《Nature》子刊：3D打印柔性無線熱敏傳感器，可實現(xiàn)更寬溫度范圍的精準(zhǔn)監(jiān)測

導(dǎo)讀：熱敏傳感器是最基本的傳感器之一，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、環(huán)境和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中。然而，基于讀取直流正溫度系數(shù)熱敏電阻電阻響應(yīng)的傳統(tǒng)方法阻礙了它們作為寬范圍溫度傳感器的應(yīng)用。

2024年1月23日，南極熊獲悉，來自格拉斯哥大學(xué)、南安普頓大學(xué)和拉夫堡大學(xué)的研究人員利用微波和 3D打印技術(shù)開發(fā)了一種創(chuàng)新的柔性熱敏傳感器，采用柔性且可拉伸的短碳纖維并結(jié)合聚二甲基硅氧烷復(fù)合材料完成制造，能夠?qū)崿F(xiàn)對更寬的溫度范圍進(jìn)行監(jiān)測。雖然熱敏電阻廣泛用于 3D 打印中的溫度測量，但該熱敏電阻的獨特之處在于它支持射頻 (RF)。此外，射頻信號本身也會隨著溫度的變化而變化，基于射頻信號的讀數(shù)克服了熱敏電阻幾十年來的傳感范圍限制。

相關(guān)研究以題為“Wide-range soft anisotropicthermistor with a direct wireless radio frequency interface”的論文被發(fā)表在《自然通訊》期刊上。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-44735-z#Sec2

這款溫度傳感器這個傳感器本身具有非常出色的功能，可以在不需要自帶電源的情況下與外部單元進(jìn)行通信，實現(xiàn)精確的溫度測量。傳感器的靈活性也與這一特性形成了互補，它可以彎曲和拉伸，同時保持功能性。令人印象深刻的是，它能夠測量從 30°C 到 200°C 以上的溫度范圍，與傳統(tǒng)熱敏電阻相比，這顯著拓寬了其適用范圍。這種寬溫度范圍為傳感器生產(chǎn)提供了巨大的優(yōu)勢。該傳感器的多功能性表明了其潛在的應(yīng)用，可以替代多個傳感器或在通常不適合傳統(tǒng)熱敏電阻的環(huán)境中使用。

△支持 RF 的固有無線溫度傳感。a APMC PTC在溫度調(diào)制天線中的傳感應(yīng)用圖示；b使用熱敏電阻作為基板的傳輸線和天線的電路模型，顯示了天線輻射的與溫度相關(guān)的功率密度；c熱敏電阻的電阻響應(yīng)以及 DC 和 RF 讀數(shù)的檢測范圍的圖示；d、e分別模擬低溫和高溫下基于熱敏電阻的天線周圍的射頻功率流。

設(shè)備的外形尺寸也可以通過 3D 打印來改變。他們成功地展示了將傳感器的形狀改變?yōu)楦鞣N形式的能力，從而增強了其集成到電子設(shè)備和其他設(shè)備中的潛力。與更剛性的傳統(tǒng)形狀傳感器相比，這種定制其形狀以適應(yīng)不同區(qū)域并提高形狀效率的能力可能會導(dǎo)致該傳感器更頻繁地使用。

論文的主要作者馬哈茂德·瓦吉赫（Mahmoud Wagih）說：“傳感器是模擬世界和智能設(shè)備之間的主要接口。為了將溫度或濕度等測量值的真實變化傳達(dá)給無線智能設(shè)備，這些測量值首先需要數(shù)字化。我們使用常見的硅膠和碳纖維設(shè)計了一種簡單的柔軟復(fù)合材料，可以輕松模制成任何形狀。這些類皮膚基底可用于設(shè)計大面積的天線，然后輻射對溫度變化高度敏感的信號。許多研究人員已經(jīng)使用射頻和微波設(shè)備來測量液體配方、溫度、濕度和其他物理和化學(xué)參數(shù)。然而，這種程度的敏感性以前從未被證明過�！�

Mahmoud Wagih 團隊開發(fā)的傳感器由聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 和短鏈碳纖維制成，這兩種材料分別以其靈活性和耐用性而聞名。這種組合使得傳感器不僅能夠適應(yīng)特定的形狀，而且能夠在更廣泛的領(lǐng)域中使用。它有可能集成到日常物品中，例如成為手機外殼的一部分，同時還可以用作溫度傳感器。此外，它還可以被編織成更大的墊子，以監(jiān)測一塊土壤的溫度變化。該傳感器可以嵌入到衣服中或嵌入碳纖維增強塑料部件（CFRP）中。這將使其能夠充當(dāng)廣泛的溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)，非常適合監(jiān)控?zé)o人機整個機翼等應(yīng)用。該纖維可以拉伸 1000 次以上，彎曲 20,000 次以上，同時仍能繼續(xù)發(fā)揮作用。

鑒于其廣泛的應(yīng)用和看似簡單的結(jié)構(gòu)，這款熱敏傳感器顯示出作為商業(yè)上可行的產(chǎn)品的強大潛力。如果這些組件可以大規(guī)模生產(chǎn)，一條生產(chǎn)線可能能夠大量生產(chǎn)這些傳感器，從而成為一個高效的制造過程。3D 打印和其他技術(shù)提供的適應(yīng)性意味著這些傳感器可以進(jìn)行定制，以適應(yīng)無數(shù)的設(shè)備和場景。通過 3D 打印實現(xiàn)大批量制造和經(jīng)濟高效的定制的融合，使傳感器成為跨不同場景和應(yīng)用的高度適應(yīng)性和實用的解決方案。