實現電子皮膚溫度預警的柔性可穿戴長波紅外光熱電探測器

電子皮膚具有無需身體接觸即可感知熱刺激的能力，將為智能機器人和增強現實等應用帶來創新的互動體驗。非接觸式熱探測的實現（對熱和冷的刺激都有反應），主要依賴于在長波長紅外工作的柔性紅外探測器來捕獲自發熱輻射。這類應用對探測器的光熱探測性能和柔性程度均提出嚴格的要求。

據麥姆斯咨詢報道，近日，中國科學院大連化學物理研究所催化基礎國家重點實驗室熱電材料與器件研究團隊開發出柔性可穿戴長波紅外光熱電探測器，并將該光熱探測器用于電子皮膚非接觸溫度感知。相關研究成果以“Touchless thermosensation enabled by flexible photothermoelectric detector for temperature prewarning function of electronic skin ”為題，發表在Advanced Materials期刊上。該研究通訊作者為姜鵬研究員和陸曉偉副研究員。

光熱電探測器主要基于光熱、熱電兩個能量轉換過程，可在無需制冷、無需偏置電壓、無接觸的條件下實現對長波紅外輻射（8μm至14 μm）的靈敏探測。該研究團隊在前期對光熱電探測器相關研究的基礎上，在具有長波紅外吸收能力的柔性聚酰亞胺（PI）襯底上構建了Te/CuTe熱電異質結，從而制備出高靈敏度、柔性、可穿戴的長波紅外光熱電探測器。

圖1 制備可優化Te熱電性能的多層異質結構

首先，研究人員在制備了可優化Te熱電性能的多層異質結構（如圖1）后，探究Te/CuTe多層異質結構在聚酰亞胺襯底上的紅外吸收性能，相關結果如圖2所示。接著，研究人員表征了Te/CuTe多層異質結構在聚酰亞胺襯底上的長波紅外探測性能，相關結果如圖3所示。Te/CuTe多層異質結構一方面可以提升復合薄膜的熱電功率因子，起到降低器件噪音的作用；另一方面可以通過降低其光學反射損耗，并將其光學反射極小值與聚酰亞胺吸收峰對齊，增強光熱電耦合，提升器件靈敏度。

圖2 通過抑制反射損耗來優化光吸收

圖3 Te/CuTe多層異質結構的長波紅外探測性能

隨后，研究人員利用犧牲層輔助微納加工技術在柔性聚酰亞胺襯底上制備了基于Te/CuTe多層異質結構的熱電堆探測器陣列（4 × 4）。圖4a和圖4b分別展示了所制備的熱電堆陣列在彎曲和平坦狀態下的照片。在非接觸式溫度感知測試中，當目標溫度從零下50°C上升至110°C，所制備的柔性可穿戴紅外熱電堆陣列靈敏度均優于商業剛性熱電堆，溫度分辨能力可達0.05°C。

圖4 柔性可穿戴紅外熱電堆陣列，可用于空間分辨非接觸式熱探測

以此為基礎，該研究團隊利用該紅外探測器在接近輻射源過程中響應電壓的斜率變化，開發了動態溫度預警系統，使得軟體機械手可對熱源進行預先判定，相關實驗演示如圖5所示。

圖5 柔性可穿戴紅外探測器在軟體機器人溫度預警功能中的應用演示

這項研究為在仿生觸覺系統中引入紅外探測技術提供了可行的解決方案，在機器人交互感知、虛擬現實等領域具有重要的應用前景。

文章鏈接：

https://doi.org/10.1002/adma.202313911

審核編輯：劉清