【最新成果】西安交通大学蒋庄德院士团队--基于柔性电极和基板的薄膜温度传感器
好文速递 温度是许多领域中最重要的物理参数之一，准确的温度测量可以有效地解决众多关键问题并提供关键信息。西安交通大学蒋庄德院士团队通过微加工工艺设计和制造了一种具有更好延展性的柔性微型三维传感器，由铂和氧化铟组合形成热电偶以实现原位实时温度测量，通过优化工艺参数、结构设计和制备方法，大大提高了传感器的稳定性和可靠性。该成果以“A thin-film temperature sensor based on a flexible electrode and substrate”为题发表在《Microsystems & Nanoengineering》上。 Volume 7, Article number: 42 (2021)? https://doi.org/10.1038/s41378-021-00271-0 01 研究背景 实现对温度的精确测量可以有效地解决许多关键问题并提供关键信息。根据2020年新冠肺炎疫情防控期间的决策，通过测温枪和热成像仪能够在各大公共场所准确、方便地检测人体体温，对新冠疫情的传播防护与实时监控起到了至关重要的作用。接触式测量传感器也是实现人体体温实时监测的可行方法之一。近年来，柔性衬底上的传感器因其优良的抗弯性能、耐久性和广泛的应用前景而受到越来越多的研究。热电偶是一种用于测量温度的无源温度传感器。与传统的热电偶相比，薄膜热电偶式温度传感器具有典型的二维特性，具有热容量小、响应速度快等优点。此外，基于柔性衬底制备的薄膜热电偶可以满足非平面物体特别是复杂的高曲率几何形状表面温度的实时监测的应用需求。 到目前为止，在柔性温度传感器的设计和制备中出现了许多创新的结构、新材料和不同的制备工艺技术。相关研究人员甚至将柔性温度传感器与其他传感器集成或组装起来，形成电子皮肤。例如在2018年，Qilin Hua等人受人体皮肤启发，提出一种高度可拉伸和适应性的矩阵网络，成功扩展了电子皮肤的传感功能。在温度检测模块中，选用铂作为敏感材料，设计可伸缩结构以减少其在实际应用中由变形带来的误差。2020年，刘等人利用热电原理制备了一种超高灵敏度的柔性温度传感器。在两指机械手的实际测试应用中发现，柔性温度传感器虽然可以实现对被测对象的温度感知，但由接触变形引起的测量误差仍不可忽视。总而言之，柔性温度传感器件在抗疲劳、抗变形等方面研究仍较少，且大多数仅是将传感器的二维结构完成柔性化设计，缺少对结构的进一步优化设计以及缺少对敏感层的柔性化制备方法的系统探究。 柔性温度传感器在受力变形或是贴附于不同曲率曲面时候，其温度检测能力受到了极大的影响，直接影响到对待测物理量感知的准确性。针对该问题，对保留传统薄膜温度传感器的响应快的特点，首先在结构上对温度传感器的敏感层材料以及柔性基底表面进行结构化处理，创新性地完成微型三维柔性薄膜温度传感器结构。其次，在制备工艺上，基于正交试验实现了最佳柔性化制备参数的选择。另外，创新性地提出将传感器基底进行预弯曲的制备工艺方法，进一步完善柔性化制备工艺。设计制备的柔性温度传感器具有良好的稳定性和可靠性，预计将极大地促进各种新兴研究领域的关键部件的发展，包括生物机器人和医疗系统。结合传感器的超薄超轻超柔的特点，进一步提出并设计了智能口罩模型来实现佩戴者呼吸信息的采集，避免因患者缺乏及时发现和治疗而导致的突发疾病死亡。 02 本文亮点 1. 通过对传感器电极以及基底表面的图形化设计与制备，创新性地完成了一种微型三维结构的温度传感器。 2. 基于正交试验法以及基底预弯曲的制备工艺方法，进步优化传感器在工作情况下的抗疲劳、抗拉伸变形的能力。 3. 制备的传感器能够实现对人体呼吸状态的检测，期待其能够与口罩结合，为我们的日常医疗、疫情防护做出贡献。 03 图文导读 图1. a为设计并制备的检测温度的柔性微型三维温度传感器；b 基底的微观结构；c基底微观结构截面示意图；d 光刻掩模板以及 e 聚酰亚胺基底的光学显微镜观察 为了提高柔性薄膜热电偶的抗变形、抗疲劳能力，减小由于变形引起的内应力，将用于测温的薄膜热电偶的两个热电极图形分别设计成弯曲形状。热电极重叠部分为测温的热敏位置，为直径为2mm的圆。热电极的宽度为1mm。两个矩形作为传感器的末端，连接导线，收集热电动势。为了进一步提高传感器的抗变形能力，结合等离子体干法刻蚀 (ICP)技术，基于共聚焦激光扫描显微镜可以观察到，设计并制备了具有周期性波微结构的聚酰亚胺基底。 图2. 