柔性電子材料和器件的最新進展推動了可穿戴技術的快速發展，包括植入式設備、電子皮膚（e-skin）和生理信號監測等領域。這些發展為持續監測人體健康與活動提供了新的可能性。為了滿足各種應用需求，開發高靈敏度、高性價比的多功能柔性傳感器至關重要。在各類柔性傳感器中，能夠精確識別溫度與壓力變化的表皮電子傳感器對健康監測系統具有重要意義。

據麥姆斯咨詢報道，近期，中國科學技術大學、中國科學院金屬研究所的研究團隊開發出一種基于3D螺旋熱電Bi?Te?薄膜的柔性復合雙參數溫度-壓力傳感器。Bi?Te?薄膜具有（000l）紋理和良好的柔韌性，塞貝克系數高達?181 μV K?1，壓阻系數約為?9.2。該傳感器具有極其優異的高溫傳感靈敏度（?426.4 μV K?1）和快速響應時間（~0.95 s）。此外，由于Bi?Te?薄膜的壓阻效應，該傳感器展現出優異的壓力響應特性，靈敏度為120 Pa?1。這項研究利用單一高柔性材料實現了高性能的雙參數傳感，為電子皮膚等多種應用提供了新的思路。相關研究成果以“Flexible temperature-pressure dual sensor based on 3D spiral thermoelectric Bi?Te? films”為題發表在Nature Communications期刊上。

（000l）紋理Bi?Te?被認為是室溫附近最有效的熱電材料，可產生壓阻效應和熱電效應，是用于壓力和溫度傳感應用的理想材料。這些效應的產生可能源于應變下層間距變化導致的禁帶寬度變化。3D螺旋結構是一種適用于熱電薄膜的通用結構，能克服熱阻匹配問題，為熱電薄膜的進一步應用提供了新思路。通過將Bi?Te?薄膜和3D螺旋結構結合，可以制備出高性能的溫度-壓力傳感器，該策略為類皮膚智能設備的潛在應用提供了廣闊的前景。不過，這種傳感器存在的一個局限是，當溫度較高的物體與傳感器接觸時，傳感器底部表面的溫度會發生漂移。因此，需要對傳感器底部溫度進行校準，以提高傳感器精度。通過集成微型鉑（Pt）薄膜電阻來監測傳感器底部溫度，或建立適當的數學模型，是解決該問題的有效途徑。

在這項研究工作中，研究人員報告了一種基于沉積在聚酰亞胺（PI）襯底上的（000l）紋理Bi?Te?薄膜的溫度-壓力傳感器。Bi?Te?薄膜的塞貝克系數高達?181 μV K?1，電導率約為700 S cm?1，室溫下功率因數達到22.6 μW cm?1 K?2。同時，由于具有（000l）紋理結構，其壓阻系數約為?9.2。這些出色的性能使得該傳感器能夠利用熱電和壓阻效應實現溫度和壓力信號檢測。

圖1 Bi?Te?/PI薄膜（沉積條件為613 k）的電氣性能和柔韌性能

研究人員利用實驗室自制的飛秒激光器和器件集成設備制備了3D螺旋結構，以滿足如溫度傳感電子皮膚等應用中對面外熱阻抗的特殊要求。此外，基于壓阻效應，利用螺旋結構壓縮變形引起的器件電阻波動來檢測外部壓力。通過監測電壓和電阻的變化，該傳感器可實現溫度和壓力的雙參數傳感。

圖2 柔性溫度-壓力傳感器及其制備過程

圖3 柔性溫度-壓力傳感器的傳感性能

研究人員在多種環境條件下，探究了該柔性溫度-壓力傳感器的溫度傳感性能，驗證了其實際應用的可行性。考慮到在實際應用中，需要大范圍實時監測空間分布的溫度和壓力傳感需求，因此傳感器陣列的集成顯得尤為關鍵。基于此，研究人員進一步制備了集成3 × 3傳感器陣列的電子皮膚。得益于Bi?Te?薄膜優異的熱電性能和3D螺旋結構的新穎設計，該傳感器陣列不僅能夠實時進行溫度和壓力監測，還能提供快速精準的響應。

圖4 柔性溫度-壓力傳感器的溫度傳感性能

圖5 基于3 × 3傳感器陣列的電子皮膚在不同場景下的壓力和溫度傳感性能

綜上所述，這項研究通過結合Bi?Te?薄膜和獨特的3D螺旋結構，開發出一種高性能的溫度-壓力傳感器，為此類雙參數傳感器的設計和制備提供了簡單有效的策略。得益于Bi?Te?薄膜的壓阻效應和熱電效應，該傳感器能夠對壓力和溫度做出快速反應，其高塞貝克系數使傳感器的靈敏度高達-426.4μV K?1。此外，3D螺旋結構的巧妙設計顯著縮短了傳感器的響應時間（＜1 s），展現了該技術在未來研究和應用中的巨大潛力。值得一提的是，該傳感器不僅制備工藝簡單，而且具備優異的靈活性，使其能夠進行精確的溫度測繪。展望未來，該傳感器將在電子皮膚等可穿戴設備領域展現出廣闊的應用前景。

論文信息：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-46836-1

審核編輯：劉清