我校在柔性传感器研究方面取得系列新进展

近日，我校微电子学院/安徽省MEMS工程技术研究中心许高斌教授课题组在柔性传感器领域取得了多项研究突破，相关成果相继发表于国际知名期刊Nature子刊《Microsystems & Nanoengineering》与《Sensors and Actuators A: Physical》上。通过跨学科的创新设计与材料组合，研究团队成功解决了柔性传感器在高性能、低成本和可靠性方面的诸多挑战，推动了柔性电子技术的发展。

团队基于柔性热电偶传感器仅限于接触式监测温度的特性，提出了柔性双模式温度监测传感器。在温度传感领域，传统的柔性热电偶传感器由于聚合物材料的热电性能有限以及无机材料的固有刚性，常面临着灵活性和性能之间的权衡问题。针对这一难题，课题组提出了一种基于PEDOT:PSS/CNTs和MXene/Bi₂Se₃复合材料的柔性热电偶传感器（FTCS），该传感器采用了丝网印刷和压缩技术，应用于纸/PDMS/Si₃N₄（PPSN）复合基底上。研究表明，该传感器在接触模式下具有优异的温度灵敏度（379.5μV/°C）、宽广的检测范围（20-200°C）、高分辨率（约0.3°C）以及快速响应时间（约12.6ms）。在非接触模式下，传感器依旧展现了良好的性能，最大灵敏度为52.67μV/°C，响应时间更短（约9.8ms）。这项研究突破了柔性热电偶传感器的性能瓶颈，尤其在可穿戴设备和锂电池温度监测领域展现了重要应用潜力。该项成果以“Dual-mode temperature monitoring using high-performance flexible thermocouple sensors based on PEDOT:PSS/CNTs and MXene/Bi₂Se₃”为题于发表在《Microsystems & Nanoengineering》。

图1.柔性双模式热电偶监测传感器的示意图和实物图

团队仿照贝壳层结构提出了新型的仿生柔性基底。柔性基底在柔性电子设备中起着至关重要的作用，不仅提供支撑和灵活性，还直接影响到传感器的稳定性。传统的柔性基底在大规模生产和成本控制方面仍面临挑战。为了解决这一问题，课题组受自然界珍珠壳“砖-砂浆”分层结构的启发，提出了一种新型的PPSN柔性基底。该基底采用纸/PDMS/Si₃N₄纳米颗粒复合材料，并通过拓补互锁技术，实现了优异的热稳定性和机械稳定性。研究表明，PPSN基底在经过1万次弯曲循环后依旧保持形态完整，具有良好的耐热性，疏水角超过了125°。此外，该基底能够有效消散热应力，并在300°C下保持低于较低的热膨胀系数，满足高性能柔性传感器的要求。该技术的突破将为柔性电子器件的低成本、大规模生产提供新的解决方案。该项成果以“Nacre-inspired hierarchical bionic substrate for enhanced thermal and mechanical stability in flexible applications”为题发表在《Sensors and Actuators A: Physical》。

图2. PPSN基底的实物图以及结构示意图

团队基于柔性温度传感器易受应力影响的问题提出了抗应力形变的柔性热敏电阻传感器。柔性热敏电阻传感器因其卓越的热敏性能和良好的柔性，广泛应用于应变监测和动态温度测量。课题组针对该领域的挑战，提出了一种基于碳纳米管（CNTs）与MXene复合材料的新型FTS传感器，并结合创新的PPSN柔性基底，实现了低成本、抗压和宽温检测范围（-20°C至220°C）的优势。实验结果表明，该传感器具有出色的热灵敏度（-0.52%/°C）、卓越的温度分辨率（约0.3°C）、快速响应（约300ms）和恢复时间（约3s），在2000次弯曲疲劳测试后依旧保持稳定性能。此外，FTS传感器在不同环境条件下，如压缩、水底和曲面上，表现出色。课题组还成功地将其应用于锂电池温度监测、人类体温检测及环境温度监测，具有广泛的应用前景。该项成果以“A strain-resistant flexible thermistor sensor array based on CNT/MXene hybrid materials for lithium-ion battery and human temperature monitoring”为题发表在《Sensors and Actuators A: Physical》。

图3.柔性热敏温度传感器的实物图以及在锂电池温度监测和人体温度监测的应用图

课题组的研究得到了国家重点研发计划以及安徽省科技创新攻坚计划等项目的资助与支持。通过不断优化材料和工艺，许高斌教授课题组的工作为先进制造和集成传感器技术的发展奠定了基础。柔性传感器作为下一代智能设备/人形机器人的核心组成部分，具有极大的应用潜力。随着柔性传感器在可穿戴设备、智能家居、环境监测等领域的应用逐渐深入，它们将在更广泛的领域中发挥重要作用，推动现代科技向更加智能化、便捷化方向发展。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41378-025-00867-w

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.sna.2024.115832

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.sna.2024.115059

（马渊明/文 孙百川/图 刘梅/审核）

责任编辑：卫婷婷

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