宽范围柔性各向异性热敏电阻，具有直接无线射频接口
2024-01-20 16:05:19   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

应用柔性、适形的大面积传感器，可以通过表皮和植入式传感器全面监测人体生理参数。体域网（BodyNets）便是关键应用之一，它可以应用柔软、可拉伸的智能传感材料来检测各种人体参数。其中，温度是最基本的测量值，也是大多数可穿戴传感器的集成传感参数之一。

例如，柔性温度传感器既可以作为独立器件（无线系统中的分立组件），也可以作为多路复用阵列，用于监测皮肤温度。温度传感器还可以与其它传感器一起使用，例如pH或化学生物标志物传感器，用于补偿温度交叉敏感性。

除了正温度系数（PTC）热敏电阻，柔性温度传感材料及传感器的灵敏度相对较低，电阻温度系数（TCR）通常低于100% °C⁻¹。因此，它们需要复杂的采样电路来解决电阻的微小变化。另一方面，PTC热敏电阻表现出非常高的灵敏度和TCR，但仅适用于非常窄的温度范围，通常低于10 °C。

上述温度传感器的另一个共同特征是它们的读出机制。这些柔性、可拉伸温度传感器面向传统的传感、数字化、计算及无线传输系统。在这样的系统中，模拟感测波形在被处理之前由模数转换器（ADC）采样，然后无线传输到智能手机等网关。从读出电路的角度来看，PTC热敏电阻的非线性响应导致需要开发复杂的ADC来与其连接处理。

另一方面，在检测温度和湿度等物理参数的低数据率传感器中，被测量值的直接无线传输可以实现更普遍的无线传感。RF感测标签或天线，通常用于天线与其周围环境存在明显相互作用的应用，例如，由于土壤湿度变化或冰积聚，或使用可穿戴天线的生命体征引起的介电变化。此外，基于附加功能传感器的RF传感器读出已被广泛使用，包括2D材料、导电聚合物、无机敏感材料、集总传感器，甚至细菌培养物。对于气体传感，研究表明，在 kHz频率读出电阻传感器的响应可以提高其线性度和灵敏度。

然而，由当前的感测RF应用尚不清楚RF（MHz到GHz范围）读出是否优于在DC或接近DC频率读取传感器的响应。此外，RF传感系统中使用的大多数材料都是被改造成高灵敏度谐振器，还没有专门针对RF传感应用材料设计的报道。因此，尽管人们普遍认为下一代网络（即6G及以后的网络），将支持通过波-物质相互作用进行传感，但以此为目的的功能材料仍有待开发。

据麦姆斯咨询介绍，英国格拉斯哥大学（University of Glasgow）的研究人员近日报道了一种RF热敏电阻，克服了几十年来PTC热敏电阻的动态范围限制（正是这种限制阻碍了它们在传感领域的应用），并且可以通过热敏电阻集成天线实现直接无线读出。这种基于碳聚合物基复合材料（PMC）的低成本有机热敏电阻，可以实现非常高的电阻温度系数（TCR）。并且，它们采用3D打印铸件的可扩展成型工艺制造，使其能够作为一种温度控制的微波吸收器。这种大面积PMC热敏电阻被用作谐振微波组件的衬底，而不是在低于或接近DC频率下采样的具有读出电极的小型化传感器，从而能够在传感器端无需数字转换进行远程响应读出。

RF赋能的无线温度传感

材料组成和表征

热敏电阻RFID的无电池无线读出

总结来说，研究人员提出了一种读取大面积柔性、可拉伸复合材料感测响应的方法，提出了一种CF/PDMS复合热敏电阻，以及大面积模制方法，使其能够作为包括天线和谐振器在内的RF组件的衬底。结果表明，其RF读出使传感器能够在更宽的动态范围内读取，并实现固有的无线读出，例如无电池RFID标签。此外，还表明RF传感的材料设计，优于使用谐振频域传感器中的传统材料。研究人员认为，未来的敏感材料将在读出波长相当的大表面上扩展，以实现未来的大面积无线传感电子器件，包括无芯片传感器以及下一代无线网络中的直接RF传感器调制。

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