柔性溫度-壓力雙參數傳感器廣泛應用于人體健康監測和智能機器人傳感等領(lǐng)域，因而受到了廣泛關(guān)注。然而，目前柔性溫度-壓力傳感器基本都采用兩種獨立的傳感材料實(shí)現雙參數傳感功能，這不僅提高了傳感器的設計-集成難度，也增加了制造成本。因此，研發(fā)具有多功能一體化的先進(jìn)傳感材料成為本領(lǐng)域的研究重點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題。碲化鉍是一種能將熱能直接轉換為電能的半導體材料，其產(chǎn)生的電壓與施加在材料兩端的溫差成正比關(guān)系，可用于溫度傳感；同時(shí)，該類(lèi)材料在受到應力作用時(shí)，帶隙會(huì )發(fā)生明顯改變，表現出壓阻效應，從而還可以實(shí)現壓力傳感。但碲化鉍半導體具有本征的剛性和脆性，力學(xué)和加工性能較差，難以彎曲變形、精密加工和高密度集成器件。
近期，中國科學(xué)院金屬研究所沈陽(yáng)材料科學(xué)國家研究中心熱電材料與器件課題組研制出一種高性能碲化鉍基合金/聚酰亞胺(Bi2Te3/PI)柔性復合材料，其室溫塞貝克系數達到-179 μV K-1，壓阻應變因子GF達到-9.2；并基于該材料設計制備出了一種3D螺旋結構單通道雙參數溫度-壓力傳感器。該傳感器利用特殊構造的3D螺旋結構首次實(shí)現了器件面外方向的溫度傳感；同時(shí)，利用碲化鉍基合金材料的優(yōu)異壓阻效應，實(shí)現了高分辨率的壓力傳感功能。所制備的傳感器溫度傳感靈敏度達到123.2 μV K-1 leg-1，0-10 kPa下壓力傳感靈敏度達到120 Pa-1，其表現出良好的溫度-壓力傳感性能，優(yōu)于目前已有文獻報道的同類(lèi)型傳感器。該工作為利用碲化鉍基熱電合金實(shí)現材料多功能設計和集成開(kāi)辟新的研究思路和應用前景。
相關(guān)結果以“Flexible temperature-pressure dual sensor based on 3D spiral thermoelectric Bi2Te3 films”為題，于3月21日發(fā)表在Nature Communications期刊上。博士研究生喻海龍為論文第一作者，于治副研究員和邰凱平研究員為共同通訊作者。該研究工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家高層次人才特殊支持計劃、國家自然科學(xué)基金、遼寧省杰出青年基金和沈陽(yáng)材料科學(xué)國家研究中心專(zhuān)項基金的資助。
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圖1. 設計制備的Bi2Te3/PI薄膜熱電、壓阻及柔性性能測試結果
圖2. 柔性3D螺旋結構溫度-壓力傳感器示意圖及制備流程圖
圖3. 傳感器溫度-壓力傳感性能及柔性性能測試
圖4. 雙參數傳感器的使役性能測試
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