零下度温度传感器

近年来，各大品牌的折叠屏手机、柔性可穿戴电子等智能设备层出不穷，成为行业热点。作为柔性电子设备的重要组成部分，柔性传感器用以测量温度，反映人体的各项指标。现有的柔性薄膜温度传感器受柔性衬底、敏感材料等限制，难以实现高温物理场的温度测量。因此，如何继承柔性薄膜传感器优势，实现柔性薄膜传感器在高温环境下的应用是一个值得关注的问题。近日，来自微纳制造领域的一项最新研究成果，为柔性传感器突破高温应用瓶颈提供了新思路。西安交通大学机械工程学院精密工程研究所的刘兆钧博士、田边教授、蒋庄德院士及其合作团队首次制备出了具有良好温度敏感性的高温柔性温度传感器。相关成果发表于工程制造领域期刊《极端制造》。传统柔性温度传感器难以实现高温无损监测柔性传感器是指采用柔性材料制成的传感器，具有良好的柔韧性、延展性，甚至可自由弯曲、折叠，而且结构形式灵活多样，可根据测量条件的要求任意布置，能够非常方便地对复杂表面进行检测。在可穿戴方面，柔性的电子产品适合“人体不是平面”的生理特性，因此更易于测试皮肤的相关参数，其可将外界的受力或受热情况转换为电信号，传递给机器人的电脑进行信号处理，从而实时精准地监测出人体各项指标。“柔性薄膜温度传感器能变形、易附着、轻薄等优点受到了研究人员的广泛关注。”田边说，“热电偶式传感器以结构简单、动态响应快、便于集中控制等优点脱颖而出。”结合二者优势，热电偶式柔性薄膜温度传感器应运而生。“温度传感器主要由两部分组成，由两种不同材料制成的温度敏感层和柔性基板。温度敏感层常由金属以及金属化合物组成，柔性基材则选择已经商业化的聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺等高分子聚合物材料。”田边表示。实际上，柔性传感器的优势使其能运用到多个领域当中，除了可穿戴设备，柔性传感器还在医疗电子、环境监测等领域显示出很好的应用前景。然而，现有的柔性薄膜温度传感器受柔性衬底、温度敏感材料等限制，难以在高温环境场中工作，更无法实现功能化应用。“因为柔性基板的熔点通常低于400℃，在高温环境中发生碳化后会变脆、变硬，因此，很难在高温环境下使用现有的柔性温度传感器。这一点也限制了它们在航空航天、钢铁冶金和爆炸损伤检测等极端环境中的应用。”田边解释道。“现有的高温温度测量手段受限于设备尺寸大、需要破坏结构、破坏气流场、受环境干扰等，难以实现对温度场的无损实时温度监测。”博士生刘兆钧补充道。因此，如何继承柔性薄膜传感器的优势，实现柔性薄膜传感器在高温环境下的安装与应用是亟须解决的关键问题。突破多项柔性温度传感器测量瓶颈为了突破柔性温度传感器的温度测量瓶颈，田边教授团队创新性地选择了具有宽温域的铝硅氧气凝胶毡作为温度传感器的柔性基板。由于柔性基板表面不均匀、粗糙度较大，难以通过传统的微纳制造工艺实现薄膜沉积与功能化，因此团队选用了丝网印刷技术制备厚膜以克服上述困难。在制备传感器的实际操作中，田边、刘兆钧等人使用有机黏合剂混合功能粉末完成浆料配置，利用高温热处理的方法去除薄膜中的多余有机物，如环氧树脂、松油醇等。同时，团队还针对不同应用表面，基于柔性材料可变形、可共形的优势，实现了功能薄膜的特定曲面化制备。“就像球鞋设计者根据球星脚底的尺寸大小来制定码数一样，这种‘独家订制’能有效解决一些问题。”田边表示，这样制备好的柔性温度传感器能够贴附于不同曲率曲面，例如叶片等。同时，其也具有超薄、超轻等优点。这项研究首次实现柔性传感器在零下190℃至零上1200℃这一极广的温度范围内工作，测试灵敏度也达到了可观的226.7微伏每摄氏度（μV/℃）。这是现有所有柔性温度传感器难以实现的。扩大柔性传感器的工作温域，为柔性传感开拓了更广阔的应用领域，它在探险排难、航空航天、钢铁冶金等领域将呈现出巨大的应用潜力。在被问及新型柔性传感器何时能够实现实际应用时，蒋庄德表示：“我们团队的研究人员对制备的柔性温度传感器已经进行了多种实验室级测试与实际测试。其中，包括对航模发动机的尾喷温度进行实时监控，小型物理爆炸场爆炸瞬时温度测量以及对坩埚中金属熔化过程进行温度监测等。传感器在整个测试过程都表现出了优异的测温能力。”在蒋庄德看来，科技发展的目标始终围绕造福人类。他指出：“我们根据柔性温度传感器极轻、极薄的特点，创新性地将其应用于智能穿戴设备，如传感器与环保透明面罩相结合设计出的智能口罩，实现对人体呼吸状态的实时监测，有望惠及长期独居旅行者和慢性病患者。我们的科研成果可以给人们的生活带来便捷，这也让科研有了‘温度’。”目前，柔性传感器许多技术仍停留在研究阶段，柔性传感器产业链整体能力亟待增强。就技术本身而言，传感器本身的稳定性、耐磨损性等还需要进一步提高。而从整个产业链的配套来说，柔性电路、柔性存储，以及软硬连接等环节也需要跟进步伐。在未来，团队也期望将制备的柔性传感器进一步优化，实现飞机表面、涡轮叶片等国之重器上的温度测量，为我国科技进步添砖加瓦。

