1. 作者

侯宇誉、谢海波*、李轶博、蔡子墨、张斌、巨阳、杨华勇、徐凯臣*

2. 机构

浙江大学

3. Citation

Hou Y Y, Xie H B, Li Y B, CaI Z M, Zhang B, Yang J, Yang H Y, Xu K C. 2025. A laser-induced wide-range thin-film temperature sensor without additional anti-oxidative encapsulations. Int. J. Extrem. Manuf. 7 065508.

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https://doi.org/10.1088/2631-7990/adefa2

撰稿 | 文章作者

1.文章导读

在极端环境下对高端装备实时健康监测是一项艰巨的挑战。原位温度传感器被广泛采用，但其通常依赖于复杂的多层封装结构——绝缘层、热应力匹配层、抗氧化保护层，以避免敏感元件在高温条件下氧化失效，这种多层设计导致了制造工艺的复杂性，对器件的一致性与可规模化制备提出了更高要求。

近期，浙江大学杨华勇院士团队的谢海波教授、徐凯臣研究员发明了一种激光诱导原位导电钝化的策略，结合自研陶瓷基油墨，通过一步激光处理，即可创制无需额外抗氧化封装的薄膜温度传感器。该传感器可在-50℃至950℃范围内进行精确的实时温度传感。相关研究以“A Laser-Induced Wide-Range Thin-Film Temperature Sensor Without Additional Anti-Oxidative Encapsulations”为题发表于期刊《极端制造（英文）》（International Journal of Extreme Manufacturing），博士研究生侯宇誉为第一作者。

2.图文解析

本研究创新性地提出了一种可在极端高温条件下实现长期稳定温度监测，且无需额外抗氧化封装的原位薄膜温度传感器。基于激光诱导原位导电钝化策略，将电绝缘的二硼化钛/碳化硅陶瓷油墨快速转化为具有优异温敏响应和高温耐久性能的双层结构薄膜。薄膜内部构建致密连续的二硼化钛导电网络，表面原位形成二元非晶态氧化硅/氧化硼抗氧化保护层。这种原位、便捷的激光制造策略为高端装备复杂服役环境下的结构健康监测与故障预警提供了新思路，具有广阔的应用前景（如图1所示）。

图1  一种激光诱导的、在极端环境下工作的无抗氧化封装温敏薄膜。(a)与传统热烧结相比，所提出的激光诱导双层薄膜示意图。（a-i）激光直写前后薄膜的材料和形貌示意图。（a-ii）传统热烧结薄膜氧化示意图。（a-iii）薄膜温度传感器的宽量程温度传感示意图。(b)激光烧结形成连续均匀的TiB₂导电网络示意图。左边和中间的插图分别表示激光加工前后电子迁移的难易程度。(c)激光诱导钝化形成抗氧化非晶保护相示意图。右边和中间的插图分别表示激光加工前后氧气入侵薄膜的难易。

研究人员通过多种微观表征系统揭示了激光烧结与激光诱导钝化的协同机制，透射电镜直观展示了在单次激光作用下薄膜形成的独特双层结构。该结构在不牺牲薄膜温敏、导电性能的基础上，显著提升了其高温抗氧化能力。基于陶瓷基底和陶瓷轴承原位制造的传感器样机实现了在-50°C至950°C宽温区高精度测温。在长达30小时的高温循环测试中，器件在156℃和800℃时分别仅表现出0.97%（即1.5℃）和0.25%（即2℃）的漂移。该研究为极端环境下高端装备（如航空轴承、涡轮叶片、发动机等）的原位温度感知与运行状态监测提供了重要技术支撑与理论依据（如图2-图5）。

图2  耐高温薄膜成型的机理。(a)TiB₂/SiC油墨组分示意图。(b)不同激光能量密度制备的薄膜的高温耐久性试验。(c)随着激光能量密度的增加，不同薄膜中的材料形态示意图。(d)在6.46 J·mm^-2的激光能量密度下，薄膜材料在直写过程中的时间演变示意图。(e)F-6.46样品和(f)F-0样品高温测试前后的拉曼光谱。(g)F-6.46样品和(h)F-0样品高温测试前后的XPS谱图。(i) F-6.46样品高温测试后的FT-IR光谱。

