桑阿鳳，李淮江①

（淮北師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，安徽 淮北235000）

0 引言

構(gòu)建多參數(shù)傳感器常見的的方法是創(chuàng)建傳感器陣列［1-2］或利用多個(gè)響應(yīng)參數(shù)，但只輸出單一信號的多功能材料［3］. 目前國內(nèi)對多參數(shù)傳感器的研究主要集中在傳感器陣列［4-5］、集成傳感器［6-7］以及無線多參數(shù)傳感器網(wǎng)絡(luò)［8-9］. 對多功能材料應(yīng)用在傳感器方面的研究主要集中在電化學(xué)傳感器以及生物傳感器［10］，并且對物理參數(shù)感應(yīng)傳感器研究受限在單一參數(shù)中［11］.

國外的多參數(shù)傳感器在多功能材料的研究較多，且已經(jīng)到多參數(shù)可以完全解耦的階段. 在此之前，常用的測量雙物理傳感參數(shù)的方法主要是：創(chuàng)建用于應(yīng)變和濕度傳感的小型無線傳感器［12］、用于應(yīng)變和溫度傳感的有機(jī)晶體管［13］以及用于溫度和壓力傳感的氧化還原梭［14］. 但它們都存在兩種傳感參數(shù)輸出不能完全解耦的問題.

Zhang等［15］提出的基于微結(jié)構(gòu)支架和有機(jī)熱電材料的柔性雙參數(shù)傳感器可以實(shí)現(xiàn)溫度-壓力信號的解耦，其中溫度參數(shù)的傳感主要取決于PEDOT：PSS的熱電效應(yīng)，壓力參數(shù)的傳感主要取決于彈性多孔支架微觀結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能.

Wang等［16］表明液氮冷凍干燥的混合納米纖維素（NFC）/碳納米管（CNT）氣凝膠的壓縮電性能主要來源于NFC良好的彈性力學(xué)性能，而電學(xué)性能主要來源于CNT，也表明兩種傳感參數(shù)的感應(yīng)來自于兩種物質(zhì)的不同性質(zhì).

由Han等［17］研制出的基于MIE納米纖維素氣凝膠多參數(shù)P-T-H傳感器可實(shí)現(xiàn)對壓力、溫度和濕度3個(gè)參數(shù)的獨(dú)立測量，這是通過傳感器將傳感參數(shù)的感應(yīng)轉(zhuǎn)換為電流-電壓-時(shí)間坐標(biāo)系實(shí)現(xiàn)的，如圖1所示，熱電壓隨時(shí)間的特殊演化能夠分別區(qū)分開電子Seebeck效應(yīng)和離子Seebeck效應(yīng)，從而提供一個(gè)可以直接區(qū)分溫度梯度和相對濕度的途徑. 在電流-電壓-時(shí)間坐標(biāo)系中，電流-電壓平面內(nèi)線性斜率被讀作壓力傳感參數(shù)，電壓-時(shí)間平面內(nèi)穩(wěn)定電壓被讀作溫度傳感參數(shù)，而電壓峰值與穩(wěn)定電壓之差讀作濕度傳感參數(shù). 結(jié)合文獻(xiàn)［15］和［16］可以得出，基于MIE納米纖維素氣凝膠其工作原理有兩方面：（1）對壓力參數(shù)的傳感主要取決于基于導(dǎo)電聚合物納米纖維素氣凝膠微觀結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能；（2）對溫度參數(shù)和濕度參數(shù)的傳感主要取決于PEDOT：PSS的熱電效應(yīng).

圖1 電流-電壓-時(shí)間坐標(biāo)系［17］

本文基于PEDOT：PSS-NFC 氣凝膠多參數(shù)傳感器，分析其傳感機(jī)理以及壓力、溫度和濕度等參數(shù)的傳感特性，最后討論P(yáng)EDOT：PSS-NFC氣凝膠的應(yīng)用前景.

