厦大周伟教授团队《Small》：空间正交集成热电与压阻元件突破“温度-压力自解耦感知”难题

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导读

研究背景

根据温度-压力同步传感以及信号串扰抑制需求，设计了平面热电元件和导电压阻微锥阵列结构分别作为双模态传感器的温度和压力敏感单元。通过构筑面内热电与面外压阻集成的空间正交传感器结构，结合时分复用的信号采集策略，一方面极大抑制了温度与压力信号的相互串扰，另一方面减少了传感器的信号读出引线数量，简化了传感器阵列引线布局，如图1所示。

图1 传感器的结构设计与传感机制

（2）传感器性能与应用展示

对于面内热电元件，其难点问题是输出电压幅值过小影响信号读出精度。为了解决这一难题，通过采用FeCl₃作为插层剂对石墨烯进行P型掺杂，提高热电元件的塞贝克系数。实验结果表明，在FeCl₃的掺杂比例达为5%时，石墨烯的塞贝克系数从未掺杂时的30 μV/K提升到57 μV/K，极大提高了传感器的温度灵敏度。此外，该研究还综合利用碳纳米管与石墨粉的电子传输特性以及柔性聚合物的热膨胀效应，配置了近零电阻温度系数的导电复合压阻材料，并基于此材料制备压力敏感元件。该研究系统实验测试了传感器的温度/压力灵敏度、动静态响应、最小分辨率、响应时间和循环稳定性等性能指标，并初步展示了其在人机交互、双参数分布式感知和电路局部热点感知等方面的应用，如图2、图3、图4所示。

图2 传感器在人机交互领域的应用展示

图3 双模态传感器阵列的双参数分布式感知及接触形状识别应用展示

图4 双模态传感器阵列的电路局部热点感知应用展示

该研究工从温度-压力双模态柔性触觉传感器的结构设计、敏感机制、性能测试及应用方面展开了系统研究。提出了一种面内热电与面外压阻空间正交集成的传感器结构设计新策略，突破了传统温/压双模态柔性传感器解耦复杂、信号串扰严重的困境，为高性能多模态柔性传感器的设计提供了新思路。