扭距传感器

“随着智能制造、工业互联网、健康医疗产业的发展，作为其核心技术的生物传感器产业也随之迎来庞大的市场需求，山东省生物传感器重点实验室将加快产业化应用，抢夺市场先机。”山东省科学院副院长刘孟德在14日举行的生物传感器技术及产业发展论坛上表示。市场蛋糕巨大当日，国内生物传感器领域的专家齐聚济南，围绕临床检验、家庭医疗、环境监测、工业过程和生化反恐等诸多领域的生物传感器技术及相关产业，探讨以山东省生物传感器重点实验室和山东省生物传感器技术研究推广中心为载体，组建生物传感器工程技术中心，加速推动产业化发展。　　山东省科学院生物研究所所长、山东省生物传感器重点实验室主任史建国告诉记者，从20世纪80年代起，生物传感器在生物医学检验、疾病诊断与治疗、食品分析、环境监测、工业过程检测与控制、毒物检测及战争生化预警等领域得到广泛应用，并成为现代分析仪器的前沿科技领域和国际市场竞争的热点。“我国在生物传感器新原理、新方法和新结构方面已取得一系列国际先进或国际领先的科研成果，但研究成果向产业转化进程还比较缓慢。”中国科学院生物物理研究所研究员张先恩告诉记者，2010年全球生物传感器市场销售额突破了100亿美元，预计2020年将达到225亿美元。其中临床检验占44.9%，家庭诊断20.2%，环境监测14.3%，实验室10.7%，工业过程6.6%，生化反恐3.3%。但我国目前生物传感器产品的国际市场份额不超过10%。根据全球知名市场调研公司PMR发布的一份新报告，未来6年，全球生物传感器市场将经历快速增长，该市场2014市值为129亿美元，到2020年将达到225亿美元，复合年增长率为9.7%。由于医疗保险普及率的不断扩大、人口基数大以及卫生保健系统的不断升级，亚太地区将成为增长最快的地区。　　“当前慢性病及生活方式相关疾病发病率上升、不断增长的老龄人口、生物传感器在各行业的广泛应用、纳米技术在医疗保健领域的应用，推动了生物传感器市场的快速增长。”张先恩表示。推动产学研协同创新山东在生物传感器领域的技术和产业化已经走在了前面。据史建国透露，山东省科学院生物研究所意欲借助其工业生物传感器研究和产业化应用的科技平台，组建跨部门、跨行业、跨区域的生物传感器研发布局和协同创新体系。据了解，山东省科学院生物研究所是我国惟一实现生物传感器产业化应用的科研单位，已先后研制出葡萄糖、还原糖、乳酸等多种生化分析传感器，建立了生物传感器在工业环境下运行的实验方法、操作规程、配套试剂及培训服务体系，产品占国内市场95%以上(其余5%为进口产品)，在我国食品发酵、生物医药等科研及产业领域实现了广泛应用，突破了传统生产过程只依赖于物理和化学传感器的落后局面，打破了国外技术封锁，为我国生物工业的过程控制提供了先进的技术支撑。“以氨基酸发酵产业为例，全国年产量300多万吨，年总产值超过400亿元 生物传感器应用于氨基酸生物反应器的系统优化、葡萄糖流加控制、产物分离提取等过程，可提高产率10%-15%，年增经济效益达40亿元以上。按照整个工业生物技术产业应用情况计算，年增经济效益可达100亿元以上。”史建国说。　　据史建国透露，山东省科学院生物研究所将与中科院及相关企业合作，利用生物传感器研发布局和协同创新体系，开发新的酶分子元件，增加生物传感器检测指标，实现对多种代谢产物的检测 将生物传感器与物理、化学传感器融合，研发多传感器分析模块，建立工业生物过程的在线检测与自动控制系统 生物传感器与信息技术、物联网技术结合，构建新型的智能化工业生物过程控制与运行模式。　　“当前山东工业转型升级的焦点和瓶颈问题是缺乏关键的核心技术对传统产业进行产业升级，山东省科学院组建生物传感器研发布局和协同创新体系是有益的探索。”山东省经信委科技处处长封宗庆当日表示，我省将积极推动此类产学研协同创新。

