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苏州大学:研发受触毛启发的超灵敏仿生机械传感器

2024-05-16
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【苏州大学:研发受触毛启发的超灵敏仿生机械传感器】

自然界中的许多生物在数亿年的进化过程中形成了各种独特的结构和功能,这些都为人工设计提供了宝贵的灵感来源。近年来,仿生智能材料和器件引起了研究者的广泛关注,并在柔性电子、可穿戴设备、机器人等领域显示出广阔的应用前景。


最近,苏州大学的研究人员从捕蝇草的感知系统获得启发,设计并开发出了具有超高灵敏度的传感器。这种仿生机械传感器在机械稳定性、响应时间和对机械信号的灵敏度方面具有优异的性能。





▍仿生触发毛机械传感器的设计与制备

本研究设计的仿生触毛机械传感器(BTHM)主要由刚性杆和带压阻传感元件的柔性底座杆构成。设计灵感源于捕蝇草触毛,研究发现其是一种具有可变刚度的悬臂梁结构。为模仿此结构,BTHM采用了刚-柔耦合策略,由环氧树脂制成的长20 mm的刚性杆(弹性模量2.415 GPa),以及由聚二甲基硅氧烷(PDMS)制成的长5 mm带缺口结构的柔性底座杆(弹性模量0.0004至0.0035 GPa)组成。触毛底座与杆之间的缺口结构允许感觉细胞横跨其间。为模拟此功能,在BTHM底部设计了缺口结构,并安装了压阻传感元件。柔性底座杆的直径为1 mm,固定于尺寸为10 mm × 10 mm × 2 mm的亚克力板上。压阻传感元件采用带纳米裂纹的Au膜制造。    


杆和底座是通过将毛细玻璃管用作模具的模板法来制备的,而底部基板则是通过激光烧蚀技术和亚克力加工而成。使用微电极拉制仪来拉伸毛细玻璃管,从而制造带缺口的基座。通过调整落重高度,可以实现不同尺寸缺口的精确制备。将聚二甲基硅氧烷(PDMS)倒入带有缺口结构的毛细玻璃管中,以此制造出带缺口的PDMS基座。将单体和固化剂按10:1的质量比混合,以制备PDMS溶液。为消除气泡,混合物在真空中脱气后,再倒入毛细玻璃管中。在90°C下固化4小时后,将固化的PDMS结构从模具中剥离。


BTHM杆的制备继续采用毛细玻璃管作为模具。向毛细玻璃管中注入环氧树脂,制得环氧树脂杆。在制备传感器杆过程中,先按3:1的质量比混合环氧树脂的A液和B液,然后倒入容器中。随后,将装有混合溶液的容器放入室温下的真空干燥箱中,维持真空状态约10分钟以去除混合物中的气泡。将混合溶液注入玻璃管中。封闭模具两端后,将其置于70°C的真空干燥箱中固化1小时,以确保树脂完全固化。最后,从毛细玻璃管中移除固化的环氧树脂,得到刚性传感器杆。





压阻传感元件构成了仿生机械传感器的核心部件。在本研究中,压阻传感元件由两层材料构成:导电层为厚度为40至50 nm的Au膜,基底层为厚度30 μm的Ge膜。采用离子溅射仪来进行金属喷涂工艺。为进一步提升传感性能,研究人员在Au膜上制造了纳米裂纹。采用柔性底座杆的机械弯曲传统方法来制备纳米裂纹。本研究开发了一种高效制备纳米裂纹的装置。通过对柔性底座杆进行重复加载和卸载的弯曲操作,在Au膜上形成了纳米裂纹图案。因此,裂纹密度可以通过改变循环次数来调节。实验结果显示,当循环次数从20次增加至60次时,裂纹数量从大约165增加至225。此外,循环次数的增加显著提高了对载荷的检测能力。


接下来,将这些部件组装在一起。然后,用直径为0.05 mm和1.5 mm的银线分别与基座导电层的上下两端用液态金属键合。最后,将传感器固定在亚克力板上,完成传感器的制备。