1 PEDOT:PSS-NFC氣凝膠特性

近年來，德國Bayer 公司研制出的導(dǎo)電聚合物聚乙撐二氧噻吩（PEDOT）以其卓越的環(huán)境穩(wěn)定性、高電導(dǎo)率、易成膜、發(fā)光效率高且透明性好等優(yōu)點(diǎn)激起世界范圍內(nèi)眾多科學(xué)家的研究興趣［18］. 導(dǎo)電聚合物的電導(dǎo)率依賴于多個(gè)因素，如溫度、濕度、摻雜物質(zhì)等，因此，導(dǎo)電聚合物具備作為多參數(shù)傳感器感應(yīng)材料的潛質(zhì). 目前，人們已經(jīng)利用導(dǎo)電聚合物制備出溫度傳感器［19-20］、濕度傳感器［21-24］、氣體傳感器［24-26］、和生物傳感器［10，27］等.

PEDOT 是由乙烯二氧噻吩（EDOT）單體合成的共軛聚合物，它具有良好的導(dǎo)電性、可加工處理性和環(huán)境穩(wěn)定性，此外，在摻雜狀態(tài)下也具有良好的穩(wěn)定性［28-29］. PEDOT本身具有不溶和不熔的特性，因此它的可加工處理性較差，限制了其更廣泛的應(yīng)用. 將聚乙烯基苯磺酸（PSS）加入到PEDOT 中，所形成的PEDOT：PSS懸浮液因具有良好的分散性而克服PEDOT可加工處理性較差的缺點(diǎn)［30］. PSS的引入稱為“初次摻雜”，在“初次摻雜”過程中，PSS主要有兩個(gè)作用［31］：（1）平衡PEDOT的陽離子電荷；（2）使PEDOT在溶液中均勻分散；文獻(xiàn)［32］表明，PEDOT：PSS是一種典型的混合離子-電子導(dǎo)體（MIEC），陽離子在PSS豐富區(qū)域傳輸，電子在PEDOT上傳輸. 文獻(xiàn)［33］表明，在低濕度環(huán)境中，PEDOT：PSS只有電子導(dǎo)電，然而在高濕度條件下，PSS的電離使得PEDOT：PSS出現(xiàn)MIE導(dǎo)電現(xiàn)象，這一特性使PEDOT：PSS具備感應(yīng)濕度的能力.

PEDOT：PSS 的電導(dǎo)率在很大程度上取決于形態(tài)、微觀結(jié)構(gòu)、以及PEDOT 核芯和PSS 殼相分布［34-38］.此外，PEDOT：PSS電導(dǎo)率也受加工方法和配方中加入其他添加劑（通常稱之為“二次摻雜劑”）的影響［39］.“二次摻雜”的作用是利用高沸點(diǎn)溶劑使聚合物鏈更好的組織，消除過剩的絕緣材料，進(jìn)而使聚合物電導(dǎo)率提高幾個(gè)數(shù)量級［40］. 常用的高沸點(diǎn)溶劑有乙二醇（EG）［41］、二甲基亞砜（DMSO）［42］等. 圖2a為PEDOT化學(xué)結(jié)構(gòu)式，圖2b為PSS的化學(xué)結(jié)構(gòu)式.

圖2 （a）PEDOT的化學(xué)結(jié)構(gòu)式，（b）PSS的化學(xué)結(jié)構(gòu)式

“氣凝膠”是包含所有具有特定幾何結(jié)構(gòu)的材料，具有超低密度、大特定區(qū)域、分層開放孔、精細(xì)3D網(wǎng)絡(luò)等優(yōu)點(diǎn)，是一種新型的多孔納米材料，這種充滿氣體的支架結(jié)構(gòu)可獲得極低的密度10 mg/cm3，孔隙度超過95%，高比表面積［43-44］. 但是，單純氣凝膠的脆性以及不靈活性降低了其應(yīng)用潛力. 纖維素作為綠色植物細(xì)胞壁的主要構(gòu)成成分，除了其具有來源廣泛和可持續(xù)性的優(yōu)點(diǎn)外，還具有自身可降解和生物可相容的特性［45］. 納米纖維素纖維直徑小于100 nm［46］，可采用機(jī)械［47］或化學(xué)［48］方法從純纖維素中分離. 根據(jù)分離方法的不同，納米纖維素可分為兩類［49］：（1）纖維素納米晶體（CNC）或纖維素晶須；（2）納米纖維（NFC）. 人們已經(jīng)廣泛地使用天然纖維素去尋找具有韌性和柔性的氣凝膠，目前應(yīng)用廣泛的是NFC，NFC氣凝膠，不僅脆性降低，靈活性還得到提高［50］.

