本报告介绍了一项由Hailong Yu、Shengqian Li、Junru Zhao等学者共同完成的研究，主要作者来自中国科学技术大学材料科学与工程学院及中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家实验室。该研究成果于2026年发表在期刊 《Advanced Functional Materials》 上，题为《A Self-Compensated Dual-Function Sensor for Simultaneously Gesture Recognition and Temperature Perception》。
随着人工智能、增强现实、可穿戴电子设备和软体机器人等领域的快速发展，对能够感知多种物理信息的多功能柔性传感器的需求日益增长。传统的多功能传感器通常采用集成多个传感单元和多种活性材料的方式来实现，但这不可避免地增加了器件结构的复杂性、厚度及封装负担，不利于设备的小型化和高密度集成。因此，基于单一活性材料和单一传感单元来构建多功能传感器，成为简化结构、降低成本的关键路径。
然而，这种单一材料多功能传感器面临的核心挑战在于，材料内部固有的多物理场耦合效应会导致信号串扰，严重影响传感精度。例如，用于应变传感的压阻效应（Piezoresistive effect）极易受到温度的干扰，产生热漂移，使得难以区分信号变化是源于应变还是温度波动。已有的一些解耦策略，如时域分离、多通道材料复合设计或引入辅助温度计进行校准补偿，虽有一定效果，但往往会引入额外的传感元件、材料层或复杂的器件架构，不利于高度集成。
本研究的核心目标，正是为了解决这一瓶颈问题。研究团队旨在利用单一热电材料 Bi₂Te₃（碲化铋） 同时具备的优异热电效应（Thermoelectric effect）和压阻效应，开发一种温度-应变双功能传感器，并提出一种无需引入辅助温度传感器或额外材料层的自补偿（Self-compensation）策略。该策略的核心是利用 Bi₂Te₃ 薄膜自身产生的热电压作为原位温度指示信号，来实时校正温度引起的应变传感信号漂移，从而实现单材料、紧凑型双参数传感架构下的精准信号解耦。
研究流程主要包含材料制备与表征、双物理效应耦合关系探究、传感器设计与制备、自补偿策略开发与验证，以及最终的可穿戴应用系统搭建五个阶段。
研究采用磁控溅射（Magnetron Sputtering） 技术，在25微米厚的聚酰亚胺（Polyimide, PI）基底上沉积 Bi₂Te₃ 薄膜。通过调节沉积温度（573-633 K）、溅射功率以及退火温度（573-613 K），成功制备了9种具有不同载流子浓度的 Bi₂Te₃/PI 薄膜样品。对这些薄膜的表征包括利用扫描电子显微镜（SEM）进行形貌分析，以及利用X射线衍射（XRD）进行晶体结构分析。XRD图谱显示所有样品均呈现出高(00l)择优取向，表明晶粒平行于基底生长并沿c轴堆叠。
研究团队系统测量了这9种样品的压阻效应和热电效应。通过在不同弯曲半径下（对应不同应变）记录薄膜的电阻变化，计算出各载流子浓度下的应变系数（Gauge Factor, GF）。数据显示，所有样品的GF值在-11.01至-6.40之间。通过将GF值与赛贝克系数（Seebeck coefficient）对载流子浓度作图，发现了一个关键规律：随着载流子浓度降低，GF的绝对值和赛贝克系数同步增大。这一耦合演化行为可从半导体压阻理论的能带输运机制进行解释：当费米能级靠近带边时，电子输运对由应变引起的能带结构、有效质量和散射分布等变化更为敏感，从而导致更大的相对电阻变化。
这是实现精准自补偿的前提。研究团队分别测试了应变对赛贝克效应的影响，以及温度对薄膜电阻和GF值的影响。 * 应变对赛贝克效应的影响：实验在0.00%、0.12%和0.21%三种不同应变条件下，对薄膜两端施加0到40 K的温差，记录其输出电压。结果显示，三种应变条件下的电压-温差曲线高度重合，计算得到的平均赛贝克系数约为 -190 µV K⁻¹，证明应变对赛贝克效应的影响微乎其微，可以忽略。这意味着温度传感功能在应变条件下依然准确。 * 温度对阻变和GF值的影响：实验在不施加温差的情况下，使薄膜在298 K至338 K的五个温度梯度下，同时经历从0.00%到0.21%的不同应变。记录的时间依赖电阻变化曲线清晰地展示了温度对电阻的巨大干扰，同一个电阻值（例如101.4 Ω）可能对应318 K下的0.12%应变，也可能对应328 K下的0.21%应变，导致仅凭电阻值无法准确判断应变。此外，通过线性拟合不同温度下的电阻-应变关系，发现GF值也随温度升高而下降，从 -11.9 降至 -9.6，其线性拟合方程为 GF = 0.06T - 30.15。这两项发现表明，在双参数传感中，必须同时对电阻的热漂移和GF值的温度依赖性进行校正。
