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【四川大学:研发力-电一体化的柔性压力传感器兼具线性高灵敏响应与长期稳定服役】
线性高灵敏响应是柔性压力传感器的重要性能之一,在智能机器人、人机交互界面、人体健康监测等应用中发挥着实现精确检测的作用。目前,主流的策略通常采用多层多材结构设计方式来实现线性高灵敏传感。但该策略在传感器件机械稳定性方面埋下了隐患。其根本原因在于该设计下传感器中存在的多材料间的模量失配与多层结构间的界面不兼容。实际上,线性高灵敏响应的实现离不开高灵敏电学材料与线性力学结构的协同配合,但在这种力电异质分层结构中兼顾线性高灵敏响应与长期稳定传感仍具有挑战。
近日,四川大学杨俊龙、李光宪教授团队与其合作者,介绍了基于力-电一体化策略实现线性高灵敏兼顾长期稳定服役的柔性压力传感器。该策略通过原位生长和粘附过程,在聚氨酯材料体系中构建了稳定、一体的力学-电学功能界面,最小化传感器中模量差异以及界面的影响。多孔离子凝胶泡沫(IGF)与织物电极间的协同使得传感器在0-300 kPa范围内表现出高灵敏(16.24 kPa-1)以及优异的线性响应(R2 = 0.999)。力-电一体化的IGF与电极/介电层间的粘合界面赋予了传感器长期服役稳定性,传感器能够在高压应力(100 kPa)下承受超过15万次循环,以及在复合应力作用(压应力144.98 kPa和剪切应力38.82 kPa)下承受超过1万次循环。兼具线性响应与稳定服役的传感器具备实现线性称量以及辅助智能抓手实现长期稳定抓取循环的能力。
研究人员利用全聚氨酯基的材料体系,构建了一体化的离电型柔性压力传感器。其中,IGF作为介电层,以开孔热固性聚氨酯(TSPU)泡沫作为骨架,表面原位生长了一层热塑性聚氨酯(TPU)离子凝胶层,构建了力-电一体化结构。传感器以具备编织结构的导电布作为电极,通过在电极/介电层间策略性引入聚氨酯剂的粘合剂,实现了传感器的封装一体化结构。同质材料体系下相似的材料性质能够避免机械不匹配问题,同时也有利于多级复合界面构建。粘合层的引入使电极/介电层界面具备一定界面韧性(243 J/m2),最小化了多层结构间的界面问题。
图1. 一体化离电型柔性压力传感器的设计原理
IGF通过将TSPU泡沫在含有TPU和离子液体(IL)的溶液中浸渍,溶胀,然后取出干燥等过程实现离子凝胶层在泡沫骨架表面的原位生长。IL中与聚氨酯基体间的分子间氢键相互作用,有效防止离子液体泄露。极薄的离子凝胶层(1-3 μm)均匀的分布在泡沫骨架表面。离子凝胶层与骨架间形成了稳定界面,复合过程可以通过扩散理论与机械互锁理论解释。
图2. 力-电一体化结构
TSPU泡沫孔密度以及浸渍溶液中的TPU和IL的质量比是影响传感器灵敏度的重要因素。在合适制备条件下,传感器获得了较高的灵敏度、宽范围线性响应、极低的检测极限等综合传感性能。更重要的,力电一体化的IGF与封装一体化的器件结构使得传感器具备多种复杂工况下的、优异的传感稳定性,通过超高周期正压力循环、复合受力循环等进行了验证。
图3. 传感性能与机械稳定性
结合离电型传感器的传感机理与泡沫压缩中的结构变化过程进行分析,传感器的线性传感范围主要集中在泡沫压缩的致密化阶段。通过实验以及有限元分析验证了多孔IGF与编织结构导电布之间的多微结构协调是实现宽范围线性传感的关键。此外,粘合界面对传感过程中的信号响应几乎没有影响。
图4. 宽范围线性传感机理
研究人员利用传感器制作出简易天平,通过传感器对单位质量直接、均一的电容响应验证了线性传感方面的优势。同时,通过将传感器集成至智能抓手指尖,能够实现抓取力反馈以及抓取过程控制。更重要的,传感器能够辅助智能抓手完成超2000次多力况耦合(含16.3 kPa剪切应力)循环抓取过程,并保持信号稳定性。一体化传感器具备实际应用过程中的长期服役稳定性。
图5. 宽线性响应、稳定服役的一体化传感器应用展示
传感动态
【打破索尼垄断!郭明錤曝iPhone 18要用三星传感器】