圖3 （a）PEDOT：PSS-NFC氣凝膠的電阻隨壓力增大以接近電線性減?。?7］，（b）PEDOT：PSS-NFC氣凝膠的I-V特性此，此顯示電阻隨壓力的變化［56］

NFC氣凝膠是一種機(jī)械性能良好的絕緣彈性多孔支架［51-52］. PEDOT：PSS制備成的PEDOT：PSS氣凝膠雖然具有良好的導(dǎo)電性，但具有脆性的缺點(diǎn). PEDOT：PSS與NFC氣凝膠相結(jié)合所形成的PEDOT：PSSNFC 氣凝膠不僅具備PEDOT：PSS 的導(dǎo)電性質(zhì)，還具備彈性多孔支架的機(jī)械性能. 單純的PEDOT：PSSNFC氣凝膠并不是完全彈性的，Teng等［53］在其中嵌入聚二甲基硅氧烷低聚物（PDMS）和固化劑以提高彈性. 文獻(xiàn)［54-55］表明NFC 在PEDOT：PSS-NFC 氣凝膠中的作用不僅是作為一種彈性三維支架，還提高了PEDOT：PSS的電導(dǎo)率，Malti等［55］對PEDOT：PSS-NFC氣凝膠的高電導(dǎo)率做出解釋：（1）NFC可以作為一個(gè)促進(jìn)PEDOT鏈自組織的模板；（2）吸濕的PEDOT：PSS-NFC氣凝膠相互連接充滿溶劑的納米空隙形成了一個(gè)用于快速傳輸離子的通道系統(tǒng)，使得離子電導(dǎo)率增強(qiáng). 文獻(xiàn)［17，54，56］實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明，當(dāng)PEDOT：PSS-NFC氣凝膠被壓縮時(shí)，它的阻值隨著壓力的增加而減小，呈負(fù)壓阻效應(yīng)，如圖3（a）.

1.1 PEDOT：PSS的熱電效應(yīng)

將導(dǎo)體或半導(dǎo)體置于溫度梯度中產(chǎn)生電勢差的熱電現(xiàn)象稱為Seebeck 效應(yīng)，它的效率是由Seebeck系數(shù)S表示［57］. Seebeck效應(yīng)的電勢差為式（1）所示，其中ΔT是溫差，S是Seebeck系數(shù).

熱電優(yōu)值（ZT）是表征熱電材料熱電性能的重要指標(biāo)，其公式為

其中：σ為電導(dǎo)率，T為絕對溫度，k為熱導(dǎo)率. 對于傳統(tǒng)的無機(jī)半導(dǎo)體材料，通常情況下Seebeck系數(shù)的增加往往伴隨著電導(dǎo)率的減?。?8］. 但大量數(shù)據(jù)表明［59-62］，PEDOT：PSS可以在不影響S和k的情況下，通過提升σ實(shí)現(xiàn)ZT值有效增加. 文獻(xiàn)［63-64］甚至表明，可以同時(shí)提升σ和S使ZT值增加. 文獻(xiàn)［65］對熱電材料功率因子小的原因做出解釋，表明由于導(dǎo)電聚合物的范德華鍵特性弱，在廣泛的摻雜濃度范圍內(nèi)，摻雜物通常表現(xiàn)出很小的電離分?jǐn)?shù)，大量非電離摻雜的存在會顯著降低載流子的遷移率，從而使得功率因子(σS2)降低. Kim 等［66］還發(fā)現(xiàn)，在PSS 含量較低的PEDOT：PSS 薄膜中，功率因子隨相對濕度的增加而增加.

2 PEDOT:PSS-NFC氣凝膠的壓阻效應(yīng)

單純的NFC 薄膜或者氣凝膠是絕緣的，人們采用各種不同的方法使NFC 導(dǎo)電，如將導(dǎo)電材料涂覆［67-68］或者印刷［69-70］在NFC薄膜上，或者導(dǎo)電材料與NFC混合［71-72］制成混合薄膜或氣凝膠，都取得了顯著的效果. 目前，含有導(dǎo)電聚合物［56，73］、碳納米管（CNT）［16，74］和石墨烯［75］的高孔柔性納米纖維素氣凝膠已被證明具有壓縮靈活性和電導(dǎo)性，是壓阻傳感器的理想選擇. PEDOT：PSS-NFC氣凝膠多參數(shù)傳感器對壓力參數(shù)的傳感，主要?dú)w結(jié)于PEDOT：PSS-NFC氣凝膠的壓阻效應(yīng).