▍仿生触发毛机械传感器的性能分析

实验结果显示,BTHM对微小载荷具有显著的灵敏度,其电阻变化(∆R/R0)随载荷增重而增大。在微气流检测方面,BTHM对连续和瞬时微气流均表现出稳定的响应。在连续微气流的影响下,BTHM的∆R/R0呈现稳定波动;而在瞬时微气流的作用下,则观察到∆R/R0的瞬时尖峰。此外,研究人员对BTHM在低频振动下的表现进行了测试,发现在0.125 Hz、0.5 Hz、1 Hz及2 Hz的频率下,BTHM展现出明显且重复的响应波形。对于由不同高度释放的小球撞击及手指轻敲桌面所引起的振动,BTHM同样表现出随撞击高度增加而增大的∆R/R0,显示了与手指轻敲相似的响应特性。



▍结论      

本研究基于捕蝇草触毛的感知机制与仿生制造,开发了一种新型的仿生触毛机械传感器。该传感器结合了触毛的缺口结构、管状结构以及刚柔耦合设计策略,并在缺口结构上集成了纳米裂纹的Au膜,显著增强了对机械信号的灵敏度和检测性能。实验结果证明,该传感器能够灵敏地检测微小载荷,并对连续及瞬时微气流以及低频和瞬态振动展现出稳定的响应特性。这些发现为高性能机械传感器的开发提供了新的策略和方法。


传感动态

【思特威推出笔记本电脑与平板应用系列5MP及2MP图像传感器】

近日,技术先进的CMOS图像传感器供应商思特威(SmartSens,股票代码688213),全新推出笔记本电脑与平板应用系列图像传感器产品SC521PC(5MP)及SC200PC(2MP)。两款新品都采用了思特威先进的SmartClarity -3技术,具备高灵敏度、低噪声、超低功耗等多方面性能优势。SC521PC及SC200PC基于左右PAD结构设计,适配长方形模组空间,可适用于主流笔记本电脑、平板电脑等PC设备的屏幕超薄边框摄像头。




无惧低照的高清成像体验

办公与学习作为当下笔记本电脑和平板设备的主流用途,内置摄像头主要用于满足网络会议、视频通话、线上网课等远程视讯的需求。随着PC设备整机厚度和重量的不断降低,此类远程办公与教育的用户使用场景日益灵活多变。从室内移动到户外随身,多元化的使用场景对PC设备摄像头的感光度、清晰度及动态范围等性能都提出了更高要求。SC521PC和SC200PC两款图像传感器新品采用了思特威先进的SmartClarity -3技术,基于背照式架构设计,融合SFCPixel 技术,可以为PC设备摄像头带来稳定、清晰、无惧低照的流畅影像,充分满足PC设备的多场景高清视讯需求。




01

高灵敏度

SC521PC及SC200PC两款背照式新品都搭载了思特威SFCPixel 专利技术,能够大幅提高转换增益,提升感光性能与量子效率。SC521PC与SC200PC的感光度分别高达698mV/lux·s与741mV/lux·s。因此,即使在阴天室内、户外傍晚等光线昏暗的环境下,SC521PC与SC200PC也能为PC设备摄像头带来流畅、清晰的成像效果。


02

低噪声

基于超低噪声外围读取电路技术,SC521PC与SC200PC具备出色的噪声控制性能。以SC521PC为例,与市场同规格竞品相比,SC521PC的暗场动态噪声较竞品降低约13%,固定模式噪声较竞品降低约70%。SC521PC与SC200PC的低噪声性能,能够为PC摄像头带来更高的图像质量,让成像画面的细节更清晰。


03

高动态范围

SC200PC支持多重曝光行交叠HDR模式(Staggered HDR),可以有效提升PC设备摄像头的动态范围表现。HDR模式下,SC200PC能够帮助PC设备摄像头捕捉到更为丰富的画面细节,避免明暗差异显著的环境下过曝、失真、模糊等情况的出现,保障色彩真实、细腻通透的画面效果。




【广州:推动智能芯片、智能传感器等人工智能核心产业研发】

广州市人民政府办公厅印发广州市数字经济高质量发展规划。其中提出,做强人工智能与大数据产业。推动智能芯片、智能传感器、智能软件、智能装备及机器人、智能终端等人工智能核心产业研发。




加快建设各类评估评测公共服务平台,研发推广人工智能行业应用、产品、技术及服务方面的评测方法与工具。发挥计算机视觉、语音识别等领域产业优势,培育一批具有核心竞争力的龙头企业和独角兽企业,鼓励人工智能与医疗、交通、商贸等生产性应用场景深度融合,支持在智能制造、智能安防、智能家居、智能医疗等领域实施人工智能创新应用示范工程。


