哈佛大學鎖志剛教授與科羅拉多大學Hayward教授 PNAS：基于離電子結的柔性溫度傳感器

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2022年1月27日 15:29

從工業生產到日常生活，溫度傳感器在各個領域都起到了非常重要的作用。溫度傳感技術至少可以追溯到伽利略時代，它依賴于一個普遍的原理：溫度影響所有的物理性質，因而物性測量可以起到溫度計的作用。選擇何種物理屬性是精度、速度、成本和便捷性之間折中的結果。然而傳統電阻式溫度傳感器和熱電偶以硬材料為主，這大大地限制了其在復雜工程結構、生物組織等重要場景的應用。近幾十年來，軟材料的快速發展推動了柔性電子領域的興起，而柔性傳感器則被視為下一代可穿戴設備、智能織物、軟體機器人等發展的關鍵。

最近，哈佛大學鎖志剛教授與科羅拉多大學Ryan C. Hayward教授合作開發了一種基于離電子結的新型柔性溫度傳感器。該傳感器的傳感單元由離子導體、電子導體和介電層組成（圖1）。離子積聚在離子導體與介電層的界面處，而電子則積聚在介電層與電子導體的界面處。通常，積聚的離子數與電子數并不相等，因而在離子導體中會形成具有一定厚度（分子尺度）的離子云。當溫度發生變化時，離子云的厚度發生變化，繼而產生隨溫度變化的電壓。該溫度傳感器具有靈敏度高（~1 mV/K）、響應時間短（~10 ms）、自供電等優良特性，同時還具有多種傳感構型，能夠滿足不同的應用需求。由于離子導體、電子導體和介電層皆可為軟材料，該溫度傳感器具有柔性、可拉伸、透明等特點，可被廣泛應用于不規則物體表面溫度的精準測量。

哈佛大學鎖志剛教授與科羅拉多大學Hayward教授 PNAS：基于離電子結的柔性溫度傳感器的圖1

圖1 工作原理

根據離子導體、電子導體和介電層的不同組合方式，溫度傳感器可設計成多種構型。當離子導體與電子導體不發生化學反應時，不需要引入介電層。首先，他們使用一種包含兩個離電子結的傳感構型，以含氯化鈉水凝膠為離子導體，納米銀導電織物為傳感端電子導體，金片為參考端電子導體，對溫度傳感的基本原理與特性進行了系統的研究（圖2）。研究發現傳感器靈敏度與離子濃度和傳感端電子導體種類高度相關，其響應時間大約為10毫秒。

哈佛大學鎖志剛教授與科羅拉多大學Hayward教授 PNAS：基于離電子結的柔性溫度傳感器的圖2

圖2 基本特性

接下來，他們又為該溫度傳感器設計了三種構型，展示了傳感器的可拉伸、透明、穩定以及靈敏度不隨變形變化的重要特性（圖3）。此外，為了展示該柔性溫度傳感器在可穿戴設備、軟體機器人等領域的應用前景，他們將該傳感器安裝于自制軟體機器手，在抓取物體的過程中實現了不規則表面溫度的精準測量（圖4）。

哈佛大學鎖志剛教授與科羅拉多大學Hayward教授 PNAS：基于離電子結的柔性溫度傳感器的圖3

圖3 多種傳感構型及相關特性

哈佛大學鎖志剛教授與科羅拉多大學Hayward教授 PNAS：基于離電子結的柔性溫度傳感器的圖4

圖4 可拉伸、透明溫度傳感器應用于不規則物體表面溫度的精準測量

鎖志剛教授團隊與Ryan C. Hayward教授團隊報道了一種新型基于離電子結的高靈敏、快響應柔性可拉伸溫度傳感器，深入系統地研究了其工作原理和基本特性，設計了四種傳感構型，并展示了其廣泛的應用前景。該研究為柔性傳感器的設計提供了指導，也為下一代可穿戴設備、智能織物、軟體機器人等的發展奠定了基礎。

這項研究工作以Temperature sensing using junctions between mobile ions and mobile electrons為題發表于Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America。論文第一作者為王葉成博士（哈佛大學博士、博士后），第二作者為賈坤副教授（西安交通大學），第三作者為張舒文助理教授（西安交通大學）。其他合作者包括Hyeong Jun Kim助理教授（韓國Sogang University）和白陽（西安交通大學研究生）。美國科學院院士、美國工程院院士、哈佛大學鎖志剛教授和科羅拉多大學Ryan C. Hayward教授為論文通訊作者。