電子皮膚具有無需身體接觸即可感知熱刺激的能力，將為智能機器人和增強現(xiàn)實等應(yīng)用帶來創(chuàng)新的互動體驗。非接觸式熱探測的實現(xiàn)（對熱和冷的刺激都有反應(yīng)），主要依賴于在長波長紅外工作的柔性紅外探測器來捕獲自發(fā)熱輻射。這類應(yīng)用對探測器的光熱探測性能和柔性程度均提出嚴(yán)格的要求。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所催化基礎(chǔ)國家重點實驗室熱電材料與器件研究團(tuán)隊開發(fā)出柔性可穿戴長波紅外光熱電探測器，并將該光熱探測器用于電子皮膚非接觸溫度感知。相關(guān)研究成果以“Touchless thermosensation enabled by flexible photothermoelectric detector for temperature prewarning function of electronic skin ”為題，發(fā)表在Advanced Materials期刊上。該研究通訊作者為姜鵬研究員和陸曉偉副研究員。

光熱電探測器主要基于光熱、熱電兩個能量轉(zhuǎn)換過程，可在無需制冷、無需偏置電壓、無接觸的條件下實現(xiàn)對長波紅外輻射（8μm至14 μm）的靈敏探測。該研究團(tuán)隊在前期對光熱電探測器相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，在具有長波紅外吸收能力的柔性聚酰亞胺（PI）襯底上構(gòu)建了Te/CuTe熱電異質(zhì)結(jié)，從而制備出高靈敏度、柔性、可穿戴的長波紅外光熱電探測器。

圖1 制備可優(yōu)化Te熱電性能的多層異質(zhì)結(jié)構(gòu)

首先，研究人員在制備了可優(yōu)化Te熱電性能的多層異質(zhì)結(jié)構(gòu)（如圖1）后，探究Te/CuTe多層異質(zhì)結(jié)構(gòu)在聚酰亞胺襯底上的紅外吸收性能，相關(guān)結(jié)果如圖2所示。接著，研究人員表征了Te/CuTe多層異質(zhì)結(jié)構(gòu)在聚酰亞胺襯底上的長波紅外探測性能，相關(guān)結(jié)果如圖3所示。Te/CuTe多層異質(zhì)結(jié)構(gòu)一方面可以提升復(fù)合薄膜的熱電功率因子，起到降低器件噪音的作用；另一方面可以通過降低其光學(xué)反射損耗，并將其光學(xué)反射極小值與聚酰亞胺吸收峰對齊，增強光熱電耦合，提升器件靈敏度。

圖2 通過抑制反射損耗來優(yōu)化光吸收

圖3 Te/CuTe多層異質(zhì)結(jié)構(gòu)的長波紅外探測性能

隨后，研究人員利用犧牲層輔助微納加工技術(shù)在柔性聚酰亞胺襯底上制備了基于Te/CuTe多層異質(zhì)結(jié)構(gòu)的熱電堆探測器陣列（4 × 4）。圖4a和圖4b分別展示了所制備的熱電堆陣列在彎曲和平坦?fàn)顟B(tài)下的照片。在非接觸式溫度感知測試中，當(dāng)目標(biāo)溫度從零下50°C上升至110°C，所制備的柔性可穿戴紅外熱電堆陣列靈敏度均優(yōu)于商業(yè)剛性熱電堆，溫度分辨能力可達(dá)0.05°C。

圖4 柔性可穿戴紅外熱電堆陣列，可用于空間分辨非接觸式熱探測

以此為基礎(chǔ)，該研究團(tuán)隊利用該紅外探測器在接近輻射源過程中響應(yīng)電壓的斜率變化，開發(fā)了動態(tài)溫度預(yù)警系統(tǒng)，使得軟體機械手可對熱源進(jìn)行預(yù)先判定，相關(guān)實驗演示如圖5所示。

圖5 柔性可穿戴紅外探測器在軟體機器人溫度預(yù)警功能中的應(yīng)用演示

這項研究為在仿生觸覺系統(tǒng)中引入紅外探測技術(shù)提供了可行的解決方案，在機器人交互感知、虛擬現(xiàn)實等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。

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https://doi.org/10.1002/adma.202313911

審核編輯：劉清