推动智能硬件产品的集成应用和推广,研制智能穿戴、智能车载、智能服务机器人、虚拟现实设备等智能产品。支持企业开展数据管理能力成熟度评估工作,提升企业数据管理水平。



【「艾感科技」获数千万Pre-A轮融资,填补仿生嗅觉芯片市场空白】


嗅觉芯片研发公司「艾感科技」近日已完成Pre-A轮融资,该轮融资由清水湾基金领投,华盖资本、HKX基金、甘洁、高秉强和后浪资本跟投,后浪资本担任本轮财务顾问,此前投资机构包括嘉立创等。


「艾感科技」成立于2018年,联合创始人周清峰告诉硬氪,公司目前是全球唯一可商用大规模气体传感器阵列芯片供应商,采用香港科技大学最新NHC技术和自有知识产权的NBHive®和NHC-nose®工艺,生产小型化低功耗的气体传感器和阵列化的嗅觉芯片。主要产品有NHC单Pixel传感器&模组、2x2和3x3等阵列嗅觉芯片等。


气体作为生命活动与工业生产中的核心要素,其状态参数如温度、湿度、压力、流量及浓度的精准监测与控制至关重要。为此,在涉及气体处理和管理的场景中,例如汽车电子、环境监测、能源安全管理、仿生机器人,气体传感器扮演了不可或缺的角色。


气体传感器是一种将气体体积分数转化为对应电信号的装置。其基本功能是检测和测量气体的成分和浓度,它将气体信息转换为电信号,这些信号可以被操作人员、仪器仪表或计算机系统读取和利用。据数据统计,我国2022年气体传感器行业的市场规模达到数十亿元人民币。


当前,传统气体传感器行业呈现市场碎片化、供给落后于需求的局面。


行业内尚未形成全面、统一的气体传感器设计、生产和测试标准,导致不同厂家生产的传感器性能参数各异,互换性和兼容性较差。


此外,市场对小型化、多气体集成的气体传感器需求日益增长。然而,在保证传感器原有性能的同时实现小型化,并将多种气体检测功能整合在同一传感器上,涉及复杂的微纳制造技术和新材料研究,目前对现有气体传感器的传统技术(比如电化学、红外等)来说仍然是一大技术瓶颈。


为了解决既有气体传感器市场碎片化、性能差异大、无法实现多气体集成的局面,「艾感科技」给出了全新的技术方案——NHC技术。


NHC技术以三维多孔材料为基材,极大的比表面便于设计气体传感器阵列,实现高选择性、多种类气体的同时测量,利用人工智能和大数据分析,精准测量空气中的有毒有害及易燃气体,构筑全方位立体的空气或气味监测网络。

针对存量市场,基于NHC技术,「艾感科技」自主研发NHC甲烷气体传感器和TVOC传感器,建设1x1单pixel器件的大批量产线和2x2嗅觉芯片的小批量产线,已获稳定客源。

值得一提的是,与市面上既有半导体硅基工艺不同,三维立体结构使得器件小型化和阵列芯片化成为可能,突破传统半导体技术的瓶颈,只做增材加工,剔除减材加工步骤,节省光刻等高成本步骤,不受芯片产能制约。相比现有MEMS硅基半导体产线成本可节约1倍以上,大规模产线成本降到1000万以内。


从已实现场景来看,两款气体传感器可广泛应用于智慧家具与室内外空气质量监测、工业废气监测、可燃气体安全监测、畜牧养殖空气监测和食品保鲜等多种场景。


在存量中开拓增量,「艾感科技」还将目光放到了仿生嗅觉芯片市场。继视觉、听觉、触觉后,嗅觉是目前最具开发价值的感官,然而,彼时国内在这一块仍是空白。


据「艾感科技」介绍,2021年公司成功突破原有气体传感器单一气体的限制,创新AI气味算法开发出全球首款高集成度“仿生嗅觉芯片”。其性能、成本、体积、集成度均优于传统片外PCB级气体传感器阵列和MEMS半导体片内阵列嗅觉芯片,目前在市面上还未有同类竞品。


这也使得嗅觉芯片能第一次有机会应用至智能电子设备终端,将气体传感器拓展至百亿级增量市场空间,可逐步实现全面嗅觉数字化。未来,「艾感科技」将进一步开拓能源安全、汽车电子、具身智能等新场景。


