柔軟卻堅強，可在1200℃環境中工作

　　柔性溫度傳(chuan) 感器實現高溫測量新突破

　　◎陳 科

　　近年來，各大品牌的折疊屏手機、柔性可穿戴電子等智能設備層出不窮，成為(wei) 行業(ye) 熱點。作為(wei) 柔性電子設備的重要組成部分，柔性傳(chuan) 感器用以測量溫度，反映人體(ti) 的各項指標。現有的柔性薄膜溫度傳(chuan) 感器受柔性襯底、敏感材料等限製，難以實現高溫物理場的溫度測量。因此，如何繼承柔性薄膜傳(chuan) 感器優(you) 勢，實現柔性薄膜傳(chuan) 感器在高溫環境下的應用是一個(ge) 值得關(guan) 注的問題。

　　近日，來自微納製造領域的一項最新研究成果，為(wei) 柔性傳(chuan) 感器突破高溫應用瓶頸提供了新思路。西安交通大學機械工程學院精密工程研究所的劉兆鈞博士、田邊教授、蔣莊德院士及其合作團隊首次製備出了具有良好溫度敏感性的高溫柔性溫度傳(chuan) 感器。相關(guan) 成果發表於(yu) 工程製造領域期刊《極端製造》。

　　傳(chuan) 統柔性溫度傳(chuan) 感器難以實現高溫無損監測

　　柔性傳(chuan) 感器是指采用柔性材料製成的傳(chuan) 感器，具有良好的柔韌性、延展性，甚至可自由彎曲、折疊，而且結構形式靈活多樣，可根據測量條件的要求任意布置，能夠非常方便地對複雜表麵進行檢測。

　　在可穿戴方麵，柔性的電子產(chan) 品適合“人體(ti) 不是平麵”的生理特性，因此更易於(yu) 測試皮膚的相關(guan) 參數，其可將外界的受力或受熱情況轉換為(wei) 電信號，傳(chuan) 遞給機器人的電腦進行信號處理，從(cong) 而實時精準地監測出人體(ti) 各項指標。

　　“柔性薄膜溫度傳(chuan) 感器能變形、易附著、輕薄等優(you) 點受到了研究人員的廣泛關(guan) 注。”田邊說，“熱電偶式傳(chuan) 感器以結構簡單、動態響應快、便於(yu) 集中控製等優(you) 點脫穎而出。”

　　結合二者優(you) 勢，熱電偶式柔性薄膜溫度傳(chuan) 感器應運而生。“溫度傳(chuan) 感器主要由兩(liang) 部分組成，由兩(liang) 種不同材料製成的溫度敏感層和柔性基板。溫度敏感層常由金屬以及金屬化合物組成，柔性基材則選擇已經商業(ye) 化的聚二甲基矽氧烷、聚酰亞(ya) 胺等高分子聚合物材料。”田邊表示。

　　實際上，柔性傳(chuan) 感器的優(you) 勢使其能運用到多個(ge) 領域當中，除了可穿戴設備，柔性傳(chuan) 感器還在醫療電子、環境監測等領域顯示出很好的應用前景。然而，現有的柔性薄膜溫度傳(chuan) 感器受柔性襯底、溫度敏感材料等限製，難以在高溫環境場中工作，更無法實現功能化應用。“因為(wei) 柔性基板的熔點通常低於(yu) 400℃，在高溫環境中發生碳化後會(hui) 變脆、變硬，因此，很難在高溫環境下使用現有的柔性溫度傳(chuan) 感器。這一點也限製了它們(men) 在航空航天、鋼鐵冶金和爆炸損傷(shang) 檢測等極端環境中的應用。”田邊解釋道。

　　“現有的高溫溫度測量手段受限於(yu) 設備尺寸大、需要破壞結構、破壞氣流場、受環境幹擾等，難以實現對溫度場的無損實時溫度監測。”博士生劉兆鈞補充道。因此，如何繼承柔性薄膜傳(chuan) 感器的優(you) 勢，實現柔性薄膜傳(chuan) 感器在高溫環境下的安裝與(yu) 應用是亟須解決(jue) 的關(guan) 鍵問題。

