柔性单通道多模态传感器研究取得进展

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文章导读

还在用复杂的传感器堆叠实现多参数监测？传统器件不仅结构臃肿，还面临信号干扰和供电难题。中科院金属所突破性研制出单通道多模态传感器，仅凭特殊网状碲纳米线结构，就能同时捕捉应变、应变率和温度变化。这项技术将三种传感功能融为一体，灵敏度超越现有产品，更揭示了压电-热电耦合的新机制。柔性电子设备即将迎来更简洁可靠的监测方案。

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传统应力/应变-温度传感器设计策略是将两种具有应力/应变和温度传感功能的材料集成构建成叠层结构的传感器件。此类器件通常以“一对一”模式运行，结构设计和数据采集复杂，且需要外部电源驱动，其长期稳定监测的可靠性不佳。传统传感器无法通过单一材料和简单结构来实现对多参数变量的实时监测，既实现材料的多功能化传感具有挑战。

近期，中国科学院金属研究所研究团队研制出基于碲纳米线热电-压电耦合效应的柔性、单通道、应变/应变率-温度多模态传感器。团队通过材料调控和结构设计克服了传统热电材料中，热电和压电信号无法在同一方向获得的难题，在倾斜生长的特殊网状碲纳米线结构中，实现了压电信号和热电信号在面外方向的同时感知和输出。传感器具有优异的性能，应变传感灵敏度为0.454 V、应变率传感灵敏度为0.0154 V s、温度传感灵敏度达225.1 μV K-1，优于已知同类多模态传感器。同时，结合第一性原理计算，团队证明了Te原子电荷的变化引起的压电效应，以及外部电场对于压电信号的调制作用机制。该工作为基于多物理场耦合效应构建柔性、单通道、多模态传感器提供了思路，也为耦合“纳米发电机”开辟了应用方向。

相关研究成果发表在《自然通讯》（Nature Communications）上。研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金和沈阳材料科学国家研究中心等的支持。

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