综述：基于碳的柔性温度传感器的进展：材料、原理、制造方法及应用

《Journal of Alloys and Compounds》：Advances in carbon-based flexible temperature sensors: Materials, mechanism, fabrication, and applications

碳基纳米材料（如石墨烯、碳纳米管等）因其优异电学性能被广泛用于柔性温度传感器导电油墨的开发，重点研究其导电机制、制备工艺（喷墨印刷、丝网印刷等）、传感器类型（热敏电阻）及在可穿戴医疗、环境监测等领域的应用。

　　

瓦西姆·艾哈迈德（Waseem Ahmad）|穆罕默德·塔里克（Muhammad Tarique）|里姆莎·阿巴斯（Rimsha Abbas）|伊贾兹·艾哈迈德（Ijaz Ahmad）|菲扎·卡尤姆（Fizzah Qayyum）|余素珠（Suzhu Yu）|魏军（Jun Wei）

深圳柔性印刷电子技术重点实验室，哈尔滨工业大学（深圳），中国深圳518055

摘要

基于碳的纳米材料由于其出色的电学、热学和物理特性，正成为导电纳米油墨配方中极具吸引力的成分，这使得它们特别适合用于柔性温度传感器应用。本文全面概述了石墨烯、碳纳米管（CNTs）、碳纳米纤维（CNFs）和石墨纳米颗粒，并强调了它们在优化温度传感应用纳米油墨性能方面的作用。文章探讨了油墨中的基本导电机制，特别是基于碳的纳米油墨，强调了扩散网络、分散稳定性和基底相互作用对传感器功能的重要性。同时，分析了用于柔性温度传感器的基于碳的纳米油墨的最新进展，重点关注制造方法的创新、与金属或聚合物纳米结构的结合以及印刷电子元件效率的提高。文章还介绍了几种柔性温度传感器的制造方法，包括喷墨打印、丝网印刷和3D打印，展示了基于碳的纳米油墨如何实现可扩展、灵活且经济的设备集成。这些传感器在可穿戴电子设备、环境监测和生物诊断等领域的实际应用也得到了阐述，突显了基于碳的导电纳米油墨在推动智能传感技术发展中的关键作用。

引言

感知系统、可穿戴技术、电子皮肤、电力电子、结构健康监测和智能机器人的快速发展，在可靠的温度传感方面引起了工业界和教育界的极大兴趣[1]、[2]。温度的测定在日常生活的许多方面都至关重要。近几十年来，冶金、航空航天、核能和医疗行业一直依赖于精确的温度监测[3]。为测量、监测、控制和记录而开发的适应性温度传感器吸引了研究人员对传统传感器应用多样性的关注[4]、[5]、[6]。目前，大多数柔性温度传感器专注于与人体内部温度相关的温度范围[7]、[8]。内脏器官的温度即人体温度；因此，对体温进行合理一致的监测对正常生活至关重要[9]、[10]。COVID-19的出现引发了人们对医疗领域温度监测设备需求的增加，以便在公共场所持续监测个体体温[6]、[11]。传感器将某些环境中的物理量转换为电信号，这些物理量包括温度、质量、速度、压力和热量（如人体内的）。微处理器根据具体测量结果将电信号转换为输出[12]、[13]。

传统的温度监测方法使用昂贵的金属热电偶传感器，因为它们操作简单、制造技术成熟且适用范围广[13]。然而，热电偶传感器存在一些缺点，如寿命有限、耐腐蚀性差、精度不高且易受电磁干扰。使用热电偶设备的主要问题是，在高温下制造的金属或合金容易氧化和损坏，从而导致使用寿命缩短和传感精度下降[12]。

为满足医疗监测设备的巨大市场需求，已经开发出了多种灵敏的功能材料和传感器[14]、[15]、[16]、[17]、[18]。为了制造高性能、低成本的温度传感器，研究创新材料和制造技术至关重要。常用的温度传感器制造材料包括碳纳米材料的同素异形体[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]。这些碳同素异形体以其高热导率和电导率、优异的机械刚性和强度以及显著的化学稳定性而著称[25]、[26]、[27]、[28]、[29]。此外，它们还具有快速响应、高灵敏度和一致的重复性。碳纳米材料包括富勒烯、碳纳米纤维（CNFs）、单壁碳纳米管（SWCNTs）[25]、多壁碳纳米管（MWCNTs）[23]、[30]、[31]、石墨烯、炭黑（CB）[32]、[33]、[34]、碳纳米洋葱和纳米钻石。此外，这些材料价格低廉且易于获取。这些特性共同提升了碳同素异形体在印刷和可穿戴电子领域的价值。