壓阻式壓力傳感器是一種電阻式傳感器，其輸出信號是電阻值，電阻值隨設(shè)備的變形（如壓縮、扭轉(zhuǎn)、彎曲）而變化. 為了評價(jià)壓力傳感器的性能，評估壓力傳感器的幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)非常重要，如施加應(yīng)變（或壓力）、電阻值變化(ΔR/R0)和靈敏度或規(guī)范因子（GF）等. 文獻(xiàn)［76］實(shí)現(xiàn)的PEDOT：PSS-NFC多參數(shù)傳感器是通過將兩個(gè)電極疊加在PEDOT：PSS-NFC氣凝膠的頂部和底部，以實(shí)現(xiàn)一種夾層結(jié)構(gòu)的傳感器，然后將兩個(gè)電極與測量系統(tǒng)連接，以便測量電流和電壓數(shù)據(jù). 其模型如圖4所示.

圖4 （a）PEDOT：PSS-NFC氣凝膠傳感器原始狀態(tài)模型［76］，（b）PEDOT：PSS-NFC氣凝膠傳感器受到壓力后模型［76］

如圖4所示，當(dāng)在PEDOT：PSS-NFC氣凝膠頂部施加壓力(ΔP)時(shí)，壓縮應(yīng)變(ε)表示為

其中L0是PEDOT：PSS-NFC 氣凝膠的初始高度，L是壓縮下PEDOT：PSS-NFC 氣凝膠的高度；電阻變化（ΔR/R0）表示為

GF也可以用來對應(yīng)變裝置的壓力變化的敏感度進(jìn)行評估，定義為

其他需要評估的重要參數(shù)包括響應(yīng)時(shí)間、檢測界限、線性度、穩(wěn)定性以及遲滯效應(yīng)［77-78］. Zhou 等［54］發(fā)現(xiàn)PEDOT：PSS-NFC氣凝膠制備的傳感器不僅具有高度可拉伸性（高達(dá)100%應(yīng)變）和靈敏度（GF=14.8），還具有很高的線性度，證明PEDOT：PSS-NFC氣凝膠是一種構(gòu)成導(dǎo)電可拉伸傳感器的良好感應(yīng)材料.

文獻(xiàn)［57］通過使PEDOT：PSS-NFC和3-縮水甘油氧丙基三甲氧基硅烷（GOPS）發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)而形成的PNG 氣凝膠，具有由薄片和相互連接的纖維組成的多孔結(jié)構(gòu)，氣凝膠在壓力下壓縮到原來厚度的1/5左右后，可以完全恢復(fù)到最初的狀態(tài)，如圖5所示.

圖5 PNG氣凝膠的SEM圖像以及手指按壓下的PNG氣凝膠［57］

應(yīng)變傳感器的應(yīng)變響應(yīng)機(jī)制根據(jù)材料、微/納米結(jié)構(gòu)以及制造工藝的不同而有所差別，傳統(tǒng)的電阻應(yīng)變機(jī)制有幾何效應(yīng)和自身的壓阻效應(yīng)，而新的應(yīng)變機(jī)制如傳感元件的斷開、薄膜上裂紋的形成以及隧道效應(yīng)均可被應(yīng)用于可拉伸的應(yīng)變傳感器. 幾種應(yīng)變響應(yīng)機(jī)制包括：

1）幾何效應(yīng)［28］可以用式（7）描述：

其中:ρ是電阻率，L是電阻的長度，A是導(dǎo)體的橫截面積. 被拉伸時(shí)，材料傾向于橫向收縮，橫向收縮的效應(yīng)用無量綱泊松比μ和x與y方向上的應(yīng)變表示，具體用式（8）描述：

應(yīng)變ε=ΔL/L0，ΔL為長度的變化量，L0為導(dǎo)體的初始長度.

