高温微压传感器

近年来，各大品牌的折叠屏手机、柔性可穿戴电子等智能设备层出不穷，成为行业热点。作为柔性电子设备的重要组成部分，柔性传感器用以测量温度，反映人体的各项指标。现有的柔性薄膜温度传感器受柔性衬底、敏感材料等限制，难以实现高温物理场的温度测量。因此，如何继承柔性薄膜传感器优势，实现柔性薄膜传感器在高温环境下的应用是一个值得关注的问题。近日，来自微纳制造领域的一项最新研究成果，为柔性传感器突破高温应用瓶颈提供了新思路。西安交通大学机械工程学院精密工程研究所的刘兆钧博士、田边教授、蒋庄德院士及其合作团队首次制备出了具有良好温度敏感性的高温柔性温度传感器。相关成果发表于工程制造领域期刊《极端制造》。传统柔性温度传感器难以实现高温无损监测柔性传感器是指采用柔性材料制成的传感器，具有良好的柔韧性、延展性，甚至可自由弯曲、折叠，而且结构形式灵活多样，可根据测量条件的要求任意布置，能够非常方便地对复杂表面进行检测。在可穿戴方面，柔性的电子产品适合“人体不是平面”的生理特性，因此更易于测试皮肤的相关参数，其可将外界的受力或受热情况转换为电信号，传递给机器人的电脑进行信号处理，从而实时精准地监测出人体各项指标。“柔性薄膜温度传感器能变形、易附着、轻薄等优点受到了研究人员的广泛关注。”田边说，“热电偶式传感器以结构简单、动态响应快、便于集中控制等优点脱颖而出。”结合二者优势，热电偶式柔性薄膜温度传感器应运而生。“温度传感器主要由两部分组成，由两种不同材料制成的温度敏感层和柔性基板。温度敏感层常由金属以及金属化合物组成，柔性基材则选择已经商业化的聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺等高分子聚合物材料。”田边表示。实际上，柔性传感器的优势使其能运用到多个领域当中，除了可穿戴设备，柔性传感器还在医疗电子、环境监测等领域显示出很好的应用前景。然而，现有的柔性薄膜温度传感器受柔性衬底、温度敏感材料等限制，难以在高温环境场中工作，更无法实现功能化应用。“因为柔性基板的熔点通常低于400℃，在高温环境中发生碳化后会变脆、变硬，因此，很难在高温环境下使用现有的柔性温度传感器。这一点也限制了它们在航空航天、钢铁冶金和爆炸损伤检测等极端环境中的应用。”田边解释道。“现有的高温温度测量手段受限于设备尺寸大、需要破坏结构、破坏气流场、受环境干扰等，难以实现对温度场的无损实时温度监测。”博士生刘兆钧补充道。因此，如何继承柔性薄膜传感器的优势，实现柔性薄膜传感器在高温环境下的安装与应用是亟须解决的关键问题。突破多项柔性温度传感器测量瓶颈为了突破柔性温度传感器的温度测量瓶颈，田边教授团队创新性地选择了具有宽温域的铝硅氧气凝胶毡作为温度传感器的柔性基板。由于柔性基板表面不均匀、粗糙度较大，难以通过传统的微纳制造工艺实现薄膜沉积与功能化，因此团队选用了丝网印刷技术制备厚膜以克服上述困难。在制备传感器的实际操作中，田边、刘兆钧等人使用有机黏合剂混合功能粉末完成浆料配置，利用高温热处理的方法去除薄膜中的多余有机物，如环氧树脂、松油醇等。同时，团队还针对不同应用表面，基于柔性材料可变形、可共形的优势，实现了功能薄膜的特定曲面化制备。“就像球鞋设计者根据球星脚底的尺寸大小来制定码数一样，这种‘独家订制’能有效解决一些问题。”田边表示，这样制备好的柔性温度传感器能够贴附于不同曲率曲面，例如叶片等。同时，其也具有超薄、超轻等优点。这项研究首次实现柔性传感器在零下190℃至零上1200℃这一极广的温度范围内工作，测试灵敏度也达到了可观的226.7微伏每摄氏度（μV/℃）。这是现有所有柔性温度传感器难以实现的。扩大柔性传感器的工作温域，为柔性传感开拓了更广阔的应用领域，它在探险排难、航空航天、钢铁冶金等领域将呈现出巨大的应用潜力。在被问及新型柔性传感器何时能够实现实际应用时，蒋庄德表示：“我们团队的研究人员对制备的柔性温度传感器已经进行了多种实验室级测试与实际测试。其中，包括对航模发动机的尾喷温度进行实时监控，小型物理爆炸场爆炸瞬时温度测量以及对坩埚中金属熔化过程进行温度监测等。传感器在整个测试过程都表现出了优异的测温能力。”在蒋庄德看来，科技发展的目标始终围绕造福人类。他指出：“我们根据柔性温度传感器极轻、极薄的特点，创新性地将其应用于智能穿戴设备，如传感器与环保透明面罩相结合设计出的智能口罩，实现对人体呼吸状态的实时监测，有望惠及长期独居旅行者和慢性病患者。我们的科研成果可以给人们的生活带来便捷，这也让科研有了‘温度’。”目前，柔性传感器许多技术仍停留在研究阶段，柔性传感器产业链整体能力亟待增强。就技术本身而言，传感器本身的稳定性、耐磨损性等还需要进一步提高。而从整个产业链的配套来说，柔性电路、柔性存储，以及软硬连接等环节也需要跟进步伐。在未来，团队也期望将制备的柔性传感器进一步优化，实现飞机表面、涡轮叶片等国之重器上的温度测量，为我国科技进步添砖加瓦。

