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科学家在柔性应变传感器研究方面取得进展




近期，中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所研究员费广涛课题组在柔性应变传感器的制备及力敏特性研究方面取得新进展，相关研究成果以Flexible strain sensor with high performance based on PANI/PDMS films 为题发表在Organic Electronics（47 (2019) 51-56）杂志上。


随着科学技术的快速发展，传感器在生物医学检测、智能机器人、柔性显示、可穿戴设备等领域得到了广泛的应用，这些领域往往需要传感器具有可弯曲、可拉伸的特点，能够满足贴附在各种不规则的表面上的需求。此外，一个好的应变传感器还应具有高灵敏度(GF)、低电阻值的特性。GF太低意味着传感器探测应变时由于变化量小容易出现信号误差，电阻值过大意味着需要配备高精密且昂贵的测试仪器。


目前研究的柔性应变传感器敏感材料通常有两类：一类是以银、碳管、石墨烯等导电材料为应变敏感材料的传感器，该类传感器具备低的电阻值，同时GF也很低；另一类是以半导体材料为应变敏感材料的传感器，该类传感器具备高的GF，但是电阻也很高。这两类传感器在商业应用中都受到了一定的限制。因此，设计一种电阻低、GF高的柔性传感器迫在眉睫。


聚苯胺(PANI)是一种导电高分子材料，经质子酸掺杂后的电导率处于金属与半导体之间，并且可以随着酸掺杂浓度而改变，因此将聚苯胺与弹性材料聚二甲基硅氧烷(PDMS)结合有望达到电阻低、GF高的要求。基于此，课题组博士宫欣欣和副研究员方明等采用PANI为导电层，PDMS为弹性层制备了PANI/PDMS复合薄膜柔性应变传感器，并对该传感器的性能进行了研究。实验结果表明，PANI/PDMS复合薄膜传感器具备一定的柔性(图1)，可以拉伸至50%的应变量，GF值较高可以达到54，远**其它材料构筑的柔性应变传感器，同时具备优秀的循环稳定性(图2)，在监测人体活动中具备潜在的应用前景(图3)。

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荷兰埃因霍温理工大学已经开发出一种尺寸很小的无线温度传感器。这种传感器可以利用射频信号来获得电力。


这意味着传感器不必连接任何线缆，而用户也不必为传感器更换电池。对于智能楼宇等应用而言，这将是发展中的重要一步。
未来，智能楼宇将布满传感器，从而即时响应住户的各类需求，而这样的传感器需要支持长时间使用，例如当用户走进房间时打开空调和灯光开关。然而，传感器必须是无线的，且不需要更换电池，才能满足这样的需求，否则在大楼内，用户每天都要为不同传感器更换电池。


埃因霍温理工大学研究人员高浩(Hao Gao，音)开发了这种传感器，而这也是他的博士学位研究课题。他开发的传感器仅有2平方毫米大小，重量仅为1.6毫克。


当前版本的传感器传感范围只有2.5厘米，研究人员计划在一年内使这一距离扩大至1米，而较终目标则是5米。传感器配备了专门的路由器，内置的天线则可以将射频电磁波传送给传感器，带来电力。由于能量传输精确瞄准了传感器，因此路由器只消耗非常少的电力。此外，传感器自身的设计也使能耗保持在较低的水平。


这种传感器可以埋置在油漆、塑料和混凝土的下方。埃因霍温理工大学无线技术教授皮特·巴尔图斯(Peter Baltus)表示，这意味着传感器可以方便地用于建筑物内。


传感器内置的天线能通过路由器获得能源。传感器将会充电，而在电力足够后，传感器将会开机，测量温度，并将信号发送给路由器。基于测量到的温度，这一信号有着略微不同的频率。而根据频率的不同，路由器可以计算出实际温度。


同样的技术可以被用于其他类型的无线传感器，例如运动传感器、光线传感器，以及湿度传感器。巴尔图斯表示，这一技术的应用范围非常广泛，例如可用于支付系统、无线身份认证系统、智能楼宇，以及工业生产系统中。此外，这一技术的成本不高：在大规模量产的情况下，单个传感器价格可低至20美分。传感器的生产基于65纳米CMOS工艺。

