海面温度（SST）是海洋与大气之间热量、气体和物质交换的关键参数，深刻影响着全球气候、海洋生态系统和大气环流，但传统刚性海洋温度传感器难以适配海气界面海气界面短时微尺度温度剧变。由此，山东省智能感知芯片与系统重点实验室李俊漾与温琦团队，联合中国电科第22研究所晋玉剑团队、厦门大学高立波团队，提出了一种用于海气界面监测的超快响应柔性温度传感器。该研究为高精度的海面微表层温度采集提供了前沿的解决方案，也展示了柔性传感技术在复杂海洋环境监测中应用的巨大潜力。相关研究工作以“Development of fast-response flexible temperature sensor for air–sea interface monitoring”为题发表在应用物理领域国际知名期刊Applied Physics Letters上，本实验室在读硕士生李亚兵为第一作者。

本文提出的柔性温度传感器采用多层复合结构，以聚酰亚胺（PI）薄膜为基底，通过丝网印刷技术制备（见图1），采用丙烯酸共聚物（AC）和聚二甲基硅氧烷（PDMS）作为复合聚合物基质，并以炭黑（CB）和镍（Ni）作为混合导电填料。其核心传感机制基于聚合物基质的热膨胀效应：随着温度升高，AC发生相变引起体积显著膨胀，动态重构了导电填料间的纳米级间隙，从而实现对温度变化的快速、灵敏电阻响应。同时结合有限元分析（FEA），优化叉指电极的结构（见图2）。

仿真与实验结果表明，该柔性温度传感器展现出了卓越的综合性能。在0–35℃的海洋实测温度范围内，传感器电阻温度系数（TCR）高达4.82%/℃，温度分辨率为0.05℃，且响应时间仅为40毫秒；经500次加热-冷却循环测试性能仍保持稳定。同时，PDMS封装层设计使其耐受弯折、湿度以及水压等外界刺激的干扰（见图3、图4）。集成海洋浮标系统的水下实测结果表明，该传感器可在水流扰动下稳定且精确地捕捉到动态的温度波动信号（见图4），为海气界面微尺度温度实时监测领域的新技术方案，拓展了柔性传感在海洋环境监测的应用空间。

论文链接：https://doi.org/10.1063/5.0313072

图1 (a) 传感器示意图。(b) 传感器制备流程。(c) 丝网印刷银叉指电极的扫描电镜图像。(d) 传感层表面形貌，显示填料均匀分散。(e) 横截面视图，显示聚酰亚胺基底、银电极和传感层的完整层状结构。

图2 (a) 温度传感机制示意图以及25℃和40℃下相应的原子力显微镜(AFM)表面形貌图像。黑色球体代表炭黑颗粒，银色球体代表镍颗粒，矩形代表AC和PDMS基底。(b) 叉指电极的有限元分析。(c) 三个叉指电极在0-35℃范围内的动态响应归一化曲线。(d) AC:PDMS=1.5:1。(e) AC:PDMS=2:1。(f) AC:PDMS=2.5:1。

图3 (a) 传感器特性表征实验装置。(b) 传感器响应时间结果。(c) 比响应时间结果。(d) 连续响应时间结果。(e) 不同呼吸频率下的响应曲线。(f) 不同弯曲半径（60°、90°和120°）下的动态电阻响应曲线。(g) 不同压力（10g、30g、50g、100g和200g）下的响应。(h) 不同相对湿度（60%、65%、70%、75%和80%）下的响应。

图4 (a)水下特性表征实验装置。(b)传感器在10℃至30℃之间的响应和恢复时间。(c)传感器在0℃至35℃温度范围内的电阻、温度系数(TCR)和线性度。(d)传感器在34.0℃至34.5℃温度范围内，以0.05℃为增量的动态电阻变化曲线。(e)传感器在0℃至35℃范围内，以5℃为增量的加热和冷却过程中的动态电阻变化。(f)传感器在10℃至30℃之间的循环稳定性。