日前，山东省科学院激光研究所在国内首次自主研发的固定式高精度光纤压力传感器获得成功。这台光纤高温高压传感器可在油井下温度220℃和压力100MPa下长期作业，解决了常规电子传感器和光纤压力传感器受油井下高温高压干扰而无法正常工作的难题。光纤高温高压传感器的研发成功，不仅打破了国外对此技术的长期垄断，更将对我国油气井的科学开采发挥出重要作用。 　　据山东省科学院激光研究所副所长王昌博士介绍，这台光纤高温高压传感器通过对油井状态在线实时监测，可以及时探测到井内诸如漏水等状态变化的详细信息。根据这些信息，对油井采油工艺进行优化和调整，可提高油气采收率5%—10%。 　　山东省科学院激光研究所从2005年开始从事光纤油气井温度压力在线监测的研究。2006年，该所研究的《光纤高温高压井筒测试技术》被列为国家863项目和山东省技术攻关项目。通过对胜利油田、中海油、辽河油田的示范应用表明，光纤高温高压传感器不仅探测准确，其敏感元件的耐高温高压和耐腐蚀的保护技术等均优于国外技术，价格仅是国外进口设备的1/3。油田专家认为，这项新技术的推广应用，将为我国油井实现智能化监控打下良好基础。 　　王昌介绍说，据不完全统计，全国现有生产油井约15万口，按照每口井提高采油率5%，推广普及1%计算，年可提高油气产量超过9万吨。这项先进技术除高温高压油井监测应用外，在电力、化工、矿山等许多领域都有着非常广阔的应用前景，可产生巨大的经济效益和社会效益。

9月19日，国家科技部重大科学仪器设备开发专项——“面向复杂工况的激光高温湿度传感器研制及产业化”项目启动仪式在北京召开。该项目牵头单位——北京航天易联科技发展有限公司项目负责人在启动仪式上宣布：将用两年时间，突破包括湿度大动态范围自适应测量技术在内的4项关键技术、成功研制工作温度在20℃~350℃的激光高温湿度传感器并最终实现产品化和工业化推广应用。 p style=" text-align: center" img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201709/insimg/b65a533d-af10-4879-9e93-fcc6b8f4c5f8.jpg" title=" 1_副本.jpg" / /p p style=" text-align: center " 项目启动会现场 /p p 　　“激光高温湿度传感器研制及产业化”项目的主要任务是研发面向复杂工况条件的激光高温湿度传感器。该类激光湿度传感器基于TDLAS技术(可调谐半导体激光吸收光谱技术的简称)实现湿度的测量。19日上午举行的启动仪式上，该项目专家组负责人、我国著名激光和非线性光学专家、中科院院士姚建铨言简意赅地介绍了TDLAS技术的基本原理：即基于每种气体存在吸收特定波长光的现象，通过特殊波长的激光光源照射气体，气体吸收使之强度变弱，判断变弱程度计算气体浓度。相比于传统测量方式，在高温环境下使用该技术进行湿度测量，具有无交叉干扰、测量范围大、精度高、实时测量等优势，可实现高温湿度实时监测。该传感器一旦研制成功，可提升我国高温湿度监测水平，提高环保排放测算准确性、工业过程节能减排。 /p p style=" text-align: center" img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201709/insimg/129a5385-e382-4fc9-9137-e4a0196ea234.jpg" title=" 2_副本.jpg" / /p p style=" text-align: center " 中科院院士姚建铨担任该项目技术专家组组长 /p p 　　启动仪式上，来自科技部、航天科技集团、北京经济技术开发区、中国航天空气动力技术研究院的相关领导参加了该活动。