可穿戴设备在疾病诊断、医疗监测、生理传感等方面越来越重要。温度传感器是重要的可穿戴设备之一，具有灵活性和生物相容性的特点。还可以附着在人体皮肤表面，实现对人体生理信号的实时准确检测。人体的生理温度，如呼吸温度，具有温度变化小、频率高的特点，这对传感器的灵敏度和速度提出了很高的要求。在以往的报道中，也未曾有过从材料层面解决高灵敏度、快速响应的传感器非线性的问题。

图1 石墨烯-聚苯胺-聚二甲基硅氧烷柔性温度传感器的制备过程

  近期，清华大学任天令教授团队和北京化工大学俞度立/李宇涛教授团队合作，由李宇涛教授带队制备出高灵敏度石墨烯-聚苯胺-聚二甲基硅氧烷复合材料。通过掺杂具有特殊负温度特性的聚苯胺(PANI)作为复合材料的温度补偿，最终创造性地从材料层面解决了传感器非线性问题。研究构建了“空间-间隙”的分布模型，并将这些空间特征引入到复合材料的数学公式，定量研究了“空间-间隙”对石墨烯-聚苯胺-聚二甲基硅氧烷纳米材料热敏特性的影响。所制备的传感器在25-40℃的温度感应范围内表现出高灵敏度(1.60%/°C)、线性度(R²=0.99)、 精确度(0.3°C) 和快速时间响应(0.7 s)。在此基础上，制造的温度传感器可以与读出电路和滤波电路相结合，并带有高精度的模拟数字转换器(ADC)，以实时监测皮肤温度、环境温度和呼吸频率等。这种高性能的温度传感器揭示了其在电子皮肤、疾病诊断、医疗监测等领域的巨大潜力。文章第一作者是博士研究生刘航和硕士研究生孙宽以及郭霄亮副教授。该研究得到国家自然科学基金委、北京化工大学人才引进项目的支持。 

图2 具有“空间-间隙”结构的柔性温度传感器的理论仿真分析 

图3 石墨烯-聚苯胺-聚二甲基硅氧烷柔性温度传感器的温度特性

  论文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.2c10342