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  可穿戴設備在疾病診斷、醫療監測、生理傳感等方面越來越重要。溫度傳感器是重要的可穿戴設備之一，具有靈活性和生物相容性的特點。還可以附著在人體皮膚表面，實現對人體生理信號的實時準確檢測。人體的生理溫度，如呼吸溫度，具有溫度變化小、頻率高的特點，這對傳感器的靈敏度和速度提出了很高的要求。在以往的報道中，也未曾有過從材料層面解決高靈敏度、快速響應的傳感器非線性的問題。

圖1 石墨烯-聚苯胺-聚二甲基硅氧烷柔性溫度傳感器的制備過程

  近期，清華大學任天令教授團隊和北京化工大學俞度立/李宇濤教授團隊合作，由李宇濤教授帶隊制備出高靈敏度石墨烯-聚苯胺-聚二甲基硅氧烷復合材料。通過摻雜具有特殊負溫度特性的聚苯胺(PANI)作為復合材料的溫度補償，最終創造性地從材料層面解決了傳感器非線性問題。研究構建了“空間-間隙”的分布模型，并將這些空間特征引入到復合材料的數學公式，定量研究了“空間-間隙”對石墨烯-聚苯胺-聚二甲基硅氧烷納米材料熱敏特性的影響。所制備的傳感器在25-40℃的溫度感應范圍內表現出高靈敏度(1.60%/°C)、線性度(R²=0.99)、 精確度(0.3°C) 和快速時間響應(0.7 s)。在此基礎上，制造的溫度傳感器可以與讀出電路和濾波電路相結合，并帶有高精度的模擬數字轉換器(ADC)，以實時監測皮膚溫度、環境溫度和呼吸頻率等。這種高性能的溫度傳感器揭示了其在電子皮膚、疾病診斷、醫療監測等領域的巨大潛力。文章第一作者是博士研究生劉航和碩士研究生孫寬以及郭霄亮副教授。該研究得到國家自然科學基金委、北京化工大學人才引進項目的支持。 

圖2 具有“空間-間隙”結構的柔性溫度傳感器的理論仿真分析 

圖3 石墨烯-聚苯胺-聚二甲基硅氧烷柔性溫度傳感器的溫度特性

  論文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsnano.2c10342