【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近年來，微型化、柔性化、智能化等多功能集成電子器件在人工智能、生物醫(yī)療、集成電路等領(lǐng)域取得了顯著的發(fā)展。其中，能夠同時(shí)感知觸覺和溫度的柔性應(yīng)力/應(yīng)變-溫度傳感器，因其在電子皮膚、柔性傳感器等發(fā)展中的關(guān)鍵作用而受到廣泛關(guān)注。傳統(tǒng)的應(yīng)力/應(yīng)變-溫度傳感器的設(shè)計(jì)策略主要是將兩種具有應(yīng)力/應(yīng)變和溫度傳感功能(熱電/熱釋電和壓電/壓阻效應(yīng)等)的材料集成構(gòu)建成疊層結(jié)構(gòu)的傳感器件。然而，此類器件通常以“一對(duì)一”模式運(yùn)行，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)采集復(fù)雜，且需要外部電源驅(qū)動(dòng)，其長(zhǎng)期穩(wěn)定監(jiān)測(cè)的可靠性不佳。此外，大多數(shù)關(guān)于應(yīng)變傳感的研究往往忽視了應(yīng)變率傳感(施加應(yīng)變的速率)的重要作用，這是動(dòng)態(tài)場(chǎng)景中的關(guān)鍵因素。即使在相同的應(yīng)變大小下，由于應(yīng)變和應(yīng)變率相互耦合，應(yīng)變率的變化也會(huì)顯著影響材料的應(yīng)變響應(yīng)特性。傳統(tǒng)傳感器無法通過單一材料和簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)對(duì)多參數(shù)變量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，既實(shí)現(xiàn)材料的多功能化傳感具有很大挑戰(zhàn)。
近期，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國(guó)家研究中心邰凱平研究員帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研制出一種基于碲納米線(Te-NWs)熱電-壓電耦合效應(yīng)的柔性、單通道、應(yīng)變/應(yīng)變率-溫度多模態(tài)傳感器。研究人員通過材料調(diào)控和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)克服了以往傳統(tǒng)熱電材料中熱電和壓電信號(hào)無法在同一方向獲得的難題，在傾斜生長(zhǎng)的特殊網(wǎng)狀Te-NWs結(jié)構(gòu)中，實(shí)現(xiàn)了壓電信號(hào)和熱電信號(hào)在面外方向的同時(shí)感知和輸出。傳感器具有優(yōu)異的性能，應(yīng)變傳感靈敏度為0.454 V、應(yīng)變率傳感靈敏度為0.0154 V s、溫度傳感靈敏度達(dá) 225.1 μV K-1，優(yōu)于已報(bào)道的同類多模態(tài)傳感器。同時(shí)，結(jié)合第一性原理計(jì)算，證明了Te原子電荷的變化引起的壓電效應(yīng)，以及外部電場(chǎng)(如熱電勢(shì)等)對(duì)于壓電信號(hào)的調(diào)制作用機(jī)制。該工作為基于多物理場(chǎng)耦合效應(yīng)構(gòu)建柔性、單通道、多模態(tài)傳感器提供了新思路，也為耦合“納米發(fā)電機(jī)”開辟了新的應(yīng)用方向。
相關(guān)研究結(jié)果以“Simultaneous strain, strain rate and temperature sensing based on a single active layer of Te nanowires”為題，于2025年11月28日發(fā)表在《Nature Communications》期刊上。金屬所博士研究生曾豪為論文第一作者，邰凱平研究員、于治副研究員為論文共同通訊作者，該工作也獲得了山東大學(xué)和季華實(shí)驗(yàn)室合作團(tuán)隊(duì)的大力支持。該研究成果得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、遼寧省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和沈陽材料科學(xué)國(guó)家研究中心專項(xiàng)基金的資助。
圖1. 柔性單通道應(yīng)變/應(yīng)變率-溫度多模態(tài)傳感器件設(shè)計(jì)和顯微結(jié)構(gòu)特征
圖2. 柔性單通道應(yīng)變/應(yīng)變率-溫度多模態(tài)傳感機(jī)制
圖3. 應(yīng)變/應(yīng)變率-溫度多模態(tài)傳感器件性能測(cè)試曲線
圖4. 柔性單通道應(yīng)變/應(yīng)變率-溫度多模態(tài)傳感器件應(yīng)用演示驗(yàn)證
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