团队方面,核心团队成员主要为香港科大教授及博士,在纳米基材、气敏材料和芯片器件结构等方面有20多年的积累。联合创始人范智勇为港科大智能传感器中心创始主任, 曾在国际顶刊发布论文超230篇。


当前,「艾感科技」将启动A轮融资,本轮投资将主要用于嗅觉芯片项目的商业化落地。





【7位院士参加!这场智能传感器产业盛会将在安徽蚌埠举办】

5月15日,第六届中国(蚌埠)MEMS智能传感器产业发展大会新闻发布会在安徽蚌埠举行。


记者从发布会上了解到,为进一步增强中国传感谷在行业内的影响力,加快产业要素集聚,助推传感谷快速发展,蚌埠市人民政府与安徽省科技厅和中国兵器工业集团民品发展部会商,定于5月24日—25日在蚌埠市联合举办第六届中国(蚌埠)MEMS智能传感器产业发展大会,将邀请院士、专家、企业家600余人参加。





中国MEMS智能传感器产业发展大会是行业内极具影响力和引领力的产业盛会,2017年至今已在蚌埠成功举办五届。此次大会突出高端引领,将邀请到蒋庄德、毛明等7位院士参加高峰论坛,并发表主旨演讲,同时围绕未来产业,举办人型机器人和脑机接口智能感知技术创新发展论坛。清华大学、北京大学、东南大学、中科院上海微系统所等国内一流高校院所将派人参加大会,并做专题发言。突出协同发展,大会受邀高校院所和企业,涉及智能传感器设计、制造、封装、测试和应用的产业链上下游各个环节,将紧扣8英寸MEMS晶圆制造线,向上下游拓展延伸,形成完整产业体系和集聚态势。突出首位产业,围绕我省汽车首位产业发展,将举办新能源汽车和智能网联汽车“车芯协同”创新与产业发展论坛,邀请省内外智能网联汽车整车厂和一级供应商发布车载传感器等核心器件发展趋势和市场需求信息,为企业开发市场急需的传感器提供支撑。


本次大会将开设三个分论坛,分别围绕MEMS器件与微系统领域,展示产品设计、技术、制造等前沿资讯和行业发展前景;围绕人形机器人和脑机接口两个领域,探索智能感知技术和核心芯片在该领域的最新研究成果和未来发展趋势;围绕新能源与智能网联汽车领域,探讨车用传感器的科研成果以及车企和芯企之间的协同发展模式。每个论坛将分别邀请10位左右的专家学者和企业家作主题发言,通过理念和智慧的交流碰撞,共同谋划创新生态的建设,加快产业协同的进程。


值得一提的是,大会开幕式上,将发布由安徽省科技厅联合省发改委、省财政厅等8部门印发的《支持中国传感谷发展若干政策》。该政策共有14条,突出“四链”融合、产业需求、省市联动,涉及支持加大投入、创新发展、人才引育、上市融资、海外发展等五个方面,旨在推动项目、企业、人才等要素资源集聚,支撑蚌埠立足中国传感谷打造皖北地区高质量发展增长极和智能传感产业集群新高地。


传感器,是人工智能硬件设施里的“神经元”,也是物联网最重要的“元器件”之一,是培育和发展新质生产力的重要基础性器件。作为中国三大传感器研发制造基地之一,近年来,蚌埠市聚焦以MEMS技术为核心的智能传感产业,加快要素集聚、平台建设,聚力打造中国传感谷,使之成功跃升全国十大智能传感器产业园区。


当前,蚌埠市产业环境不断完善,打造了国家微电子机械系统(MEMS)地方联合工程实验室、电子测试技术国防科技重点实验室、安徽省微机电系统(MEMS)技术产业创新研究院等22家省级以上研发平台,获批安徽省智能传感器科技成果转化中试基地,组建了总规模超70亿元智能传感产业发展基金,传感谷中央创新园区加快建设。创新能力显著提升,拥有6英寸高性能体硅MEMS晶圆制造平台以及8英寸微系统晶圆集成研发平台,自主研发了具有国际先进水平的4套工艺技术体系,系统解决了MEMS制造领域技术短板,先后取得各类科技成果800余项,为“神舟”“嫦娥”“天宫”“天舟”等20多项国家航天重点工程的“问天之旅”提供强力保障,成为国内中高端MEMS技术与产品的制造高地。产业集聚加快形成,培育了北方微电子研究院、芯动联科、希磁科技、有家硅光、依爱消防、双环电子等一批行业领军企业,形成了智能传感材料、设计、制造、封装、测试和应用的完整产业体系,成为全省唯一、全国为数不多的同时拥有集成电路及MEMS晶圆生产线的城市。全市智能传感产业相关企业达200余家,其中高新技术企业50家,省级以上专精特新企业17家,覆盖产业上下游各个环节,产业集聚效应日益显现,经济规模总量超百亿元。


