清华任天令/北化李宇涛《ACS Nano》：一种具有负温度补偿功能的超高线性敏感温度传感器！

近年来，可穿戴设备在疾病诊断、医疗监测、生理感应等领域得到了飞速发展。温度传感器是一类关键的可穿戴设备，它具有柔性和生物兼容性等特点，还可以附着在人体皮肤表面，实现对人体生理信号的实时准确检测。然而，人体生理温度具有温度变化轻微、频率高的特点，这对传感器的灵敏度和响应速度提出了很高的要求。为了准确判断人体的状态，迫切需要一种具有快速响应、高灵敏度和良好线性特性的高性能温度传感器。

清华大学任天令教授、北京化工大学李宇涛副教授等人通过掺入具有特殊负温度特性的聚苯胺（PANI）作为石墨烯-聚二甲基硅氧烷（PDMS）复合材料的温度补偿，创造性地从材料层面解决了传感器的非线性问题。该传感器在25-40℃的温度感应范围内表现出高灵敏度（1.60%/℃）、线性度（R2=0.99）、精确度（0.3℃）和时间响应（0.7秒）。在此基础上，该温度传感器可以与读出电路和滤波电路相结合，并带有高精度的模拟数字转换器（ADC），以实时监测皮肤温度、环境温度和呼吸频率等。这种高性能的温度传感器揭示了其在电子皮肤、疾病诊断、医疗监测和其他领域的巨大潜力。该研究以题为“An Ultrahigh Linear Sensitive Temperature Sensor Based on PANI:Graphene and PDMS Hybrid with Negative Temperature Compensation”的论文发表在《ACS Nano》上。

【传感器的制备与表征】

传感器由上层封装层、中层传感层和底层基础层所构成。封装层用的是PDMS，具有良好的柔性和耐热性。传感层是PANI:石墨烯和PDMS复合材料，其中聚苯胺良好的温度敏感性和石墨烯良好的导电性使这种复合材料具有高灵敏度和快速响应的特点。PANI：石墨烯和PDMS复合材料由以下步骤制成。首先，作者将PANI:石墨烯涂在铜基底上，然后将其加热固化，形成传感器的感温薄膜。最后，作者用PDMS将薄膜封装并加热固化。传感器的底层由铜指电极和银浆组成，作为导电层。通过增加电极和温度敏感材料之间的接触面积，底层中的铜指电极和传感器的灵敏度得到了改善。该传感器可以直接贴在皮肤上，作为一个可穿戴的温度传感器。

图1温度传感器的制备

【温度传感器的性能】

温度传感器的静态测试表明，该温度传感器在25至40℃的温度范围内表现出相对较高的灵敏度1.6%/℃和高线性度（R 2=0.99），可以实时跟踪温度变化。作者测量了其重复性、稳定性和耐久性，以评估传感器的性能。温度在30和35℃之间的可重复性测试结果表明，传感器的性能是稳定的。温度传感器的稳定性是通过在25、30、35和40℃下连续测量10分钟来测试的。结果表明，在相同的温度下几乎找不到任何差异（标准偏差s < 0.002），表明该温度传感器对温度变化具有稳定的感应能力。用于耐久性测试的温度传感器在间隔60天后进行测试。结果表明，其线性度略微下降了1.1%。因此，与其他温度传感器相比，该温度传感器具有高灵敏度和线性度以及优异的综合性能。

图2传感器的温度感应特性

【温度传感器的应用】

由于出色的灵敏度、可重复性和可靠性，该温度传感器适用于人体温度检测。为了检测快速的体温反应和轻微的温度变化，该传感器被固定在一个防毒面具的内侧。通过一个戴着防毒面具的成年男性在这样一个相对封闭的空间里呼吸，来测量温度传感器的温度响应时间。结果表明，该传感器可以在很短的时间内（0.7秒）成功检测到温度变化。此外，对非周期性温度变化信号的测量可以反映出传感器检测人体温度突变的性能。由人的手指触摸温度传感器的结果表明，传感器可以感知瞬间的温度变化，具有高灵敏度和快速响应的优点。为了实现远程医疗和大数据健康诊断，作者将温度传感器转换为电路，实现温度数据的存储和识别。温度传感器可以作为运动手环使用，实现实时温度检测和无线数据传输。通过收集运动员在跑步过程中的体温和健康监测，可以将健康数据上传到云端，通过人工智能诊断进行远程智能医疗。

图3通过温度传感器进行动态呼吸监测

图4温度传感器数据传输和智能医疗

总结：作者提出了一种简便的方法来制造用于人体温度检测的可穿戴温度传感器。通过掺入具有负温度系数的PANI作为温度补偿材料，作者从材料层面解决了温度电阻的非线性问题，简化了温度传感器中读出电路的复杂性，并通过动态和静态测试验证了该温度传感器的高灵敏度和快速响应。这种温度传感器的高灵敏度、便捷性和低成本特点使其具有广泛的适用性，在远程医疗诊断、电子皮肤和仿生传感器方面有很大的应用潜力。

原文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c10342

来源：高分子科学前沿

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