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传感器初稿 北京12330召开中关村智能传感器产业专项援助初稿研讨会

发布时间:2024-11-24 06:11:17

北京12330召开中关村智能传感器产业专项援助初稿研讨会

近日,北京12330组织召开了“中关村智能传感器产业知识产权(专利)保护策略研究”项目报告初稿研讨会,来自国家知识产权局的两名志愿专家应邀参会。

会上,项目承担单位介绍了项目整体推进情况及报告初稿主要内容。两名志愿专家针对报告初稿中的产业现状、专利数据分析、典型案例、结论建议等内容提出了针对性意见或建议。

下一步,北京12330将督促项目承担单位根据专项援助整体要求和专家意见修改完善报告内容,为项目结题验收做好准备。(虎舒婷丨北京12330)

探测极限最低为00023ms,港城大联合造出仿生石墨烯纤维传感器

近年来,新一代可穿戴式电子器件经历了爆发式的发展。2022 年,科技部发布 2022 年度“先进结构与复合材料”重点专项项目,其中就包含推动传感器产业可持续发展的相关部署。

香港城市大学化学系叶汝全教授和团队的研究方向之一,是拓展激光诱导石墨烯技术的应用,包括灭菌灭活病毒、太阳能驱动海水淡化、电催化等,此前也发表了一些论文。因此,他们希望借助激光诱导石墨烯技术,在智能传感方面做出一些贡献。

图 | 叶汝全(来源:资料图)

激光直写的石墨烯具备一些特殊特点:比如石墨烯的含氧量可调、亲疏水性控制、易掺杂其它元素、微观形貌调控等。

其中的微观形貌调控是指,制备出的石墨烯可以是多孔状的、管状的,也可以是竖直纤维状的。

压阻传感器特别是气流传感器,对于材料的微观形状变化非常敏感,比如当有气流通过时,轻型的纤维材料很容易发生变形,从而导致材料电阻发生变化。

通常学界制备的石墨烯都是多孔状的,一般不太关注其它不同形貌石墨烯的应用。而在最近的一项研究中,该课题组测试了多孔状和竖直纤维状的石墨烯的气流传感性能,包括灵敏度、反应时间和恢复时间等,结果发现多数性能都差强人意。

具体来说,多孔状的石墨烯反应时间长、灵敏度低;竖直纤维状的石墨烯灵敏度有所提高,但是响应时间会被拉长。

同时,多孔状石墨烯灵敏度较高的原因是,它的形状是笨重刚性的。而竖直纤维状石墨烯的灵敏度之所以能提高,是因为纤维状材料容易变形。其响应时间增大是因为竖直石墨烯纤维的分布比较分散,纤维与纤维之间的接触需要经过一定的距离。

后来,通过查阅气流传感的相关文献,他们发现当下的气流传感器性能仍有一些需要提升的地方,比如灵敏度仍需提高、气流测试极限还可以继续降低等。

在自然界中,鳞翅目类生物翅膀带有复杂周期性结构的鳞片,吸引了材料科学家将这种生物形态,“引用”到多种功能材料之中,比如医疗设备、光热材料、挥发性有机化合物传感器和贴片天线设计等。

同样在大自然中,有一些生物的刷毛和鳞片具备传感的功能,这些刷毛和鳞片有时沿着叶脉和翅膀边缘分布,在迁移和定向的机械感知、以及翅膀运动调节中起着关键作用。

受蝴蝶等鳞翅目类生物的启发,该团队使用薄膜刮涂器,将竖直状的石墨烯纤维转变成悬浮状的石墨烯纤维,并测试了它的气流传感性能。

他们发现悬浮状的石墨烯纤维相比其它两种形貌的石墨烯,可以实现最短 0.5s 的平均反应时间,最高 0.11s/m 的灵敏度,以及最低 0.0023m/s 的探测极限。

这些优异的性能得益于其形变具有同向延伸的堆积特点,在这方面有些类似于多米诺效应。因此,课题组开始探索利用激光工艺制备不同形貌的石墨烯,并优化其在气流传感方面的性能。

近日,相关论文以《生物启发的悬浮石墨烯纤维的超灵敏、快速响应、定向气流传感 Ultrasensitive, Fast-Responsive, Directional Airflow Sensing by Bioinspired Suspended Graphene Fibers》为题发在 Nano Letters 上[1]。

图 | 相关论文(来源:Nano Letters)

Libei Huang 是第一作者,叶汝全教授、美国密苏里大学机械与航空航天工程系教授闫政担任共同通讯作者。

研究中,该团队使用激光诱导石墨烯技术,制造了基于石墨烯的气流传感器、及其后续的形貌修饰,借此对变形机制做出改变,进而发现基于鳞片状结构的石墨烯传感器,在响应时间、恢复时间、灵敏度和检测阈值方面都达到了优异的性能。

相关机理也得到了明确的阐明,可为设计用于检测水流、气流等的下一代流量传感器提供见解和指导,有望用于环境监测、人体健康检测和个人辅助设备等。

其中,超低的气流传感器的检测极限、高度灵活性、稳定性和卓越的灵敏度,在其他应用中也有广阔的应用前景,例如在矿井和机器人中检测极慢的风。

此外,类似规模仿生的同步传播、或多米诺效应所实现的信号放大和快速响应,将在更广泛的背景下为设计下一代传感器带来启发,比如基于水流、声音和运动检测来设计传感器。

(来源:Nano Letters)

在基本工作完成之后,他们打算整理数据以及准备论文初稿。论文中包含基于不同形貌的仿生石墨烯在气流传感上的比较,为给读者带来更清晰更直观的理解,课题组希望放一些毛毛虫和蝴蝶的照片。

考虑到版权问题,需要自己去拍摄照片。碰巧有团队成员热爱摄影,平时有记录生活及拍摄的习惯,他的相册里果真有很多很漂亮且清晰的蝴蝶照片。尽管也有毛毛虫的照片,但是很模糊。

“于是,我们有想过在课题组组织爬山的时候,顺道找找有没有毛毛虫,还问过农村老家的亲戚有没有毛毛虫的照片,现在想起来还挺有趣的。”课题组表示。

(来源:Nano Letters)

接下来,他们计划进行传感器的更多创新型设计,通过构建信号发生新机制,进一步提高单个器件的检测范围和灵敏度。

同时,还将开发集成式的自动监测、分析和反馈系统,在微型化器件上实现多物理量的同时,还能检测以及解耦信号,希望借此可以解决传统气流传感器体积大、环境干扰大、响应速度慢等缺点。

参考资料:

1.Huang, L., Liu, Y., Li, G., Song, Y., Su, J., Cheng, L., ... & Ye, R. (2023). Ultrasensitive, Fast-Responsive, Directional Airflow Sensing by Bioinspired Suspended Graphene Fibers. Nano Letters.

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