7月25日消息,分析师郭明錤表示,苹果iPhone 18系列将会配备三星影像传感器,届时索尼的垄断地位将会被打破。
据悉,三星已经成立了专门的团队来为苹果提供服务,从2026年开始,三星将为苹果出货4800万像素1/2.6英寸超广角影像传感器,打破长期以来索尼独供的局面。
有观点认为,作为产业链上的头号大厂,苹果在全球指定近千家供应商完成零部件的生产任务,供应商名单会不时更迭。
苹果管理供应链有一个很常用的招数,就是习惯为每类零部件配置2个供应商,一方面可以使供应商互相制衡,另一方面可以拿到更优的价格。
这次苹果引入三星传感器,一方面会优化成本,另一方面会对索尼的市场地位造成影响。
而且三星相机表现也不差,毕竟自家的Galaxy S系列高端手机都是用的三星传感器,拍摄表现也处在第一梯队水平。
【8 月见,谷歌 Nest 将推第 4 代恒温器和第 2 代温度传感器】
7 月 25 日消息,消息源 Arsène Lupin 今天发布推文,曝料谷歌在 8 月 13 日举办的 Made by Google 活动中,除了会宣布全新的 Pixel 9 系列手机之外,还会推出 Nest 第 4 代恒温器(Nest Learning Thermostat)和第 2 代温度传感器(Nest Temperature Sensor)。
Nest 第 4 代恒温器(Nest Learning Thermostat)
谷歌公司于 2015 年推出第 3 代 Nest Learning Thermostat,距今已有近 10 年时间。
本次曝光的宣传海报并未透露太多细节内容,该产品兼容现有第 3 代 Nest Learning Thermostat 以及 Thermostat E。
【史上最大收购! 德国博世集团80亿美元收购供暖和空调业务】
据德国媒体报道,德国科技巨头博世集团(Bosch)23日以80亿美元(约合74亿欧元)从江森自控-日立(JCH)手中收购住宅和小型商业建筑的供暖和空调业务。此为博世集团历史上最大的一次收购。
报道称,JCH是美国江森自控和日本日立集团的合资企业,在全球从事住宅和小型商业建筑的供暖、通风和空调业务,业务范围遍及30多个国家。此次收购交易包括16个生产基地和12个研发基地。
博世股东大会和监事会已批准该收购交易。相关各方已签署具有约束力的协议。收购仍需获得监管部门批准,预计将在12个月内完成。
博世集团计划将收购的业务整合到“家居舒适”板块。通过该交易,博世在空调和供暖领域的地位得以加强。该集团指出,预计全球供暖、通风和空调解决方案市场到2030年将增长40%。“这一趋势的推动因素是技术进步、全球应对气候变化的努力以及新的法规。”
德国博世集团董事会副主席克里斯蒂安·费舍尔表示,未来,空调与供暖领域将成为博世核心业务的一部分,客户、合作伙伴和员工都将由此受益。
德国博世集团董事会主席斯特凡·哈通指出,此次收购增强了博世在美国和亚洲的市场地位,将为集团带来更多增长机遇。
【敏芯股份:全产业链研发和全供应链体系实现国产化,布局人形机器人及新能源汽车领域传感器产品】
界7月24日消息,有投资者在互动平台向敏芯股份提问:董秘,你好!市场目前忽略了敏芯产品在汽车和机器人领域的应用。请董秘介绍一下贵公司的MEMS传感器产品,在传统汽车和新能源电车,以及机器人上的具体应用。与同行相比,敏芯的优势体现在何处?另外,MEMS芯片是贵公司全栈自研吗?谢谢!
公司回答表示:公司致力于成为一家MEMS技术平台型公司,实现了全产业链研发和全供应链体系国产化。传感器在人形机器人领域有着广泛的应用,公司也开始在人形机器人传感器领域进行布局,也启动了像六维力传感器、机器人用IMU以及手套型压力及温度传感器的研发立项;同时,公司高度重视新能源汽车领域的产品布局,无论是公司的MEMS声学传感器还是MEMS压力传感器以及压力模组均在积极进行布局。
审核编辑 黄宇
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