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JS金沙:北理工课题组全印刷全电阻双模传感器具有超低温电阻系数用于无串扰压力和湿度检测方面取得重要进展

近日,JS金沙范绪阁教授课题组与中北大学省部共建动态测试技术国家重点实验室主任张文栋教授合作,在超低温电阻系数全打印全电阻湿度/压力双模传感器方面取得了重要进展。相关研究成果以“Fully printed all-resistive dual-mode sensor with ultra-low temperature coefficient of resistance for crosstalk-free detections of pressure and humidity”为题发表在国际知名期刊《Chemical Engineering Journal》(中科院与JCR双一区,IF:13.3),论文的第一作者为北京理工大学博士研究生马鸿梁,北京理工大学硕士研究生司方成为共同一作。通讯作者为北京理工大学范绪阁教授、北京理工大学的丁洁副教授及中北大学张文栋教授。

研究课题组以多壁碳纳米管(MWCNTs)为导电填料,氧化石墨烯(GO)和乙基纤维素(EC)为粘合剂,制备了一种全丝网印刷的柔性湿度压力双模传感器。所制备的双模传感器不仅具有超低的电阻温度系数(TCR = 0.182%℃-1)、出色的解耦能力、良好的湿度响应性(35.92%, -ΔI/I0)、宽湿度检测范围(22-92% RH)和快速湿度响应/恢复时间(52.19/47.55 s),而且还具有较高的压力循环稳定性(2000 次)、良好的压力灵敏度(S = -1.582% kPa-1)和快速压力响应时间(82.7 ms)。此外,该双模传感器还可用于检测湿度和压力信号的空间分布和静态监测,在不同条件下具有稳定的无串扰检测性能,这表明其在智能可穿戴应用方面具有巨大潜力。

图1 湿度/压力双模传感器的制备工艺和结构分级图

图2 湿度/压力双模传感器的表征(SEM,FTIR,XPS,流变)

图3温度对湿度/压力双模传感器电阻的影响

图4湿度/压力双模传感器的湿度响应特性分析

图5湿度/压力双模传感器的压力响应特性分析

图6湿度/压力双模传感器解耦过程

图7湿度/压力双模传感器应用于非接触测量与湿度空间定

图8湿度/压力双模传感器应用于久坐监测

论文详情:Hongliang Ma, Fangcheng Si, Chang He, Xinyu Wang, Jie Ding*, Wendong Zhang*, and Xuge Fan*, Fully printed all-resistive dual-mode sensor with ultra-low temperature coefficient of resistance for crosstalk-free detections of pressure and humidity, Chemical Engineering Journal, 2025.

DOI: https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.159394

论文链接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894725001937?via%3Dihub#m0005


本研究受到北京市自然科学基金 (4232076),国家自然科学基金(62171037 与62088101)、国家重点研发计划项目(2022YFB3204600)、国家自然科学基金优秀青年基金(海外)、北京理工大学特立青年学者人才支持计划启动项目、北京理工大学科技创新计划等项目的资助。


附主要作者简介:

马鸿梁,第一作者,JS金沙在读博士研究生。

司方成,共同一作,JS金沙在读硕士研究生。

何昶,JS金沙在读博士研究生。

王欣雨,北京理工大学徐特立书院本科生。

丁洁,共同通讯作者,北京理工大学集成电路与电子JS金沙副教授,博士毕业于英国格拉斯哥大学,导师为半导体器件建模与仿真领域国际著名学者Asen Asenov院士。研究方向:新型半导体器件的建模与仿真,CMOS器件、闪存器件的随机涨落与可靠性研究,设计与工艺协同优化方法(DTCO),传感器器件的建模仿真与机理。

张文栋,共同通讯作者,中北大学仪器与电子JS金沙教授、中北大学省部共建动态测试技术国家重点实验室主任、山西省人大教科文卫工委副主任。曾任中北大JS金沙长、太原理工大JS金沙长、山西省教育厅厅长、山西省政府副秘书长等。1997年获国家杰出青年基金,2000年获全国百篇优博,GF973与国家863技术首席。长期从事动态测试和微米纳米技术研究,先后主持完成GF973、国家863、国家自然科学基金杰出青年基金、重点项目、重大仪器专项等科研项目40余项,已发表学术论文近400篇,出版专著8部,授权国家发明专利76项。获得国家科学技术发明二等奖3项(排名第一2项,第二1项)、三等奖1项、国家科学技术进步二等奖1项、何梁何利基金“科学技术创新奖”、省部级科技进步奖一、二等奖9项、国家教学成果二等奖1项。先后被授予“全国先进工作者”称号、“国家有突出贡献的中青年专家”称号、“全国五一劳动奖”章、“第5届中国青年科技奖”章等奖励。曾在国内外首创了弹载全弹道动态参数存储测压装置,将“智能导弹黑匣子”用于多种导弹的研制中。研究成果已在兵器/航空、航天、航海等领域46个国家重大和重点工程得到广泛的应用。研究方向:动态测试技术与智能仪器、微型机电系统(MEMS)等。

范绪阁,共同通讯作者,JS金沙教授,国家级海外高层次青年人才、北京理工大学特立青年学者。留学瑞典皇家理工JS金沙8余年,博士导师: Frank Niklaus教授, 硕士导师:张文栋教授。研究方向为MEMS、NEMS、微纳传感器、微纳加工、石墨烯等敏感薄膜。曾率先研制出超小、高灵敏石墨烯纳机电加速度传感器原型器件。以一作或通讯在Nature Electronics、Science Advances、Nano Letters、Microsystems & Nanoengineering、Small、Carbon、ACS AMI等国际重要期刊与会议发表近40篇论文,申请及授权中国发明专利15项。担任科技部重点研发计划指南编制总体专家组成员及项目评审人,国家自然科学基金委、工业与信息化部、科技部、国家GF科工局、J-K-W、中国博士后管理委员会、国家留学基金委等部门的项目评审人。研究方向:微纳机电系统(MEMS/NEMS)、微纳传感器、微纳加工、石墨烯等敏感薄膜。


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