基于以上研究，团队设计了一种基于 Bi₂Te₃/PI 薄膜的柔性三电极温度-应变传感器。制备流程为：首先在PI上沉积Bi₂Te₃薄膜，然后利用飞秒激光（Femtosecond laser）将其蚀刻成特定图案。接着，采用掩模溅射技术沉积金电极，用于输出电阻和电压信号。最后，在电极末端粘附一个商用电热调节器（Thermistor）用于冷端温度补偿。在结构上，两个电极间的电阻信号 (R₁₃) 对应应变传感单元，而由温差产生的热电压信号 (U₁₂) 则对应温度传感单元。
这是本研究的核心创新。团队开发了一套基于传感器自身温度信息的自补偿算法流程： * 第一步：温度测量。利用传感器的塞贝克效应，通过测量输出电压 U₁₂ 并结合已知的赛贝克系数 S，通过公式 T = U₁₂/S + T_ther 计算出薄膜的当前温度。 * 第二步：电阻热漂移校正。首先，在无应变条件下预先标定出传感单元电阻 R 与温度 T 之间的二次多项式关系。实验测得的拟合方程为 R = -0.00926T² + 7.86T + 120.23。然后，基于此关系和第一步测得的温度，计算出校正后的初始电阻 R₀_corr。 * 第三步：GF值温度校正。使用前面建立的 GF-温度关系式 GF = 0.06T - 30.15，对当前温度下的GF值进行实时更新。 * 第四步：计算真实应变。最终，利用校正后的电阻和校正后的GF值，计算出准确的应变 ε_corr = (R/R₀_corr - 1) / GF。
验证实验： * 在无应变仅加热的循环测试中，未校正的相对电阻变化 R/R₀ 达到约 1.05，而自补偿校正后的信号 R/R₀_corr 基本保持平坦，证实热漂移被有效消除。 * 在同时施加动态温度（加热至约 343 K 再冷却）和动态应变（40次弯曲，半径4.5 mm，应变0.23%）的严苛测试中，未校正的应变信号完全失真，而经过自补偿校正后的应变信号在每次弯曲时均显示出稳定且一致的响应。 * 定量分析显示，在温度影响下，应变传感的相对误差从校正前的 -4.6% K⁻¹ 降至校正后的 0.6% K⁻¹，绝对误差降低了87%。此外，该传感器还展现出优异的性能指标：温度响应时间130毫秒，应变响应时间67毫秒，温度分辨率为0.1 K，应变分辨率为0.008%，并在200次温度和弯曲循环后依然保持稳定。
为使器件实用化，团队将三电极结构改进为四电极结构，并自主设计了包含AD620信号放大芯片和ADS1115模数转换芯片的信号读出电路。基于ESP32开发板构建了物联网（IoT）无线传输系统，通过Wi-Fi将传感器数据发送至电脑的数据采集系统。研究团队将封装的传感器固定于志愿者的五根手指上，成功实现了两个层面的应用： 1. 手势识别：能够实时感知并区分不同手指的弯曲程度和不同的手势（如“OK”手势），并在电脑端同步显示。 2. 温度感知：在做出抓取动作时，可以同步检测所接触物体的温度。例如，握住常温水杯时，温度信号基本不变；而握住温水杯时，对应手指的传感器温度信号会显著上升。
本研究成果地开发了一种基于单一 Bi₂Te₃/PI 薄膜的柔性温度-应变双参数传感器，并通过一种巧妙的自补偿策略，利用材料自身的塞贝克效应原位监测温度，从而校正压阻效应中的热漂移，实现了在同一传感单元中两种信号的精确解耦。该策略无需引入任何额外的温度传感器或薄膜层，极大地简化了多功能传感器的架构。
科学价值：研究深入阐述了 Bi₂Te₃ 薄膜中压阻系数与赛贝克系数随载流子浓度的耦合演化机制，为通过调控载流子浓度来同步优化双参数传感性能提供了理论依据。同时，系统地揭示了应变与温度两种物理量在 Bi₂Te₃ 中的相互作用关系，为同类材料和器件的研究提供了重要的科学参考。
应用价值：开发的传感器在人体姿态识别、物体温度感知等方面展现出巨大潜力，可应用于健康监测、机器人触觉传感、虚拟现实交互等领域。其紧凑、简易的结构以及与物联网无线传输的成功整合，为推进智能交互电子设备的小型化和实际应用迈出了重要一步。