浙江大学: 研究基于磁-应力阻抗和磁弹耦合效应的新型感应式手部康复压力传感器

2024-06-12
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【浙江大学: 研究基于磁-应力阻抗和磁弹耦合效应的新型感应式手部康复压力传感器

柔性电子技术因其在人体生理信号监测、柔性机器人与可穿戴设备等领域的广泛应用而备受关注,其常见传感机制主要包括电阻式、电容式、摩擦电式、压电式。然而作为电学基本参数之一的电感很少被用作柔性传感器件的响应信号,这是因为相较于其他传感机制而言,电感缺少相应的力敏感材料。非晶丝由于其特殊的磁畴结构,其阻抗对外磁场和应力场极为敏感,是一种电感信号的力响应材料,然而其硬而脆的特性很难满足柔性电子器件软而韧的要求。因此,如何将非晶丝柔性化且满足柔性传感器的性能要求成为了其向柔性电子领域拓展的技术难题。


近日,浙江大学秦发祥研究员团队开发了一种用于手部复健监测的新型感应式传感器,综合利用了非晶丝的巨磁阻抗(GMI)/应力阻抗(GSI)效应和软磁体(NdFeB@PDMS)的巨磁弹性效应(GME),为柔性传感器带来的新的机制。该传感器采用一种双层结构设计,下层为嵌有方螺旋结构非晶丝的PDMS(SSAW&PDMS),上层为含有NdFeB微粒的PDMS泡沫(NdFeB@PDMS),并沿着平面方向进行充磁。这种非晶丝构型的引入和其与软基体的复合巧妙地规避了非晶丝脆弱的缺点,还解决了输出信号的单调性问题并拓宽了传感范围。而软磁弹层的加入提高了传感器的灵敏度。随后,通过一个包含标准电容器的LC谐振电路,将传感器的工作频率从GHz范围调整到MHz范围,以补偿频率调整造成的性能下降。当传感器集成到商用分指板中时,它能够动态监测手部康复效果。




图1. 传感器制造关键工艺示意图

研究者采用Taylor-Ulitovsky法制备的玻璃包覆Co68.7Fe4Si11B13Ni1Mo2.3非晶丝作为电感传感元件,其高磁场/应力敏感性,优异的软磁性能,高机械强度等特点能够满足传感器高灵敏度、高鲁棒性的要求。同时相比于低模量的柔性材料,这种刚性传感材料具备机械可逆且无滞后的优势。在对非晶丝单轴拉伸的应力阻抗特性的研究中,发现其虚部(感抗)的灵敏度远大于阻抗模量与实部,进一步验证了利用电感信号作为传感信号的可行性。



图2. Co68.7Fe4Si11B13Ni1Mo2.3非晶丝的形貌、机械和阻抗特性

但是,这种硬而脆的力学特性使其很难单独作为柔性传感器件,将非晶丝嵌入软基体中形成复合材料是将其柔性化的有效策略。然而,在研究中发现。直接将非晶丝嵌入到PDMS中,其传感信号不满足单调性的要求,给传感信号的解析带来麻烦。这种先增大后减小的趋势源于其在受压条件下磁畴结构的变化。在压应力下,非晶丝的外壳磁畴会向轴向偏转且在高压应力下磁畴运动被阻滞。相反,在拉应力下,非晶丝的外壳磁畴会向周向偏转,其对应的周向磁导率单调下降。因此,我们设计了一种平面螺旋结构,将具备这种结构的非晶丝嵌入到PDMS中,利用PDMS的正泊松比压胀特性,将作用在复合材料表面的压力转换成作用在非晶丝上的拉应力,解决了传感信号的单调性问题。但是,仅靠这种方式还没有将非晶丝的传感性能利用到机械。考虑到其磁敏特性,我们进一步设计了一种双层结构,这种双层结构包括嵌有螺旋结构非晶丝的PDMS层(SSAW&PDMS)与填充有NdFeB微粒的PDMS泡沫层(NdFeB@PDMS)。