图3  耐高温薄膜的TEM和EDS分析。(a) 耐高温薄膜的TEM截面图。(b)表层TEM图像。区域A为非晶相，区域B为多晶相。(c) 区域A和区域B的TEM和FFT放大图。(d)内部TEM图像。插图分别为白框区域的放大TEM和FFT图。(e)表层EDS元素（Ti、Si、B、O）分布图。(f)内部EDS元素（Ti, Si， B， C）分布图。

图4  薄膜温度传感器的温敏特性及附着力测试。(a)样品在50℃-800℃范围的长时间温度循环传感曲线。(b)传感器的迟滞曲线，插图为放大视图。(c) 7小时加热曲线和冷却曲线，以及根据Steinhart-Hart公式的拟合曲线和相应的拟合方程。(d) 薄膜温度传感器与商用k型热电偶的温度传感对比图。(e)传感器在室温环境条件下保存60天后的电阻变化情况。插图为传感器实物图。(f)（h）四种薄膜（F-0、F-2.58、F-6.46、F-9.04）的原始光学图像和30次3M胶带剥离试验后、超声波破坏试验后的光学图像。插图示意了界面键合。(g)在800℃加热前和(i)加热后、胶带剥离试验和超声破坏试验后四种薄膜的电阻率变化。

图5  陶瓷轴承的实时温度监测。(a)轴承上的原位薄膜温度传感器示意图。(b) Si₃N₄轴承（左）和Al₂O₃陶瓷（右）上的激光图案化薄膜。(c)监测系统在156℃至800℃的长时间循环监测。(d)不同温度范围下（-50℃~50℃、400℃~500℃、700℃~800℃）的实时监测。(e)传感器对不同强度、频率的喷灯火焰冲击的响应。(f)传感器的抗磨损和抗振动稳定性。

3.总结与展望

未来，面向更高端、复杂的工业应用，该技术仍需进行一系列的研发突破。目前，他们正在探索适用于极端高温的多模态解耦薄膜传感系统，旨在同时实现温度、压力、应变、热通量等多参数的无交叉干扰检测。

4.作者与团队简介

徐凯臣

浙江大学

徐凯臣，浙江大学百人计划研究员。主要从事柔性/生物电子制造、激光融合/原位制造研究。共发表论文70余篇，以第一/通讯在Nature Electronics, Science Advances等发表论文40余篇，授权中/美/日发明专利20余项。主持或参与科技创新2030重大项目、国家自然科学基金、浙江省重大项目、浙江省尖兵计划等，担任期刊《极端制造（英文）》，《生物设计与制造（英文）》，《光电工程》Associate Editor/Editorial Board，为90余种期刊审稿400余次。

课题组聚焦复杂或极端环境下的柔性智能传感系统设计、制造及应用研究，围绕智能算法辅助传感器设计、多模式激光增-等-减材融合制造、刚-柔-软异构系统集成三方面开展工作，目前主要聚焦机器人感知交互、表皮透气电子、植入式心脏原位感知修复等方面应用。

课题组主页：https://person.zju.edu.cn/xukc

谢海波

浙江大学

谢海波，中共党员，国家高层次人才、浙江大学求是特聘教授、博导，浙江大学机械电子工程系主任，浙江大学高端装备研究院常务副院长，国家电液控制工程技术研究中心主任，智能电液浙江省工程研究中心主任。

谢海波教授长期致力于以设计为驱动，针对工程机械行业中被国外垄断的关键阀类基础件、国家基础建设迫切需求的隧道掘进装备以及高端装备智能制造等领域，深耕基础研究与技术突破。主持国家重点研发计划项目及课题等20余项，获国家科学技术进步一等奖（排10）、中国机械工业科技进步特等奖（排1）、中国机械工业技术发明一等奖（排1）等10余项。发表SCI论文60余篇，授权发明专利40余项，参编《工业互联网平台应用实施指南》等国家标准6项。