这些成分必须被适当分散并配制成具有适当粘度和电学特性的稳定纳米油墨，以便最佳地打印这些组件。与金属不同，碳纳米材料在纳米尺度上表现出独特的性质，包括较高的长宽比、可调的表面功能以及强大的界面相互作用，这有助于通过喷墨、丝网和气溶胶喷射等可扩展的印刷技术制造高性能设备。

本文回顾了用于温度传感器和可穿戴传感器的基于碳的纳米油墨复合材料的最新研究进展。内容涵盖了导电纳米油墨的机制、制造策略、制造方法、温度传感器的类型、实施情况及其应用。第一部分重点介绍了过去几年文献中描述的柔性温度传感器中的导电纳米油墨机制。第二部分讨论了基于碳的温度传感器的最新进展和制造技术。第三部分描述了不同类型的基于碳纳米油墨的温度传感器。第四部分阐述了使用基于碳的纳米油墨改进柔性温度传感器的方法。第五部分概述了过去十年柔性温度传感器的应用场景。

章节摘录

导电通道机制

导电通道机制指的是导电纳米油墨中的导电路径，这些路径通过许多导电颗粒的直接相互作用形成，从而实现导电行为[35]。在烧结之前，导电纳米油墨中的导电颗粒彼此隔离，无法导电[36]。随着导电纳米油墨烧结过程中温度的升高，非导电的有机载体

基于碳的复合纳米油墨的最新进展

可穿戴电子设备和柔性设备的显著发展为制造复杂的温度传感器带来了极大的兴趣[131]、[132]、[133]，尤其是那些轻便、可变[134]、[135]且适应各种表面的传感器。在众多研究材料中，基于碳的复合纳米油墨因其出色的电导率、机械柔韧性和温度敏感性而成为可行的选择。

热敏电阻温度传感器

热敏电阻是一种温度传感器，它通过改变陶瓷或聚合物材料的电阻来响应温度变化。热敏电阻的工作原理是其电阻随温度连续变化[266]。由于体积小巧，它们在有限的温度范围内表现出非线性响应，非常适合在受控环境中进行精确的温度测量[267]

柔性温度传感器的关键参数

这种多功能温度传感器可以附着在人体上，以检测表面的细微温度变化或实时监测特定区域，包括组织和器官的内部温度。它们通过改变电阻并将温度变化转换为电信号来响应温度变化。对柔性电子设备需求的增加使得传统温度传感器因性能受限而不再适用

可穿戴设备和健康监测

实时温度监测对于识别发烧、炎症和代谢问题至关重要，这使得这些传感器在远程患者监测和早期疾病检测中具有重要意义[329]。最近的改进使其在智能贴片和电子皮肤（e-skins）中得到应用，为体育、老年护理和术后康复提供了准确的实时温度映射[330]。碳纳米油墨对于温度传感器尤为重要，尤其是在机器手中

挑战与未来方向

在“万物互联”的时代，包括柔性传感器系统在内的可穿戴设备有能力通过为人体提供额外的“超级皮肤”或“超级服装”来彻底改变人类生活。尽管取得了这些进展，但大规模生产

结论

基于碳的纳米油墨的最新进展显著提升了柔性温度传感器领域的发展，这得益于新的生产方法和材料特性。显著的进步包括简化了高均匀性和导电纳米颗粒、金属、陶瓷和聚合物的合成步骤，生产出了复杂的透明导电薄膜，并将包含CNTs、石墨烯和石墨纳米颗粒的纳米油墨集成到传感器中以增强其性能

CRediT作者贡献声明

瓦西姆·艾哈迈德（Waseem Ahmad）：撰写——初稿。穆罕默德·塔里克（Muhammad Tarique）：研究、数据分析、概念化。里姆莎·阿巴斯（Rimsha Abbas）：研究、数据分析、概念化。伊贾兹·艾哈迈德（Ijaz Ahmad）：数据分析、数据管理。菲扎·卡尤姆（Fizzah Qayyum）：数据分析、数据管理。余素珠（Suzhu Yu）：撰写——审稿与编辑、数据分析、概念化。魏军（Jun Wei）：监督、研究、资金获取、数据分析、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本项工作得到了深圳市科技计划（项目编号：KQTD20200820113045083、ZDSYS20190902093220279、JCYJ20220818102403007）、深圳市归国留学人员科研基金（AK29100016、DD2440800624）的财政支持