图3. 解决信号单调性的方法与机制

在对SSAW&PDMS的磁敏特性研究中发现,其GMI曲线满足典型的双峰特性。因此,在利用其GMI效应的时候需要注意,其信号也必须满足单调下降的条件才能在叠SSAW&PDMS层GSI效应诱导下的单调下降的信号变化规律,才能实现传感灵敏度的提升。由于磁弹体在受压条件下,其磁通密度下降,因此必须将磁弹体的初始磁通密度调整到低于GMI曲线拐点对应的磁场强度。通过调整NdFeB的掺量发现,当NdFeB微粒的质量分数为8 wt.%时传感器的灵敏度最高。通过将该磁弹性层集成到系统中,灵敏度比 SSAW&PDMS 提高了约 178%。该传感器信号漂移小,在阶跃加载(最大 115 kPa)下具有良好的加载-卸载一致性。同时,该传感器具备响应/恢复快速(40 ms),不同加载强度和频率下信号稳定,长时间循环加载高鲁棒性(15000次循环)的出色性能。




图4. SSAW&NdFeB@PDMS的传感性能


为了进一步阐明传感性能优化的机理,对磁弹层的GME效应进行了研究。在压缩状态下,微磁体的相对位置会发生变化,从而改变其中的偶极-偶极相互作用和退磁场。随着磁性微粒掺量的提高,磁弹层的初始磁通密度及其压缩前后的差值都会增大,这解释了随着掺量的提高传感灵敏度先增加后降低的变化规律。




图5. NdFeB@PDMS的巨磁弹效应


最后,利用人工构筑LC谐振电路进一步提高传感器件的应力敏感度,在串联680 pF的标准电容后,该传感器的灵敏度达到6.6 %/kPa,并在0-100 kPa的应力范围内具有极高的线性度(R2=0.99717)。将该传感器集成到商用分指板上后,能够将中分偏瘫病人手部肌力变化进行动态监测,为康复训练计划的制订提供了数据支撑。





图6. 基于电感式传感器的康复分指板


这些研究成果成功将非晶丝这种传统材料拓展到了新型柔性传感领域,同时充分利用了非晶丝的独特性能,包括导电性、高机械强度、软磁性以及GMI和GSI效应,给非晶丝的功能化提供了新的视角。同时,由于之前GME效应的信号读取依赖于电磁感应原理,使其只对动态加载敏感,利用非晶丝的磁敏特性还赋予了GME效应检测静压的能力。


传感动态

【国家重点研发计划“时速350公里及以上高铁牵引和制动系统控制状态检测传感器研制及应用”项目在南京召开课题中期检查会】

6月5日,由中国中车(601766)集团有限公司牵头,北京理工大学、北京航空航天大学、宁波中车时代传感技术有限公司、中车工业研究院有限公司、中车长春轨道客车股份有限公司、中车青岛四方机车车辆股份有限公司、南京中车浦镇海泰制动设备有限公司、广州奥松电子股份有限公司、南京高华科技股份有限公司等参与的国家重点研发计划“时速350公里及以上高铁牵引和制动系统控制状态检测传感器研制及应用”项目在南京召开课题中期检查会。高华科技作为课题任务单位承办本次会议。





会议开始前,专家组成员、项目总设计师、项目执行总师、各课题负责人及项目骨干前往高华科技参观交流,在监事会主席宋晓阳的陪同下参观了公司展厅,详细了解了高华科技的发展历程、综合实力、研发水平、创新成果、具体产品应用案例等情况。


项目组邀请了北京交通大学宋国华教授、国防科技大学吴峻教授、宁波大学金庆辉教授、东南大学黄晓东教授、南京信息工程大学刘清惓教授五位专家组成专家组,项目责任专家宋国华教授担任组长。会议由项目执行总师张安主持,项目总设计师曾嵘向入会专家汇报了项目总体进展情况。各课题负责人就课题中期执行情况分别向专家做了汇报,专家听取汇报、审阅资料后,对各课题逐一进行质询,对各课题中期进展情况及取得成果表示肯定,课题成果达到中期指标要求。


会后,项目组对课题中期检查专家意见建议进行了全面梳理,要求各课题认真对待专家所提意见,结合专家意见对存在问题进行整改。同时梳理课题、任务间的相互支撑关系,有序推进项目研究任务开展,确保项目目标达成,为中国高铁领跑世界助力!