科技部高技术研究发展中心的专家介绍了项目研制及产业化相关政策并同时表示，开展该仪器专项研制就是要解决我国环保、工业过程控制等多个领域高温湿度准确测量的难题。“高温环境下湿度测量，其准确性直接影响环保领域计算排放总量或工业生产领域过程控制效率。以环保领域为例，工业锅炉排放的污染物浓度测算需要测量烟气湿度。因此，烟气含湿量测量的准确性直接影响排放总量，影响国家环保指标考核。” 高温湿度测量如此重要，但其技术实现的难度却非常大，正因为如此，该项目于今年8月获批科技部重大科学仪器设备开发专项申请。 /p p style=" text-align: center" img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201709/insimg/1b8a8bca-d7e5-4b8a-9dae-a47cb33ad7d1.jpg" title=" 3_副本.jpg" / /p p style=" text-align: center " 项目组负责人、北京航天易联科技发展有限公司总经理李刚在汇报项目实施方案 /p p 　　根据国家重大专项研发的相关要求，此次启动仪式一项重要议题就是由项目牵头单位——北京航天易联科技发展有限公司向技术专家组和用户委员会汇报项目具体实施方案。此前，航天易联已经开展四年 TDLAS技术研发，具备相关基础，并于2016年6月开展高精度TDLAS湿度测量技术的成果评价，技术水平达到国际先进。该公司负责人李刚在汇报中对研究背景、目标、研究内容、技术路线、科研团队及研究基础、预期成果、项目研究周期等做了详尽汇报。据他介绍，项目组将围绕测量环境湿度大、工况干扰因素多(腐蚀气、静电、烟尘、液滴等)、缺乏高温高湿标定技术及恶劣工况下器件可靠性等关键问题，突破湿度大动态范围自适应测量技术、复杂工况多波长测量控制技术及激光器温度电流控制技术，研制工作温度20℃~350℃的激光高温湿度传感器，开展示范应用改进优化，达到烟道气、废气、锅炉汽等高温湿度实时测量的目的，实现最终传感器产品化、产业化。 /p p 　　来自环境监测、无线电、仪表仪器等相关领域的技术专家组和由电力、环保、航天、石化等行业用户组成的用户委员听取了项目组汇报，审阅论证材料并进行质询，同时针对产品示范应用阶段提出了相关建议。经过项目组答疑，专家组和用户委员会讨论后认为：方案目标准确，内容翔实，技术路线可行，一致同意该方案通过评审，建议尽快组织实施，围绕典型代表性工况开展更具针对性的设计开发、示范应用。 /p p style=" text-align: center" img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201709/insimg/e5c3f041-6316-4495-ae98-f28eafd252ed.jpg" title=" 4_副本.jpg" / /p p style=" text-align: center " 与会嘉宾了解TDLAS产品 /p p 　　据了解，该项目研发是航天易联与中科院半导体研究所、中科院电工研究所、武汉市天虹仪表有限责任公司的强强联合。北京航天易联科技发展有限公司是航天科技集团公司第十一研究院控股公司，具有四年TDLAS技术研发基础，拥有三款具有自主知识产权产品，承担项目传感器研制和产业化工作 中科院半导体研究所在半导体激光器研发领域一直处于我国领先行列，为本项目研制小型化半导体激光器 中科院电工研究所长期从事电力电子控制研究，擅长信号处理、仪器设计，为本项目开发核心算法和测量技术 武汉市天虹仪表有限责任公司在环保仪器设备领域有近二十年的科研开发经验，为本项目现场测试、示范应用推广提供有力支撑。 /p p 　　在项目实施方案中，研发团队提出：将在两年时间内，将本项目开发的激光高温湿度传感器应用在便携式烟道气参数测量仪、烟气排放连续监测系统和工业过程气湿度分析仪器中，开展5项示范应用，解决我国环保、工业过程控制等多个领域高温湿度准确测量难题。同时，形成自主知识产权，申请发明专利3项，文章1~3篇，标准1项。完成传感器质量体系文件，技术就绪度达到9级，开展产业化推广，项目完成后三年内实现年销售500套，年销售额2500万。 /p