Инновационный сенсор: измерение деформации, скорости и температуры

Исследователи из Института металлогении (IMR) Китайской академии наук представили революционный гибкий сенсор, способный одновременно измерять деформацию, скорость деформации и температуру с использованием всего одного активного слоя материала. Это достижение открывает новые горизонты в области мультимодальных сенсорных технологий.

Разработанный сенсор преодолевает сложности традиционных решений, которые зачастую требуют многослойных конструкций из различных материалов для выполнения отдельных функций. Такие системы, как правило, отличаются громоздкой аппаратурой для сбора сигналов и нуждаются во внешних источниках питания, что снижает их надежность при длительном мониторинге.

Основу новинки составляет специально разработанная сеть наклонных теллуровых нанопроволок (Te-NWs). Благодаря тонкой инженерии материалов и структуры, ученым удалось обойти фундаментальное ограничение: невозможность одновременного сбора термоэлектрических и пьезоэлектрических сигналов в одном направлении в стандартных материалах. В уникальной архитектуре сенсора оба сигнала фиксируются и выводятся перпендикулярно плоскости датчика.

Показатели производительности сенсора впечатляют: чувствительность к деформации составляет 0.454 В, к скорости деформации — 0.0154 В·с, а к температуре — 225.1 мкВ·K⁻¹. Эти значения превосходят характеристики ранее известных мультимодальных сенсоров.

Разработка предлагает новый подход к созданию гибких одноканальных мультимодальных сенсоров, основанных на эффектах многофизического взаимодействия. Особое значение имеет способность датчика определять скорость деформации, что критически важно для динамических сценариев, поскольку скорость деформации значительно влияет на реакцию материала.

Исследование, подкрепленное расчетами по методу первых принципов, раскрывает механизмы перераспределения зарядов в атомах теллура (Te), которые порождают пьезоэлектрические эффекты, и то, как внешние поля, такие как термоэлектрические потенциалы, модулируют эти сигналы. Эта работа открывает новые возможности для применения интегрированных систем "наногенераторов" в таких областях, как искусственный интеллект, биомедицинский мониторинг и гибкая электроника.