一种超高灵敏度纤维状柔性温度传感器

纺织导报 20240707

点击蓝字关注《纺织导报》

柔性传感器能够感知人体和环境的物理、化学和生物信息，其中，柔性温度传感器尤为重要，因为其能够复制多种来源的热感，包括人体、环境和电子设备，这对于活动监测、环境感知和事故预警等应用具有极大的潜力，并可有效用于电子皮肤，人机交互，以及灾害预防系统。然而，构建具有高灵敏度的本征柔性监测器件的过程较为复杂，柔性温度传感器的工作范围和灵敏度仍有待进一步提升。作为过渡金属氧化物的一员，NiO因其高的电阻温度系数（TCR）和卓越的温度检测性能而被认为是理想的热敏半导体。因此，设计制备高灵敏NiO基柔性材料和器件对于开发具有高变形能力和传感性能的柔性温度传感器至关重要。

鉴于此，河南大学柔性电子学院和河南省柔性电子产业技术研究院黄维院士、张洪健副教授和中国科学技术大学朱纪欣教授利用一种简便的原位合成/分解方法，制备出了作为温度感应组件的柔性纤维状NiO/碳纳米管纤维（CNTF）复合材料，并使用有限元分析系统地研究了NiO/CNTF柔性温度传感器在各种应用条件下的机械和热传输行为。此外，该工作还系统地研究了与人体相关热信号的接触和非接触温度传感应用。最后，基于传感器构建了温度监控和预警系统，并应用于储能电池和智能手机的温度监测，以防止由电池热失控或电子设备的异常充放电过程引起的火灾事故发生。

NiO/CNTF柔性温度传感器的制备

研究人员采用原位合成/分解法，在CNTF表面均匀负载NiO纳米片阵列，得到柔性NiO/CNTF纤维状复合材料。以NiO/CNTF为温度传感单元，PET为柔性基材，Ag为电极，聚二甲基硅氧烷（PDMS）为封装材料，成功制备了NiO/CNTF柔性温度传感器。

NiO/CNTF柔性温度传感器的性能

制备的柔性温度传感器具有可设计性强、尺寸多样化的特点，能够灵活应用于多种便携性穿戴和植入场景，并且展现出灵敏度高和工作温域宽的特性。此外，传感器对高温和低温分别具有良好的开关响应特性。

NiO/CNTF柔性温度传感器的热传导特性

为了评估NiO/CNTF柔性温度传感器的机械和热行为，研究人员采用有限元分析模拟对多物理场耦合下传感器的结构力学和热传导进行了模拟。研究表明，制备的传感器中温度传感元件位于电极区域，能够有效避免形变过程中产生的应力集中效应，有利于提高传感器的稳定性和耐用性。此外，研究人员对不同热源类型和不同传输途径下系统的热传输行为做了模拟和研究，并对比了固体-固体和环境-固体两种模式处于高温和低温环境的热传导速率。此外，由于PDMS具有成分可调的优点，高导热添加剂可以与PDMS前驱体混合，增强封装材料的导热性能，提升温度传感响应速度。

NiO/CNTF柔性温度传感器在温度监测中的应用

NiO/CNTF柔性温度传感器表现出优异的灵敏度、灵活性和可调尺寸，在具有温度传感功能的电子皮肤或人机交互设备中具有巨大的应用潜力。NiO/CNTF柔性温度传感器能够应用于测量接触式人体热信号，如手指触摸产生的温度变化；还可以应用于呼吸等人体热信号的非接触检测，满足不同生理状态呼吸行为监测等多种应用场景需求，并验证了其比商用NTC热敏电阻具有更优异的信号强度和响应速度。

NiO/CNTF柔性温度传感器在安全监测系统中的应用

基于NiO/CNTF柔性温度传感器，研究人员还开发了具有高低温报警功能的温度监测预警系统。在温度监测预警系统中，可以通过预先设定的高温和低温阈值，对监测的正常、过冷和过热温度进行警报指示。以锂离子电池为例，NiO/CNTF柔性温度传感器可以贴附在电池表面实时监测电池温度。当电池发生热失控时，温度监测系统可以及时检验到电池过热现象并报警。此外，传感器还可以贴附在智能手机表面，对手机充电时的温度变化进行同步监测，防止充放电过程温度异常引起的电子设备损坏和火灾等风险。