清华任天令教授团队、北化俞度立/李宇涛教授团队 ACS Nano：具有负温度补偿功能的超高线性敏感温度传感器

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可穿戴设备在疾病诊断、医疗监测、生理传感等方面越来越重要。温度传感器是重要的可穿戴设备之一，具有灵活性和生物相容性的特点。还可以附着在人体皮肤表面，实现对人体生理信号的实时准确检测。人体的生理温度，如呼吸温度，具有温度变化小、频率高的特点，这对传感器的灵敏度和速度提出了很高的要求。在以往的报道中，也未曾有过从材料层面解决高灵敏度、快速响应的传感器非线性的问题。

图1 石墨烯-聚苯胺-聚二甲基硅氧烷柔性温度传感器的制备过程

近期，清华大学任天令教授团队和北京化工大学俞度立/李宇涛教授团队合作，由李宇涛教授带队制备出高灵敏度石墨烯-聚苯胺-聚二甲基硅氧烷复合材料。通过掺杂具有特殊负温度特性的聚苯胺(PANI)作为复合材料的温度补偿，最终创造性地从材料层面解决了传感器非线性问题。研究构建了“空间-间隙”的分布模型，并将这些空间特征引入到复合材料的数学公式，定量研究了“空间-间隙”对石墨烯-聚苯胺-聚二甲基硅氧烷纳米材料热敏特性的影响。所制备的传感器在25-40℃的温度感应范围内表现出高灵敏度(1.60%/°C)、线性度(R²=0.99)、 精确度(0.3°C) 和快速时间响应(0.7 s)。在此基础上，制造的温度传感器可以与读出电路和滤波电路相结合，并带有高精度的模拟数字转换器(ADC)，以实时监测皮肤温度、环境温度和呼吸频率等。这种高性能的温度传感器揭示了其在电子皮肤、疾病诊断、医疗监测等领域的巨大潜力。文章第一作者是博士研究生刘航和硕士研究生孙宽以及郭霄亮副教授。该研究得到国家自然科学基金委、北京化工大学人才引进项目的支持。

图2 具有“空间-间隙”结构的柔性温度传感器的理论仿真分析

图3 石墨烯-聚苯胺-聚二甲基硅氧烷柔性温度传感器的温度特性

该工作是团队近期关于高精度温度传感器的合成与制备相关研究的最新进展之一。复合材料温度传感器中非线性温度变化（如电导负温度，结构差异等）往往给定量研究带来极大困扰。为此团队建立了“空间-间隙”研究纳米材料温敏模型的方法，系统探索了石墨烯-聚苯胺-聚二甲基硅氧烷复合材料的纳米结构与温敏特性。近年来，清华大学任天令教授团队致力于石墨烯器件的基础研究和实用化应用的探索，尤其关注研究突破传统器件限制的新型微纳电子器件，在新型石墨烯传感器件方面已获得了多项创新成果，如柔性石墨烯温度传感器、柔性石墨烯发声器件、新型石墨烯阻变存储器、光谱可调的石墨烯发光器件、石墨烯仿生突触器件、可调石墨烯应力传感器、仿生石墨烯压力传感器等相关成果，先后在《自然》（Nature）、《自然·电子》（Nature Electronics）、《自然·通讯》（Nature Communications）等知名期刊以及国际电子器件会议（IEDM）等领域内顶级国际学术会议上发表多篇论文。

论文链接：

https://doi.org/10.1021/acsnano.2c10342

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