特别是第五届MEMS大会以来,蚌埠市经开区抢抓省政府与中国兵器工业集团共建传感谷的战略机遇,不断推进中国传感谷中央创新区建设提质增效。一年来,总投资3.5亿元的传感谷共性技术平台(一期)建成运行,芯动联科成为全省MEMS领域首家上市企业,希磁科技申报上交所科创板辅导,传感谷“一谷三园多点”已集聚链上企业100余家,初步形成了研发、设计、制造、封装、测试、应用为一体的全产业链布局,2023年实现规上企业产值51亿元。


【电机位置传感器Resolver的常见设计、制造、缺陷】


1、传感器根据测量对象与测量环境确定传感器的类型  

要进行—个具体的测量工作,首先要考虑采用何种原理的传感器,这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为,即使是测量同一物理量,也有多种原理的传感器可供选用,哪一种原理的传感器更为合适,则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题:量程的大小;被测位置对传感器体积的要求;测量方式为接触式还是非接触式;信号的引出方法,有线或是非接触测量;传感器的,国产还是进口,价格能否承受,还是自行研制。    


在考虑上述问题之后就能确定选用何种类型的传感器,然后再考虑传感器的具体性能指标。      


2、传感器灵敏度的选择      

通常,在传感器的线性范围内,希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏度高时,与被测量变化对应的输出信号的值才比较大,有利于信号处理。但要注意的是,传感器的灵敏度高,与被测量无关的外界噪声也容易混入,也会被放大系统放大,影响测量精度。因此,要求传感器本身应具有较高的信噪比,尽员减少从外界引入的厂扰信号。      


传感器的灵敏度是有方向性的。当被测量是单向量,而且对其方向性要求较高,则应选择其它方向灵敏度小的传感器;如果被测量是多维向量,则要求传感器的交叉灵敏度越小越好。



3、传感器频率响应特性      

传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围,必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件,实际上传感器的响应总有—定延迟,希望延迟时间越短越好。      


传感器的频率响应高,可测的信号频率范围就宽,而由于受到结构特性的影响,机械系统的惯性较大,因有频率低的传感器可测信号的频率较低。      


在动态测量中,应根据信号的特点(稳态、瞬态、随机等)响应特性,以免产生过火的误差。      


4、传感器线性范围      

传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。以理论上讲,在此范围内,灵敏度保持定值。传感器的线性范围越宽,则其量程越大,并且能保证一定的测量精度。在选择传感器时,当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。      


但实际上,任何传感器都不能保证绝对的线性,其线性度也是相对的。当所要求测量精度比较低时,在一定的范围内,可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的,这会给测量带来极大的方便。      


5、传感器稳定性      

传感器使用一段时间后,其性能保持不变化的能力称为稳定性。影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外,主要是传感器的使用环境。因此,要使传感器具有良好的稳定性,传感器必须要有较强的环境适应能力。


 在选择传感器之前,应对其使用环境进行调查,并根据具体的使用环境选择合适的传感器,或采取适当的措施,减小环境的影响。    


传感器的稳定性有定量指标,在超过使用期后,在使用前应重新进行标定,以确定传感器的性能是否发生变化。    


在某些要求传感器能长期使用而又不能轻易更换或标定的场合,所选用的传感器稳定性要求更严格,要能够经受住长时间的考验。    


6、传感器精度      

精度是传感器的一个重要的性能指标,它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。传感器的精度越高,其价格越昂贵,因此,传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以,不必选得过高。这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器。      


如果测量目的是定性分析的,选用重复精度高的传感器即可,不宜选用绝对量值精度高的;如果是为了定量分析,必须获得精确的测量值,就需选用精度等级能满足要求的传感器。      


对某些特殊使用场合,无法选到合适的传感器,则需自行设计制造传感器。自制传感器的性能应满足使用要求。


















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