多功能傳感器

單模態傳感器（如應變、溫度、壓力和濕度等）通常具有超高靈敏度，但為了滿足人工智能、醫療健康、電子皮膚等領域對多模態耦合傳感功能的需求，必須在發展單模態傳感技術的基礎上研究多功能傳感器。電子皮膚是一種柔性集成電子裝置，可模仿人體皮膚上感受器的功能。作為人體最大的器官，皮膚可以不斷感知外部環境的變化，在這些變化中，壓力和溫度是日常生活中最重要的兩個物理條件。因此，設計一種既能監測壓力又能監測溫度的雙模傳感器對電子皮膚具有重要意義。然而，如何將壓力和溫度傳感器合理地組合成一個多功能傳感器，并消除它們之間不可避免的串擾，仍然是研究人員需要克服的巨大挑戰。

大連理工大學團隊在柔性雙模態傳感器領域取得重要進展

近日，大連理工大學潘路軍教授課題組在柔性雙模態傳感器領域取得重要進展，研究成果以“Fully inkjet-printed dual-mode sensor for simultaneous pressure and temperature sensing with high decoupling"為題發表在工程技術領域期刊《Chemical Engineering Journal》。大連理工大學袁廷康博士為文章第一作者，大連理工大學李成偉助理研究員和潘路軍教授為通訊作者。

本文基于多孔聚二甲基硅氧烷（PDMS）和還原氧化石墨烯（rGO）制備了一種柔性雙模態傳感器。該雙模態傳感器不僅具有超寬檢測范圍（0-1000 kPa）、低壓檢測限（2.5 Pa）、快速響應時間（40 ms）和高循環穩定性（10,000次）等優異的壓力傳感能力，還能同時準確分辨出 0.2°C 的溫度變化。此外，成功開發了理論公式來解釋信號串擾的原因，并根據機理分析實現了對壓力和溫度的有效解耦。在此基礎上，采用全噴墨打印方法制作了雙模傳感器陣列，該陣列結合了雙模傳感器單元的結構和共享電極的電路設計，降低了多模態傳感器陣列電路布局的復雜性。最后，基于這種雙模態傳感器構建了一個壓力-溫度報警系統，以監測不同的環境變化。這項研究不僅提出了壓力和溫度雙模態傳感器的有效結構設計，還為雙模傳感的信號分離和解耦提供了理論解決方案。該傳感器在多功能同步傳感場景中具有巨大潛力。

成果展示

圖1. (a)人體皮膚結構示意圖。(b)具有仿生結構的柔性壓力-溫度雙模態傳感器的結構示意圖。(c)利用鹽模板法以及噴墨打印技術制備雙模態傳感器的實驗過程示意圖。(d)多孔PDMS 介電層的照片。(e)rGO 溫度傳感器的照片。(f)底部為銀電極的數碼照片。

圖2. (a)-(c)不同比例多孔PDMS的截面SEM圖像。(d)底面和(e)頂面的SEM圖像。(f)孔結構、(g)底表面和 (h) rGO 納米片的放大 SEM 圖像。(i) 壓力-溫度雙模態傳感器的截面 SEM 圖像。

拉曼光譜用于分析氧化石墨烯薄膜的溫度傳感機理，本文中的拉曼光譜數據采用北京卓立漢光儀器有限公司Finder 930系列全自動化拉曼光譜分析系統檢測完成。石墨烯的拉曼峰強ID/IG比值增大，說明氧化石墨烯的親水官能團被去除，表面產生了更多的缺陷。

圖3. GO和rGO的拉曼光譜。

圖4. (a)基于多孔 PDMS 的電容式壓力傳感器的傳感機制。(b)不同 PDMS/NaCl 混合比例的多孔 PDMS 壓力傳感器的壓力傳感性能。(c)不同壓力梯度下的電容響應。(d) 壓力傳感器的快速響應和恢復時間（小于60 毫秒）。(e)壓力傳感器在 50 kPa 下 進行10,000 次循環的電容響應。(f)在不同頻率下進行 8 kPa 負載壓力的電容響應。(g) 壓力傳感器的超低壓力檢測極限（2.5 帕）。

圖5. (a) rGO 納米片的溫度傳感機制。(b)溫度傳感器的電阻響應。(c)不同靜態溫度梯度下的電阻響應。(d)溫度傳感器在 3°C 溫差下的快速響應和恢復時間。(e)不同動態溫度梯度循環下的電阻響應。(f)循環不同次后的穩定電阻響應。(g)溫度傳感器在 0.2°C 溫差下的顯著電阻響應。

圖6. (a) 雙模態傳感器在無負載情況下的電容隨溫度的變化。(b)在四種溫度下，雙模傳感器的電容響應與負載的函數關系。(c)在 0-40 kPa 的壓力下，溫度傳感器在20°C時的電阻響應。(d)溫度傳感器在不同壓力下的電阻響應與溫度的函數關系。

圖7. (a)不同溫差下電阻變化率的修正值和壓力變化的關系。(b)三種溫差下電阻變化率修正值與壓力的擬合關系。 (c)不同壓力下電阻變化率的修正值和溫差的關系。(d)三種壓力下電阻變化率修正值與溫差的擬合關系。(e) 不同壓力和溫度狀態下 PDMS 橫向位移分布的模擬結果。(f)-(g) PDMS 在不同壓力和溫度條件下的橫向位移模擬數據。

圖8. 使用雙模態傳感器分別監測三種不同情況下的電容和電阻變化：(a)馬克筆接觸、(b)紅外燈照射和(c)手指按壓，并通過設計的轉換應用程序獲得實時溫度和壓力。(d) 在 3×3 傳感陣列上放置一個裝有熱水的燒杯，不同單元的電阻和電容響應分布。

圖9. 基于雙模式傳感器的雙重監控和警報系統，可應對各種溫度和壓力變化。裝有熱水的燒杯(a)接近雙模式傳感器時未與之接觸，(b)與雙模式傳感器接觸。(c)盛有室溫水的燒杯與雙模傳感器接觸。(d)向放置在雙模傳感器上方的空燒杯中倒入熱水

 大連理工大學潘路軍課題組簡介

潘路軍，大連理工大學物理學院教授，博士生導師。1988年于西安交通大學電氣工程系電氣絕緣技術專業本科畢業；1994年赴日本大阪府立大學工學部電子物理專業留學。2000年獲博士學位并留校擔任助理教授，其間兼任日本科學技術振興機構（JST）及日本新能源和產業技術綜合開發機構（NEDO）研究員；2007年底回國工作，受聘大連理工大學教授，博士生導師。歷任物理與光電工程學院光電工程系主任、物理與光電實驗中心主任、光學學科點負責人。近5年在《Advanced Functional Materials》、《Nano Energy》、《Nano-Micro Letters》、《Energy Storage Materials 》、《Chemical Engineering Journal 》、《Small》、《Carbon》等國際著名納米期刊上發表論文80余篇；主編《基礎光學》，參編《ディスプレイ材料と機能性色素（顯示器材料和機能色素）》、《フィールドエミッションディスプレイ（場發射型顯示器）》、《Handbook of Nano Carbon （納米碳手冊）》。

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