水下热泉在理解地球内部热力学过程、板块构造运动与极端环境生命演化中肩负着关键角色。然而，当前市面上用于水下热泉测温的传统传感器在面对喷流极端高温、冷热剧烈交替以及不规则岩石表面时，在耐热性、响应速度与柔性贴附方面常常存在不足。针对以上问题，山东省智能传感芯片与系统重点实验室李俊漾与温琦团队，联合厦门大学海振银团队与深圳职业技术大学李莹团队，提出了一种基于ITO/In₂O₃的高灵敏度柔性高温传感器设计方法。该研究不仅为水下热泉极端热环境的温度采集提供了前沿的解决方案，同时也展示了柔性传感器在深海复杂观测系统中应用的潜力。相关研究工作以“Highly Sensitive Flexible High-Temperature Sensor Based on ITO/In₂O₃ for Underwater Hot Spring Monitoring”为题发表在Science China Materials上。实验室在读硕士研究生刘世龙、胡顺涛为共同第一作者。

本文提出的柔性高温传感器采用多层封装工艺，以聚酰亚胺（PI）薄膜为柔性基底，结合高导电性的ITO与高灵敏度的In₂O₃作为敏感层，外层覆盖PET防水封装，并采用蛇形电极结构，从而高效地降低形变产生的内部应力，实现复杂岩石表面的完美贴附与原位精准测温（见图1）。仿真与实验结果表明，该柔性传感器展现出了极佳的抗疲劳与结构稳定性能，在对传感器进行10,000次机械弯曲疲劳耐久性测试后，其不仅没有性能退化，反而保持了高灵敏度（重复误差仅为±2.76%），这表明该传感器具备足够的冗余度和抗破坏力，适合应用于复杂海底形貌的工程实践（见图5）。柔性传感器具有显著的超高灵敏度（高达179.6 µV/°C），可以克服20 MPa的高压阻力，确保在热泉与海水交汇急速降温时，快速而精准地输出热电信号（见图2）。为进一步验证系统的应用能力，本团队在海水及高温硅油等多介质中开展了实地模拟试验。搭载该薄膜体系的传感器样机展现了出色的极端环境适应性，能够稳定地在接近300℃的液态环境中工作，并在海水中连续运行20小时及浸泡48小时后，其热电输出曲线变异率仅为1.94%，协调且准确地完成了高盐腐蚀环境下的长期测温任务（见图6）。这一结果充分证实了该技术在深海热泉原位温度监测领域的实用价值与广阔前景。

论文链接：https://link.springer.com/article/10.1007/s40843-025-3481-5

图 1  (a) 传感器的三维结构示意图。(b) 传感器的制备工艺流程示意图。

图 2  (a) 传感器在三个不同温度下的温度分布。(b) 传感器在三个不同温度下的热电动势(TEMF)分布。(c) 传感器在20 MPa 压力下、三个不同温度时的热电动势分布。(d) 线性传感器在弯曲变形下的内部应力分布。(e) 蛇形传感器在弯曲变形下的内部应力分布。(f) 两种传感器在不同均匀负载下的最大内部应力变化。

图 3  (a) 柔性高温传感器在不同烧结温度下的微观结构。(b) 烧结后正极薄膜的EDS (能量色散X射线光谱) 表面元素分布(C, In, O, Sn)。(c) 烧结后负极薄膜的EDS表面元素分布(C, In, O)。(d) 烧结后正极薄膜的EDS光谱分析。(e) 烧结后负极薄膜的EDS光谱分析。

图 4  (a) 传感器的测试平台。(b) 传感器的热电输出曲线及拟合曲线。(c) 传感器的拟合误差曲线。(d) 传感器在30°C至200°C 范围内的热电输出曲线和塞贝克系数。(e) 传感器在曲面上的热电输出曲线。(f) 传感器在三个温度下的热电输出曲线。(g) 传感器跨越四个循环周期的温度-电压曲线。(h) 超薄展示。(i) 超轻展示。(j) 超柔展示。

图 5  (a) 传感器在使用步进电机和丝杠进行疲劳测试时的两种状态：自然状态和最大弯曲状态。(b) 传感器经过不同弯曲循环后的热电输出曲线。(c) 传感器经过不同弯曲循环后的塞贝克系数曲线。(d) 传感器经过10,000次弯曲后、在三个温度下的热电输出曲线。(e) 传感器经过10,000次弯曲后、跨越四个循环周期的温度-电压曲线。(f) 四个常规传感器从40°C到190°C的升降温曲线。(g) 四个传感器经过 10,000 次弯曲后，从40°C到190°C的升降温曲线。

图 6  (a) 丁烷喷灯同时加热传感器和标准K型热电偶的示意图。(b) 丁烷喷灯加热期间传感器和标准K型热电偶的响应曲线。(c) 传感器在水中的温度响应曲线。(d) 传感器在海水中的温度响应曲线。(e) 传感器在硅油中的温度响应曲线。(f) 贴附在海水礁石表面的传感器的温度响应曲线。(g) 传感器在三个不同温度下于海水中的热电输出曲线。(h) 传感器在海水中的长期热电输出曲线。(i) 传感器在海水中长时间浸泡后的热电输出曲线。