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  從工業(yè)生產(chǎn)到日常生活，溫度傳感器在各個(gè)領(lǐng)域都起到了非常重要的作用。溫度傳感技術(shù)至少可以追溯到伽利略時(shí)代，它依賴于一個(gè)普遍的原理：溫度影響所有的物理性質(zhì)，因而物性測(cè)量可以起到溫度計(jì)的作用。選擇何種物理屬性是精度、速度、成本和便捷性之間折中的結(jié)果。然而傳統(tǒng)電阻式溫度傳感器和熱電偶以硬材料為主，這大大地限制了其在復(fù)雜工程結(jié)構(gòu)、生物組織等重要場(chǎng)景的應(yīng)用。近幾十年來，軟材料的快速發(fā)展推動(dòng)了柔性電子領(lǐng)域的興起，而柔性傳感器則被視為下一代可穿戴設(shè)備、智能織物、軟體機(jī)器人等發(fā)展的關(guān)鍵。

  最近，哈佛大學(xué)鎖志剛教授與科羅拉多大學(xué)Ryan C. Hayward教授合作開發(fā)了一種基于離電子結(jié)的新型柔性溫度傳感器。該傳感器的傳感單元由離子導(dǎo)體、電子導(dǎo)體和介電層組成（圖1）。離子積聚在離子導(dǎo)體與介電層的界面處，而電子則積聚在介電層與電子導(dǎo)體的界面處。通常，積聚的離子數(shù)與電子數(shù)并不相等，因而在離子導(dǎo)體中會(huì)形成具有一定厚度（分子尺度）的離子云。當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，離子云的厚度發(fā)生變化，繼而產(chǎn)生隨溫度變化的電壓。該溫度傳感器具有靈敏度高（~1 mV/K）、響應(yīng)時(shí)間短（~10 ms）、自供電等優(yōu)良特性，同時(shí)還具有多種傳感構(gòu)型，能夠滿足不同的應(yīng)用需求。由于離子導(dǎo)體、電子導(dǎo)體和介電層皆可為軟材料，該溫度傳感器具有柔性、可拉伸、透明等特點(diǎn)，可被廣泛應(yīng)用于不規(guī)則物體表面溫度的精準(zhǔn)測(cè)量。

圖1 工作原理

  根據(jù)離子導(dǎo)體、電子導(dǎo)體和介電層的不同組合方式，溫度傳感器可設(shè)計(jì)成多種構(gòu)型。當(dāng)離子導(dǎo)體與電子導(dǎo)體不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)，不需要引入介電層。首先，他們使用一種包含兩個(gè)離電子結(jié)的傳感構(gòu)型，以含氯化鈉水凝膠為離子導(dǎo)體，納米銀導(dǎo)電織物為傳感端電子導(dǎo)體，金片為參考端電子導(dǎo)體，對(duì)溫度傳感的基本原理與特性進(jìn)行了系統(tǒng)的研究（圖2）。研究發(fā)現(xiàn)傳感器靈敏度與離子濃度和傳感端電子導(dǎo)體種類高度相關(guān)，其響應(yīng)時(shí)間大約為10毫秒。

圖2 基本特性

  接下來，他們又為該溫度傳感器設(shè)計(jì)了三種構(gòu)型，展示了傳感器的可拉伸、透明、穩(wěn)定以及靈敏度不隨變形變化的重要特性（圖3）。此外，為了展示該柔性溫度傳感器在可穿戴設(shè)備、軟體機(jī)器人等領(lǐng)域的應(yīng)用前景，他們將該傳感器安裝于自制軟體機(jī)器手，在抓取物體的過程中實(shí)現(xiàn)了不規(guī)則表面溫度的精準(zhǔn)測(cè)量 （圖4）。

圖3 多種傳感構(gòu)型及相關(guān)特性

圖4 可拉伸、透明溫度傳感器應(yīng)用于不規(guī)則物體表面溫度的精準(zhǔn)測(cè)量

  鎖志剛教授團(tuán)隊(duì)與Ryan C. Hayward教授團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種新型基于離電子結(jié)的高靈敏、快響應(yīng)柔性可拉伸溫度傳感器，深入系統(tǒng)地研究了其工作原理和基本特性，設(shè)計(jì)了四種傳感構(gòu)型，并展示了其廣泛的應(yīng)用前景。該研究為柔性傳感器的設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)，也為下一代可穿戴設(shè)備、智能織物、軟體機(jī)器人等的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。 

  這項(xiàng)研究工作以Temperature sensing using junctions between mobile ions and mobile electrons為題發(fā)表于Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America。論文第一作者為王葉成博士（哈佛大學(xué)博士、博士后），第二作者為賈坤副教授（西安交通大學(xué)），第三作者為張舒文助理教授（西安交通大學(xué)）。其他合作者包括Hyeong Jun Kim助理教授（韓國(guó)Sogang University）和白陽（西安交通大學(xué)研究生）。美國(guó)科學(xué)院院士、美國(guó)工程院院士、哈佛大學(xué)鎖志剛教授和科羅拉多大學(xué)Ryan C. Hayward教授為論文通訊作者。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1073/pnas.2117962119