研究背景

    近年来，可穿戴设备在疾病诊断、医疗监测、生理传感等方面的作用越来越大。温度传感器是一种重要的可穿戴设备，它具有灵活性和生物兼容性的特点。它还可以附着在人体皮肤表面，实现对人体生理信号的实时准确检测。例如，人体呼吸温度的变化是肺部健康的重要指标。但是，人体生理温度，如呼吸温度，具有温度变化微小、频率高的特点，这对传感器的灵敏度和速度提出了很高的要求。在以往的报道中，很少有高灵敏度和快速响应速度的传感器能够从材料层面解决非线性问题。为了克服这一限制，复合材料的制备为这一问题提供了一个潜在的解决方案。

研究成果

人体温度的检测是反映身体状况的重要指标之一。 为了准确判断人体的状态，迫切需要一种具有快速响应、高灵敏度和良好线性特性的高性能温度传感器。清华大学任天令教授&Li Yutao教授团队研究了石墨烯-聚二甲基硅氧烷(PDMS)复合材料的高灵敏度的正温度特性。此外，掺入具有特殊负温度特性的聚苯胺(PANI)作为复合材料的温度补偿，最终创造性地从材料层面解决了传感器的非线性问题。因此，通过建立空隙模型和数学理论分析，实现了PANI:石墨烯和PDMS混合温度传感器具有非凡的线性度和高灵敏度。所制备的传感器在25-40°C的温度感应范围内表现出高灵敏度(1.60%/°C)、线性度(R2=0.99)、 精确度(0.3°C) 和时间响应(0.7 s)。在此基础上，制造的温度传感器可以与读出电路和滤波电路相结合，并带有高精度的模拟数字转换器(ADC)，以实时监测皮肤温度、环境温度和呼吸频率等。这种高性能的温度传感器揭示了其在电子皮肤、疾病诊断、医疗监测等领域的巨大潜力。相关研究以“An Ultrahigh Linear Sensitive Temperature Sensor Based on PANI:Graphene and PDMS Hybrid with Negative Temperature Compensation”为题发表在ACS Nano期刊上。

图文导读

Figure 1. Temperature sensor preparation and physical picture.

Figure 2. Temperature-sensing properties of the sensor.

Figure 3. Temperature dynamic breathing monitor via the sensor. 

Figure 4. Simulation of sensor surface changes with temperature.

Figure 5. Temperature sensor data transfer and smart medical concept map.
总结与展望

在这项研究中，作者提出了一种简单的方法来制造一个用于人体温度检测的皮肤粘附温度传感器。为了实现超高线性度和高灵敏度的温度传感器，作者构建了一个温度传感器的空间隙模型。通过掺入具有负温度系数的PANI作为温度补偿材料，从材料层面解决了温度电阻的非线性问题，简化了温度传感器中读出电路的复杂性。通过动态和静态测试验证了所提温度传感器的高灵敏度和快速响应，通过SEM扫描说明PANI:石墨烯和PDMS混合体符合材料的温度变化。所提出的温度传感器的温度灵敏度为1.60%/°C，线性度 (R2=0.99)，在 25至40°C范围内反应时间快(0.7 s)，精度为0.3°C。这种温度传感器的优秀灵敏度、便利性和低成本在各种场景下都有广泛的适用性，在远程医疗诊断、电子皮肤和仿生传感器方面有很大潜力。
文献链接An Ultrahigh Linear Sensitive Temperature Sensor Based on PANI:Graphene and PDMS Hybrid with Negative Temperature Compensationhttps://doi.org/10.1021/acsnano.2c10342