【华培动力前瞻性布局传感器业务,外延式并购战略成效显著】

自20世纪半导体在汽车中引入以来,传感技术不断发展。最初设计用于提高动力系统效率,随着安全优先级的提高,特定传感器变得不可或缺,例如ABS、ESC和安全气囊等。在技术进步及其最初融入豪华车的推动下,创新逐渐渗透到中档和经济型车型中,从而催生了数十亿辆的产业。




相关数据显示,2023年全球汽车市场的传感器出货量为65亿个,收入达93亿美元。展望未来,传感器在2023到2029年的收入CAGR为7%,预计到2029年将增长至143亿美元,全球传感器出货量为88亿个。


目前传感器行业不断更新迭代,最备受关注度的技术无疑就是MEMS传感器。中国工程院院士尤政认为,传感器的重要性体现在它是信息获取的源头,而MEMS技术则可将传感器中机械结构与电路系统通过规模化制造工艺集成在芯片上,因而MEMS技术是传感器的使能技术,已经成为传感器技术领域的重要发展方向与发展趋势。


受益于工业物联网、智能制造、人工智能等战略的实施,加之各级政府加速推动智慧城市建设、智能制造、智慧医疗发展,MEMS市场具有较大的发展机遇。


根据赛迪顾问数据整理,2020年中国MEMS市场保持快速增长,整体市场规模达到736.70亿元,同比增长23.24%,国内市场增速持续高于全球。预计2022年中国MEMS市场规模将突破1,000亿元,2020-2022年复合增长率为19.06%。


作为我国汽车涡轮增压零部件行业的领先企业,华培动力紧抓传感器的行业发展机遇坚定布局相关产品的转型,通过外延式并购的方式收购行业技术领先企业并建立了汽车传感器作为公司的第二增长曲线。


华培动力通过传感器事业部内部盛迈克、盛邦及盛美芯三家传感器产业链公司的有效整合,公司已经形成了微压MEMS压力、中压陶瓷压阻、高压玻璃微熔工艺的全压力量程传感器的品类及能力,以及温度传感器速度传感器、位置传感器等,应用于汽车动力总成系统、变速箱、排放系统、底盘系统等系统,并在国内市场占据了一定的份额。


此外在产品策略上,华培动力也有新的战略发展目标。华培动力认为,随着自动驾驶的发展将进一步带动电子电气架构的变化,公司将更加注重底盘系统、热管理系统的产品布局及产能扩充。


未来随着相关领域市场份额的进一步开拓,华培动力传感器业务或将迎来布局收获期。




【英飞凌推动本土业务增长 深耕中国市场近三十载】

日前,英飞凌科技全球高级副总裁及大中华区总裁、英飞凌科技消费、计算与通讯业务大中华区负责人潘大伟在“2024英飞凌媒体日”上表示,英飞凌将不断完善、升级多项本地化运营举措,持续推动本土业务增长。去年,英飞凌进一步升级了位于中国(上海)自贸区的物流中心。同时,新成立的销售实体英飞凌科技(上海)有限公司于今年1月22日正式运营。英飞凌位于无锡的制造基地也不断丰富产品线并优化产品组合,2023年引入新一代IGBT模块EconoDUAL 3。英飞凌对中国市场的投入涵盖了物流、销售以及生产制造等多个方面。


持续推动本土增长

中国是英飞凌在全球最重要也是最具活力的区域市场之一。潘大伟表示,英飞凌在大中华区市场深耕已近30年。截至目前,英飞凌在大中华区拥有超过3000名员工。在深耕本土市场的过程中,英飞凌将深入洞察客户需求,并以此为着力点推出本地化举措。


据介绍,今年年初英飞凌升级了位于浦东机场综保区的中国物流中心,通过打造低碳智慧物流仓库,为客户提供更加高效便捷的供应链服务。中国物流中心是英飞凌全球三大物流中心之一,2014年便在中国(上海)自贸区设立,统一协调在中国及周边地区生产货物的出入境物流管理。去年,英飞凌进一步升级了中国物流中心,希望打造一个“数字+低碳”的现代智能化仓库,引入先进的仓储物流设备,确保对客户需求的及时响应,提高出货的准确率和准点率。


另外,英飞凌还在上海成立了一家新的销售实体,作为英飞凌全球 6大区域性销售实体之一,主要开展销售和贸易结算业务,扩大英飞凌本地业务网络,提供定制化物流服务。


无锡工厂是英飞凌在大中华区的自有生产基地。英飞凌科技高级副总裁、英飞凌无锡总经理范永新表示,英飞凌无锡成立于1995年,至今已近30年,期间不断升级,2001年生产分立式器件和芯片卡,2015年推出TDSON封装,2016年推出EasyPACKTM模块,2020年推出HybridPACK DSC P12, 2021年引入智能功率模块(IPM)CIPOSTM MINI,目前正在引入新一代的IGBT模块EconoDUALTM 3。