在过去十年中，离电器件（Ionotronics or Iontronics，离子-电子混合器件，即基于离子与电子协同作用的器件）因其固有的柔韧性，可拉伸性，光学透明性和生物相容性等优势引起了越来越多的关注。然而，现有的离电传感器由于器件结构简单、成分易泄漏，导致器件稳定性差，传感功能单一，极大地限制了实际应用。因此，设计制造性能稳定且具有多模式传感能力的离电传感器具有重要的工程应用价值。南方科技大学力学与航空航天工程系杨灿辉团队与机械与能源工程系葛锜团队，报道了通过多材料光固化3D打印技术一体化设计制造基于聚电解质弹性体的多模式传感离子电容传感器，解决了传统离电传感器稳定性差和功能性单一的问题，为可拉伸离电传感器的设计、智造与应用提供了新的解决方案。相关研究成果以“Polyelectrolyte elastomer-based ionotronic sensors with multi-mode sensing capabilities via multi-material 3D printing”为题发表在《Nature Communication》期刊。南方科技大学科研助理李财聪、博士生程健翔和何耘丰为论文共同第一作者，杨灿辉助理教授与葛锜教授为论文共同通讯作者。本研究得到了深圳市软材料力学与智造重点实验室和广东省自然科学基金等项目支持。如图1所示，受人体皮肤对于拉、压、扭及其组合等外力的多模态感知能力的启发，研究人员利用多材料光固化3D打印技术制备了具有多模式传感能力的离电传感器。传感器采用了聚电解质弹性体（PEE），其高分子网络中含有固定的阴离子或阳离子，以及可移动的反离子，具备抗离子泄漏的特性。在打印过程中，PEE材料与传感器上的介电弹性体（DE）材料之间通过共价和拓扑互连形成了牢固的界面粘接。图1. 皮肤启发的多模式传感离电传感器。(a) 人体皮肤内多种力感受器示意图。(b) 人体皮肤可以感知单一的力学信号如压拉、压、压+剪、压+扭。(c) 基于多材料数字光固化3D打印技术制备具有多模式传感能力的离电传感器。研究人员首先合成了一种名为1-丁基-3-甲基咪唑134-3-磺丙基丙烯酸酯（BS）的单体，作为聚电解质材料的组成成分之一，并与另一种名为MEA的疏水单体一起进行共聚。然后通过优化BS和MEA的比例，平衡聚电解质材料的力学性能和电学性能，从而优化传感器的性能，如图2所示。图2. 聚电解质弹性体的设计、制备与光学、力学、电学性能以及热、溶剂稳定性。如图3所示，研究人员进行光流变测试验证了所开发的PEE材料的可打印性。然后通过180°剥离测试，分别测量了3D打印和手动组装的PEE/DE双层结构的界面粘接强度。结果表明，3D打印的双层结构由于PEE和DE之间形成的共价键和拓扑缠结而具有强韧的界面，剥离过程发生了PEE材料的本体断裂, 粘接能达339.3 J/m2；相比之下，手动组装的PEE/DE双层结构界面弱，剥离过程发生了界面断裂，粘接能只有4.1 J/m2。在耐久度测试中，基于PEE的电容式传感器由于无离子泄漏可以长时间保持稳定的信号，而基于传统的LiTFSI掺杂离子的弹性体的传感器由于离子泄漏，信号持续发生漂移，直至发生短路。图3. 离电传感器的可打印性与性能。(a) PEE存储模量和损耗模量随光固化时间的变化曲线。(b) 固化时间与能量密度随层厚的变化关系。(c) 打印的PEE阵列展示。(d) 3D打印和手动组装的PEE/DE双层结构的180°剥离曲线。(e) 3D打印的PEE/DE双层结构本体断裂示意图。(f) 手动组装的PEE/DE双层结构界面断裂示意图。(g) 基于PEE和基于LiTFSI掺杂离子的弹性体的电容式传感器的ΔC/C0随时间变化曲线。(h) 基于PEE的电容式传感器无离子泄漏。(i) 基于LiTFSI掺杂离子的弹性体的电容式传感器离子泄漏示意图。3D打印技术为器件的结构设计提供了极高的灵活性。