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柔性傳感器能夠感知人體和環(huán)境的物理、化學(xué)和生物信息，在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界引起了廣泛的關(guān)注。其中，柔性溫度傳感器尤為重要，因?yàn)樗鼈兡軌驈?fù)制來(lái)自多種來(lái)源的熱感，包括人體、環(huán)境和電子設(shè)備，這對(duì)于活動(dòng)監(jiān)測(cè)、環(huán)境感知和事故預(yù)警等應(yīng)用具有極大的潛力，并可有效用于電子皮膚，人機(jī)交互，以及災(zāi)害預(yù)防系統(tǒng)。然而，由于構(gòu)建具有高靈敏度的本征柔性監(jiān)測(cè)器件的過(guò)程較為復(fù)雜，柔性溫度傳感器的工作范圍和靈敏度仍有待進(jìn)一步提升。作為過(guò)渡金屬氧化物的一員，NiO因其高的電阻溫度系數(shù)（TCR）和的溫度檢測(cè)性能而被認(rèn)為是理想的熱敏半導(dǎo)體。因此，設(shè)計(jì)制備高靈敏NiO基柔性材料和器件對(duì)于開(kāi)發(fā)具有高變形能力和傳感性能的柔性溫度傳感器至關(guān)重要。
鑒于此，河南大學(xué)柔性電子學(xué)院和河南省柔性電子產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院黃維院士、張洪健副教授和中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)朱紀(jì)欣教授利用一種簡(jiǎn)便的原位合成/分解方法，制備出了作為溫度感應(yīng)組件的柔性纖維狀NiO/碳納米管纖維（CNTF）復(fù)合材料，并使用有限元分析系統(tǒng)地研究了NiO/CNTF柔性溫度傳感器在各種應(yīng)用條件下的機(jī)械和熱傳輸行為。此外，該工作還系統(tǒng)地研究了與人體相關(guān)熱信號(hào)的接觸和非接觸溫度傳感應(yīng)用。最后，基于傳感器構(gòu)建了溫度監(jiān)控和預(yù)警系統(tǒng)，并應(yīng)用于儲(chǔ)能電池和智能手機(jī)的溫度監(jiān)測(cè)，以防止由電池?zé)崾Э鼗螂娮釉O(shè)備的異常充放電過(guò)程引起的火災(zāi)事故發(fā)生。
采用原位合成/分解法，在CNTF表面均勻負(fù)載NiO納米片陣列，得到柔性NiO/CNTF纖維狀復(fù)合材料。以NiO/CNTF為溫度傳感單元，PET為柔性基材，Ag為電極，PDMS為封裝材料，成功制備了NiO/CNTF柔性溫度傳感器。
該研究工作中制備的柔性溫度傳感器具有可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、尺寸多樣化的特點(diǎn)，能夠靈活應(yīng)用于多種便攜性穿戴和植入場(chǎng)景，并且展現(xiàn)出靈敏度高和工作溫域?qū)挼奶匦浴Ｍㄟ^(guò)擬合相對(duì)于室溫的歸一化電阻，計(jì)算出柔性溫度傳感器在?15–25 °C和在25–60 °C溫度范圍內(nèi)的TCR分別為?9.1% °C?1和?2.1% °C?1，其中TCR可以達(dá)到?20.2% °C?1，在?15–60 °C的溫度范圍內(nèi)柔性溫度傳感器的熱敏電阻常數(shù)B值為 3332 K。此外，傳感器對(duì)高溫和低溫分別具有良好的開(kāi)關(guān)響應(yīng)特性。
為了評(píng)估NiO/CNTF柔性溫度傳感器的機(jī)械和熱行為，采用有限元分析模擬對(duì)多物理場(chǎng)耦合下傳感器的結(jié)構(gòu)力學(xué)和熱傳導(dǎo)進(jìn)行了模擬。研究表明，該研究工作中制備的傳感器，溫度傳感元件位于電極區(qū)域，能夠有效避免形變過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力集中效應(yīng)，有利于提高傳感器的穩(wěn)定性和耐用性。此外，對(duì)不同熱源類(lèi)型和不同傳輸途徑下系統(tǒng)的熱傳輸行為做了模擬和研究，并對(duì)比了固體-固體和環(huán)境-固體兩種模式處于高溫和低溫環(huán)境的熱傳導(dǎo)速率。此外，由于PDMS具有成分可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)，高導(dǎo)熱添加劑可以與PDMS前驅(qū)體混合，增強(qiáng)封裝材料的導(dǎo)熱性能，提升溫度傳感響應(yīng)速度。
NiO/CNTF柔性溫度傳感器表現(xiàn)出優(yōu)異的靈敏度、靈活性和可調(diào)尺寸，在具有溫度傳感功能的電子皮膚或人機(jī)交互設(shè)備中具有巨大的應(yīng)用潛力。NiO/CNTF柔性溫度傳感器能夠應(yīng)用于測(cè)量接觸式人體熱信號(hào)，如手指觸摸產(chǎn)生的溫度變化；還可以應(yīng)用于呼吸等人體熱信號(hào)的非接觸檢測(cè)，滿足不同生理狀態(tài)呼吸行為監(jiān)測(cè)等多種應(yīng)用場(chǎng)景需求，并驗(yàn)證了其比商用NTC熱敏電阻具有更優(yōu)異的信號(hào)強(qiáng)度和響應(yīng)速度。
基于NiO/CNTF柔性溫度傳感器，研究者還開(kāi)發(fā)了具有高低溫報(bào)警功能的溫度監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。在溫度監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)中，可以通過(guò)預(yù)先設(shè)定的高溫和低溫閾值，對(duì)監(jiān)測(cè)的正常、過(guò)冷和過(guò)熱溫度進(jìn)行警報(bào)指示。以鋰離子電池為例，NiO/CNTF柔性溫度傳感器可以貼附在電池表面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池溫度。當(dāng)電池發(fā)生熱失控時(shí)，溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以及時(shí)檢驗(yàn)到電池過(guò)熱現(xiàn)象并報(bào)警。此外，傳感器還可以貼附在智能手機(jī)表面，對(duì)手機(jī)充電時(shí)的溫度變化進(jìn)行同步監(jiān)測(cè)，防止充放電過(guò)程溫度異常引起的電子設(shè)備損壞和火災(zāi)等風(fēng)險(xiǎn)。
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