首尔大学研发超高灵敏度柔性温度传感器，响应时间50毫秒

近年来，软体机器人技术的逐渐发展引起了科学家们对具有传感功能人造皮肤的极大兴趣，由于温度传感是主要的触摸传感机制之一，可提供有关被接触物体的关键信息，因此灵敏的柔性温度传感器系统被认为是人造皮肤必不可少的元素。迄今为止，大多柔性温度传感器研究都集中在基于集成电路（IC）的温度传感器和负温度系数（NTC）热敏电阻上。虽然它们具有很高的温度敏感性和灵活性，但是复杂的制作工艺以及高昂的制造成本极大地阻碍了它们在柔性温度传感器方面的实际应用。

    什么是激光直写技术？  

激光直写（LDW）技术是利用强度可变的激光束对基片表面的抗蚀材料实施变剂量曝光，显影后便在抗蚀层表面形成要求的浮雕轮廓。由于其图案可选和工艺简单，可以在各种类型的基板上直接形成各种金属和无机结构，逐渐成为柔性电子产品领域最具潜力的技术。随着人们对高度灵敏温度传感器系统的需求不断增长，单片激光烧结（m-LRS）工艺逐渐发展起来，该工艺能够制造出完全柔性的NiO温度传感器系统。

    亮点  

近期，首尔大学的研究人员在m-LRS技术的基础上，开发了一种简单而新颖的激光工艺，能够将Ni金属电极和NiO传感器通道进行单片集成，得到一种非常具有前景的非陶瓷NTC热敏电阻材料，合成的NiO温度传感器达到了极佳的温度灵敏度，是现有基于温度计的温度传感器所达不到的性能，能够直接适用于人造皮肤温度传感系统，而且能够实时连续捕获呼吸等特性变化的情况。

研究人员所采用的工艺流程如图1所示。首先将NiO NP涂覆在基材上，通过计算机控制对NiO层进行选择性激光照射，形成具有数十微米宽的NiO通道的Ni-NiO-Ni结构。该技术不仅可以进行无对准处理，还可以在金属电极（Ni）和过渡金属氧化物（NiO）通道之间形成高质量的整体式接触，从而得到由一种材料（即NiO NPs）构成的由Ni电极和NiO感应通道组成的完整传感器系统。

图1. m-LRS过程的示意图

    温度传感器的手部模拟  

研究人员开发了两种类型的m-LRS NiO温度传感器系统，以验证其在人造皮肤应用中的潜力。图2a显示了一个温度传感手模型，由于基底薄且刚性低，因此每个温度传感器都可以保形地附着在手模型的人造皮肤上。研究人员将图2b所示的三个手指放在嵌入PDMS基板的流体通道上，不仅得出了有关注入水温度的清晰信息，而且还得出了液流的方向和流速，计算出的流速与实际注射速度相同。

随后，研究人员在PET基板上制造了由25个子传感器和电极组成的集成温度传感器阵列系统（图2e）。传感器阵列模拟人体皮肤上的热感受器网络，这是温度传感人造皮肤必不可少的传感元件，通过红外激光束将字母图案照射到传感器阵列背面，从图2f、g的温度图与红外图像之间的一致性可以看出，该温度传感器阵列具有出色的空间分辨率。

图2. 温度传感器的手部模拟测试

    温度传感器的实际应用测试  

与手部模型相似，该温度传感器同样能够无缝连接到人体面部表面。如图3所示，这种无缝且保形的特点对于长期的表皮温度检测而言是有利的，其卓越的温度传感能力可成功捕获由吸气和呼气引起的微小温度变化，如图3b所示，安装在鼻腔前的温度传感器能够稳定的显示呼吸状态。

此外，研究人员还成功地检测到了呼吸状态随体育运动而发生的实时变化，如图3d所示，进行锻炼和限制氧气吸入5分钟后，记录到呼吸率(RR)增加以及温度变化幅度降低，清楚地显示了从正常呼吸到换气过度的状态变化，与这种呼吸转变类似的通常是伴随各种危及生命的病理性动态失调状况，如酸中毒、碱中毒和败血症等，这表明m-LRS NiO温度传感器具有作为无创生理监测系统的巨大潜力，这对重症患者的实时检测非常具有价值。

图3. 温度传感器在呼吸传感中的应用

本篇文章中，研究人员提出的整体式LRS工艺成功开发出具有出色灵敏度的柔性NiO温度传感器。该温度传感器系统在连续监测生理温度方面具有巨大的潜力，甚至可以直接适用于软体机器人或假肢设备，我们相信这项技术不仅将极大的促进温度传感器在人造皮肤和通过表皮传感器进行生理温度监测中的实际应用，而且未来有望推动机器人技术和医疗保健等相关领域发展！

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201905527