基於纖維素的感測器：可同時測量壓力、溫度、濕度！

導讀

近日，瑞典林雪平大學在仔細設計的聚合物混合溶液中浸泡纖維素，使之成為一種可同時測量壓力、溫度和濕度的感測器。這些測量之間是相互完全獨立的。該感測器將對機器人、衛生保健和安全等領域產生極大的影響。

背景

測量壓力、溫度和濕度的能力對於許多應用來說都非常重要，例如家中的病人監測、機器人、電子皮膚、功能織物、監控與安全等等。

到目前為止，研究的目標都是將不同的感測器集成到同一個電路中，但是這已經帶來了一些技術挑戰，尤其是用戶介面方面。

創新

近日，瑞典林雪平大學有機電子實驗教授 Xavier Crispin 領導的科學家們，成功地將這三種測量都結合到單個感測器中。相關論文發表在《先進科學（Advanced Science）》期刊上。

（圖片來源：Thor Balkhed）

技術

科學家們開發出了一種既能導通離子又能導通電子的聚合物彈性氣凝膠，隨後又利用了熱電效應，實現了這個感測器。在熱電材料中，電子從材料冷的一側向熱的一側流動，並以這種方式產生電壓差異。

（圖片來源：Thor Balkhed）

研究人員將纖維素納米纖維與導電聚合物 PEDOT:PSS 在水中混合到一起，並在真空條件下將混合物凍干，生成的材料有著像洗滌海綿一樣的結構，即氣凝膠。添加一種稱為聚硅烷的物質，會使得海綿變得有彈性。向材料施加電勢會使得線性電流增加，這是典型的電阻特性。但是當材料受到壓力時，其電阻會下降，使得電子更輕易地通過。

（圖片來源：參考資料【2】）

因為材料是熱電的，所以它也有可能測量到溫度變化：熱的一側與冷的一側的溫度差異越大，電壓就越高。濕度影響離子從熱的一側向冷的一側流動的速度。如果濕度是零，那麼離子就不會被輸送。

有機電子實驗室教授、論文主要作者 Xavier Crispin 表示：「這項研究的創新之處在於，我們可通過追蹤隨著時間變化的電信號，區分電子（給定溫度梯度）和離子（給定濕度水平）的熱電響應，因為兩種響應以不同的速度發生。」

他說：「這意味著，我們可以通過一種材料測量三個參數，不同的測量之間不存在耦合。」

有機電子實驗室的高級講師、博士生 Shaobo Han 也發現了一種使得三個信號相互分離的方法，而每個信號可以被簡單地單獨讀取。

價值

Simone Fabiano 表示：「我們獨特的感測器也為物聯網預備了道路，降低了複雜性和生產成本。這種優勢尤其體現在安全產業。更長遠的應用可能性就是將感測器安放在含有敏感物品的包裝袋中。」

關鍵字

感測器、有機電子、物聯網

參考資料

【1】https://liu.se/en/news-item/nytt-cellulosa-baserat-material-ger-tre-sensorer-i-en

【2】https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.201802128

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