柔性温度-压力双参数传感器广泛应用于人体健康监测和智能机器人传感等领域，因而受到了广泛关注。然而，目前柔性温度-压力传感器基本都采用两种独立的传感材料实现双参数传感功能，这不仅提高了传感器的设计-集成难度，也增加了制造成本。因此，研发具有多功能一体化的先进传感材料成为本领域的研究重点和难点问题。碲化铋是一种能将热能直接转换为电能的半导体材料，其产生的电压与施加在材料两端的温差成正比关系，可用于温度传感；同时，该类材料在受到应力作用时，带隙会发生明显改变，表现出压阻效应，从而还可以实现压力传感。但碲化铋半导体具有本征的刚性和脆性，力学和加工性能较差，难以弯曲变形、精密加工和高密度集成器件。
近期，中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心的热电材料与器件课题组研制出一种高性能碲化铋基合金/聚酰亚胺(Bi2Te3/PI)柔性复合材料，其室温塞贝克系数达到-179 μV K-1，压阻应变因子GF达到-9.2；并基于该材料设计制备出了一种3D螺旋结构单通道双参数温度-压力传感器。该传感器利用特殊构造的3D螺旋结构首次实现了器件面外方向的温度传感；同时，利用碲化铋基合金材料的优异压阻效应，实现了高分辨率的压力传感功能。所制备的传感器温度传感灵敏度达到123.2 μV K-1leg-1，0-10 kPa下压力传感灵敏度达到120 Pa-1，其表现出良好的温度-压力传感性能，优于目前已有文献报道的同类型传感器。该工作为利用碲化铋基热电合金实现材料多功能设计和集成开辟新的研究思路和应用前景。
相关结果以“Flexible temperature-pressure dual sensor based on 3D spiral thermoelectric Bi2Te3 films”为题，于3月21日发表在Nature Communications期刊上。博士研究生喻海龙为论文第一作者，于治副研究员和邰凯平研究员为共同通讯作者。该研究工作得到了国家重点研发计划、国家高层次人才特殊支持计划、国家自然科学基金、辽宁省杰出青年基金和沈阳材料科学国家研究中心专项基金的资助。
图1. 设计制备的Bi2Te3/PI薄膜热电、压阻及柔性性能测试结果。
图2. 柔性3D螺旋结构温度-压力传感器示意图及制备流程图。
图3. 传感器温度-压力传感性能及柔性性能测试。
图4. 双参数传感器的使役性能测试。
