深圳大学陈光明教授课题组AFM：基于一体式无接点p-n热电器件的高时空分辨率仿生温度传感器

人体体温作为一个重要的指标，反映了包括代谢、血液循环和温度调节等多种生理状态。然而，尽管传统的温度传感器能够满足基本的温度监测需求，但在准确性、响应速度和空间分辨率方面仍存在改进空间。近日，深圳大学陈光明教授课题组设计了一体式无接点p-n热电器件结构，以其作为传感组件，开发了一种具有高时空分辨率的智能热电传感系统。

图1 一体式无接点p-n热电模块的工艺制备。

图2 一体式无接点p-n热电模块形貌表征及成分分析。

由单壁碳纳米管（SWCNT）作为成膜的基底，碲化铋（Bi 2Te 3）作为n型材料主要成分，采用选择性抽滤的方法制备出一体式无接点p-n热电模块。

图3 一体式无接点p-n热电模块热电性能及器件稳定性。

一体式无接点p-n热电模块结构具有最小边界势垒，促使结电阻减少而优化模块的热电性能。在30K的温差下，无接点p-n热电模块的输出电压为3.07mV，是π型热电模块的1.5倍。在相同条件下，无接点p-n热电模块的总电阻为2.8Ω，比传统π型结构小了约4.7Ω，独特的结构设计促使器件性能提升。

图4 智能热电传感系统高时间分辨率特性。

无接点p-n结构赋予传感设备快速响应能力，最小的信号变化，以及开路电压和温差之间的线性关系，使其适合用作仿生温度传感器以及具有智能感知能力的类人机器人。以无接点的p-n热电模块为传感组件，从而开发了一种智能热电传感系统。以火源作为热源依次刺激小指、无名指以及中指，当温度梯度上升到达响应阈值时，手指会快速弹起，且响应时间为0.1s。

图5 智能热电传感系统高空间分辨率特性。

在空间热传感中，该传感系统可以可靠地检测到不同区域内的热刺激，每个区域的测量值小于1 cm×1 cm。热电模块置于机械手14处关节部位均可做出响应，并做出提前预设的手部动作。本实验做了三种手势验证了其空间响应特性，分别为“握紧-弹起”手势、“蜘蛛侠”手势以及“6”手势。“握紧-弹起”手势是让机械手握紧热水瓶，致使机械手做出弹起响应，而“蜘蛛侠”以及“6”手势用小型热源刺激手指指纹部位，促使各单根手指做出响应。类人反应以及精准小区域侦测刺激，体现了智能传感系统的高空间分辨特性。

总之，提出了一种无接点p-n 集成热电装置，通过选择性过滤将 p 型和 n 型材料集成在一起，形成了无接缝 p-n 热电模块。更重要的是，这种结构使器件具有快速响应能力、信号变化极小以及开路电压与温差之间具有线性关系等特点，因此适合于用作仿生温度传感器，以增强仿人机器人的智能传感能力。利用无接头 p-n 热电模块作为传感元件，开发了一种智能热电传感系统。该系统具有高时空分辨率传感功能。在时间热感应方面，该感应系统在识别热源温度方面表现出很高的准确性和及时性，温度感应变化低于 0.1 K，快速反应时间小于 0.1 秒。此外，在空间热感应方面，该感应系统能可靠地检测到不同区域内的热刺激，每个区域的面积小于 1 厘米×1 厘米。传感系统可根据每个区域的热刺激程度做出响应，从而实现精确、快速响应。这些研究结果，对于研发高时空分辨率热电传感设备在精确仿生温度传感应用方面具有重要意义。

该工作以“High Spatiotemporal Resolution Biomimetic Thermoreceptors Realizing by Jointless p-n Integration Thermoelectric Composites”为题发表在《 Advanced Functional Materials》上。深圳大学陈光明教授和杜春雨副研究员为论文通讯作者，第一作者为硕士研究生陈成智。该研究得到国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金等项目的支持。

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来源：高分子科学前沿

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