新型传感器助力可穿戴设备攻克高温难题

科学家们公布了一种自供能离子纳米发电机传感器。该传感器具有柔性和高灵敏度，可实时监测高达 70°C 的温度，非常适合可穿戴电子设备和热管理领域。

图片来源：KPixMining/Shutterstock.com

随着可穿戴技术日益小型化和高性能化，热量管理变得愈发重要。过多的热量会降低设备效率，还可能损坏敏感组件，因此可靠的实时温度监测对设备稳定性至关重要。

传统传感器通常依赖外部电源，且缺乏与紧凑型系统无缝集成所需的柔性。研究人员将目光投向了摩擦纳米发电机（TENGs）—— 这类设备能将机械能转化为电能，具有 lightweight、成本效益高的特点，展现出一定潜力。但由于高温下会发生热电子发射，TENGs 的性能通常会下降。

一种柔性自供能解决方案

在《先进功能材料》最近发表的一篇论文中，研究人员开发了一种新型离子温度传感 TENG（iTS-TENG），攻克了这些短板。

研究人员通过热塑性聚氨酯（TPU）与离子液体 1 - 乙基 - 3 - 甲基咪唑双（三氟甲基磺酰基）亚胺（[EMIM][TFSI]）按不同重量百分比（0-30%）制备复合离子弹性体，进而制作出 iTS-TENG。

研究人员制备出透明、可拉伸的薄膜，并将其与含氟聚合物配对，构成设备的正负极层。当受到压力时，iTS-TENG 无需外部电源就能产生随温度变化的电信号。

结果与讨论

该传感器利用了 TPU 接近其玻璃化转变温度（Tg）时的特性变化。当接近 Tg 时，材料开始变形，导致 π-π 堆积、库仑力和氢键减弱，从而释放自由离子并形成双电层（EDLs），显著提高电容和输出性能。

傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、差示扫描量热法（DSC）和原子力显微镜（AFM）证实，薄膜中存在温度诱导的微相分离。这使得无定形含量增加，玻璃化转变温度（Tg）达到 58.05°C，改善了离子迁移率和双电层（EDLs）的形成。电化学阻抗谱（EIS）进一步支持了这些发现，显示在高温下阻抗降低、电容提高。

研究表明，这种离子弹性体在 30°C 至 70°C 的反复循环中表现出优异的热响应性和耐久性。值得注意的是，含 10wt.% 离子液体（IL）的 iTS-TENG 性能最佳，在 70°C 时输出电压达 740V，电流为 17.24µA，约为纯 TPU 器件的 1.4 倍。

该传感器在加热过程中表现出 3.865V/°C 的线性温度灵敏度，冷却过程中为 - 3.645V/°C，在 20 次热循环中重现性良好。有限元模拟（FEM）显示，更有序的内部结构和可移动的自由离子使热传递更快，而机械压力通过促进离子释放进一步提高了输出性能。

在实际演示中，iTS-TENG 在 70°C 下仅用 400 秒就将 220µF 的电容器充电至 2V。不过，离子液体含量较高的器件性能有所下降，这是由于电荷泄漏所致，这也证实 10wt.% 是离子液体的最佳添加比例。

在可穿戴电子设备中的应用

iTS-TENG 的透明性、柔性和可拉伸性使其非常适合集成到可穿戴技术中，如智能纺织品和皮肤贴装健康监测器。

研究人员将 iTS-TENG 与示波器和搭载 MATLAB 的笔记本电脑相连，构建了实时温度监测系统，该系统能将摩擦电信号转换为温度读数。在 30–45°C 范围内，其结果与商用传感器的数据高度吻合。自供能特性消除了对外部能源的需求，降低了系统复杂度，提高了易用性。

展望未来

该传感器的快速响应和线性特性使其非常适合动态环境。目前仍存在一个挑战：机械输入能量的不稳定性可能影响输出稳定性。未来的设计可能会采用改进的机械结构或基于人工智能的信号处理技术，以进一步稳定性能。

这项研究凸显了材料创新如何克服 TENG 在高温下的长期局限性，为下一代电子设备中的能量收集和温度传感提供了一个可扩展、自给自足的平台。

期刊参考
Hwang, H, J., 等. (2025). 基于柔性离子弹性体的摩擦纳米发电机自供能实时温度传感. 《先进功能材料》, e04081. DOI: 10.1002/adfm.202504081, https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202504081

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