如图4所示，研究人员分别设计并一体化打印了拉伸、压缩、剪切、扭转四种不同的离电传感器，器件均具有良好的性能和稳定性。特别地，通过器件的结构设计，即可以实现传感器灵敏度的大幅度优化，例如通过在压缩传感器的介电弹性体层引入微结构可以将灵敏度提高两个数量级，又可以实现传感器灵敏度的按需调控，例如通过设计剪切传感器前端的轮廓线或扭转传感器的扇形区域数量可以分别实现不同相应的剪切传感器和扭转传感器。图4. 拉伸、压缩、剪切、扭转离电传感器。(a) 拉伸传感器原理示意图。(b) 电容-拉伸应变曲线。(c) 压缩传感器原理示意图。(d) 有/无微结构的压力传感器的电容-压力曲线。(e) 剪切传感器原理示意图。(f) 一种剪切传感器实物图。(g) 不同灵敏度的剪切传感器的电容-剪切应变曲线。(h) 剪切传感器的疲劳测试曲线。(i) 扭转传感器原理示意图。(j) 一种扭转传感器实物图。(k) 不同灵敏度的扭转传感器的电容-扭转角曲线。(l) 扭转传感器的疲劳测试曲线。如图5所示，研究人员进一步设计并一体化打印了拉压、压剪、压扭三种组合式离电传感器。组合式传感器最大的挑战之一在于不同传感通路之间相互的信号串扰，例如，当器件拉伸时，由于材料的泊松效应会导致垂直方向上的器件几何尺寸缩小，等效于压缩变形，导致拉伸激励引起压缩通道的信号变化。研究人员结合有限元模拟分析，通过合理的器件结构设计，有效地避免了不同通道之间的信号串扰。图5. 组合式离电传感器。(a) 拉压组合传感器示意图。(b) 器件实物图。(c) 拉压组合传感器等效电路图。(d) 单一传感模式下的器件信号。(e) 压缩激励下的电容-圈数变化曲线。(f) 拉伸激励下的电容-圈数变化曲线。(g) 拉压组合变形下的信号谱。(h) 压剪组合传感器示意图。(i) 器件实物图。(j) 压剪组合传感器等效电路图。(k) 单一传感模式下的器件信号。(l) 压扭组合传感器示意图。(m) 器件实物图。(n) 压扭组合传感器等效电路图。(o) 单一传感模式下的器件信号。最后，研究人员展示了一个由四个剪切传感器和一个压缩传感器组成的可穿戴遥控单元，并将其连接到一个远程控制系统，用于远程无线控制无人机的飞行，如图6所示。这个可穿戴遥控单元中的四个剪切传感器负责感知手部的手指运动，用于控制无人机的方向。而压缩传感器则用于感知手指的压力，控制无人机的翻滚。这种可穿戴遥控单元的设计可以实现人机交互，提供更加灵活的控制方式。图6. 组合式离电传感器用于无人机的远程无线操控。(a) 无人机控制系统示意图。(b) 组合式离电传感器中剪切传感模块工作模式示意图。(c) 剪切传感模块工作原理。(d) 传感器五个通道电容信号测试。(e) 指令编译逻辑。(f) 组合式离电传感器实时电容信号。(g) 不同时刻的无人机飞行状态。文章来源：高分子科技023-40583-5MultiMatter C1基于高精度数字光处理3D打印技术和独家离心式多材料切换技术，MultiMatter C1多材料3D打印装备可实现任意复杂异质结构快速成型，在力学超材料、生物医学、柔性电子、软体机器人等领域具有重要应用潜力。离心式多材料切换技术：独家开发的离心式多材料切换技术可实现高效材料切换和残液去除。离心转速可调，最高达8000转/分钟，60秒内即可完成多材料切换，单次打印多材料切换最大次数高达2000次，处于业内领先水平。可打印材料范围广：该设备支持粘度在50-5000 cps范围内的硬性树脂、弹性体、水凝胶、形状记忆高分子和导电弹性体等材料及这些材料组合结构的多材料3D打印，为不同行业和应用领域，提供了材料选择的灵活性。多功能多材料耦合结构实现：该设备可打印高复杂度、高精度、多功能、多材料耦合结构，支持同时打印2种材料，可打印层内多材料和层间多材料，且多材料层内过渡区尺寸在200μm以内，为复杂多材料结构制造提供高精度解决方案。

