新疆科研团队突破超薄温度传感器关键技术 厚度不足头发丝一半具备高灵敏度

在智能医疗、健康监测与服务机器人等领域,温度感知是实现“贴身”交互与安全控制的重要基础。

与传统硬质传感器不同,柔性温度传感器需要像“皮肤”一样紧贴人体或复杂曲面,在弯折、拉伸及冷热交替环境中仍保持稳定输出。

如何在足够薄的厚度下同时实现高灵敏、快响应与耐久性,长期是制约柔性智能感知系统工程化落地的关键门槛之一。

问题在于,温度传感器的核心性能往往取决于敏感材料的质量与微结构。

许多高性能敏感材料需要在较高温度条件下制备才能形成稳定相与优良界面,从而获得更大的电阻温度响应。

然而,柔性基底通常以高分子材料为主,耐热能力有限,直接经历高温工艺容易发生变形、老化甚至失效。

由此带来的矛盾是:若降低制备温度,材料性能可能打折;若坚持高温制备,柔性基底又难以承受,导致超薄器件难以在“性能”和“柔韧”之间取得兼顾。

针对这一瓶颈,中国科学院新疆理化技术研究所科研团队提出并应用“水溶性牺牲层辅助转移”思路,将高温制备步骤与柔性贴合步骤进行工艺解耦,走出一条“先制备、后贴合”的路线:先在可耐受高温的条件下完成敏感材料的制备与性能优化,再借助一层可水溶的辅助层,将已成型的敏感层完整转移到柔性基底上,实现高性能材料与柔性载体的兼容。

此举既避免柔性基底直接承受高温,也为超薄化与规模化加工留下空间。

在此基础上,团队进一步通过多层复合结构设计提升器件可靠性。

柔性器件在反复弯折与温度骤变过程中,常会面临层间应力集中、界面剥离以及不同材料热胀冷缩系数不匹配等问题,进而造成信号漂移或性能衰减。

多层复合结构通过材料与界面的合理配置,可在一定程度上削弱层间干扰,缓释热机械耦合效应,提高长期循环下的一致性与稳定性,为器件走向实际应用提供更可控的工程基础。

据研究团队介绍,该超薄温度传感器厚度仅40微米,不到头发丝的一半,兼具高灵敏度与快速响应能力。

经验证,其电阻温度系数达到-4.1%/℃,响应时间为192毫秒,并能在反复弯折与热冲击条件下保持稳定工作。

上述指标意味着传感器能够更快速捕捉温度变化,在贴肤监测、局部炎症预警、康复评估以及机器人接触安全等场景中,有望提供更细腻、更实时的温度信息。

从影响看,超薄化带来的不仅是“更轻更薄”,更直接关系到信号质量与佩戴体验。

传感器越薄,越容易与皮肤或曲面形成充分接触,减少空气间隙引起的热阻与测量误差;同时,柔性与耐用性的提升可降低维护成本并延长使用寿命。

对于电子皮肤等多模态感知系统而言,温度感知往往需要与压力、湿度、应变等信号协同工作,稳定的温度通道将有助于提升整体算法与系统控制的可靠性。

面向下一步发展,业内普遍认为柔性传感器的关键在于从实验室性能走向应用端“可制造、可集成、可验证”。

在工艺层面,转移技术的良率控制、器件一致性与批量制备能力,将决定其能否进入可穿戴产品与机器人系统的供应链;在系统层面,传感器与柔性电路、能量管理、无线通信及封装材料的协同设计,将影响最终产品的舒适性与安全性;在应用层面,医疗健康场景对生物相容性、长期稳定与数据可信度要求更高,需通过更充分的标准化测试与临床/场景验证,推动技术从“可用”走向“好用”。

从实验室的创新突破到产业的星辰大海,这项"薄如蝉翼"的技术成果不仅彰显我国在新材料领域的原创能力,更预示着人机交互方式即将迎来革命性变革。

当科学家的巧思遇上工程师的匠心,柔性电子技术正跨越理论与应用的鸿沟,为万物互联的智能时代铺设温度感知的神经末梢。