中山大學等：3D多孔石墨烯製備具有「自校準」能力的溫度傳感器

2020-08-27 材料分析與應用

本文要點：

通過在LCP基板上沉積多孔Gr製成了對機械變形具有良好耐受性的柔性熱敏電阻

成果簡介

對於新興的可穿戴應用，開發高度靈敏，準確和易於校準的柔性溫度傳感器非常重要。本文，中山大學Jin Wu與西北工業大學, 機電學院陶凱副教授、中國科學院重慶綠色智能技術研究院馮雙龍副研究員（同為通訊作者）等研究人員在《ADV ELECTRON MATER 》期刊發表名為「Ultrahigh Sensitivity of Flexible Thermistors Based on 3D Porous Graphene Characterized by Imbedded Microheaters」的論文， 研究使用通過微波等離子體增強化學氣相沉積法合成的3D多孔石墨烯（Gr）作為通道傳輸材料，並使用液晶聚合物作為柔性基板，開發了超靈敏，柔性的溫度傳感器。

由於多孔結構，巨大的缺陷和Gr中包含的氧化基團，熱敏電阻的熱指數高達3193 K，高於大多數現有的Gr基熱敏電阻，與陶瓷基剛性熱敏電阻相當。利用嵌入在同一裝置中的微型加熱器來表徵和校準熱敏電阻，並就地減少含氧的Gr，繞開了傳統的外部大型加熱板的要求。熱指數通常穩定，與熱退火無關，但隨著Gr還原時間的延長而略有降低。歸因於多孔結構的有效散熱，獲得了9.3 s的短恢復時間。熱敏電阻的高靈敏度和高解析度（0.1°C）可以實現各種實際應用，例如非接觸式感覺，人體皮膚和風溫監測等。

圖文導讀

圖1、a）設備結構示意圖。

b）用於合成3D Gr的MPCVD裝置示意圖。

c）自上而下的SEM圖像顯示了Gr的3D花狀形態。

d，e）分別是Gr薄膜的拉曼光譜和FTIR光譜。

f，g）SEM圖像顯示，Gr薄膜橋接了柔性多孔LCP基板上的Au IE的指狀物。（g）中的箭頭表示LCP上和Gr膜下面的孔。

h）在Gr薄膜上出現了顯示出巨大缺陷的AFM形貌圖。


圖2、微型加熱器的特性

圖3、a）Gr熱敏電阻在26至91.4°C的溫度範圍內的I–V曲線。通過編程微型加熱器的電壓來控制溫度。

b）電阻對溫度的依賴性顯示出在不同的時間內Gr減少的非線性關係。

c）ln（R）對1000 / T的依賴性呈線性關係。

d）熱指數B與還原時間的關係。

e）Gr相對電阻隨溫度的變化。

f）在35–36°C範圍內，以0.1°C的間隔，2 h降低的Gr隨溫度變化的電阻。


圖4、a）Gr熱敏電阻對溫度的時間依賴性響應為31.9至37.3°C，步進為0.6°C。

b）響應隨溫度變化。

c）溫度和響應與微型加熱器上施加電壓的關係圖。

d）分析從動態響應曲線到33.1°C的響應/恢復時間。

e）對溫度從26升高到26.6°C的動態響應


圖5、a）重複10個循環，Gr熱敏電阻對33.1°C的時間依賴性響應。

b）從a）中提取的響應值與實驗周期的關係。

c）對30.1、32.3、39和50°C的時間依賴性響應，每個溫度有五個循環。通過分別在微型加熱器上施加6.2、8.3、12.5和18.8 V的電壓來達到這些溫度。

d）熱敏電阻對人體皮膚溫度的動態響應三個周期。

e）對60°C的進樣口具有1和0.5 cm的間隙的時間依賴性響應。

f）吹風機可實時響應60、70和82°C的熱風。


圖6、a）當在熱敏電阻上施加0.1、1、2和5 V的偏置電壓時，Gr熱敏電阻對55°C的動態響應。

b）從a）中提取響應值與偏置電壓的關係。

c）定期測量的響應與兩個月內的時間的關係。

d）比較撓性熱敏電阻在55°C與無窮大彎曲半徑分別為1.5和1 cm時隨時間變化的響應。

e）照片顯示在LCP基板上製作的柔性熱敏電阻，彎曲半徑為1 cm。

f）照片顯示的是熱敏電阻陣列的微小尺寸，與50美分的新加坡硬幣相比。


小結

綜上所述，通過MPCVD合成了3D花狀多孔Gr，以製造具有「自校準」能力的超靈敏溫度傳感器。柔性熱敏電阻是通過將Gr沉積在LCP基板上而製成的，該電阻對劇烈的機械彎曲和長期運行具有良好的耐受性。柔性熱敏電阻的引人入勝的性能使其能夠實現有希望的可穿戴應用，例如健康監測，非接觸式感應等。


文獻：

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