p style=" text-indent: 2em " 目前，传感器产业已被国内外公认为具有发展前途的高技术产业，它以技术含量高、经济效益好、渗透力强、市场前景广等特点为世人所瞩目。我们国家工业现代化进程和电子信息产业20%以上速度高速增长，带动传感器市场快速上升。 /p p style=" text-indent: 2em " 企查查数据显示，目前我国共有传感器相关企业4.9万家，广东省以超过9700家的企业数量排名首位，江苏、浙江分列二三名。2019年，相关企业新注册超过7600家，同比增长17.22%，今年上半年新增企业数量为2369家。此外，全行业68%的企业注册资本低于500万。 /p p style=" text-indent: 2em " 接近传感器(也称为检测器)是电子设备，用于通过非接触方式检测附近物体的存在。因此，它们可以被用于多个行业，包括机器人技术，制造，半导体等。据工作原理，接近传感器可以分为：电感式接近传感器、电容式接近传感器、磁感应传感器等。 /p p style=" text-indent: 2em " br/ & nbsp & nbsp & nbsp 其实在智能化场景中常用的两种接近传感器是电感式接近传感器和电容式接近传感器。电感式接近传感器只能检测金属目标。这是因为传感器利用电磁场，当金属靶进入电磁场时，金属的电感特性改变了场的特性，从而警告接近传感器存在金属靶，根据金属的感应方式，可以在更大或更短的距离处检测目标。 br/ & nbsp br/ 　　电感式接近传感器也叫涡流式传感器，由三大部分组成：振荡器、开关电路及放大输出电路。电感式接近传感器是核心是振荡器和放大器，用于检测金属材质的物体。但是不同的金属的衰减，标准的检测物体是铁，但是不锈钢、铝合金、铝、铜等等都会有不同的衰减程度。由此可见，这种接近开关所能检测的物体必须是导电体。 br/ & nbsp br/ 　　电容式传感器是以各种类型的电容器作为传感元件，将被测转物理量或机械量换成为电容量变化的一种转换装置，实际上就是一个具有可变参数的电容器。电容式传感器结构简单，易于制造和保证高的精度，可以做得非常小巧，以实现某些特殊的测量；能工作在高温，强辐射及强磁场等恶劣的环境中，可以承受很大的温度变化，承受高压力，高冲击，过载等；能测量超高温和低压差，也能对带磁工作进行测量。 br/ & nbsp br/ 　　由于电容式传感器带电极板间的静电引力很小，所需输入力和输入能量极小，因而可测极低的压力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很灵敏，分辨力高，能感应0.01μm甚至更小的位移。 br/ & nbsp br/ 　　据统计数据显示，2019年中国传感器市场规模达2188.8亿元，预计到2021年市场规模将达到2951.8亿元，行业将保持17.6%的快速增长速度。值得注意的是，随着物联网技术的发展，对传统传感技术又提出了新的要求，产品正逐渐向微机电系统(MEMS)技术、无线数据传输技术、红外技术、新材料技术、纳米技术、复合传感器技术、多学科交叉融合的方向发展。 br/ & nbsp br/ 　　传感器作为智能制造的重要设备，电子产品的发展已经进入到数字化时代，传感器的需求越来越广泛。如何在传感器领域实现突破？业内人士纷纷表示，原材料、技术、工艺等方面均存在“突破口”。 br/ & nbsp br/ 　　接下来，国内传感器企业需要从自身出发，加大科技创新投入力度，继续优化技术和工艺细节，实现这些领域与进口产品对比的突破。与此同时，发挥在国内市场应用、服务、渠道、价格、产业生态系统等领域的固有优势，实现整体实力提升，积极推进市场化应用。 br/ & nbsp br/ 　　在政策鼓励、资金扶持、技术进步等多种利好因素的作用下，相信国内传感器产业发展将取得更多成果，并造福于产业升级和社会民生。 br/ br/ /p