柔性温度传感器研究进展

2020-11-12付世龙杨义君管晋楠

山西化工 2020年5期

杨旋，付世龙，杨义君，管晋楠

(中北大学化学工程与技术学院，山西太原 030051)

引言

温度传感是机械量传感重要方面，生产生活需要柔性温度传感器的场合很多，如人体健康监测、工作曲面场合、软组织情况等，为此，柔性温度传感器成为各国大力发展的热点。目前，对此领域的研究文献较少，本文对柔性温度传感器进行了简单介绍，并展望了其今后的发展趋势。

1 柔性温度传感器

目前，已经出现了较多的柔性温度传感器，其中，下面几种特别具有代表性。

1.1 基于喷墨打印技术的柔性温度传感器

华东师范大学徐骁雯等使用喷墨打印技术，成功地在柔性聚酰亚胺基板上制备了银温度传感器。通过离子交换技术SMIE对聚酰亚胺基板进行表面改性，并且喷墨打印机印刷所需的图案作为掩模，以实现耐银性温度装置的制备。通过SEM、XRD等测试方法对制备的银层进行了表征，并对制备的温度传感器的性能进行了研究。研究结果表明，采用SMIE技术制备的银电阻温度检测器监测温度为-20 ℃～200 ℃。在C的测试范围内，它具有更好的温度敏感性。这种设计的银电阻温度检测器(RTD)可广泛用于柔性电子产品的原位温度检测。该银电阻温度探测器(RTD)具有精度高、响应时间短、体积小，制造简单且可批量制造，测温能力比传统热电偶更高效的优点[1]。

1.2 基于柔性MEMS皮肤技术温度传感器

上海微系统与信息技术研究所的肖素艳等利用MEMS皮肤技术，成功地在聚酰亚胺柔性基板上开发了8×8阵列的铂薄膜热敏电阻温度传感器。在实验中，热硅晶片被用作机械载体，以便于液体聚酰亚胺柔性基板上组件的旋涂处理。最后，从载体上用湿法腐蚀释放柔性设备。试验表明，铂薄膜热敏电阻与聚酰亚胺基板上的温度变化具有良好的线性关系，其电阻温度系数达到0.002 3/℃。与固态聚酰亚胺薄膜基材相比，旋涂液态聚酰亚胺解决了制备过程中遇到的两个主要难题：第一，它消除了聚酰亚胺涂层基材与载体之间界面的气泡，聚酰亚胺基材的表面可以保持良好的平整度；第二，由于在制备过程中的热循环，大大降低了柔性基板的热膨胀。这种灵活的温度传感器阵列可以轻松地连接到高曲率物体的表面，以检测小面积温度场分布[2]。

1.3 基于石墨烯的机器人用柔性温度传感器

合肥工业大学的田敏等设计了一种用于机器人的基于石墨烯的柔性温度传感器，测试其温度特性，分析其温度敏感机制，并将其应用于模型抓取物体时的温度感测和接近感测。石墨烯电导率的提高或下降与声子的作用密不可分。基于Holstein-Hamiltonian模型，格林公式和Kubo-Grreenwood公式，总结了单层石墨烯电子声子耦合模型，并分析了温度对电子声子耦合强度的影响。在柔性基板上制备了石墨烯温度传感器(GNP)，并研究了其电阻温度特性。通过结合电子模型和热膨胀分析了石墨烯温度传感器(GNP)的温度敏感机制。通过比较实验发现，GNP的温度敏感性和线性优于其他碳基材料，并且其独特的二维结构使其易于在层之间形成稳定的三角形结构，从而使导电网络更加稳定。另外，GNP具有高重复性和温度响应速度。基于GNP良好的温度敏感性特性，将传感器阵列布置在操纵器上，以准确获取所抓取的热源温度信息，并将其应用于当操纵器抓住物体时在0 mm～20 mm距离内的接近感知。当操纵器接近热源时，传感器阵列可以准确地检测距离信息。因此，当机器人抓紧特定的热源时，这种基于石墨烯的柔性温度传感器可以应用于温度检测和接近感知[3]。

1.4 基于PVDF/PEO柔性温度传感器

合肥工业大学曾晓将石墨用作导电填料，聚偏二氟乙烯(PVDF)和聚环氧乙烷(PEO)作为基体材料，开发了一种具有正温度效应的热敏复合材料。结合微观表征和DSC分析，描述了加热过程中导电材料在复合材料内部的运动，揭示了柔性温度传感器的温度敏感机理。同时，他设计了一个可穿戴的柔性温度传感器以监测人体温度。对可穿戴的柔性温度传感器进行了温度敏感特性分析，如，可重复性、稳定性、响应时间和抗干扰特性。结果表明，在25 ℃～42 ℃的感测温度范围内，它具有近2 000次的高重复性和0.1 ℃的高精度。基于以上材料，设计了一种具有良好透气性的黏性柔性温度传感器，该传感器可以紧密附着在人体皮肤上，从而可以准确获取人体不同部位的皮肤温度。另外，设计了一种拉伸率大于50%的可拉伸柔性温度传感器。正常人为活动引起的伸展运动不会影响温度测量，它可以在健康和发烧的情况下测量人体的温度。该柔性温度传感器满足人体温度测量的要求，在医疗卫生领域具有广阔的应用前景[4]。

1.5 基于纳米裂纹的超高灵敏度柔性温度传感器

大连理工大学辽宁省微纳米技术及系统重点实验室初永志等弯曲沉积有金薄膜的柔性材料PDMS，以使纳米裂纹出现在金薄膜上。基于该纳米裂纹，制造了对温度变化极其敏感的温度传感器。该传感器利用在PDMS基板上具有裂纹的金膜的极敏感应变以及PDMS的热膨胀系数高达310 ppm/℃的优势，使其平均电阻TCR的温度系数高达1.4/K。与使用金属电阻随温度变化的现有传感器相比，电阻的平均温度系数增加了3个数量级[5]。

1.6 基于氧化石墨烯用于物联网机器人皮肤的柔性温度传感器

中北大学仪器科学与动态测量教育部重点实验室刘冠宇和谭秋林开发了一种基于氧化石墨烯的柔性温度传感器，用于物联网机器人的皮肤。这项研究演示了3个温度传感器，其中的敏感材料由r-GO，MWCNTS和SWCNTS制成。为了确定最适合制造温度传感器的材料，比较了这3种材料的线性、灵敏度和可重复性。结果表明，r-GO温度传感器具有最平衡的性能，具有更好的线性度和约0.634 5%的高灵敏度，并且在3个加热和冷却循环后仍保持稳定。此外，r-GO温度传感器具有良好的机械性能，并且可以在不同角度弯曲且电阻变化可忽略不计，这意味着它可以分布在被测物体的任何表面上。弯曲能力对于实际使用温度传感器的应用也很重要。同样，r-GO温度传感器实际上不受周围环境(如湿度或其他气体)的影响。其温度传感器灵活、轻便，易于制造且成本低廉。此外，不同的外部压力刺激不会影响其性能。以上所有因素表明，r-GO温度传感器适用于机器人皮肤和电子皮肤，可广泛用于物联网[6]。

但是，温度传感器的RES不是很好。仅少量压力将不会影响r-GO传感器的性能。当外部压力过高时，传感器的电阻会受到影响。

传感器的详细制作过程见图1。