哈佛大学锁志刚教授与科罗拉多大学Hayward教授 PNAS：基于离电子结的柔性温度传感器

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从工业生产到日常生活，温度传感器在各个领域都起到了非常重要的作用。温度传感技术至少可以追溯到伽利略时代，它依赖于一个普遍的原理：温度影响所有的物理性质，因而物性测量可以起到温度计的作用。选择何种物理属性是精度、速度、成本和便捷性之间折中的结果。然而传统电阻式温度传感器和热电偶以硬材料为主，这大大地限制了其在复杂工程结构、生物组织等重要场景的应用。近几十年来，软材料的快速发展推动了柔性电子领域的兴起，而柔性传感器则被视为下一代可穿戴设备、智能织物、软体机器人等发展的关键。

最近，哈佛大学锁志刚教授与科罗拉多大学Ryan C. Hayward教授合作开发了一种基于离电子结的新型柔性温度传感器。该传感器的传感单元由离子导体、电子导体和介电层组成（图1）。离子积聚在离子导体与介电层的界面处，而电子则积聚在介电层与电子导体的界面处。通常，积聚的离子数与电子数并不相等，因而在离子导体中会形成具有一定厚度（分子尺度）的离子云。当温度发生变化时，离子云的厚度发生变化，继而产生随温度变化的电压。该温度传感器具有灵敏度高（~1 mV/K）、响应时间短（~10 ms）、自供电等优良特性，同时还具有多种传感构型，能够满足不同的应用需求。由于离子导体、电子导体和介电层皆可为软材料，该温度传感器具有柔性、可拉伸、透明等特点，可被广泛应用于不规则物体表面温度的精准测量。

图1 工作原理

根据离子导体、电子导体和介电层的不同组合方式，温度传感器可设计成多种构型。当离子导体与电子导体不发生化学反应时，不需要引入介电层。首先，他们使用一种包含两个离电子结的传感构型，以含氯化钠水凝胶为离子导体，纳米银导电织物为传感端电子导体，金片为参考端电子导体，对温度传感的基本原理与特性进行了系统的研究（图2）。研究发现传感器灵敏度与离子浓度和传感端电子导体种类高度相关，其响应时间大约为10毫秒。

图2 基本特性

接下来，他们又为该温度传感器设计了三种构型，展示了传感器的可拉伸、透明、稳定以及灵敏度不随变形变化的重要特性（图3）。此外，为了展示该柔性温度传感器在可穿戴设备、软体机器人等领域的应用前景，他们将该传感器安装于自制软体机器手，在抓取物体的过程中实现了不规则表面温度的精准测量 （图4）。

图3 多种传感构型及相关特性

图4 可拉伸、透明温度传感器应用于不规则物体表面温度的精准测量

锁志刚教授团队与Ryan C. Hayward教授团队报道了一种新型基于离电子结的高灵敏、快响应柔性可拉伸温度传感器，深入系统地研究了其工作原理和基本特性，设计了四种传感构型，并展示了其广泛的应用前景。该研究为柔性传感器的设计提供了指导，也为下一代可穿戴设备、智能织物、软体机器人等的发展奠定了基础。 

这项研究工作以Temperature sensing using junctions between mobile ions and mobile electrons为题发表于Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America。论文第一作者为王叶成博士（哈佛大学博士、博士后），第二作者为贾坤副教授（西安交通大学），第三作者为张舒文助理教授（西安交通大学）。其他合作者包括Hyeong Jun Kim助理教授（韩国Sogang University）和白阳（西安交通大学研究生）。美国科学院院士、美国工程院院士、哈佛大学锁志刚教授和科罗拉多大学Ryan C. Hayward教授为论文通讯作者。

论文链接：

https://doi.org/10.1073/pnas.2117962119

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