2）由材料變形而引起材料阻值發(fā)生變化的效應(yīng)稱為壓阻效應(yīng)［28］，用式（9）描述：

當(dāng)學(xué)生步入大學(xué)校園后，就踏入了世界觀、價(jià)值觀、人生觀形成的關(guān)鍵期。理工科學(xué)生自中學(xué)起，主要接受理科學(xué)習(xí)的思維訓(xùn)練，“重發(fā)展輕教育”〔7〕。進(jìn)入大學(xué)以后，由于專業(yè)和學(xué)科特點(diǎn)，以及高強(qiáng)度的學(xué)習(xí)壓力，使得理工科學(xué)生不得不面對課程數(shù)量多、學(xué)習(xí)任務(wù)重、專業(yè)性強(qiáng)、考核要求高等現(xiàn)實(shí)情況，在學(xué)好專業(yè)課程的同時(shí)，人文及思政類課程的學(xué)習(xí)就擺在了次要位置?！爸乜茖W(xué)精神，輕人文素養(yǎng)”〔8〕、“重學(xué)術(shù)輕思想”〔9〕，理工科學(xué)生人文素養(yǎng)相對偏低已是不爭的事實(shí)。

3）由納米材料導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的導(dǎo)電薄膜中，電子可以在滲流網(wǎng)絡(luò)中通過重疊的納米材料進(jìn)行傳輸，薄膜的拉伸使一些納米材料失去重疊區(qū)和電連接，從而提高了材料的電阻，這被稱為導(dǎo)電元件的斷開［79］. 相反，當(dāng)厚膜被壓縮時(shí)，納米材料的重疊區(qū)和電連接增加，使得材料的電阻減小.

4）裂紋是對軟聚合物層頂部涂覆的脆性薄膜進(jìn)行拉伸時(shí)產(chǎn)生和擴(kuò)展的. 由于拉伸導(dǎo)致了薄膜中微裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，嚴(yán)重限制了薄膜的導(dǎo)電能力［80］.

5）電子通過不導(dǎo)電的勢壘稱為隧穿，在一定距離內(nèi)的相鄰納米材料之間，電子可以通過聚合物薄膜以及形成量子隧穿結(jié)［81］. 兩種相鄰納米材料之間的隧穿電阻可以用西蒙斯的隧穿電阻理論近似估計(jì)，如式（10）所描述：

其中：V是電勢差，A是遂穿結(jié)的橫截面積，J是遂穿電流密度，h是Plank常數(shù)，d是相鄰納米材料距離，e是單電子電荷，m是電子質(zhì)量，λ是聚合物的勢壘高度.

文獻(xiàn)［17，33］實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，由PEDOT：PSS-NFC氣凝膠制成的多參數(shù)傳感器具有負(fù)壓阻效應(yīng)，即傳感器的電阻在壓縮后減小. 文獻(xiàn)［76］對這種現(xiàn)象做出解釋，表示負(fù)壓阻效應(yīng)可歸因于壓縮后PEDOT：PSS-NFC氣凝膠骨架之間形成更多的電接觸區(qū)或接觸點(diǎn)，從而產(chǎn)生更多的導(dǎo)電通路.

3 P-T-H傳感參數(shù)解耦

3.1 P-T傳感參數(shù)解耦

Han等［56］提出一種基于有機(jī)熱電氣凝膠策略，同時(shí)測量壓力和溫度信號. 實(shí)驗(yàn)表明，材料穩(wěn)定的I-V特性顯示斜率與壓力相關(guān)，電壓軸截距的變化與熱電壓水平相關(guān)，通過加入GOPS 克服了PEDOT：PSSNFC氣凝膠（簡稱PNG氣凝膠）機(jī)械強(qiáng)度和彈性不足的缺點(diǎn). 除此之外，文獻(xiàn)［82］表明一定量的GOPS還增加了PEDOT：PSS的環(huán)境穩(wěn)定性. 與GOPS交聯(lián)后的PEDOT：PSS能檢測到溫度的變化，而NFC和GOPS的結(jié)合也確保PNG氣凝膠的機(jī)械強(qiáng)度和彈性，以感知壓力變化.

