新型传感器：可感知光线、热量与触摸！

导读

据瑞典林雪平大学官网近日报道，该校有机电子实验室的研究人员开发出一种适用于电子皮肤的传感器。它可以测量体温变化，并对于阳光和温暖的触摸作为反应。

背景

电子皮肤（Electronic skin），是目前非常热门的前沿技术领域之一。简单说，电子皮肤模仿人类皮肤的功能与机械特性，由轻薄、可弯曲、可拉伸、有弹性的材料制成，是传感器技术、微机电技术、新材料技术等多项技术交叉融合的成果。

（图片来源：Jianliang Xiao / 科罗拉多大学波尔得分校）

电子皮肤可非常便捷地贴合于人体皮肤表面，感知人体生理信号例如血氧浓度、血液中的酒精浓度等，以及外界环境刺激例如压力、温度等，以实现人工的触觉感知功能。如今，电子皮肤已经广泛应用于医疗、机器人、人造假肢、可穿戴技术等多个领域。

（图片来源：大邱庆北科学技术院）

（图片来源：美国化学会）

（图片来源：东京大学）

创新

受自然皮肤的启发，瑞典林雪平大学（Linkoping University）有机电子实验室的研究人员开发出一种适用于电子皮肤的传感器。它可以测量体温变化，并对于阳光和温暖的触摸作为反应。

（图片来源：Thor Balkhed）

技术

为了开发电子皮肤，全球科学家们正致力于三个领域：机器人、响应触摸的义肢、健康监测。他们想要这种皮肤变得柔软，并具有某些形式的灵敏度。

（图片来源：斯坦福大学）

目前，林雪平大学有机电子实验室的研究人员通过将几种物理现象与材料结合到一起，向着这样的系统迈进。结果生成的传感器，与人类皮肤类似，可感知由温暖物体触摸与太阳辐射热量所引起的温度变化。

（图片来源：Mina Shiran Chaharsoughi 和 Magnus Jonsson）

有机电子实验室有机光子学与纳米光学课题组的博士生 Mina Shiran Chaharsoughi 表示：“我们一直被大自然及其感知热量与辐射的方式所启发。”

她与同事们一起开发出一种将热释电效应和热电效应与纳米光学现象相结合的传感器。

当热释电材料被加热或者冷却时，其中会产生电压。温度变化给出一个迅速且强大的信号，但是这个信号消逝得很快。

相反，在热电材料中，当材料具有冷的一侧和热的一侧时，电压就产生了。这里的信号产生得很慢，而且必须过一段时间才能被测量到。热量由温暖的触摸或者太阳辐射产生，所需要的只是一侧比另一侧更冷。

有机电子与纳米光学小组的领头人 Magnus Jonsson 表示：“我们想要结合两者的优点，所以我们将有机电子实验室 Dan Zhao, Simone Fabiano 以及其他同事之前开发的热释电聚合物与热电凝胶相结合。只要有刺激出现，这种结合就会持续地给出迅速且强烈的信号。”

更进一步说，结果证明两种材料以一种加强信号的方式相互作用。

这种新传感器也使用另外一种纳米光学实体，即等离激元。

Magnus Jonsson 解释道：“当光线与金属纳米颗粒例如金与银相互作用时，等离激元就产生了。入射光引起颗粒中的电子一致振荡，从而形成了等离激元。这种现象提供了一种具有非凡光学特性例如高散射与高吸收的纳米结构。”

在之前的工作中，他与他的合作者们已经展示，打上纳米孔洞的金电极在等离激元的帮助下吸收光线。吸收的光线被相应地转化为热量。通过这样的电极和具有纳米孔洞的金薄膜，在面对太阳的一侧，传感器也可以将可见光迅速转化为稳定信号。

此外，传感器还有另外一项优势，就是压力敏感。Magnus Jonsson 表示：“当我们用手指按压传感器时，它会产生信号，但是我们以同样的压力用一片塑料按压传感器时，不会产生信号。它对于手指的热量作出响应。”

关键字

等离激元、传感器、电子皮肤、热电效应

参考资料

【1】Mina Shiran Chaharsoughi, Dan Zhao, Xavier Crispin, Simone Fabiano, Magnus P. Jonsson. Thermodiffusion‐Assisted Pyroelectrics—Enabling Rapid and Stable Heat and Radiation Sensing. Advanced Functional Materials, 2019; 1900572 DOI: 10.1002/adfm.201900572

【2】https://liu.se/en/news-item/sensorn-som-reagerar-pa-ljus-varme-och-beroring

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