p style=" text-indent: 2em text-align: left " 据美国《新闻周刊》网站近日报道，科学家利用激光冷却，创造出温度达到零下273℃的中性等离子体，其比太空深处温度还要低。这一成果发表于《科学》杂志，显示了极端环境下（比如白矮星和木星中央）等离子体的新的可能性。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: left " 一般认为，激光可用于加热，但其实也可用于冷却物理系统。在实验中，英国莱斯大学的汤姆· 基利安和同事使用10台不同波长的激光器来冷却中性等离子体。等离子体是在固体、液体和气体之后，物质的第四种它通常在极热的地方（比如太阳内）产生。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: left " 研究人员先用一组激光器蒸发锶金属，这些激光器捕获并冷却了一组原子。然后，他们用第二组激光电离这些超冷气体，激光脉冲将这些气体转换成等离子体，这些等离子体迅速膨胀然后消散。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: left " 基利安解释说：“如果一个粒子（原子或离子）正在移动，我用一束激光来抵制它的运动，当该粒子从激光束中散射出光子时，就获得了动量来减慢速度。诀窍在于确保光子始终从与粒子运动相反的激光中散出来。” /p p style=" text-indent: 2em text-align: left " 1999年，基利安在美国国家标准与技术研究所进行博士后研究，开创了从激光冷却的气体中创造中性等离子体的电离方法。此后，他一直在寻求让等离子体更冷的方法，最新研究让他20年的追寻成为现实。目前，他们正努力制造更冷的等离子体。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: left " 基利安说：“我们将尝试开发新的温度探头来测量更冷的温度。如果能在不让密度变得太低的情况下，将温度降到足够低，该系统将形成结晶等离子体——维格纳晶体，据信白矮星中心的离子以这种状态存在。” /p p style=" text-indent: 2em text-align: left " 基利安表示，当科学家研究出如何冷却原子气体时，就打开了“超冷世界”的大门，这使他们能将原子气体冷却到比绝对零度（零下273.15℃）高出百万分之一摄氏度左右，“在此处，量子力学开始发挥作用”。通过研究超冷等离子体，有望回答有关物质在高密度和低温的极端条件下如何表现的基本问题。 /p

大约一个世纪前，人类首次将氦气液化，开启了利用液氦进行极低温制冷的新纪元。随后，极低温制冷技术被广泛应用于大科学装置、深空探测、材料科学、量子计算等国家安全和战略高技术领域。然而，用于极低温制冷的氦元素却面临供应短缺。有什么方法可以不用氦元素实现极低温制冷？一直是科学家要着力突破的难题。1月11日，《自然》在线发表了一项关于极低温制冷的重要进展。来自中国科学院大学、中国科学院物理所以及中国科学院理论物理所等单位的研究人员，在钴基三角晶格磁性晶体中首次发现量子自旋超固态存在的实验证据。同时，他们利用该晶体材料，通过绝热去磁获得了94毫开（零下273.056摄氏度）的极低温，成功实现无液氦极低温制冷，并将该效应命名为“自旋超固态巨磁卡效应”。科研人员挑选高质量钴基三角晶格单晶样品。图片来源：央视新闻客户端《自然》审稿人对这项研究给予了高度评价。他们认为，该成果“报道了超低温下对一种复杂化合物的高质量实验”“理论与实验的符合极好地支持了该工作的核心结论”“漂亮的工作展示了自旋超固态的熵效应有多大，会引发广泛的研究兴趣”。论文共同通讯作者、中国科学院大学教授苏刚表示，这一新物态与新效应的发现是基础研究的一项重大突破，也为我国在深空探测、量子科技、物质科学等尖端领域研究的极低温制冷“卡脖子”难题提供了一种新的解决方案。