无线传感器网络的主要用途


虽然无线传感器网络的大规模商业应用，由于技术等方面的制约还有待时日，但是较近几年，随着计算成本的下降以及微处理器体积越来越小，已经为数不少的无线传感器网络开始投入使用。目前无线传感器网络的应用主要集中在以下领域： 环境的监测和保护
随着人们对于环境问题的关注程度越来越高，需要采集的环境数据也越来越多，无线传感器网络的出现为随机性的研究数据获取提供了便利，并且还可以避免传统数据收集方式给环境带来的侵入式破坏。比如，英特尔研究实验室研究人员曾经将32个小型传感器连进互联网，以读出缅因州“大鸭岛”上的气候，用来评价一种海燕巢的条件。无线传感器网络还可以跟踪候鸟和昆虫的迁移，研究环境变化对农作物的影响，监测海洋、大气和土壤的成分等。此外，它也可以应用在精细农业中，来监测农作物中的害虫、土壤的酸碱度和施肥状况等。
医疗护理
无线传感器网络在医疗研究、护理领域也可以大展身手。罗彻斯特大学的科学家使用无线传感器创建了一个智能医疗房间，使用微尘来测量居住者的重要征兆（血压、脉搏和呼吸）、睡觉姿势以及每天24小时的活动状况。英特尔公司也推出了无线传感器网络的家庭护理技术。该技术是做为探讨应对老龄化社会的技术项目Center for Aging Services Technologies（CAST）的一个环节开发的。该系统通过在鞋、家具以家用电器等家中道具和设备中嵌入半导体传感器，帮助老龄人士、阿尔茨海默氏病患者以及残障人士的家庭生活。利用无线通信将各传感器联网可高效传递必要的信息从而方便接受护理。而且还可以减轻护理人员的负担。英特尔主管预防性健康保险研究的董事Eric Dishman称，“在开发家庭用护理技术方面，无线传感器网络是非常有前途的领域”。
军事领域
由于无线传感器网络具有密集型、随机分布的特点，使其非常适合应用于恶劣的战场环境中，使其非常适合应用于恶劣的战场环境中，包括侦察敌情、监控兵力、装备和物资，判断生物化学攻击等多方面用途。美国*部远景计划研究局已投资几千万美元，帮助大学进行“智能尘埃”传感器技术的研发。哈伯研究公司总裁阿尔门丁格预测：智能尘埃式传感器及有关的技术销售从2004年的1000万美元增加到2013年的几十亿美元。
目标跟踪
DARPA支持的Scnsor IT项目探索如何将WSN技术应用于军事领域，实现所谓“**视距”战场监测。UCB的教授主持的Sensor Web是Sensor IT的一个子项目．原理性地验证了应用WSN进行战场目标跟踪的技术可行性，翼下携带WSN节点的无人机（UAV）飞到目标区域后抛下节点，较终随机布撤落在被监测区域，利用安装在节点上的地震波传感器可以探测到外部日标，如坦克、装甲车等，并根据信号的强弱估算距离，综合多个节点的观测数据，较终定位目标，并绘制出其移动的轨迹。虽然该演示系统在精度等方面还远达不到装备*用于实战的要求，这种战场侦察模式目前还没有真正应用于实战，但随着美国*部将其武器系统研制的主要技术目标从精确制导转向目标感知与定位，相信WSN提供的这种新颖的战场侦察模式会受到军方的关注．
其他用途
无线传感器网络还被应用于其他一些领域。比如一些危险的工业环境如井矿、核电厂等，工作人员可以通过它来实施安全监测。也可以用在交通领域作为车辆监控的有力工具。此外和还可以在工业自动化生产线等诸多领域，英特尔正在对工厂中的一个无线网络进行测试，该网络由40台机器上的210个传感器组成，这样组成的监控系统将可以大大改善工厂的运作条件。它可以大幅降低检查设备的成本，同时由于可以提前发现问题，因此将能够缩短停机时间，提高效率，并延长设备的使用时间。尽管无线传感器技术目前仍处于初步应用阶段，但已经展示出了非凡的应用价值，相信随着相关技术的发展和推进，一定会得到更大的应用。

电阻应变式称重传感器应用的局限性
电阻应变式称重传感器有两大缺陷：
1.低电阻，高能耗；
2.是一个不完全二阶传感器系统。
应用受到局限：
1.只能在220V，20Hz交流电源区应用，不能应用于无交流电区域。
2.只能用于静态或准静态称重，不能进行动态称重

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