新型感測器：可感知光線、熱量與觸摸！
背景
電子皮膚（Electronic skin），是目前非常熱門的前沿技術領域之一。簡單說，電子皮膚模仿人類皮膚的功能與機械特性，由輕薄、可彎曲、可拉伸、有彈性的材料製成，是感測器技術、微機電技術、新材料技術等多項技術交叉融合的成果。
（圖片來源：Jianliang Xiao / 科羅拉多大學波爾得分校）
電子皮膚可非常便捷地貼合於人體皮膚表面，感知人體生理信號例如血氧濃度、血液中的酒精濃度等，以及外界環境刺激例如壓力、溫度等，以實現人工的觸覺感知功能。如今，電子皮膚已經廣泛應用於醫療、機器人、人造假肢、可穿戴技術等多個領域。
（圖片來源：大邱慶北科學技術院）
（圖片來源：美國化學會）
（圖片來源：東京大學）
創新
受自然皮膚的啟發，瑞典林雪平大學（Linkoping University）有機電子實驗室的研究人員開發出一種適用於電子皮膚的感測器。它可以測量體溫變化，並對於陽光和溫暖的觸摸作為反應。
（圖片來源：Thor Balkhed）
技術
為了開發電子皮膚，全球科學家們正致力於三個領域：機器人、響應觸摸的義肢、健康監測。他們想要這種皮膚變得柔軟，並具有某些形式的靈敏度。
（圖片來源：斯坦福大學）
目前，林雪平大學有機電子實驗室的研究人員通過將幾種物理現象與材料結合到一起，向著這樣的系統邁進。結果生成的感測器，與人類皮膚類似，可感知由溫暖物體觸摸與太陽輻射熱量所引起的溫度變化。
（圖片來源：Mina Shiran Chaharsoughi 和 Magnus Jonsson）
有機電子實驗室有機光子學與納米光學課題組的博士生 Mina Shiran Chaharsoughi 表示：「我們一直被大自然及其感知熱量與輻射的方式所啟發。」
她與同事們一起開發出一種將熱釋電效應和熱電效應與納米光學現象相結合的感測器。
當熱釋電材料被加熱或者冷卻時，其中會產生電壓。溫度變化給出一個迅速且強大的信號，但是這個信號消逝得很快。
相反，在熱電材料中，當材料具有冷的一側和熱的一側時，電壓就產生了。這裡的信號產生得很慢，而且必須過一段時間才能被測量到。熱量由溫暖的觸摸或者太陽輻射產生，所需要的只是一側比另一側更冷。
有機電子與納米光學小組的領頭人 Magnus Jonsson 表示：「我們想要結合兩者的優點，所以我們將有機電子實驗室 Dan Zhao, Simone Fabiano 以及其他同事之前開發的熱釋電聚合物與熱電凝膠相結合。只要有刺激出現，這種結合就會持續地給出迅速且強烈的信號。」
更進一步說，結果證明兩種材料以一種加強信號的方式相互作用。
這種新感測器也使用另外一種納米光學實體，即等離激元。
Magnus Jonsson 解釋道：「當光線與金屬納米顆粒例如金與銀相互作用時，等離激元就產生了。入射光引起顆粒中的電子一致振蕩，從而形成了等離激元。這種現象提供了一種具有非凡光學特性例如高散射與高吸收的納米結構。」
在之前的工作中，他與他的合作者們已經展示，打上納米孔洞的金電極在等離激元的幫助下吸收光線。吸收的光線被相應地轉化為熱量。通過這樣的電極和具有納米孔洞的金薄膜，在面對太陽的一側，感測器也可以將可見光迅速轉化為穩定信號。
此外，感測器還有另外一項優勢，就是壓力敏感。Magnus Jonsson 表示：「當我們用手指按壓感測器時，它會產生信號，但是我們以同樣的壓力用一片塑料按壓感測器時，不會產生信號。它對於手指的熱量作出響應。」
關鍵字
等離激元、感測器、電子皮膚、熱電效應
參考資料
【1】Mina Shiran Chaharsoughi, Dan Zhao, Xavier Crispin, Simone Fabiano, Magnus P. Jonsson.Thermodiffusion‐Assisted Pyroelectrics—Enabling Rapid and Stable Heat and Radiation Sensing. Advanced Functional Materials, 2019; 1900572 DOI: 10.1002/adfm.201900572
【2】https://liu.se/en/news-item/sensorn-som-reagerar-pa-ljus-varme-och-beroring
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