利用纳米技术赋能柔性传感器创新

作者:admin  来源:中国科学院半导体研究所  发布时间:2024-02-18  访问量:1144

柔性传感器是指采用柔性材料制成的传感器,具有良好的柔韧性、延展性、甚至可自由弯曲甚至折叠,而且结构形式灵活多样。


随着柔性传感器的需求增长,学术界、产业界以及其他相关方都在研究如何利用纳米技术帮助他们实现目标。这个方向的研究如火如荼,许多团队已经取得了令人瞩目的研究成果。

这些进展将使基于纳米技术的柔性传感器更适用于现代社会,让更多人有兴趣在各行各业应用这些创新。

为软体机器人、医疗器械等产品开发传感器面临的挑战之一,是压力灵敏度的权衡。德克萨斯的研究小组在克服这一障碍方面取得了突破性进展。

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混合响应压力传感器结构示意图


该研究小组构建了一种混合响应压力传感器,可以无创测量来自皮肤表面的脉搏波。解释了传统电容式传感器通常如何依赖压阻和电容机制,利用介电材料来检测压力。

在最新的研究工作中,将介电材料换成了用于压力传感的高电阻导电多孔纳米复合材料(PNC)。PNC在受压时会改变电阻和电容。通过采用PNC,其传感器灵敏度提高了4倍(超20 kilopascals)。同时还在研究可将人体数字化的电子纹身。此外,研究人员认为,最新开发的传感器还可以应用于软体机器人,其柔性可以随着机器人的任意动作而弯曲

机器人的应用领域正在不断扩大,最近的创新包括利用传感器探测深埋的物体,或让人类用微型机械手指触摸昆虫。该研究小组制造的柔性压力传感器无疑将在这些应用中大显身手。

业界对人体监测传感器的兴趣由来已久,这些传感器可以帮助医生更好地了解病患面诊期间发生了什么。其中,远程监控尤为重要,远程医疗在改善医疗服务方面已变得至关重要。

欧洲最大的远程医疗研究项目包括了15万多患者,对跟踪趋势很有价值。其中一个主要结论是,远程医疗有助改善护理效果。例如,接受远程医疗的患者在治疗血流感染方面的依从性提高了4倍。传感器为远程医疗从业人员及其他人员提供了所需要的实时洞察,使他们能够在诊疗过程中无需亲自探视患者,就能做出正确的护理决策。

爱尔兰的一支研究小组开发了一种柔性石墨烯传感器。他们的研究成果构建了一种经济型纳米复合应变传感器,可以测量脉搏率或病人的吞咽能力等。这些印刷传感器的应变检测能力比行业标准高出50倍。它们还可以集成到柔性绷带等广泛使用的医疗产品中。

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柔性石墨烯传感器


研究小组表示,他们还可以在制造过程中对参数进行微调。这增加了这项技术的应用潜力和市场化能力,为研究小组设计满足客户精确需求的传感器提供了机会。目前的一些可行性研究涉及关节和步态监测、孕妇早期分娩征兆检测以及实时呼吸、脉搏检查等。

集成纳米技术的柔性传感器对于妇女健康和生育能力监测也很有价值。例如,加州理工学院的研究人员制作了一种可穿戴贴片,可用于检测汗液中的雌激素水平。传感器上有喷墨打印的金纳米颗粒和碳化钛薄膜以及微流体通道。它能跟踪排卵期的激素水平,排卵期的激素水平可能比其他月经周期阶段高10倍。

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用于检测汗液中雌激素水平的可穿戴贴片


柔性传感器的历史可以追溯到20世纪初,至今仍在为我们的现代生活带来持续的重大影响。例如,这类传感元件在新车型的生物识别传感器中发挥着关键作用。柔性特性,使其可以在更多位置更容易地安装。现有传感器在很多方面还有改进空间,特别是那些暴露在自然环境中的传感器。

德国生产聚氨酯和聚碳酸酯原材料的公司与芬兰碳纳米管开发商之间的合作就是一个很好的例子。他们的合作成果很好地解决了自动驾驶汽车激光雷达(LiDAR)在冰雪或大雾环境下工作的可靠性问题。他们共同设计了一种带有集成薄膜加热器的柔性碳纳米管护罩,能够为激光雷达除雾除冰。

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集成了碳纳米管加热器


双方合作研究了能够快速激活、均匀加热表面的节能解决方案,此外,还不能干扰与激光雷达相关的激光脉冲信号。
研究小组希望利用薄膜插入成型技术,使加热透明盖板透镜可以定制成不同的形状。他们选择了聚碳酸酯作为主要材料,这是一种玻璃的柔性替代材料。然后,他们直接在聚碳酸酯上制造了一个碳纳米管加热器,由此实现无线缆、一体化方案。
这种解决方案能使激光雷达在恶劣天气下良好运行,从而提升人们对自动驾驶汽车的信心。这项发明将推动自动驾驶技术的应用更加广泛,因为全球许多地方经常会遇到冰冻恶劣天气。
全球已经有数十家厂商获得了自动驾驶许可。这些许可允许它们在配备安全驾驶员的情况下测试车辆。要想获得监管部门的广泛认可,证明其汽车在任何天气条件下都能安全行驶至关重要。Canatu和Covestro合作提供的解决方案将有助于实现这些目标。
无论是制造工厂、医院还是其他应用领域,柔性传感器都能帮助我们更好地控制并了解统计数据或流程。这些案例表明,在这类项目中引入纳米技术往往能带来奇效。
不过,这些领域的很多项目仍侧重于开创性概念,因此涉及的研究人员需要以开放的心态跳出固有思维,突破想象的极限。此外,资金、技术洞察以及其他专业知识的支持,对于突破影响创新的障碍也至关重要。