聚焦三大业务板块

目前,英飞凌重点聚焦三大业务板块,汽车业务是其中之一。英飞凌科技高级副总裁、英飞凌科技汽车业务大中华区负责人曹彦飞表示,中国汽车产业正在经历高速增长与行业革新。根据中国汽车工业协会发布的数据,2023年中国汽车产销量首次突破3000万辆,创下历史新高。2023年,英飞凌在全球汽车半导体市场上以13.7%的份额居于首位。曹彦飞表示,英飞凌正在探索一些新合作模式,其中典型的代表是创新应用中心,一方面与Tier 1和Tier 2进行深入合作,另一方面,也可适应OEM车厂对于研发垂直整合、对于一些技术布局的需求。通过创新应用中心,英飞凌与整车厂、零部件供应商加强合作,将持续提升竞争力、推动技术创新。


英飞凌科技高级副总裁、英飞凌科技工业与基础设施业务大中华区负责人于代辉在介绍在新能源领域布局时表示,英飞凌的功率半导体广泛应用于风电、光伏、高铁、储能等应用领域,为推动整个社会实现绿色低碳转型发挥了重要作用。2023年国内市场有超过9万台风力发电机在使用英飞凌的产品,发电量可以满足4.5亿人/1.5亿家庭的用电需求,在总计超过220GW的光伏发电机组中应用,装机容量相当于10个三峡水电站装机量的总和。目前光伏市场虽然短期存在库存问题,但于代辉对长期前景依然乐观,在“双碳”目标的推动下,市场将稳定向好。2024年中国光伏新增装机预计在190GW至220GW,继续维持高位;在风电领域,项目储备充足,尤其海上风电稳步增长。


在消费、计算与通讯业务板块,AI服务器热度持续不减。对此,潘大伟表示,英飞凌有完整的方案:从ACDC供电,到GPU底盘的DCDC转换和AI卡,到服务器主板,甚至安全以及微控制器,可以为整个服务器供电网络提供解决方案。同时,英飞凌也重视新型领域的发展。比如与美团展开合作,推动低空物流技术的开发与落地,英飞凌提供从电调电控,电池管理,电源管理,充电,存储,安全加密,到环境感知的一站式无人机解决方案。目前已经与美团在其最新的V4无人机,遥控器,自动停机坪,充换电柜等领域展开积极合作。


重点布局第三代半导体

在当前绿色低碳化转型的大背景下,以碳化硅和氮化镓为代表的第三代半导体作为新材料和新技术展现了巨大的市场机遇,已经开始大量应用于新能源、电动汽车、充电桩和储能等领域。


潘大伟表示,在碳化硅方面,英飞凌的主要优势包括:超过5家合格的碳化硅晶圆和晶锭供应商,拥有稳定的碳化硅原材料供应;可以通过Cold Split冷切割技术提高生产效率;优异的沟槽工艺,在兼顾一流的可靠性的同时,让每块晶圆生产的芯片比平面晶体多30%;拥有一流的内部封装解决方案;全新的.XT技术,可以实现最高功率密度;长达几十年的丰富经验以及广泛的产品组合等。


英飞凌的居林工厂将从2025年第一季度开始推出8英寸碳化硅晶圆。英飞凌将持续扩建居林工厂。去年8月,英飞凌宣布在2022年2月宣布的原始投资基础之上,在未来5年内,再投入50亿欧元进行居林第3厂区的2期建设,打造全球最大的8英寸碳化硅晶圆厂。


英飞凌也积极布局氮化镓。去年10月份,英飞凌正式完成对GaN Systems的成功收购,进一步巩固英飞凌在功率系统领域的地位。另外,随着业界对垂直氮化镓的开发,氮化镓有望进一步拓展高功率市场,并扩大在汽车等领域的应用。对此,曹彦飞表示,目前氮化镓的主体市场还在车载充电器OBC、DC/DC方面。在高压主逆变器领域还处于相对探索期,还有较多问题有待解决。但曹彦飞也强调,英飞凌也已经在布局。




