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柔性傳感器能夠感知人體和環(huán)境的物理、化學和生物信息，在學術界和工業(yè)界引起了廣泛的關注。其中，柔性溫度傳感器尤為重要，因為它們能夠復制來自多種來源的熱感，包括人體、環(huán)境和電子設備，這對于活動監(jiān)測、環(huán)境感知和事故預警等應用具有極大的潛力，并可有效用于電子皮膚，人機交互，以及災害預防系統(tǒng)。然而，由于構建具有高靈敏度的本征柔性監(jiān)測器件的過程較為復雜，柔性溫度傳感器的工作范圍和靈敏度仍有待進一步提升。作為過渡金屬氧化物的一員，NiO因其高的電阻溫度系數(shù)（TCR）和的溫度檢測性能而被認為是理想的熱敏半導體。因此，設計制備高靈敏NiO基柔性材料和器件對于開發(fā)具有高變形能力和傳感性能的柔性溫度傳感器至關重要。
鑒于此，河南大學柔性電子學院和河南省柔性電子產(chǎn)業(yè)技術研究院黃維院士、張洪健副教授和中國科學技術大學朱紀欣教授利用一種簡便的原位合成/分解方法，制備出了作為溫度感應組件的柔性纖維狀NiO/碳納米管纖維（CNTF）復合材料，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用條件下的機械和熱傳輸行為。此外，該工作還系統(tǒng)地研究了與人體相關熱信號的接觸和非接觸溫度傳感應用。最后，基于傳感器構建了溫度監(jiān)控和預警系統(tǒng)，并應用于儲能電池和智能手機的溫度監(jiān)測，以防止由電池熱失控或電子設備的異常充放電過程引起的火災事故發(fā)生。
采用原位合成/分解法，在CNTF表面均勻負載NiO納米片陣列，得到柔性NiO/CNTF纖維狀復合材料。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計性強、尺寸多樣化的特點，能夠靈活應用于多種便攜性穿戴和植入場景，并且展現(xiàn)出靈敏度高和工作溫域寬的特性。通過擬合相對于室溫的歸一化電阻，計算出柔性溫度傳感器在?15–25 °C和在25–60 °C溫度范圍內的TCR分別為?9.1% °C?1和?2.1% °C?1，其中TCR可以達到?20.2% °C?1，在?15–60 °C的溫度范圍內柔性溫度傳感器的熱敏電阻常數(shù)B值為 3332 K。此外，傳感器對高溫和低溫分別具有良好的開關響應特性。
為了評估NiO/CNTF柔性溫度傳感器的機械和熱行為，采用有限元分析模擬對多物理場耦合下傳感器的結構力學和熱傳導進行了模擬。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程中產(chǎn)生的應力集中效應，有利于提高傳感器的穩(wěn)定性和耐用性。此外，對不同熱源類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)境的熱傳導速率。此外，由于PDMS具有成分可調的優(yōu)點，高導熱添加劑可以與PDMS前驅體混合，增強封裝材料的導熱性能，提升溫度傳感響應速度。
NiO/CNTF柔性溫度傳感器表現(xiàn)出優(yōu)異的靈敏度、靈活性和可調尺寸，在具有溫度傳感功能的電子皮膚或人機交互設備中具有巨大的應用潛力。NiO/CNTF柔性溫度傳感器能夠應用于測量接觸式人體熱信號，如手指觸摸產(chǎn)生的溫度變化；還可以應用于呼吸等人體熱信號的非接觸檢測，滿足不同生理狀態(tài)呼吸行為監(jiān)測等多種應用場景需求，并驗證了其比商用NTC熱敏電阻具有更優(yōu)異的信號強度和響應速度。
基于NiO/CNTF柔性溫度傳感器，研究者還開發(fā)了具有高低溫報警功能的溫度監(jiān)測預警系統(tǒng)。在溫度監(jiān)測預警系統(tǒng)中，可以通過預先設定的高溫和低溫閾值，對監(jiān)測的正常、過冷和過熱溫度進行警報指示。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時監(jiān)測電池溫度。當電池發(fā)生熱失控時，溫度監(jiān)測系統(tǒng)可以及時檢驗到電池過熱現(xiàn)象并報警。此外，傳感器還可以貼附在智能手機表面，對手機充電時的溫度變化進行同步監(jiān)測，防止充放電過程溫度異常引起的電子設備損壞和火災等風險。
來源：傳感器專家網(wǎng)