　　突破多項柔性溫度傳(chuan) 感器測量瓶頸

　　為(wei) 了突破柔性溫度傳(chuan) 感器的溫度測量瓶頸，田邊教授團隊創新性地選擇了具有寬溫域的鋁矽氧氣凝膠氈作為(wei) 溫度傳(chuan) 感器的柔性基板。由於(yu) 柔性基板表麵不均勻、粗糙度較大，難以通過傳(chuan) 統的微納製造工藝實現薄膜沉積與(yu) 功能化，因此團隊選用了絲(si) 網印刷技術製備厚膜以克服上述困難。

　　在製備傳(chuan) 感器的實際操作中，田邊、劉兆鈞等人使用有機黏合劑混合功能粉末完成漿料配置，利用高溫熱處理的方法去除薄膜中的多餘(yu) 有機物，如環氧樹脂、鬆油醇等。同時，團隊還針對不同應用表麵，基於(yu) 柔性材料可變形、可共形的優(you) 勢，實現了功能薄膜的特定曲麵化製備。“就像球鞋設計者根據球星腳底的尺寸大小來製定碼數一樣，這種‘獨家訂製’能有效解決(jue) 一些問題。”田邊表示，這樣製備好的柔性溫度傳(chuan) 感器能夠貼附於(yu) 不同曲率曲麵，例如葉片等。同時，其也具有超薄、超輕等優(you) 點。這項研究首次實現柔性傳(chuan) 感器在零下190℃至零上1200℃這一極廣的溫度範圍內(nei) 工作，測試靈敏度也達到了可觀的226.7微伏每攝氏度(μV/℃)。這是現有所有柔性溫度傳(chuan) 感器難以實現的。擴大柔性傳(chuan) 感器的工作溫域，為(wei) 柔性傳(chuan) 感開拓了更廣闊的應用領域，它在探險排難、航空航天、鋼鐵冶金等領域將呈現出巨大的應用潛力。

　　在被問及新型柔性傳(chuan) 感器何時能夠實現實際應用時，蔣莊德表示：“我們(men) 團隊的研究人員對製備的柔性溫度傳(chuan) 感器已經進行了多種實驗室級測試與(yu) 實際測試。其中，包括對航模發動機的尾噴溫度進行實時監控，小型物理爆炸場爆炸瞬時溫度測量以及對坩堝中金屬熔化過程進行溫度監測等。傳(chuan) 感器在整個(ge) 測試過程都表現出了優(you) 異的測溫能力。”

　　在蔣莊德看來，科技發展的目標始終圍繞造福人類。他指出：“我們(men) 根據柔性溫度傳(chuan) 感器極輕、極薄的特點，創新性地將其應用於(yu) 智能穿戴設備，如傳(chuan) 感器與(yu) 環保透明麵罩相結合設計出的智能口罩，實現對人體(ti) 呼吸狀態的實時監測，有望惠及長期獨居旅行者和慢性病患者。我們(men) 的科研成果可以給人們(men) 的生活帶來便捷，這也讓科研有了‘溫度’。”

　　目前，柔性傳(chuan) 感器許多技術仍停留在研究階段，柔性傳(chuan) 感器產(chan) 業(ye) 鏈整體(ti) 能力亟待增強。就技術本身而言，傳(chuan) 感器本身的穩定性、耐磨損性等還需要進一步提高。而從(cong) 整個(ge) 產(chan) 業(ye) 鏈的配套來說，柔性電路、柔性存儲(chu) ，以及軟硬連接等環節也需要跟進步伐。在未來，團隊也期望將製備的柔性傳(chuan) 感器進一步優(you) 化，實現飛機表麵、渦輪葉片等國之重器上的溫度測量，為(wei) 我國科技進步添磚加瓦。