用于人机交互的超柔性硫系复合薄膜温度-应变传感器 - 硫系玻璃 | 宁波大学红外材料及器件实验室
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用于人机交互的超柔性硫系复合薄膜温度-应变传感器
作者: irglass 时间: 2024-04-28 浏览:452 次

       近日,宁波大学高等技术研究院红外材料及器件团队的康世亮副研究员、林常规研究员、戴世勋研究员和深圳大学郑壮豪研究员合作在国际顶级学术期刊Advanced Materials发表了题为“Ultraflexible Temperature-Strain Dual-Sensor Based on Chalcogenide Glass-Polymer Film for Human-Machine Interaction”(2024, 36,2313101. IF=29.4)的论文。该文章以宁波大学为第一完成单位,深圳大学为合作单位,宁波大学博士研究生傅燕青为第一作者。

       文章链接:https://doi.org/10.1002/adma.202313101

       具有温度和应变传感能力的电子皮肤可以检测和量化环境中的温度变化和机械形变,可用于可穿戴设备、机器人、人机界面和医疗保健的体感系统等领域,引起了人们的广泛关注。然而,目前的电子皮肤需要集成多个单一功能的传感器来实现多功能检测,这受到了制造工艺复杂和成本高昂的困扰。因此,在广泛应用之前,使用单一传感材料开发多功能电子皮肤仍然是瓶颈。基于塞贝克效应的薄膜式热电传感器可以有效地将温度梯度转换为电压,并具有灵活、小型化和便携性的独特优势。这些特点使它们有望成为多功能可穿戴电子设备。

       获得具有理想温度和应变传感性能的热电薄膜的关键是同时满足以下要求:(a)高塞贝克系数,以产生可检测的电压;(b)低导热系数,以保持稳定的温度梯度和恒定的电压;(c)良好的导电性,以促进有效的电流传输;(d)高柔韧性,以便与任意几何形状的人体组织充分接触。目前的柔性热电薄膜主要由导电聚合物、无机晶体半导体和碳材料组成,这些材料通常具有较高的导电性。然而,这些材料的高导热系数和低塞贝克系数严重限制了温度灵敏度和输出信号的稳定性,阻碍了它们在高性能可穿戴温度和应变传感器件中的进一步应用。半导体硫系玻璃,特别是碲基硫系玻璃,因其具有导热系数低、本征塞贝克系数高、电导率可调等优点而成为新兴的热电材料。然而,目前对硫系玻璃的研究受到其体积的限制,这使得它们笨重且不适合用于可穿戴设备。尽管纤维式硫系玻璃传感器最近取得了进展,但这些硫系玻璃的抗结晶能力较差,导致纤维拉伸过程中产生不可控的析晶,导致塞贝克系数降低。因此,具有优异温度和应变传感性能的柔性硫系薄膜尚未实现。

       基于此,本文提出了一种简单的卷对卷策略来制造具有优异温度和应变传感性能的超柔性硫系玻璃-聚四氟乙烯复合薄膜。该薄膜展现出高的塞贝克系数(731μV/K)、快的温度响应时间(~0.7s)、优异的柔韧性(拉伸度~50%)以及高的应变系数(836)。基于该高性能复合薄膜,制作了具有动作反馈和温度报警功能的智能机械手,显示了其在人机交互方面的巨大潜力。该热电薄膜制造策略不仅为可穿戴无机热电器件带来了新的灵感,也为多功能人机交互系统的广泛实施奠定了基础。

图1.(a)硫系复合薄膜制备示意图;(b-h)硫系复合薄膜的光学照片、显微结构及柔性特性

图2.(a)基于硫系复合薄膜的人机交互系统示意图;(b-d)机械手对手势运动及温度感知的识别及反馈能力