硅胶传感器 研究人员开发出利用声波能量来控制电子设备的硅胶传感器

研究人员开发出利用声波能量来控制电子设备的硅胶传感器

瑞士苏黎世——监测桥梁或建筑物等基础设施或用于聋人假肢等医疗设备的传感器需要持续供电。其能量通常来自电池，电池耗尽后会立即更换。这造成了巨大的浪费问题。欧盟的一项研究预测，到 2025 年，每天将有 7800 万块电池最终被丢弃。

由马克·塞拉·加西亚 (Marc Serra-Garcia) 和苏黎世联邦理工学院地球物理学教授约翰·罗伯茨森 (Johan Robertsson) 领导的研究人员开发的一种新型机械传感器现在可以提供补救措施。其创造者已经为其发明申请了专利，并在《先进功能材料》杂志上介绍了这一原理。

某些声波会导致传感器振动——“传感器纯粹以机械方式工作，不需要外部能源。它只是利用声波中包含的振动能量，”罗伯茨森说。

每当说出某个单词或产生特定的音调或噪音时，发出的声波(只有这些)会引起传感器振动。这种能量足以产生微小的电脉冲，从而打开已关闭的电子设备。

研究人员在位于杜本多夫苏黎世瑞士创新园的罗伯森实验室开发的原型已经获得专利。它可以区分口语单词“三”和“四”。由于与单词“三”相比，单词“四”具有更多与传感器共振的声能，因此它会导致传感器振动，而“三”则不会。这意味着“四”这个词可以打开设备或触发进一步的进程。有了“三”就不会发生任何事情。

较新的传感器版本应该能够区分多达十二个不同的单词，例如“开”、“关”、“上”和“下”等标准机器命令。与手掌大小的原型相比，新版本也小得多——大约是缩略图大小——研究人员的目标是进一步缩小它们。

该传感器就是所谓的超材料：赋予传感器特殊属性的不是所使用的材料，而是其结构。“我们的传感器纯粹由硅胶组成，不像传统电子传感器那样不含有毒重金属或任何稀土，”Serra-Garcia 说。

该传感器由数十个相同或类似结构的板组成，这些板通过微小的杆相互连接。这些连接杆的作用类似于弹簧。研究人员使用计算机建模和算法来开发这些微结构板的特殊设计，并找出如何将它们相互连接。弹簧决定特定声源是否使传感器运动。

监控基础设施——这些无电池传感器的潜在用例包括地震或建筑监控。例如，他们可以记录建筑物何时出现具有正确声音或波能的裂缝。

人们还对用于监测退役油井的无电池传感器感兴趣。气体可以从钻孔的泄漏处逸出，产生特有的嘶嘶声。这种机械传感器可以检测到这种嘶嘶声并触发警报，而无需不断消耗电力，从而使其成本更低且需要更少的维护。

用于医疗植入物的传感器 - Serra-Garcia 还看到了在医疗设备中的应用，例如人工耳蜗。这些聋人假肢需要通过电池提供永久电源来进行信号处理。它们的电源位于耳朵后面，那里没有空间容纳大型电池组。这意味着此类设备的佩戴者必须每十二小时更换一次电池。这种新型传感器还可用于连续测量眼压。“眼睛里没有足够的空间容纳带电池的传感器，”他说。

“工业界对零能量传感器也很感兴趣，”Serra-Garcia 补充道。他不再在 ETH 工作，而是在荷兰公共研究机构 AMOLF 工作，他和他的团队正在那里改进机械传感器。他们的目标是到 2027 年推出可靠的原型。“如果到那时我们还没有吸引任何人的兴趣，我们可能会找到自己的初创公司。”

传感器为什么要选择硅胶包胶工艺？

传感器是一种能够感知并转换环境中物理量或化学量的装置，广泛应用于工业、军事、医疗和消费电子等领域。传感器的精度和可靠性对于其应用的效果至关重要，而硅胶包胶工艺正是为了提高传感器的性能而广泛采用的一种工艺。下面将分析为什么传感器要选择硅胶包胶工艺。

首先，硅胶具有优良的密封性能。传感器主要由感应元件、信号处理电路和外壳组成，其中感应元件是十分敏感且易受到环境因素影响的部分。硅胶包胶工艺可以将感应元件完全封装在硅胶内部，形成一层保护膜，有效隔绝了外界的尘土、湿气和化学物质对感应元件的侵蚀，从而提高了传感器的稳定性和寿命。

其次，硅胶具有出色的抗震和抗振动性能。在某些应用场景中，传感器会面临较大的震动和振动环境，传感器元件的错位或受损都会导致测量结果的误差。硅胶包胶工艺可以有效减轻外界的冲击和振动，保护传感器内部元件的完整性和稳定性，从而提高了传感器在恶劣环境下的可靠性和精度。

此外，硅胶包胶工艺还能提供良好的绝缘和防水能力。在一些电气或电子传感器中，绝缘和防水是十分重要的性能要求。硅胶具有良好的绝缘性能，可以有效隔离电路与外部环境的接触，防止因潮湿、水分或其他液体进入而导致的电路短路或故障。硅胶还能有效防水，使传感器能够在潮湿或多湿的环境中正常工作，提高了传感器的适应能力和可靠性。

此外，硅胶包胶工艺还具有良好的耐腐蚀性和耐高温性能。一些特殊环境下的传感器可能面临酸碱腐蚀或高温环境的考验，而硅胶可以有效抵抗多种化学物质的腐蚀，同时能够在高温下保持稳定性能，确保传感器的正常工作。

综上所述，传感器为了提高其性能和可靠性常常选择硅胶包胶工艺。硅胶具有优良的密封性能、出色的抗震和抗振动性能、良好的绝缘和防水能力，以及良好的耐腐蚀性和耐高温性能，能够有效保护传感器的内部元件，并提高传感器在各种环境条件下的稳定性和精度。这些优势使得硅胶包胶工艺成为了传感器领域中的重要工艺选择。

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