近年來，各大品牌的折疊屏手機、柔性可穿戴電子等智能設(shè)備層出不窮，成為行業(yè)熱點。作為柔性電子設(shè)備的重要組成部分，柔性傳感器用以測量溫度，反映人體的各項指標?，F(xiàn)有的柔性薄膜溫度傳感器受柔性襯底、敏感材料等限制，難以實現(xiàn)高溫物理場的溫度測量。因此，如何繼承柔性薄膜傳感器優(yōu)勢，實現(xiàn)柔性薄膜傳感器在高溫環(huán)境下的應(yīng)用是一個值得關(guān)注的問題。
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近日，來自微納制造領(lǐng)域的一項最新研究成果，為柔性傳感器突破高溫應(yīng)用瓶頸提供了新思路。西安交通大學機械工程學院精密工程研究所的劉兆鈞博士、田邊教授、蔣莊德院士及其合作團隊首次制備出了具有良好溫度敏感性的高溫柔性溫度傳感器。相關(guān)成果發(fā)表于工程制造領(lǐng)域期刊《極端制造》。
傳統(tǒng)柔性溫度傳感器難以實現(xiàn)高溫無損監(jiān)測
柔性傳感器是指采用柔性材料制成的傳感器，具有良好的柔韌性、延展性，甚至可自由彎曲、折疊，而且結(jié)構(gòu)形式靈活多樣，可根據(jù)測量條件的要求任意布置，能夠非常方便地對復(fù)雜表面進行檢測。
在可穿戴方面，柔性的電子產(chǎn)品適合“人體不是平面”的生理特性，因此更易于測試皮膚的相關(guān)參數(shù)，其可將外界的受力或受熱情況轉(zhuǎn)換為電信號，傳遞給機器人的電腦進行信號處理，從而實時精準地監(jiān)測出人體各項指標。
“柔性薄膜溫度傳感器能變形、易附著、輕薄等優(yōu)點受到了研究人員的廣泛關(guān)注。”田邊說，“熱電偶式傳感器以結(jié)構(gòu)簡單、動態(tài)響應(yīng)快、便于集中控制等優(yōu)點脫穎而出。”
結(jié)合二者優(yōu)勢，熱電偶式柔性薄膜溫度傳感器應(yīng)運而生。“溫度傳感器主要由兩部分組成，由兩種不同材料制成的溫度敏感層和柔性基板。溫度敏感層常由金屬以及金屬化合物組成，柔性基材則選擇已經(jīng)商業(yè)化的聚二甲基硅氧烷、聚酰亞胺等高分子聚合物材料。”田邊表示。
實際上，柔性傳感器的優(yōu)勢使其能運用到多個領(lǐng)域當中，除了可穿戴設(shè)備，柔性傳感器還在醫(yī)療電子、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域顯示出很好的應(yīng)用前景。然而，現(xiàn)有的柔性薄膜溫度傳感器受柔性襯底、溫度敏感材料等限制，難以在高溫環(huán)境場中工作，更無法實現(xiàn)功能化應(yīng)用。“因為柔性基板的熔點通常低于400℃，在高溫環(huán)境中發(fā)生碳化后會變脆、變硬，因此，很難在高溫環(huán)境下使用現(xiàn)有的柔性溫度傳感器。這一點也限制了它們在航空航天、鋼鐵冶金和爆炸損傷檢測等極端環(huán)境中的應(yīng)用。”田邊解釋道。
“現(xiàn)有的高溫溫度測量手段受限于設(shè)備尺寸大、需要破壞結(jié)構(gòu)、破壞氣流場、受環(huán)境干擾等，難以實現(xiàn)對溫度場的無損實時溫度監(jiān)測。”博士生劉兆鈞補充道。因此，如何繼承柔性薄膜傳感器的優(yōu)勢，實現(xiàn)柔性薄膜傳感器在高溫環(huán)境下的安裝與應(yīng)用是亟須解決的關(guān)鍵問題。
突破多項柔性溫度傳感器測量瓶頸
為了突破柔性溫度傳感器的溫度測量瓶頸，田邊教授團隊創(chuàng)新性地選擇了具有寬溫域的鋁硅氧氣凝膠氈作為溫度傳感器的柔性基板。由于柔性基板表面不均勻、粗糙度較大，難以通過傳統(tǒng)的微納制造工藝實現(xiàn)薄膜沉積與功能化，因此團隊選用了絲網(wǎng)印刷技術(shù)制備厚膜以克服上述困難。
在制備傳感器的實際操作中，田邊、劉兆鈞等人使用有機黏合劑混合功能粉末完成漿料配置，利用高溫熱處理的方法去除薄膜中的多余有機物，如環(huán)氧樹脂、松油醇等。同時，團隊還針對不同應(yīng)用表面，基于柔性材料可變形、可共形的優(yōu)勢，實現(xiàn)了功能薄膜的特定曲面化制備。“就像球鞋設(shè)計者根據(jù)球星腳底的尺寸大小來制定碼數(shù)一樣，這種‘獨家訂制’能有效解決一些問題。”田邊表示，這樣制備好的柔性溫度傳感器能夠貼附于不同曲率曲面，例如葉片等。同時，其也具有超薄、超輕等優(yōu)點。這項研究首次實現(xiàn)柔性傳感器在零下190℃至零上1200℃這一極廣的溫度范圍內(nèi)工作，測試靈敏度也達到了可觀的226.7微伏每攝氏度（μV/℃）。這是現(xiàn)有所有柔性溫度傳感器難以實現(xiàn)的。擴大柔性傳感器的工作溫域，為柔性傳感開拓了更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域，它在探險排難、航空航天、鋼鐵冶金等領(lǐng)域?qū)⒊尸F(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。
在被問及新型柔性傳感器何時能夠?qū)崿F(xiàn)實際應(yīng)用時，蔣莊德表示：“我們團隊的研究人員對制備的柔性溫度傳感器已經(jīng)進行了多種實驗室級測試與實際測試。其中，包括對航模發(fā)動機的尾噴溫度進行實時監(jiān)控，小型物理爆炸場爆炸瞬時溫度測量以及對坩堝中金屬熔化過程進行溫度監(jiān)測等。傳感器在整個測試過程都表現(xiàn)出了優(yōu)異的測溫能力。”
在蔣莊德看來，科技發(fā)展的目標始終圍繞造福人類。他指出：“我們根據(jù)柔性溫度傳感器極輕、極薄的特點，創(chuàng)新性地將其應(yīng)用于智能穿戴設(shè)備，如傳感器與環(huán)保透明面罩相結(jié)合設(shè)計出的智能口罩，實現(xiàn)對人體呼吸狀態(tài)的實時監(jiān)測，有望惠及長期獨居旅行者和慢性病患者。我們的科研成果可以給人們的生活帶來便捷，這也讓科研有了‘溫度’。”
目前，柔性傳感器許多技術(shù)仍停留在研究階段，柔性傳感器產(chǎn)業(yè)鏈整體能力亟待增強。就技術(shù)本身而言，傳感器本身的穩(wěn)定性、耐磨損性等還需要進一步提高。而從整個產(chǎn)業(yè)鏈的配套來說，柔性電路、柔性存儲，以及軟硬連接等環(huán)節(jié)也需要跟進步伐。在未來，團隊也期望將制備的柔性傳感器進一步優(yōu)化，實現(xiàn)飛機表面、渦輪葉片等國之重器上的溫度測量，為我國科技進步添磚加瓦。
（原標題：柔性溫度傳感器實現(xiàn)高溫測量新突破）
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