【英特尔停止扩建以色列芯片工厂】

6月11日电 以色列媒体10日报道,美国英特尔公司暂停在以色列南部扩建芯片工厂。这家芯片巨头去年12月宣布计划投资250亿美元在以色列建芯片厂。



以色列《环球报》10日报道,英特尔近期通知以色列一家大型基础设施建设企业,停止扩建在加特镇的工厂。另据以色列《经济学人报》报道,最近几天,以方多家供应商收到英特尔取消建设合同的通知。以财政部知晓英特尔停止建设加特镇工厂的决定。


英特尔10日答复法新社记者提问时没有说明停止扩建的原因,也没有提及以色列与巴勒斯坦伊斯兰抵抗运动(哈马斯)在加沙地带持续8个多月的冲突。


英特尔在声明中说:“以色列仍然是我们在全球的主要制造和研发基地之一,我们将继续在这一地区全力投入。”


依据英特尔年度报告,按资产规模计算,以色列是英特尔经营规模第三大的国家,仅次于美国和爱尔兰。


声明说:“管理大型项目,特别是芯片行业,往往需要适应不断变化的时间表……根据商业状况、市场动态和负责任的资本管理作决策。”


英特尔上世纪70年代开始在以色列开展业务,在海法等地设有研发中心。去年12月,英特尔宣布追加150亿美元用于扩建加特镇耗资100亿美元的在建芯片工厂。这是当时外国企业在以色列最大一笔投资。





【什么是紫外光传感器】

人的五官是功能非常复杂、灵敏的“传感器”。然而人的五官感觉大多只能对外界的信息作“定性”感知,而不能作定量感知。


而且有许多物理量人的五官是感觉不到的,像红外线和紫外线光谱。



最早的紫外线传感器是基于单纯的硅,但是根据美国国家标准与技术研究院的指示,单纯的硅二极管也响应可见光,形成本来不需要的电信号,导致精度不高。


在十几年前,日本日亚公司长出了GaN系的晶体,成为GaN系的开拓者,并由此开辟了GaN系的市场,也由此产生了GaN的紫外线传感器,其精度远远高于单晶硅的精度,成为最常用的紫外线传感器材料。


二六族ZnS材料也已被研发出来,也应用到了紫外线传感器领域,目前国内研发出来的有苏州衡业科技新材料有限公司等。

从研发的角度及性能测试上看,其精度比GaN系的传感器提高了近10^5倍。在一定程度上,ZnS系的紫外线传感器将与GaN系的平分秋色


紫外线传感器是传感器的一种,可以利用光敏元件通过光伏模式和光导模式将紫外线信号转换为可测量的电信号。紫外线传感器的工作模式通常分为两类:光伏模式和光导模式。


所谓光伏模式是指不需要串联电池,串联电阻中有电流,而传感器相当于一个小电池,输出电压,但是制作比较难,成本比较高;


光导模式是指需要串联一个电池工作,传感器相当于一个电阻,电阻值随光的强度变化而变化,这种制作容易,成本较低。




根据其工作原理和应用需求的不同,可以分为以下几种种类:



紫外光电池

紫外光电池是一种将紫外光能转化为电能的器件,常用于太阳能电池板、紫外线辐射测量仪器等领域。




紫外光二极管(UV LED)

紫外光二极管是一种可以发射紫外光的二极管,常用于紫外光固化、紫外光杀菌、紫外光检测等领域。




紫外光探测器

紫外光探测器是一种能够检测紫外光强度的传感器,常用于紫外线辐射监测、环境紫外线检测等领域。




紫外光敏电阻(UV Photoresistor)

紫外光敏电阻是一种光敏元件,其电阻值随紫外光照射强度的变化而变化,常用于光敏电路、光控开关等领域。




紫外光传感器的应用非常广泛,包括但不限于以下领域:



紫外线辐射检测

用于监测环境中紫外线辐射的强度,帮助人们了解紫外线的安全水平。




紫外光固化

用于紫外光固化设备中,如3D打印、涂层固化等领域,通过紫外光二极管实现材料的快速固化。




紫外光杀菌

紫外光具有杀菌作用,紫外光传感器可以用于监测紫外光辐射强度,确保杀菌效果。




医疗器械

在医疗设备中,紫外光传感器可以用于检测和控制紫外光的输出,帮助实现治疗或消毒的效果。


总的来说,紫外光传感器在环境监测、工业生产、医疗保健等领域都有着重要的应用。






  • 压力感测器
  • 机器人传感器
  • 汽车传感器
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