《Nature》子刊：3D打印柔性无线热敏传感器，可实现更宽温度范围的精准监测

导读：热敏传感器是最基本的传感器之一，广泛应用于工业、环境和生物医学应用中。然而，基于读取直流正温度系数热敏电阻电阻响应的传统方法阻碍了它们作为宽范围温度传感器的应用。

2024年1月23日，南极熊获悉，来自格拉斯哥大学、南安普顿大学和拉夫堡大学的研究人员利用微波和 3D打印技术开发了一种创新的柔性热敏传感器，采用柔性且可拉伸的短碳纤维并结合聚二甲基硅氧烷复合材料完成制造，能够实现对更宽的温度范围进行监测。虽然热敏电阻广泛用于 3D 打印中的温度测量，但该热敏电阻的独特之处在于它支持射频 (RF)。此外，射频信号本身也会随着温度的变化而变化，基于射频信号的读数克服了热敏电阻几十年来的传感范围限制。

相关研究以题为“Wide-range soft anisotropicthermistor with a direct wireless radio frequency interface”的论文被发表在《自然通讯》期刊上。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-44735-z#Sec2

这款温度传感器这个传感器本身具有非常出色的功能，可以在不需要自带电源的情况下与外部单元进行通信，实现精确的温度测量。传感器的灵活性也与这一特性形成了互补，它可以弯曲和拉伸，同时保持功能性。令人印象深刻的是，它能够测量从 30°C 到 200°C 以上的温度范围，与传统热敏电阻相比，这显著拓宽了其适用范围。这种宽温度范围为传感器生产提供了巨大的优势。该传感器的多功能性表明了其潜在的应用，可以替代多个传感器或在通常不适合传统热敏电阻的环境中使用。

△支持 RF 的固有无线温度传感。a APMC PTC在温度调制天线中的传感应用图示；b使用热敏电阻作为基板的传输线和天线的电路模型，显示了天线辐射的与温度相关的功率密度；c热敏电阻的电阻响应以及 DC 和 RF 读数的检测范围的图示；d、e分别模拟低温和高温下基于热敏电阻的天线周围的射频功率流。

设备的外形尺寸也可以通过 3D 打印来改变。他们成功地展示了将传感器的形状改变为各种形式的能力，从而增强了其集成到电子设备和其他设备中的潜力。与更刚性的传统形状传感器相比，这种定制其形状以适应不同区域并提高形状效率的能力可能会导致该传感器更频繁地使用。

论文的主要作者马哈茂德·瓦吉赫（Mahmoud Wagih）说：“传感器是模拟世界和智能设备之间的主要接口。为了将温度或湿度等测量值的真实变化传达给无线智能设备，这些测量值首先需要数字化。我们使用常见的硅胶和碳纤维设计了一种简单的柔软复合材料，可以轻松模制成任何形状。这些类皮肤基底可用于设计大面积的天线，然后辐射对温度变化高度敏感的信号。许多研究人员已经使用射频和微波设备来测量液体配方、温度、湿度和其他物理和化学参数。然而，这种程度的敏感性以前从未被证明过。”

Mahmoud Wagih 团队开发的传感器由聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 和短链碳纤维制成，这两种材料分别以其灵活性和耐用性而闻名。这种组合使得传感器不仅能够适应特定的形状，而且能够在更广泛的领域中使用。它有可能集成到日常物品中，例如成为手机外壳的一部分，同时还可以用作温度传感器。此外，它还可以被编织成更大的垫子，以监测一块土壤的温度变化。该传感器可以嵌入到衣服中或嵌入碳纤维增强塑料部件（CFRP）中。这将使其能够充当广泛的温度传感器网络，非常适合监控无人机整个机翼等应用。该纤维可以拉伸 1000 次以上，弯曲 20,000 次以上，同时仍能继续发挥作用。

鉴于其广泛的应用和看似简单的结构，这款热敏传感器显示出作为商业上可行的产品的强大潜力。如果这些组件可以大规模生产，一条生产线可能能够大量生产这些传感器，从而成为一个高效的制造过程。3D 打印和其他技术提供的适应性意味着这些传感器可以进行定制，以适应无数的设备和场景。通过 3D 打印实现大批量制造和经济高效的定制的融合，使传感器成为跨不同场景和应用的高度适应性和实用的解决方案。