雖然通過I-V曲線可以實(shí)現(xiàn)壓力和溫度傳感信號的解耦，但還不能獲取準(zhǔn)確的壓力信號. 文獻(xiàn)［56］經(jīng)研究表明原因有兩方面：（1）PNG氣凝膠的阻值很大，電流小，導(dǎo)致PNG氣凝膠對壓力不敏感；（2）由于PEDOT：PSS中電荷傳輸?shù)母呋罨埽瑲饽z的電阻不僅隨壓力變化而且隨溫度變化. 電阻對溫度依賴性問題，文獻(xiàn)［55］早已做出聲明. 圖6（a）顯示了壓力和溫度共同影響PNG 氣凝膠I-V特性. 因此，利用PNG氣凝膠制備的雙參數(shù)傳感器，不僅對壓力信號不敏感還無法實(shí)現(xiàn)兩參數(shù)的完全解耦.

圖6 （a）未經(jīng)DMSO蒸氣處理PNG氣凝膠的I-V特性［56］，（b）經(jīng)DMSO蒸氣處理PNG氣凝膠的I-V特性［56］

為了解決PNG 氣凝膠的壓力不敏感和兩參數(shù)不能完全解耦等問題，文獻(xiàn)［56］用DMSO 對PNG 氣凝膠進(jìn)行“三次摻雜”. 進(jìn)行“三次摻雜”的PNG氣凝膠表現(xiàn)出3個(gè)特性：（1）經(jīng)過DMSO蒸氣處理10 min后達(dá)到穩(wěn)定，獲取到一個(gè)飽和的電阻峰值，這個(gè)飽和電阻峰值比未經(jīng)處理的電阻小了兩個(gè)數(shù)量級；（2）不管經(jīng)過DMSO蒸氣處理多長時(shí)間，PNG氣凝膠的Seebeck系數(shù)保持不變，意味著PNG氣凝膠的溫度敏感性不受DMSO的影響；（3）經(jīng)過DMSO蒸氣處理10 min后，電阻緊隨著壓力的增大而減小，而不受溫度的影響.

經(jīng)DMSO蒸氣處理的PNG氣凝膠，根據(jù)所測得的I-V曲線的斜率以及壓力和電阻之間的特定關(guān)系可得出壓力信號，圖6（b）顯示了經(jīng)DMSO 蒸氣處理PNG 氣凝膠的I-V特性.I-V曲線的電壓截距可讀出PNG氣凝膠的電子熱電壓，由熱電效應(yīng)，電子的熱電壓（Ve）定義為：

其中：Se是電子Seebeck系數(shù)，ΔT是施加在PNG氣凝膠上的溫度梯度. 從I-V曲線讀出電壓截距以及知道這種材料的Seebeck系數(shù)，可得出溫度梯度ΔT. 根據(jù)電子熱電效應(yīng)得出的溫度，這種方法最好是在相對濕度RH≤50%的低濕環(huán)境中進(jìn)行.

因此，根據(jù)PNG氣凝膠傳感器所測得的I-V曲線，計(jì)算其斜率以及電壓截距可實(shí)現(xiàn)壓力和溫度信號的完全解耦.

3.2 P-H傳感參數(shù)解耦

對于PNG氣凝膠傳感器的壓力和濕度信號的解耦，存在一個(gè)可以完全解耦的窗口：壓力P＜300 pa和相對濕度RH＜70%. 在此窗口外，兩個(gè)信號的互擾變得強(qiáng)烈. 這是因?yàn)樵诟邼癍h(huán)境下（RH≥70%），吸濕氣凝膠的機(jī)械強(qiáng)度或體積發(fā)生變化，導(dǎo)致氣凝膠在高濕高壓情況下，彈性有所下降. PNG氣凝膠傳感器的I-V曲線的斜率不再是常規(guī)的壓力與電阻的關(guān)系，所以得不出準(zhǔn)確的壓力信號. 因此，PNG氣凝膠傳感器實(shí)現(xiàn)壓力和濕度信號完全解耦的條件是：壓力P＜300 pa和相對濕度RH＜70%.

