利用柔性可穿戴长波红外光热电探测器,实现电子皮肤温度预警

MEMS 2024-04-15 00:01

电子皮肤具有无需身体接触即可感知热刺激的能力,将为智能机器人和增强现实等应用带来创新的互动体验。非接触式热探测的实现(对热和冷的刺激都有反应),主要依赖于在长波长红外工作的柔性红外探测器来捕获自发热辐射。这类应用对探测器的光热探测性能和柔性程度均提出严格的要求。

据麦姆斯咨询报道,近日,中国科学院大连化学物理研究所催化基础国家重点实验室热电材料与器件研究团队开发出柔性可穿戴长波红外光热电探测器,并将该光热探测器用于电子皮肤非接触温度感知。相关研究成果以“Touchless thermosensation enabled by flexible photothermoelectric detector for temperature prewarning function of electronic skin ”为题,发表在Advanced Materials期刊上。该研究通讯作者为姜鹏研究员和陆晓伟副研究员。

光热电探测器主要基于光热、热电两个能量转换过程,可在无需制冷、无需偏置电压、无接触的条件下实现对长波红外辐射(8 μm至14 μm)的灵敏探测。该研究团队在前期对光热电探测器相关研究的基础上,在具有长波红外吸收能力的柔性聚酰亚胺(PI)衬底上构建了Te/CuTe热电异质结,从而制备出高灵敏度、柔性、可穿戴的长波红外光热电探测器。

图1 制备可优化Te热电性能的多层异质结构

首先,研究人员在制备了可优化Te热电性能的多层异质结构(如图1)后,探究Te/CuTe多层异质结构在聚酰亚胺衬底上的红外吸收性能,相关结果如图2所示。接着,研究人员表征了Te/CuTe多层异质结构在聚酰亚胺衬底上的长波红外探测性能,相关结果如图3所示。Te/CuTe多层异质结构一方面可以提升复合薄膜的热电功率因子,起到降低器件噪音的作用;另一方面可以通过降低其光学反射损耗,并将其光学反射极小值与聚酰亚胺吸收峰对齐,增强光热电耦合,提升器件灵敏度。

图2 通过抑制反射损耗来优化光吸收

图3 Te/CuTe多层异质结构的长波红外探测性能

随后,研究人员利用牺牲层辅助微纳加工技术在柔性聚酰亚胺衬底上制备了基于Te/CuTe多层异质结构的热电堆探测器阵列(4 × 4)。图4a和图4b分别展示了制备的热电堆阵列在弯曲和平坦状态下的照片。在非接触式温度感知测试中,当目标温度从零下50°C上升至110°C,所制备的柔性可穿戴红外热电堆阵列灵敏度均优于商业刚性热电堆,温度分辨能力可达0.05°C。

图4 柔性可穿戴红外热电堆阵列,可用于空间分辨非接触式热探测

以此为基础,该研究团队利用该红外探测器在接近辐射源过程中响应电压的斜率变化,开发了动态温度预警系统,使得软体机械手可对热源进行预先判定,相关实验演示如图5所示。

图5 柔性可穿戴红外探测器在软体机器人温度预警功能中的应用演示

这项研究为在仿生触觉系统中引入红外探测技术提供了可行的解决方案,在机器人交互感知、虚拟现实等领域具有重要的应用前景。

文章链接:

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

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