柔性溫度-壓力雙參數(shù)傳感器廣泛應(yīng)用于人體健康監(jiān)測(cè)和智能機(jī)器人傳感等領(lǐng)域，因而受到了廣泛關(guān)注。然而，目前柔性溫度-壓力傳感器基本都采用兩種獨(dú)立的傳感材料實(shí)現(xiàn)雙參數(shù)傳感功能，這不僅提高了傳感器的設(shè)計(jì)-集成難度，也增加了制造成本。因此，研發(fā)具有多功能一體化的先進(jìn)傳感材料成為本領(lǐng)域的研究重點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題。碲化鉍是一種能將熱能直接轉(zhuǎn)換為電能的半導(dǎo)體材料，其產(chǎn)生的電壓與施加在材料兩端的溫差成正比關(guān)系，可用于溫度傳感；同時(shí)，該類(lèi)材料在受到應(yīng)力作用時(shí)，帶隙會(huì)發(fā)生明顯改變，表現(xiàn)出壓阻效應(yīng)，從而還可以實(shí)現(xiàn)壓力傳感。但碲化鉍半導(dǎo)體具有本征的剛性和脆性，力學(xué)和加工性能較差，難以彎曲變形、精密加工和高密度集成器件。
近期，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家研究中心熱電材料與器件課題組研制出一種高性能碲化鉍基合金/聚酰亞胺(Bi2Te3/PI)柔性復(fù)合材料，其室溫塞貝克系數(shù)達(dá)到-179 V K-1，壓阻應(yīng)變因子GF達(dá)到-9.2；并基于該材料設(shè)計(jì)制備出了一種3D螺旋結(jié)構(gòu)單通道雙參數(shù)溫度-壓力傳感器。該傳感器利用特殊構(gòu)造的3D螺旋結(jié)構(gòu)首次實(shí)現(xiàn)了器件面外方向的溫度傳感；同時(shí)，利用碲化鉍基合金材料的優(yōu)異壓阻效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了高分辨率的壓力傳感功能。所制備的傳感器溫度傳感靈敏度達(dá)到123.2 V K-1 leg-1，0-10 kPa下壓力傳感靈敏度達(dá)到120 Pa-1，其表現(xiàn)出良好的溫度-壓力傳感性能，優(yōu)于目前已有文獻(xiàn)報(bào)道的同類(lèi)型傳感器。該工作為利用碲化鉍基熱電合金實(shí)現(xiàn)材料多功能設(shè)計(jì)和集成開(kāi)辟新的研究思路和應(yīng)用前景。
相關(guān)結(jié)果以“Flexible temperature-pressure dual sensor based on 3D spiral thermoelectric Bi2Te3 films”為題，于3月21日發(fā)表在Nature Communications期刊上。博士研究生喻海龍為論文第一作者，于治副研究員和邰凱平研究員為共同通訊作者。該研究工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家高層次人才特殊支持計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、遼寧省杰出青年基金和沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家研究中心專(zhuān)項(xiàng)基金的資助。
圖1. 設(shè)計(jì)制備的Bi2Te3/PI薄膜熱電、壓阻及柔性性能測(cè)試結(jié)果
圖2. 柔性3D螺旋結(jié)構(gòu)溫度-壓力傳感器示意圖及制備流程圖
圖3. 傳感器溫度-壓力傳感性能及柔性性能測(cè)試
圖4. 雙參數(shù)傳感器的使役性能測(cè)試
