一种基于3D螺旋热电Bi₂Te₃薄膜的柔性复合双参数温度-压力传感器

柔性电子材料和器件的最新进展推动了可穿戴技术的快速发展，包括植入式设备、电子皮肤（e-skin）和生理信号监测等领域。这些发展为持续监测人体健康与活动提供了新的可能性。为了满足各种应用需求，开发高灵敏度、高性价比的多功能柔性传感器至关重要。在各类柔性传感器中，能够精确识别温度与压力变化的表皮电子传感器对健康监测系统具有重要意义。

据麦姆斯咨询报道，近期，中国科学技术大学、中国科学院金属研究所的研究团队开发出一种基于3D螺旋热电Bi₂Te₃薄膜的柔性复合双参数温度-压力传感器。Bi₂Te₃薄膜具有（000l）纹理和良好的柔韧性，塞贝克系数高达−181 μV K⁻¹，压阻系数约为−9.2。该传感器具有极其优异的高温传感灵敏度（−426.4 μV K⁻¹）和快速响应时间（~0.95 s）。此外，由于Bi₂Te₃薄膜的压阻效应，该传感器展现出优异的压力响应特性，灵敏度为120 Pa⁻¹。这项研究利用单一高柔性材料实现了高性能的双参数传感，为电子皮肤等多种应用提供了新的思路。相关研究成果以“Flexible temperature-pressure dual sensor based on 3D spiral thermoelectric Bi₂Te₃ films”为题发表在Nature Communications期刊上。

（000l）纹理Bi₂Te₃被认为是室温附近最有效的热电材料，可产生压阻效应和热电效应，是用于压力和温度传感应用的理想材料。这些效应的产生可能源于应变下层间距变化导致的禁带宽度变化。3D螺旋结构是一种适用于热电薄膜的通用结构，能克服热阻匹配问题，为热电薄膜的进一步应用提供了新思路。通过将Bi₂Te₃薄膜和3D螺旋结构结合，可以制备出高性能的温度-压力传感器，该策略为类皮肤智能设备的潜在应用提供了广阔的前景。不过，这种传感器存在的一个局限是，当温度较高的物体与传感器接触时，传感器底部表面的温度会发生漂移。因此，需要对传感器底部温度进行校准，以提高传感器精度。通过集成微型铂（Pt）薄膜电阻来监测传感器底部温度，或建立适当的数学模型，是解决该问题的有效途径。

在这项研究工作中，研究人员报告了一种基于沉积在聚酰亚胺（PI）衬底上的（000l）纹理Bi₂Te₃薄膜的温度-压力传感器。Bi₂Te₃薄膜的塞贝克系数高达−181 μV K⁻¹，电导率约为700 S cm⁻¹，室温下功率因数达到22.6 μW cm⁻¹ K⁻²。同时，由于具有（000l）纹理结构，其压阻系数约为−9.2。这些出色的性能使得该传感器能够利用热电和压阻效应实现温度和压力信号检测。

图1 Bi₂Te₃/PI薄膜（沉积条件为613 k）的电气性能和柔韧性能

研究人员利用实验室自制的飞秒激光器和器件集成设备制备了3D螺旋结构，以满足如温度传感电子皮肤等应用中对面外热阻抗的特殊要求。此外，基于压阻效应，利用螺旋结构压缩变形引起的器件电阻波动来检测外部压力。通过监测电压和电阻的变化，该传感器可实现温度和压力的双参数传感。

图2 柔性温度-压力传感器及其制备过程

图3 柔性温度-压力传感器的传感性能

研究人员在多种环境条件下，探究了该柔性温度-压力传感器的温度传感性能，验证了其实际应用的可行性。考虑到在实际应用中，需要大范围实时监测空间分布的温度和压力传感需求，因此传感器阵列的集成显得尤为关键。基于此，研究人员进一步制备了集成3 × 3传感器阵列的电子皮肤。得益于Bi₂Te₃薄膜优异的热电性能和3D螺旋结构的新颖设计，该传感器阵列不仅能够实时进行温度和压力监测，还能提供快速精准的响应。

图4 柔性温度-压力传感器的温度传感性能

图5 基于3 × 3传感器阵列的电子皮肤在不同场景下的压力和温度传感性能

综上所述，这项研究通过结合Bi₂Te₃薄膜和独特的3D螺旋结构，开发出一种高性能的温度-压力传感器，为此类双参数传感器的设计和制备提供了简单有效的策略。得益于Bi₂Te₃薄膜的压阻效应和热电效应，该传感器能够对压力和温度做出快速反应，其高塞贝克系数使传感器的灵敏度高达-426.4µV K⁻¹。此外，3D螺旋结构的巧妙设计显著缩短了传感器的响应时间（＜1 s），展现了该技术在未来研究和应用中的巨大潜力。值得一提的是，该传感器不仅制备工艺简单，而且具备优异的灵活性，使其能够进行精确的温度测绘。展望未来，该传感器将在电子皮肤等可穿戴设备领域展现出广阔的应用前景。

论文信息：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-46836-1

审核编辑：刘清