柔性微型三维温度传感器的测试系统和测试结果 a 传感器的预制样品， b 传感器的测试系统， c传感器受力工作示意图，传感器d 超薄，e 超轻，f 超柔性的特性体现， g 柔性温度传感器贴附于不同曲率曲面的工作特性， h 柔性温度传感器在受到不同拉力下的服役特性（其中利用标准砝码重力作用对传感器施加的拉力）。 图3. 传感器在一些实际应用中的展示 a 传感器贴附于被操控的两指机械手上来获取物体的温度信息。将传感器置于工业双指抓手中，实现对被测物体温度的精确检测。b 获取环境的信息。将传感器作为仿生皮肤贴附于智能机械手的手尖，通过触碰获取加热台的温度信息。c传感器于不同溶液中的特性测试。将贴附传感器的机械手指分别置于水、去离子水、10wt.%的氢氧化钠和10wt.%的H3PO4中加热平台。d 连续实时呼吸监测(平稳呼吸和跑步后呼吸)。将制备的温度传感器放在人体嘴前，通过对嘴部呼出和吸入气体产生的温度变化(环境温度约为25°C)实现对呼吸状态的实时监测。预期将制备的传感器用于两种不同类型的口罩: e-g 非呼吸阀式口罩。基于该传感器的超轻、超薄、超柔性特性，将呼吸监测单元置于口罩中间，实现对呼吸状态的实时监测。在无线传输模块的基础上，将采集到的信息进行实时传输，完成实时对人群的健康数据采集。h-j 带呼吸阀式口罩。将传感器与过滤芯片巧妙结合，在实现呼吸监测的基础上，去除传感器自身基底材料，防止对口罩过滤性能的影响。? 04 作者简介 刘兆钧 第一作者 田边 通讯作者 蒋庄德 关键作者 蒋庄德，机械制造及自动化专家，1977年毕业于西安交通大学机械制造专业，1989年获西安交通大学机械制造专业工学硕士学位，2011年获英国伯明翰大学机械工程专业工学博士学位（Ph.D），西安交通大学教授，教育部科学技术委员会副主任，国务院学位委员会学科评议组成员，中国机械工程学会副理事长，中国微米纳米技术学会副理事长，十一、十二届全国人大常委。 长期从事微纳制造与先进传感技术、精密超精密加工与测试技术及装备等方面的研究，在高端MEMS传感技术及系列器件、数字化精密测量与超精密加工技术与装备的工程科技领域取得了突出成就，在微纳米技术相关基础理论和生物检测技术及仪器等方面开展了创新性研究。获国家技术发明二等奖2项、国家科技进步二等奖1项，其他省部级奖励9项，并获首届全国创新争先奖、何梁何利科学与技术进步奖等；发表文章500余篇，授权发明专利120余项。 2013年当选为中国工程院院士。 05 实验室简介 机械制造系统工程国家重点实验室（西安交通大学）于1989年立项，1995年10月通过验收并对外开放运行。实验室依托由西安交通大学机械制造及自动化、系统工程和管理工程三个国家重点学科共同建设运行。实验室有约3万平方米的集中实验室区域，有70多台大型仪器设备，建立了网上预约的开放服务体系，为社会提供仪器设备的开放服务。实验室支撑高端制造装备协同创新中心和快速制造国家工程研究中心发展，参加国家自然科学基金委员会“纳米制造”重大计划联合实验室工作。建立了军工质量保证体系军工保密体系。通过“111引智计划”开展“微纳制造与纳米测试”国际合作，加强了国际合作交流，提升了实验室的科技创新能力和服务支撑能力。 实验室研究领域与研究成果 研究领域 柔性传感器，超高温温度传感 重大研究成果 1.高动态MEMS压阻式特种传感器及系列产品，2017国家技术发明奖二等奖 2.耐高温压力传感器设计、制造关键技术及系列产品开发，2007国家技术发明奖二等奖 3.危化品安全储运状态监测MEMS传感器及系统，2012年陕西省科学技术奖一等奖 往期 ·?推荐 ●?电穿孔（ELECTROPORATION）文章精选 |MINE编辑荐读 ●??微/纳米流体（Micro/Nano Fluidics）系列文章精选(二) |MINE编辑荐读 ●?【最新成果】香港中文大学何亦平教授团队--基于双乳化液滴辅助微孔细胞培养用于产生细胞团并对其原位分析的最新进展 ●?纳米材料（Nanomaterials）文章精选（二） |MINE编辑荐读 ●? ?MINE一周上线分享【2021-6-4】 ●?【最新成果】中科院上海微系统所李铁研究员团队--采用三维粗糙介质薄膜同时调控红外吸收和热传导实现红外热电堆器件性能的显著提升 编辑：诸葛飞飞，阮望 校对：微微 审核：纳纳 欢迎课题组投宣传稿 请加小编微信并备注：微纳刊成果宣传投稿，可以实时交流 声明 欢迎转发本号原创内容，转载和摘编需经本号授权并标注原作者和信息来源为《Microsystems & Nanoengineering》。本号发布信息旨在传播交流，其内容由作者负责，不代表本号观点。如涉及文字、图片、版权等问题，请在20日内与本号联系，我们将第一时间处理。《Microsystems & Nanoengineering》拥有最终解释权。
