力雙參數(shù)傳感器。通過MicroFab的Jetlab Ⅱ噴墨打印系統(tǒng)，研究團隊在織物框架上制造了2×3cm2（每個像素0.25mm2）的高度集成的MFSOTE陣列，其中包含1,350個像素。

類似皮膚的溫度和壓力感應能力是下一代人工智能產(chǎn)品的基本特征。之前對電子皮膚和智能元件的研究主要集中在柔性壓力傳感器上，而使用單個設備同時靈敏地檢測溫度和壓力仍然是一個挑戰(zhàn)。為此，中國科學院化學研究所相關研究團隊在“Flexible and self-powered temperature–pressure dual-parameter sensors using microstructure-frame-supported organic thermoelectric materials”的研究中，基于微結構框架支持的有機熱電（MFSOTE）材料開發(fā)了靈活的溫度-壓力雙參數(shù)傳感器。將溫度和壓力刺激有效地轉換為兩個獨立的電信號，允許以<0.1K的準確溫度分辨率和高達28.9kPa^-1的高壓傳感靈敏度對溫度和壓力進行瞬時傳感。更重要的是，這些雙參數(shù)傳感器可以自供電，具有出色的傳感性能?；贛FSOTE的器件優(yōu)異的傳感特性，加上其低成本和大面積制造的獨特優(yōu)勢，使得MFSOTE材料在電子皮膚和健康監(jiān)測元件中具有廣闊的應用前景。

基本機制和器件制造

對于MFSOTE器件，活性層是通過在可變形微結構框架上沉積有機熱電材料來構建的，以實現(xiàn)它們的溫度和壓力傳感特性。根據(jù)典型的熱電機制，MFSOTE產(chǎn)生的電壓（V_therm）定義為V_therm=S_T×ΔT，其中S_T是塞貝克系數(shù)，ΔT是設備上的溫度梯度。當設備暴露于具有耦合溫度和壓力刺激的物體時，通過熱電效應檢測物體與設備之間的溫差，一旦設備擁有類似皮膚的恒定基礎溫度，即可立即感知表面溫度如下圖a-d所示。同時，微結構框架由于存在的力而變形，這導致有源層的電阻隨偏置壓力而變化，如下圖e-f。因此，可以單獨和同時檢測溫度和壓力刺激，如下圖g-h。

▲ MFSOTE器件的說明性示意圖。（a-h）溫度-壓力（T-P）傳感機制示意圖：（a,b）原始。（c,d）在MFSOTE設備上施加溫度梯度（ΔT）。（e,f）加載壓力。（g,h）耦合溫度和壓力刺激的加載。

傳感陣列的自集成發(fā)電特性

作為本征熱電裝置，研究團隊制造的MFSOTE裝置也可用作發(fā)電機。有趣的是，通過在設備陣列中的兩個MFSOTE之間引入壓力感應開關，可以使設備從發(fā)電模型切換到刺激感應模型。

▲ 基于MFSOTE的傳感陣列的多功能應用。圖（a,b）分別顯示了具有4×4像素的MFSOTE陣列的照片和電路圖。圖（c,d）顯示了集成陣列的示意圖：（c）所有串聯(lián)的設備都可以用作收集能量的發(fā)電機。（d）當受到外部壓力時，設備切換到自供電雙參數(shù)傳感器模型。圖（c,d）中的插圖分別顯示了在卸載和加載條件下兩個像素之間的電路連接的放大視圖。（e）MFSOTE陣列對五個手指觸摸周期的熱電電壓（上）、溫度（中）和壓力（下）響應。MFSOTE陣列的底面用珀耳帖元件加熱。

用于人工智能應用的柔性傳感陣列

為了滿足可穿戴智能系統(tǒng)和醫(yī)療保健應用的關鍵要求，需要構建具有顯著靈活性的傳感MFSOTE陣列來生產(chǎn)空間分辨?zhèn)鞲挟a(chǎn)品。特別值得注意的是，**需要一種簡單的集成方法來確保低成本和廣泛的適用性。因此，研究團隊使用簡單的印花方法在半透明織物手套（厚度為500μm）上構建了一個靈活的12×12像素MFSOTE陣列，尺寸為4.6×4.6cm2，如下圖a,b。所有設備都顯示出與耦合溫度-壓力信號相當?shù)膫鞲行阅堋?/span>憑借其均勻的傳感能力和出色的靈活性，MFSOTE陣列可以戴在假手上，以實現(xiàn)空間分辨的圖像，并具有細微的溫度和壓力成像特征。下圖a顯示了假手與成年女性掰手腕的照片。通過監(jiān)測重建地圖上的溫度和壓力來收集接觸信息，如下圖b所示。溫度和偏壓的變化與分離分布圖中像素的顏色**吻合。值得注意的是，該設備可以在130°C的高溫下良好運行，使其在機器人和智能可穿戴元件中的應用前景廣闊，甚至可以保護手部拿取熱物體。

▲ 柔性MFSOTE矩陣的照片和性能。（a）假手與成年女性掰手腕的照片。 (b) 顯示了假手背面像素信號的溫度和壓力映射曲線。（c）顯示了觸摸冰塊的電子手指。插圖顯示了噴墨打印的MFSOTE矩陣的光學顯微鏡圖像。比例尺，1mm。（ d ）拍攝傳感陣列的溫度和壓力映射。

作為人體皮膚最敏感的部位之一，指尖可以區(qū)分溫度-壓力刺激，具有特別高的空間分辨率。它使人工指尖的構建比典型的電子皮膚更具挑戰(zhàn)性。因此，構建高度集成的MFSOTE陣列對于滿足所謂電子手指的要求至關重要。通過使用MicroFab的Jetlab Ⅱ噴墨打印系統(tǒng)，研究團隊在織物框架上制造了2×3cm2（每個像素0.25mm2）的高分辨率MFSOTE陣列，其中包含1,350個像素。上圖c顯示了在指尖上噴墨打印的MFSOTE矩陣的照片。當指尖接觸一個接觸面積為1.4×1.4mm2的小冰塊時（4個像素），在重建的地圖上收集了空間分辨壓力（2-3kPa）和溫度（0-5°C）信息，如上圖d所示。這些結果意味著該傳感陣列具有出色的空間分辨率和雙參數(shù)傳感能力。

參考文獻：

[1] Zhang F , Zang Y , Huang D , et al. Flexible and self-powered temperature–pressure dual-parameter sensors using microstructure-frame-supported organic thermoelectric materials[J]. Nature Communications, 2015, 6:8356.

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