西安交大成功研制多壁碳纳米管高性能柔性薄膜温度传感器

柔性温度传感器在可穿戴设备和智能系统中应用广泛，更是应用于生物医学、航空航天等领域的重要测量技术。但一个长期存在的技术难题是：传感器安装的变形和温度测试过程中产生的应力会导致其测量精度下降。西安交通大学团队在《Microsystems & Nanoengineering》发表最新研究成果，通过创新的结构、材料与工艺设计，成功解决了这一问题，研制出在形变下仍能稳定工作的柔性温度传感器。

柔性传感器的优势在于能够贴合复杂曲面。然而，在实际应用中，安装时的拉伸、使用中的弯曲和压力都会使其内部敏感材料产生应变。这种应变会引发电学信号（如电阻）的漂移，从而干扰温度测量信号，导致读数失准。

对于热电偶式柔性薄膜温度传感器，常见的金属材料（铜、银、钨、铼合金等）延展性好，但灵敏度低，难以检测微小温度变化。而高灵敏度陶瓷氧化物（如In₂O₃、ITO、La₀.₈Sr₀.₂CrO₃等），由于脆性大、韧性差，在柔性基板上难以实现稳定的测温。因此，实现高灵敏度与高机械稳定性的统一，是该领域的核心挑战。

研究团队从结构、材料和制备工艺三个层面协同创新，攻克了这一难题。

图|传感器的制备过程和制备样品的示意图

柔性聚酰亚胺基材的粗糙度改进工艺。b 丝网印刷过程中的浆料制备。c 通过丝网印刷技术制备传感器的过程。d 柔性薄膜温度传感器，采用Penao结构和定制大学标志图案

结构设计：Peano曲线分散应力

研究人员将传感器的电极设计成基于Peano曲线的蜿蜒结构。相较于直线型电极，这种曲线结构在受到拉伸时，能够更有效地分散和降低内部应力，从而减少传递到敏感测温材料的应变。

材料复合：碳纳米管增韧

团队采用多壁碳纳米管（MWCNTs）作为增强体，与氧化铟敏感材料复合。在微观层面，碳纳米管在氧化铟颗粒间形成三维网络结构。当材料受力产生微裂纹时，碳纳米管能有效桥接并抑制裂纹扩展，显著提升了薄膜的韧性和耐久性。实验表明，掺入适量碳纳米管的薄膜，在弯曲状态下电阻变化率小于5%，性能保持稳定。

制备工艺：共形制备降低初始应力

在工艺层面，团队通过调制MWCNTs的成分，设计出基于丝网印刷工艺的热电极共形化制备方法。采用多壁碳纳米管增强的Peano结构制备的柔性薄膜温度传感器具有高度稳定性和可靠性。该传感器在拉伸和弯曲测试中始终保持稳定持续的温度测量能力，外部环境的影响可忽略不计。

为验证传感器的实用性，团队从静态精度、动态响应、机械稳定性三个维度展开测试，结果显示其综合性能远超传统柔性温度传感器。

图|柔性温度传感器综合评估

a 测量方式不同：固态、气态、液态;热传导、热对流、热辐射。b 气态-热对流：热风焊机气流温度检测。c 热辐射：基于热辐射的电加热器温度检测。d 液态-热传导：d1自热饭盒的加热包温度检测。d2， d3监测酸碱中和反应温度的实时变化。e 智能面罩，一种用于人体呼吸状态监测的可穿戴设备。e1， e2气态-热对流：针对不同佩戴者的多模式呼吸状态检测和区分

静态性能：高精度与低漂移

团队通过开展多次冷热循环测试，监测不同温度下传感器的温度漂移率，以及测试其热噪声与最小可探测温度。结果显示传感器温度差 - 热电动势关系呈现良好线性特征，重复性误差较小，温度漂移率低，长期稳定性优异；经校准后全量程精度高，热噪声低，最小可探测温度表现出色。

动态响应：快速捕捉温度变化

团队利用乙醇快速吸热挥发产生的瞬态温度变化，测试传感器对瞬态温度的响应能力。结果显示传感器能快速捕捉瞬态温度变化，响应速度远快于传统热电偶，可高效应对温度骤变场景。

机械稳定性：无惧变形与应力

在弯曲和拉伸测试中，传感器灵敏度受影响较小；疲劳测试下，传感器即便处于严苛环境，仍能保持稳定输出，结构不易损坏，具备较强的抗变形与抗应力能力。

这款MWCNTs增韧Peano结构的柔性薄膜温度传感器，通过结构分形减应力、材料复合强韧性的创新思路，成功破解了柔性温度传感器易变形与高灵敏的长期矛盾。其核心优势在于：Peano结构降低机械应力，MWCNTs与In₂O₃的复合结构提升韧性，优化的工艺确保制备稳定性与可定制性。

从性能上看，该传感器兼具高灵敏度、快速响应、强稳定性；从应用上看，它能覆盖民生健康、工业监测、科研实验等多领域，尤其贴合当前可穿戴设备、智能医疗的发展趋势。这种兼顾性能与实用的设计，不仅为柔性温度传感器的发展提供了新范式，也为其他柔性电子器件的结构与材料优化，提供了参考方向。