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材料、工艺、供电大跃进,感测技术一日千里

时间:2018-04-16 08:01来源:Compotech 作者:任苙萍 点击:
随着物联网 (IoT) 环境的成熟,可与智能型手机或电脑连接的微型化传感器亦水涨船高,包括前述用于检测化学威胁的可携式设备;最近美国官方甚至资助发展指环式感测产品,由两部分组成:一个用于检测化学和生物威胁的电化学传感器帽,以及一个用于处理数据并将数据无线发送至手机或电脑的帽下电路板。它可测量电压和安培小时 (AH),用来检测大面积的气相或液相化学威胁,例如:爆炸物或有机磷酸盐神经毒剂。在各种传感器中,电化学因其高灵敏度、快速反应和使用寿命长而具有特殊优势,但找到可增强目标物的电极材料是挑战所在。
 
尖端材料能增强传感器对气体或化学物质的检测、识别能力,如:纳米粒子、二维 (2D) 材料与金属有机框架 (MOF) 的应用。这些材料拥有较大的表面积,便于让许多气体分子可与其产生交互作用,提高对少量化学物质的敏感度。其中,2D 材料由于没有体积、可依需求被订制成特殊结构,对环境非常敏感,特别适合用来检测特定化学物质,为新一代电化学器件另辟蹊径,2004 年被发现的石墨烯 (Graphene) 可为代表;而金属离子和 MOFs 的碳基连接可形成开放的笼状结构,可为分子的相互作用提供充足空间,易于感知非常细微的化学物质。
 

图1:铁基金属有机框架 (Iron-based MOF) 可将乙烷 (灰色和浅蓝色分子) 转化为纯乙醇 (浅蓝色、红色和灰色) 反应
资料来源:美国国家标准与技术研究院;
https://commons.wikimedia.org
 
"电子印刷"工艺,为微型化&新材料加柴添火
因应微型化需求,感测芯片开始尝试能兼容多种纳米材料与不同半导体、有机/无机导体的电路,工艺亦出现重大演进。相较于传统硅 (Si) 或氮化镓 (GaN) 工艺,电子印刷更便于制作软性电路和异质结构,且成本仅需 1/10、乃至 1/100。美国东北大学所开发的定向组装印刷,可将纳米粒子、导电聚合物、聚合物共混物、二维材料和单壁纳米碳管 (SWNT) 的有序数组和网络印制成各种非均匀结构,包括多尺度的三维结构。
 
2014 年,中国与波士顿自动化公司 Milara 合作推出全球第一款用于 3D 印刷传感器和电子产品的纳米级全自动胶印系统 (NanoOPS),速度更快、分辨率更高,且可使用多种纳米材料,包括:微粒、碳管或聚合物。任何可悬浮或溶于液体的材料都可印刷在任何柔性或刚性基材上,已被用于印刷晶体管、二极管和微型 LED,可作为穿戴式环境/生物传感器或电子皮肤;历经两代更迭,第三代 NanoOPS 拟于今年夏季发布。除了化学传感器进展神速,物理层面最受瞩目的当属"飞时"(Time-of-Flight, ToF) 激光感测了,更适用于 1 公里内的近距感测。
 

图2:NanoOPS 可印刷多种无线环境传感器,速度比喷墨或 3D 打印快 1,000 倍
资料来源:
http://nano-ops.net/
 
ToF 激光测距,比红外线更精确且不易受干扰
苹果 iPhone X 已为 3D 感测打响名号,但内建红外线测距和环境光传感器的屏幕"浏海"设计,却也因容易遮住应用程序 (APP) 而为人诟病;而藉由光波来回时间与光速推算精确距离的 ToF,可补足红外线精度低、方向性差,有颜色辨識及易受环境光源干扰的缺点;且模块较小,在电路板有限的移动设备较具优势。意法半导体 (ST) 的 FlightSense ToF 激光测距技术,可改善红外线只能回报反射信号强度、无法提供详细距离数值的缺憾;搭载环境光源传感器 (ALS) 可广泛应用在家电控制、相机快速对焦、仓储物流扫瞄、建筑物保全,甚至手势辨识等。
 
例如:当人体过于靠近电视或工厂机器时,会发出警示或停止运作;光源过暗的情况下,依然可拍出清晰绝美照;工作环境光线不足,可快速隔空扫瞄货物编号、不须再辛苦架梯摸索;门禁侦测到访客接近,启动相关系统以落实节能及保全需求;甚至可经由扫过截断信号,实现非触控翻页动作。ST 继早先推出 VL53L0 整合 ToF 传感器、最大测距可达 2 公尺的激光测距模块后,日前再推 VL53L1X 产品,将检测范围扩大至 4 公尺,可用于无人机、悬崖检测、防撞、悬停/着陆辅助机器人设备,以及电子设备自动休眠/唤醒的使用者趋近侦测。
 

图3:ST FlightSense ToF 激光测距工作原理及应用优势
资料来源:ST提供
 
"能源采集"为自体供电,就地取材不浪费
测距感测有时与人身安全密不可分,实现安全、可靠的篡改侦测亦是必要考虑。此外,能源采集 (Energy Harvesting) 搭配充电式电池与超级电容,将太阳能、机械能或射频能量转化成电能,已成新兴供电途径。世界首个符合"超低功耗无线通信"ISO / IEC 国际标准规范的 EnOcean,可收集自然界的微小能量、借助开开动作将动能转换为电能,免去边缘节点 (edge node) 更换电池或充电维护的不便,迄今欧美已约有 40 万栋建筑物建置,亚德诺 (ADI)、罗姆 (Rohm) 与恩智浦 (NXP) 等半导体大厂都有相关解决方案。
 
中国重庆大学亦善用能源采集原理,新研发出由风力驱动、可监测风速和温度的无线传感器;麻省理工学院 (MIT) 则藉环境温度变化开发"热谐振器",可从稀薄空气中采集环境热能,不须依赖阳光照射、在阴凉处亦可工作。不过,此类"就地取材"的环境能源并非随时可得,必须善加珍惜使用;此时,传感器的工作模式及参数设定格外重要。另一个须留意的问题是:即使设有超级电容,但它可能因为过度自放电,而浪费辛苦采集到的能量。如何提高转换效率、尽可能降低芯片本身功耗、极小化启动电压并妥善管理采集进来的能量是关键所在 (ADI 能量采集芯片 ADP5090 / 5091 / 5092 对此有不错表现)。
 

图4:ADI 针对能量采集系统推出超低功耗升压型稳压器
资料来源:
http://www.analog.com/en/about-adi/news-room/press-releases/2014/04_01_14_adi_unveils_ultra-low-power_boost.html

(责任编辑:helen)
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