《Nature》子刊：3D打印柔性無線熱敏傳感器，可實現(xiàn)更寬溫度范圍的精準監(jiān)測

導讀：熱敏傳感器是最基本的傳感器之一，廣泛應用于工業(yè)、環(huán)境和生物醫(yī)學應用中。然而，基于讀取直流正溫度系數(shù)熱敏電阻電阻響應的傳統(tǒng)方法阻礙了它們作為寬范圍溫度傳感器的應用。

2024年1月23日，南極熊獲悉，來自格拉斯哥大學、南安普頓大學和拉夫堡大學的研究人員利用微波和 3D打印技術開發(fā)了一種創(chuàng)新的柔性熱敏傳感器，采用柔性且可拉伸的短碳纖維并結合聚二甲基硅氧烷復合材料完成制造，能夠實現(xiàn)對更寬的溫度范圍進行監(jiān)測。雖然熱敏電阻廣泛用于 3D 打印中的溫度測量，但該熱敏電阻的獨特之處在于它支持射頻 (RF)。此外，射頻信號本身也會隨著溫度的變化而變化，基于射頻信號的讀數(shù)克服了熱敏電阻幾十年來的傳感范圍限制。

相關研究以題為“Wide-range soft anisotropicthermistor with a direct wireless radio frequency interface”的論文被發(fā)表在《自然通訊》期刊上。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-44735-z#Sec2

這款溫度傳感器這個傳感器本身具有非常出色的功能，可以在不需要自帶電源的情況下與外部單元進行通信，實現(xiàn)精確的溫度測量。傳感器的靈活性也與這一特性形成了互補，它可以彎曲和拉伸，同時保持功能性。令人印象深刻的是，它能夠測量從 30°C 到 200°C 以上的溫度范圍，與傳統(tǒng)熱敏電阻相比，這顯著拓寬了其適用范圍。這種寬溫度范圍為傳感器生產提供了巨大的優(yōu)勢。該傳感器的多功能性表明了其潛在的應用，可以替代多個傳感器或在通常不適合傳統(tǒng)熱敏電阻的環(huán)境中使用。

△支持 RF 的固有無線溫度傳感。a APMC PTC在溫度調制天線中的傳感應用圖示；b使用熱敏電阻作為基板的傳輸線和天線的電路模型，顯示了天線輻射的與溫度相關的功率密度；c熱敏電阻的電阻響應以及 DC 和 RF 讀數(shù)的檢測范圍的圖示；d、e分別模擬低溫和高溫下基于熱敏電阻的天線周圍的射頻功率流。

設備的外形尺寸也可以通過 3D 打印來改變。他們成功地展示了將傳感器的形狀改變?yōu)楦鞣N形式的能力，從而增強了其集成到電子設備和其他設備中的潛力。與更剛性的傳統(tǒng)形狀傳感器相比，這種定制其形狀以適應不同區(qū)域并提高形狀效率的能力可能會導致該傳感器更頻繁地使用。

論文的主要作者馬哈茂德·瓦吉赫（Mahmoud Wagih）說：“傳感器是模擬世界和智能設備之間的主要接口。為了將溫度或濕度等測量值的真實變化傳達給無線智能設備，這些測量值首先需要數(shù)字化。我們使用常見的硅膠和碳纖維設計了一種簡單的柔軟復合材料，可以輕松模制成任何形狀。這些類皮膚基底可用于設計大面積的天線，然后輻射對溫度變化高度敏感的信號。許多研究人員已經使用射頻和微波設備來測量液體配方、溫度、濕度和其他物理和化學參數(shù)。然而，這種程度的敏感性以前從未被證明過。”

Mahmoud Wagih 團隊開發(fā)的傳感器由聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 和短鏈碳纖維制成，這兩種材料分別以其靈活性和耐用性而聞名。這種組合使得傳感器不僅能夠適應特定的形狀，而且能夠在更廣泛的領域中使用。它有可能集成到日常物品中，例如成為手機外殼的一部分，同時還可以用作溫度傳感器。此外，它還可以被編織成更大的墊子，以監(jiān)測一塊土壤的溫度變化。該傳感器可以嵌入到衣服中或嵌入碳纖維增強塑料部件（CFRP）中。這將使其能夠充當廣泛的溫度傳感器網(wǎng)絡，非常適合監(jiān)控無人機整個機翼等應用。該纖維可以拉伸 1000 次以上，彎曲 20,000 次以上，同時仍能繼續(xù)發(fā)揮作用。

鑒于其廣泛的應用和看似簡單的結構，這款熱敏傳感器顯示出作為商業(yè)上可行的產品的強大潛力。如果這些組件可以大規(guī)模生產，一條生產線可能能夠大量生產這些傳感器，從而成為一個高效的制造過程。3D 打印和其他技術提供的適應性意味著這些傳感器可以進行定制，以適應無數(shù)的設備和場景。通過 3D 打印實現(xiàn)大批量制造和經濟高效的定制的融合，使傳感器成為跨不同場景和應用的高度適應性和實用的解決方案。