一種基于3D螺旋熱電Bi?Te?薄膜的柔性復(fù)合雙參數(shù)溫度-壓力傳感器

柔性電子材料和器件的最新進展推動了可穿戴技術(shù)的快速發(fā)展，包括植入式設(shè)備、電子皮膚（e-skin）和生理信號監(jiān)測等領(lǐng)域。這些發(fā)展為持續(xù)監(jiān)測人體健康與活動提供了新的可能性。為了滿足各種應(yīng)用需求，開發(fā)高靈敏度、高性價比的多功能柔性傳感器至關(guān)重要。在各類柔性傳感器中，能夠精確識別溫度與壓力變化的表皮電子傳感器對健康監(jiān)測系統(tǒng)具有重要意義。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中國科學(xué)院金屬研究所的研究團隊開發(fā)出一種基于3D螺旋熱電Bi?Te?薄膜的柔性復(fù)合雙參數(shù)溫度-壓力傳感器。Bi?Te?薄膜具有（000l）紋理和良好的柔韌性，塞貝克系數(shù)高達?181 μV K?1，壓阻系數(shù)約為?9.2。該傳感器具有極其優(yōu)異的高溫傳感靈敏度（?426.4 μV K?1）和快速響應(yīng)時間（~0.95 s）。此外，由于Bi?Te?薄膜的壓阻效應(yīng)，該傳感器展現(xiàn)出優(yōu)異的壓力響應(yīng)特性，靈敏度為120 Pa?1。這項研究利用單一高柔性材料實現(xiàn)了高性能的雙參數(shù)傳感，為電子皮膚等多種應(yīng)用提供了新的思路。相關(guān)研究成果以“Flexible temperature-pressure dual sensor based on 3D spiral thermoelectric Bi?Te? films”為題發(fā)表在Nature Communications期刊上。

（000l）紋理Bi?Te?被認為是室溫附近最有效的熱電材料，可產(chǎn)生壓阻效應(yīng)和熱電效應(yīng)，是用于壓力和溫度傳感應(yīng)用的理想材料。這些效應(yīng)的產(chǎn)生可能源于應(yīng)變下層間距變化導(dǎo)致的禁帶寬度變化。3D螺旋結(jié)構(gòu)是一種適用于熱電薄膜的通用結(jié)構(gòu)，能克服熱阻匹配問題，為熱電薄膜的進一步應(yīng)用提供了新思路。通過將Bi?Te?薄膜和3D螺旋結(jié)構(gòu)結(jié)合，可以制備出高性能的溫度-壓力傳感器，該策略為類皮膚智能設(shè)備的潛在應(yīng)用提供了廣闊的前景。不過，這種傳感器存在的一個局限是，當(dāng)溫度較高的物體與傳感器接觸時，傳感器底部表面的溫度會發(fā)生漂移。因此，需要對傳感器底部溫度進行校準，以提高傳感器精度。通過集成微型鉑（Pt）薄膜電阻來監(jiān)測傳感器底部溫度，或建立適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型，是解決該問題的有效途徑。

在這項研究工作中，研究人員報告了一種基于沉積在聚酰亞胺（PI）襯底上的（000l）紋理Bi?Te?薄膜的溫度-壓力傳感器。Bi?Te?薄膜的塞貝克系數(shù)高達?181 μV K?1，電導(dǎo)率約為700 S cm?1，室溫下功率因數(shù)達到22.6 μW cm?1 K?2。同時，由于具有（000l）紋理結(jié)構(gòu)，其壓阻系數(shù)約為?9.2。這些出色的性能使得該傳感器能夠利用熱電和壓阻效應(yīng)實現(xiàn)溫度和壓力信號檢測。

圖1 Bi?Te?/PI薄膜（沉積條件為613 k）的電氣性能和柔韌性能

研究人員利用實驗室自制的飛秒激光器和器件集成設(shè)備制備了3D螺旋結(jié)構(gòu)，以滿足如溫度傳感電子皮膚等應(yīng)用中對面外熱阻抗的特殊要求。此外，基于壓阻效應(yīng)，利用螺旋結(jié)構(gòu)壓縮變形引起的器件電阻波動來檢測外部壓力。通過監(jiān)測電壓和電阻的變化，該傳感器可實現(xiàn)溫度和壓力的雙參數(shù)傳感。

圖2 柔性溫度-壓力傳感器及其制備過程

圖3 柔性溫度-壓力傳感器的傳感性能

研究人員在多種環(huán)境條件下，探究了該柔性溫度-壓力傳感器的溫度傳感性能，驗證了其實際應(yīng)用的可行性。考慮到在實際應(yīng)用中，需要大范圍實時監(jiān)測空間分布的溫度和壓力傳感需求，因此傳感器陣列的集成顯得尤為關(guān)鍵?；诖耍芯咳藛T進一步制備了集成3 × 3傳感器陣列的電子皮膚。得益于Bi?Te?薄膜優(yōu)異的熱電性能和3D螺旋結(jié)構(gòu)的新穎設(shè)計，該傳感器陣列不僅能夠?qū)崟r進行溫度和壓力監(jiān)測，還能提供快速精準的響應(yīng)。

圖4 柔性溫度-壓力傳感器的溫度傳感性能

圖5 基于3 × 3傳感器陣列的電子皮膚在不同場景下的壓力和溫度傳感性能

綜上所述，這項研究通過結(jié)合Bi?Te?薄膜和獨特的3D螺旋結(jié)構(gòu)，開發(fā)出一種高性能的溫度-壓力傳感器，為此類雙參數(shù)傳感器的設(shè)計和制備提供了簡單有效的策略。得益于Bi?Te?薄膜的壓阻效應(yīng)和熱電效應(yīng)，該傳感器能夠?qū)毫蜏囟茸龀隹焖俜磻?yīng)，其高塞貝克系數(shù)使傳感器的靈敏度高達-426.4μV K?1。此外，3D螺旋結(jié)構(gòu)的巧妙設(shè)計顯著縮短了傳感器的響應(yīng)時間（＜1 s），展現(xiàn)了該技術(shù)在未來研究和應(yīng)用中的巨大潛力。值得一提的是，該傳感器不僅制備工藝簡單，而且具備優(yōu)異的靈活性，使其能夠進行精確的溫度測繪。展望未來，該傳感器將在電子皮膚等可穿戴設(shè)備領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。

論文信息：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-46836-1

審核編輯：劉清