扬州大学刘宗光/南京大学余林蔚教授Nano Letters：皮肤仿生自对准硅纳米线传感器用于快速、连续温度监测
一、研究背景
体温是人体健康的重要指标，其波动可反映多种疾病的早期征兆。例如，轻微的体温升高可能预示感染的发生，如流感或新冠病毒感染，而长期异常体温变化可能与心血管疾病、肺部疾病或代谢紊乱等慢性疾病相关。因此，连续、实时、高精度的体温监测在临床诊断和个人健康管理中具有重要意义。然而，传统温度计，如水银温度计和红外温度计，仅能提供单点测量数据，无法实现长期连续监测。尽管近年来多种无机和有机热敏材料的研究取得了进展，但这些传感器通常存在体积较大且灵敏度不足的问题，难以实现高密度集成和高空间分辨率的检测需求。
人体皮肤中的热感受器通过神经信号将温度信息传输至大脑，实现温度调节和反馈。这些感受器分布密度高，能够精确区分微小的温度差异，并对高温和低温刺激作出响应，为设计高灵敏、高空间分辨能力的温度传感器提供了重要启发。然而，实现此类传感器的关键挑战在于如何制备高性能温敏传感材料的阵列，以满足实际应用中的高精度和高分辨率要求。
二、文章简介
针对上述挑战，扬州大学刘宗光教授团队与南京大学余林蔚教授团队共同提出了一种基于自对准半导体硅纳米线（SiNW）阵列的温度传感器及其制备新技术。该传感器不仅实现了微型化和高密度集成，还具备优异的温度灵敏度和快速响应能力，满足现代医疗健康监测的需求。相关研究成果以“Skin-Inspired Self-aligned Silicon Nanowire Thermoreceptors for Rapid and Continuous Temperature Monitoring”为题发表于《Nano Letters》上。刘宗光教授为论文第一作者，陈建美博士和余林蔚教授为论文共同通讯作者。
研究亮点
高密度集成：利用自主创新的平面固-液-固（IPSLS）硅纳米线（SiNW）引导生长策略，为温度传感器的制备提供了自定位的传感通道阵列，实现了无需高精度光刻的高密度传感器集成（445个/cm2）。
优异的温度响应性能：通过SiNW的低温退火（450°C），显著提高其导电性并改善电极接触，在人体生理温度范围内具有-1.8%/°C的温度电阻系数（TCR），且能够精确定位热源。
快速响应：传感器对人体呼吸温度的响应时间为0.2秒，恢复时间约1秒，适用于快速、连续温度变化监测。
三、研究内容
1、设计思路
基于平面引导生长的SiNW阵列，集成制备高性能皮肤仿生温度传感器。该传感器由两部分组成：自对准IPSLS SiNW阵列作为热感受层，光刻和金属沉积制备的两个金属电极用作信号传输互连单元。当接收到热刺激时，SiNW热感受器感知刺激并将热信号转换为电信号，之后传输到检测设备。
图1.（a）人体皮肤表面热感应和信号传输示意图；（b）基于排列整齐的硅纳米线（SiNW）阵列的仿生温度传感器；（c，e）通过IPSLS模式实现自对准SiNW传感通道阵列的生长集成；（d）用于连续温度监测的小型化SiNW传感器的宏量制备。
2、传感性能测试
研究发现生长的SiNW传感沟道的导电性与接触特性与退火处理温度直接相关，且450℃处理后的SiNW获得了最高导电性和典型的欧姆接触。这可能是由于氢等离子体刻蚀残余非晶硅过程中形成高导电缺陷，并在低温（<450℃）处理时排出结合氢，暴露出高导电性缺陷。制备的器件对温度具有优异的线性响应特性、高的响应系数（TCR=-1.8%/℃）、连续监测和空间分辨能力。
图2. （a）SiNW通道在450℃退火后制备的传感器对加热温度的I-V响应曲线；（b）在2V偏压下，ΔI/I0随温度变化曲线；（c）计算得到的电阻随温度变化的曲线；（d）器件在25℃到100℃温度范围内的连续性能测试，温度增量为5℃；（e-f）传感器的空间分辨测试应用。
3、动态监测应用
集成到口罩中的SiNW传感器能够快速（响应时间0.2 s，恢复时间约为1 s）感知呼吸和吹气时的温度变化，且具有出色的环境适应性和稳定性。此外，该器件还可贴附在人体皮肤表面进行连续皮肤温度监测。
图3. （a, b）可集成到口罩中的SiNW传感器；传感器对（c, d）鼻子和（e, f）嘴巴处呼吸温度的连续感知，并提取了响应时间；（g, h）器件的适应性测试（环境温度~18°C），连续感知呼吸温度及其对应的提取响应时间；（i）SiNW传感器用于连续皮肤温度监测。
综上所述，SiNW温度传感器的高灵敏度、快速响应性、稳定性和大规模集成能力，使其在可穿戴健康监测和人工电子皮肤等领域具有广阔的应用前景。
该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金杰出青年基金和国家自然科学基金等项目的资助。
四、论文信息
Authors: Zongguang Liu, Rongrong Yuan, Shuyi Wang, Wei Liao, Lei Yan, Ruijin Hu, Jianmei Chen*, Linwei Yu *
Title: Skin-Inspired Self-aligned Silicon Nanowire Thermoreceptors for Rapid and Continuous Temperature Monitoring
Published in: Nano Letters, Doi: 10.1021/acs.nanolett.4c05235
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