【科普时报】柔性温度传感器突破高温极值

  来自微纳制造领域的一项最新研究成果，为柔性传感器突破高温应用瓶颈提供了新思路。西安交通大学机械工程学院精密工程研究所刘兆钧博士、田边教授、蒋庄德院士及其合作团队，首次制备出拥有非常良好温度敏感性的高温柔性温度传感器。相关研究成果近日在工程制造领域顶级国际期刊《极端制造》发表。

  近年来，各大品牌折叠屏手机、柔性可穿戴电子等智能设备层出不穷，成为行业热点。作为柔性电子设备的重要组成部分，柔性传感器则用以测量温度，反映人体的各项指标。现有的柔性薄膜温度传感器受柔性衬底、敏感材料等限制，难以实现高温物理场的温度测量。因此，如何继承柔性薄膜传感器优势，实现柔性薄膜传感器在高温环境下的应用是一个需要我们来关注的问题。

  柔性传感器是指采用柔性材料制造成的传感器，拥有非常良好的柔韧性、延展性，而且结构及形式灵活多样，可根据测量条件要求任意布置。“柔性薄膜温度传感器能变形、易附着、轻薄等优点，受到研究人员的广泛关注。”田边说，“热电偶式传感器以其结构相对比较简单、动态响应快、便于集中控制等优点，脱颖而出。”

  田边介绍说，温度传感器主要由温度敏感层和柔性基板组成。温度敏感层常由金属以及金属化合物组成，柔性基材则选择聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺等高分子聚合物材料。

  柔性传感器的优势使其在医疗电子、环境监视测定等领域显示出很好的应用前景。然而，现有的柔性薄膜温度传感器难以在高温环境中存活，更没办法实现功能化应用。“因为柔性基板主要是低熔点，通常低于400℃，在高温环境中发生碳化后会变脆变硬，因此很难在高温环境下使用目前报道的柔性温度传感器。”田边解释道。

  为了突破柔性温度传感器的温度测量瓶颈，田边团队创新性地选择了具有宽温域的铝硅氧气凝胶毡作为温度传感器的柔性基板，选用丝网印刷技术制备厚膜。

  在制备传感器过程中，田边团队使用有机黏合剂混合功能粉末完成浆料配置，利用高温热处理方法去除薄膜中的多余有机物，针对不同应用表面，实现了功能薄膜的特定曲面化制备，“就像球鞋设计者根据球星脚底的尺寸大小来制定码数一样”。 制备好的柔性温度传感器，能够贴附于不同曲率曲面，并具有超薄、超轻等优势，首次实现柔性传感器从-190℃至1200℃这一极广的温度范围内工作，测试灵敏度达到每摄氏度226.7微伏，这是现在所有柔性温度传感器难以实现的。它扩大了柔性传感器的工作温域，在探险排难、航空航天、钢铁冶金等领域将发挥巨大的应用潜力。

  在被问及新型柔性传感器何时能实现实际应用时，蒋庄德表示，团队研究人员对制备的柔性温度传感器已进行过多种实验室级与实测，传感器在整个测试过程都表现出优异的测温能力。

  蒋庄德说，他们根据柔性温度传感器的极轻、极薄特点，创新性地将其应用于智能穿戴设备。科研成果可以给人们的生活带来方便快捷，这也让科研有了“温度”。

  目前，柔性传感器的许多技术仍停留在研究阶段，产业链整体亟待提高。未来，田边团队期望将制备的柔性传感器能逐步优化，实现飞机表面、涡轮叶片等国之重器上的温度测量。

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