熱電器件作為可持續(xù)能源轉(zhuǎn)化技術(shù)中重要一員，尚未在柔性電子領(lǐng)域展開廣泛應(yīng)用，主要瓶頸來自于主流高性能無機半導(dǎo)體熱電材料柔性化困難，而有機基熱電材料性能普遍較低；雖然近期在有機/無機復(fù)合熱電材料性能提升上有所突破，但其器件結(jié)構(gòu)多為平面型，通過較長的熱電臂在面內(nèi)建立足夠溫差以實現(xiàn)輸出，這與面向電子皮膚應(yīng)用中垂直于器件方向分布的熱流不匹配。因此，如何構(gòu)筑基于有機熱電材料的面外型器件，并集成到柔性多功能電子器件中，成為一大挑戰(zhàn)；同時，實現(xiàn)電子皮膚對外界多種刺激信號的獨立響應(yīng)依然是當(dāng)前柔性傳感器件發(fā)展所面臨的難點。

北京時間8月31日，北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院王瑤、鄧元等在Advanced Energy Materials上發(fā)表了題為“Flexible 3D architectured Piezo/Thermoelectric Bimodal Tactile Sensor Array for E-Skin Application”的研究論文。論文報道了一種三維垂直結(jié)構(gòu)的壓力/溫度二元觸覺傳感陣列電子皮膚，器件的全新結(jié)構(gòu)設(shè)計和所基于的壓-電/熱-電能源轉(zhuǎn)化原理，賦予了電子皮膚壓力和溫度獨立響應(yīng)、互無干擾及主動傳感的特點，且溫度響應(yīng)迅速（0.37 s）、靈敏度高(109.4 μV/K)、在寬壓力范圍內(nèi)（100 Pa-20 kPa）都保持高靈敏度；在高濕度環(huán)境、一定的拉伸/彎曲應(yīng)變狀態(tài)下均能保持傳感功能，穩(wěn)定性、可靠性高。該研究為實現(xiàn)有機熱電材料在多功能電子皮膚的應(yīng)用邁進(jìn)了一步。 該電子皮膚基于全有機壓電P(VDF-TrFE)薄膜和熱電PANI基復(fù)合材料。為實現(xiàn)器件三維結(jié)構(gòu)構(gòu)筑，首先發(fā)展了基于PANI復(fù)合薄膜的三維體材料，再結(jié)合激光對壓電聚合物圖案化加工與絲網(wǎng)印刷電極工藝，實現(xiàn)了二元觸覺傳感陣列電子皮膚（圖1）。通過巧妙的電極連接設(shè)計，不但實現(xiàn)了器件集成，更實現(xiàn)了基于壓-電/熱-電能量轉(zhuǎn)化原理產(chǎn)生的電壓獨立輸出，有限元計算模擬了傳感器中溫場和電勢分布（圖2）。

圖1. 壓力/溫度二元傳感陣列電子皮膚的三維結(jié)構(gòu)設(shè)計與集成工藝。(a) 激光加工結(jié)合絲網(wǎng)印刷工藝制備電子皮膚工藝流程圖；(b, c) 4?4傳感陣列結(jié)構(gòu)示意圖及貼附于手背的電子皮膚實物圖。

圖2. 基于壓電、熱電效應(yīng)的壓力/溫度傳感原理及有限元模擬 該電子皮膚在實際應(yīng)用場景中展現(xiàn)出優(yōu)異的觸覺主動傳感功能，對壓力和溫度信號能準(zhǔn)確辨別、互無干擾，且功能的實現(xiàn)均無需外加電源。例如，戴著貼有電子皮膚的手套觸摸一杯溫水，可實時監(jiān)測到與觸碰動作同步的壓力并感知水溫；同時，通過信號采集與電路編程在LED屏上初步驗證了人機交互功能 （圖3）。該4?4傳感器陣列的電子皮膚能準(zhǔn)確分辨外界微弱刺激的空間分布，如質(zhì)輕的泡沫放置壓力和人體體溫與環(huán)境的溫差（圖4）。本研究顯示出基于壓電/熱電三維結(jié)構(gòu)的二元觸覺傳感陣列在電子皮膚應(yīng)用的潛力。

圖3. 電子皮膚觸覺傳感的實際應(yīng)用。(a) 脈搏波監(jiān)測；(b) 關(guān)節(jié)彎曲；(c) 發(fā)音；(d) 觸碰溫水杯動作中壓力和溫度信號獨立實時同步傳感；(e-f)人機交互初步應(yīng)用

圖4. 傳感陣列對外界微小刺激的準(zhǔn)確響應(yīng)及空間分辨。(a-c)手指觸摸電子皮膚，在對應(yīng)的傳感單元上同時輸出壓力和溫度信號；(d-f) 施加質(zhì)輕物體如泡沫，所接觸的傳感單元輸出的壓力信號，此物體與環(huán)境沒有溫差因而表現(xiàn)出環(huán)境溫度。 北京航空航天大學(xué)材料學(xué)院王瑤副教授與鄧元教授為本文的共同通訊作者，北航材料學(xué)院博士生朱鵬程為本文第一作者，該研究得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金和北航青年拔尖人才計劃的資助，以及北航杭州創(chuàng)新研究院和北京市生物醫(yī)學(xué)工程高精尖創(chuàng)新中心的支持。