- 新型傳感器助力可穿戴設備攻克高溫難題
- 來源：穆罕默德・奧薩馬 發(fā)表于 2025/7/18
科學家們公布了一種自供能離子納米發(fā)電機傳感器。該傳感器具有柔性和高靈敏度，可實時監(jiān)測高達 70°C 的溫度，非常適合可穿戴電子設備和熱管理領域。
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隨著可穿戴技術日益小型化和高性能化，熱量管理變得愈發(fā)重要。過多的熱量會降低設備效率，還可能損壞敏感組件，因此可靠的實時溫度監(jiān)測對設備穩(wěn)定性至關重要。
傳統(tǒng)傳感器通常依賴外部電源，且缺乏與緊湊型系統(tǒng)無縫集成所需的柔性。研究人員將目光投向了摩擦納米發(fā)電機（TENGs）—— 這類設備能將機械能轉化為電能，具有 lightweight、成本效益高的特點，展現(xiàn)出一定潛力。但由于高溫下會發(fā)生熱電子發(fā)射，TENGs 的性能通常會下降。
一種柔性自供能解決方案
在《先進功能材料》最近發(fā)表的一篇論文中，研究人員開發(fā)了一種新型離子溫度傳感 TENG（iTS-TENG），攻克了這些短板。
研究人員通過熱塑性聚氨酯（TPU）與離子液體 1 - 乙基 - 3 - 甲基咪唑雙（三氟甲基磺酰基）亞胺（[EMIM][TFSI]）按不同重量百分比（0-30%）制備復合離子彈性體，進而制作出 iTS-TENG。
研究人員制備出透明、可拉伸的薄膜，并將其與含氟聚合物配對，構成設備的正負極層。當受到壓力時，iTS-TENG 無需外部電源就能產生隨溫度變化的電信號。
結果與討論
該傳感器利用了 TPU 接近其玻璃化轉變溫度（Tg）時的特性變化。當接近 Tg 時，材料開始變形，導致 π-π 堆積、庫侖力和氫鍵減弱，從而釋放自由離子并形成雙電層（EDLs），顯著提高電容和輸出性能。
傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）、差示掃描量熱法（DSC）和原子力顯微鏡（AFM）證實，薄膜中存在溫度誘導的微相分離。這使得無定形含量增加，玻璃化轉變溫度（Tg）達到 58.05°C，改善了離子遷移率和雙電層（EDLs）的形成。電化學阻抗譜（EIS）進一步支持了這些發(fā)現(xiàn)，顯示在高溫下阻抗降低、電容提高。
研究表明，這種離子彈性體在 30°C 至 70°C 的反復循環(huán)中表現(xiàn)出優(yōu)異的熱響應性和耐久性。值得注意的是，含 10wt.% 離子液體（IL）的 iTS-TENG 性能最佳，在 70°C 時輸出電壓達 740V，電流為 17.24µA，約為純 TPU 器件的 1.4 倍。
該傳感器在加熱過程中表現(xiàn)出 3.865V/°C 的線性溫度靈敏度，冷卻過程中為 - 3.645V/°C，在 20 次熱循環(huán)中重現(xiàn)性良好。有限元模擬（FEM）顯示，更有序的內部結構和可移動的自由離子使熱傳遞更快，而機械壓力通過促進離子釋放進一步提高了輸出性能。
在實際演示中，iTS-TENG 在 70°C 下僅用 400 秒就將 220µF 的電容器充電至 2V。不過，離子液體含量較高的器件性能有所下降，這是由于電荷泄漏所致，這也證實 10wt.% 是離子液體的最佳添加比例。
在可穿戴電子設備中的應用
iTS-TENG 的透明性、柔性和可拉伸性使其非常適合集成到可穿戴技術中，如智能紡織品和皮膚貼裝健康監(jiān)測器。
研究人員將 iTS-TENG 與示波器和搭載 MATLAB 的筆記本電腦相連，構建了實時溫度監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能將摩擦電信號轉換為溫度讀數(shù)。在 30–45°C 范圍內，其結果與商用傳感器的數(shù)據(jù)高度吻合。自供能特性消除了對外部能源的需求，降低了系統(tǒng)復雜度，提高了易用性。
展望未來
該傳感器的快速響應和線性特性使其非常適合動態(tài)環(huán)境。目前仍存在一個挑戰(zhàn)：機械輸入能量的不穩(wěn)定性可能影響輸出穩(wěn)定性。未來的設計可能會采用改進的機械結構或基于人工智能的信號處理技術，以進一步穩(wěn)定性能。
這項研究凸顯了材料創(chuàng)新如何克服 TENG 在高溫下的長期局限性，為下一代電子設備中的能量收集和溫度傳感提供了一個可擴展、自給自足的平臺。
期刊參考
Hwang, H, J., 等. (2025). 基于柔性離子彈性體的摩擦納米發(fā)電機自供能實時溫度傳感. 《先進功能材料》, e04081. DOI: 10.1002/adfm.202504081, https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202504081
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