3.3 T-H傳感參數(shù)解耦

PEDOT：PSS 是典型的混合電子離子導(dǎo)體，其電導(dǎo)率是離子電導(dǎo)率(σi)和電子電導(dǎo)率(σe)之和. Ail等［83］發(fā)現(xiàn)，PEDOT-PSS熱電壓的時(shí)間依賴性可以顯示電子和離子載流子分別對熱電壓的貢獻(xiàn)，可以區(qū)分3種聚合材料，分別是電子導(dǎo)體、離子導(dǎo)體和MIECS，并用實(shí)驗(yàn)結(jié)論解釋了電壓峰值會消失的原因：在一定濕度和溫度梯度環(huán)境下，MIECS內(nèi)部發(fā)生電荷重組，首先空穴向冷端擴(kuò)散，由空穴濃度梯度產(chǎn)生的熱電壓可達(dá)到約20 μV/K. 隨后質(zhì)子也會向冷端有顯著的熱擴(kuò)散，質(zhì)子運(yùn)動引起的熱電壓值過高會產(chǎn)生電場，從而導(dǎo)致冷端到熱端之間產(chǎn)生反向空穴電流，在熱的一端缺少質(zhì)子，但進(jìn)入的空穴電流又可以平衡MIECS 熱端的負(fù)電荷，導(dǎo)致電壓峰值消失. 圖7顯示了兩種載流子對熱電壓的貢獻(xiàn)，文獻(xiàn)［84］中再次表明，該峰值與離子的熱擴(kuò)散相關(guān)，峰值消失后，穩(wěn)定的熱電壓僅與電子熱擴(kuò)散相關(guān).

圖7 兩種載流子對熱電壓貢獻(xiàn)［17］

根據(jù)PNG 氣凝膠的的I-V曲線，可直接得出電壓峰值Vpeɑk以及一定時(shí)間后恒定的電子熱電壓Ve. 離子熱電壓Vi、電子對Seebeck系數(shù)的貢獻(xiàn)Se以及離子對Seebeck系數(shù)的貢獻(xiàn)Si可以由下面的公式計(jì)算出：

由此可以實(shí)現(xiàn)溫度和濕度信號的解耦. 值得注意的是，對于低濕環(huán)境（RH為30%～50%），熱電壓完全由電子提供. 當(dāng)相對濕度增加至50%以上時(shí)，PEDOT：PSS會形成離子移動的通道，從而產(chǎn)生總熱電壓即離子熱電壓和電子熱電壓之和.

因此，通過了解不同濕度水平下的離子Seebeck系數(shù)和電子Seebeck系數(shù)，可以分別提取溫度梯度和相對濕度傳感參數(shù). 結(jié)合P-H傳感參數(shù)的解耦，PNG氣凝膠若想實(shí)現(xiàn)3參數(shù)的精確測量和完全解耦，則必須在壓力P＜300 pa以及RH在50%與70%之間的環(huán)境中工作.

4 PEDOT:PSS-NFC氣凝膠的應(yīng)用

PEDOT：PSS-NFC氣凝膠用于傳感器不僅降低了多個(gè)單參數(shù)傳感器集成的復(fù)雜性和生產(chǎn)成本，還降低多個(gè)參數(shù)的相互串?dāng)_. 從應(yīng)用領(lǐng)域來看，其質(zhì)量輕、可降解的特性可用于一次性親膚醫(yī)療設(shè)備.PEDOT：PSS-NFC 氣凝膠作為一種導(dǎo)電柔性材料，可作為微電子部件的封裝材料以及電極材料；由PEDOT：PSS和NFC制成的柔性自立粘合復(fù)合材料，具有良好的力學(xué)和電學(xué)性能. 材料固有的自粘著性使其能夠被反復(fù)層壓和分層，可反復(fù)形成應(yīng)用于不同場合的電子器件；含CNT的纖維素氣凝膠展現(xiàn)了高效的電磁干擾屏蔽現(xiàn)象，預(yù)示著環(huán)保超輕的導(dǎo)電纖維素氣凝膠在飛機(jī)、航天器、汽車以及便攜式電子產(chǎn)品的應(yīng)用方面會有很大的發(fā)展空間.

氣凝膠多參數(shù)傳感器目前面臨的挑戰(zhàn)是擴(kuò)大每個(gè)目標(biāo)參數(shù)傳感的動態(tài)范圍，這將吸引更多的研究人員對傳感材料進(jìn)行優(yōu)化. 鑒于PEDOT：PSS-NFC 氣凝膠柔性導(dǎo)電的特性以及在多領(lǐng)域中的應(yīng)用，PEDOT：PSS-NFC氣凝膠在未來很長一段時(shí)間內(nèi)都將是各界研究人員關(guān)注的熱點(diǎn).