中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
柔性傳感器能夠感知人體和環(huán)境的物理、化學(xué)和生物信息，其中，柔性溫度傳感器尤為重要，因為其能夠復制多種來(lái)源的熱感，包括人體、環(huán)境和電子設備，這對于活動(dòng)監測、環(huán)境感知和事故預警等應用具有極大的潛力，并可有效用于電子皮膚，人機交互，以及災害預防系統。然而，構建具有高靈敏度的本征柔性監測器件的過(guò)程較為復雜，柔性溫度傳感器的工作范圍和靈敏度仍有待進(jìn)一步提升。作為過(guò)渡金屬氧化物的一員，NiO因其高的電阻溫度系數（TCR）和卓越的溫度檢測性能而被認為是理想的熱敏半導體。因此，設計制備高靈敏NiO基柔性材料和器件對于開(kāi)發(fā)具有高變形能力和傳感性能的柔性溫度傳感器至關(guān)重要。
鑒于此，河南大學(xué)柔性電子學(xué)院和河南省柔性電子產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院黃維院士、張洪健副教授和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)朱紀欣教授利用一種簡(jiǎn)便的原位合成/分解方法，制備出了作為溫度感應組件的柔性纖維狀NiO/碳納米管纖維（CNTF）復合材料，并使用有限元分析系統地研究了NiO/CNTF柔性溫度傳感器在各種應用條件下的機械和熱傳輸行為。此外，該工作還系統地研究了與人體相關(guān)熱信號的接觸和非接觸溫度傳感應用。最后，基于傳感器構建了溫度監控和預警系統，并應用于儲能電池和智能手機的溫度監測，以防止由電池熱失控或電子設備的異常充放電過(guò)程引起的火災事故發(fā)生。
NiO/CNTF柔性溫度傳感器的制備
研究人員采用原位合成/分解法，在CNTF表面均勻負載NiO納米片陣列，得到柔性NiO/CNTF纖維狀復合材料。以NiO/CNTF為溫度傳感單元，PET為柔性基材，Ag為電極，聚二甲基硅氧烷（PDMS）為封裝材料，成功制備了NiO/CNTF柔性溫度傳感器。
NiO/CNTF柔性溫度傳感器的性能
制備的柔性溫度傳感器具有可設計性強、尺寸多樣化的特點(diǎn)，能夠靈活應用于多種便攜性穿戴和植入場(chǎng)景，并且展現出靈敏度高和工作溫域寬的特性。此外，傳感器對高溫和低溫分別具有良好的開(kāi)關(guān)響應特性。
NiO/CNTF柔性溫度傳感器的熱傳導特性
為了評估NiO/CNTF柔性溫度傳感器的機械和熱行為，研究人員采用有限元分析模擬對多物理場(chǎng)耦合下傳感器的結構力學(xué)和熱傳導進(jìn)行了模擬。研究表明，制備的傳感器中溫度傳感元件位于電極區域，能夠有效避免形變過(guò)程中產(chǎn)生的應力集中效應，有利于提高傳感器的穩定性和耐用性。此外，研究人員對不同熱源類(lèi)型和不同傳輸途徑下系統的熱傳輸行為做了模擬和研究，并對比了固體-固體和環(huán)境-固體兩種模式處于高溫和低溫環(huán)境的熱傳導速率。此外，由于PDMS具有成分可調的優(yōu)點(diǎn)，高導熱添加劑可以與PDMS前驅體混合，增強封裝材料的導熱性能，提升溫度傳感響應速度。
NiO/CNTF柔性溫度傳感器在溫度監測中的應用
NiO/CNTF柔性溫度傳感器表現出優(yōu)異的靈敏度、靈活性和可調尺寸，在具有溫度傳感功能的電子皮膚或人機交互設備中具有巨大的應用潛力。NiO/CNTF柔性溫度傳感器能夠應用于測量接觸式人體熱信號，如手指觸摸產(chǎn)生的溫度變化；還可以應用于呼吸等人體熱信號的非接觸檢測，滿(mǎn)足不同生理狀態(tài)呼吸行為監測等多種應用場(chǎng)景需求，并驗證了其比商用NTC熱敏電阻具有更優(yōu)異的信號強度和響應速度。
NiO/CNTF柔性溫度傳感器在安全監測系統中的應用
基于NiO/CNTF柔性溫度傳感器，研究人員還開(kāi)發(fā)了具有高低溫報警功能的溫度監測預警系統。在溫度監測預警系統中，可以通過(guò)預先設定的高溫和低溫閾值，對監測的正常、過(guò)冷和過(guò)熱溫度進(jìn)行警報指示。以鋰離子電池為例，NiO/CNTF柔性溫度傳感器可以貼附在電池表面實(shí)時(shí)監測電池溫度。當電池發(fā)生熱失控時(shí)，溫度監測系統可以及時(shí)檢驗到電池過(guò)熱現象并報警。此外，傳感器還可以貼附在智能手機表面，對手機充電時(shí)的溫度變化進(jìn)行同步監測，防止充放電過(guò)程溫度異常引起的電子設備損壞和火災等風(fēng)險。
據悉，相關(guān)成果以“Robust fiber-shaped flexible temperature sensors for safety monitoring with ultrahigh sensitivity”為題，發(fā)表在《Advanced Materials》上。
