Возможность измерения давления, температуры и влажности важна во многих приложениях, таких как наблюдение за пациентами дома, робототехника, электронная кожа, функциональный текстиль, наблюдение и безопасность, и это лишь некоторые из них. До сих пор исследования были нацелены на интеграцию различных датчиков в одну схему, и это создало несколько технических проблем, не в последнюю очередь в отношении интерфейса для пользователя.
Ученые из лаборатории органической электроники Университета Линчёпинга под руководством профессора Ксавьера Криспина успешно объединили все три измерения в одном датчике.
Это стало возможным благодаря разработке эластичного аэрогеля из полимеров, который проводит как ионы, так и электроны, и последующему использованию термоэлектрического эффекта.
Термоэлектрический материал – это материал, в котором электроны движутся от холодной стороны материала к теплой стороне и, таким образом, создают разницу напряжений.
Когда нановолокна целлюлозы смешиваются с проводящим полимером PEDOT: PSS в воде и смесь подвергаются сублимационной сушке в вакууме, полученный материал имеет такую же структуру, как губка для стирки, аэрогель. Добавление вещества, известного как полисилан, делает губку эластичной. Приложение электрического потенциала к материалу дает линейное увеличение тока, типичное для любого резистора.
Но когда материал подвергается давлению, его сопротивление падает, и электроны легче проходят через него.
Поскольку материал является термоэлектрическим, также можно измерять изменения температуры: чем больше разница температур между теплой и холодной сторонами, тем выше развиваемое напряжение. Влажность влияет на то, насколько быстро ионы перемещаются с теплой стороны на холодную.
Если влажность равна нулю, ионы не переносятся.
"Новым является то, что мы можем различать термоэлектрический отклик электронов (дающий градиент температуры) и ионный (дающий уровень влажности), отслеживая зависимость электрического сигнала от времени.
Это потому, что два ответа происходят с разной скоростью ", – говорит Ксавье Криспин, профессор Лаборатории органической электроники и главный автор статьи, опубликованной в Advanced Science.
«Это означает, что мы можем измерять три параметра на одном материале, не связывая разные измерения», – говорит он.
Шаобо Хан, докторант и старший преподаватель Симоне Фабиано из лаборатории органической электроники, также нашли способ отделить три сигнала друг от друга, так что каждый может быть просто прочитан индивидуально.
«Наш уникальный датчик также открывает путь для Интернета вещей, снижает сложность и снижает производственные затраты.
Это преимущество не в последнюю очередь в сфере безопасности. Еще одно возможное применение – размещение датчиков в упаковках с чувствительными товарами », – говорит Симоне Фабиано.
Финансисты исследования включают Фонд Кнута и Алисы Валленбергов (проект «Хвост солнца»), Центр изучения древесины Валленберга, Центр цифровой целлюлозы Виннова, а также стратегические инвестиции правительства в передовые функциональные материалы в Университете Линчепинга, AFM.