光电感应传感器

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。/pp 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。/pp 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。/pp style="text-indent: 2em "br/ 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/ 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/ 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/ 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/ 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/ 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/ 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/ 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

中国微米纳米技术学会第二十五届学术年会暨第十四届国际会议（简称CSMNT2023），于2023年10月21-23日在深圳市圆满收官。重庆摩方精密科技股份有限公司（以下简称：摩方精密）携多款样件及终端应用参展，重点展示了在生物医疗、精密电子、科研及创新领域应用的超高精密打印技术，为精密制造行业带来系列定制化解决方案。在本次大会中，摩方精密产品应用工程师卢敏分享了《PμSL 微尺度3D打印技术及其在传感应用的进展》，其中详细介绍了两项极具创新性的传感应用研究。电化学生物传感芯片（检测肌氨酸）来自哈工大、华大基因、华东理工大学、斯威本科技大学等团队共研的《集成微柱阵列电极和声微流技术的新型微流控生物传感平台的研究》，阐述了一种创新型微流体电化学生物传感平台的构建。该平台通过在微柱阵列电极（μAE）上涂覆3D双金属 Pt-Pd 纳米树，实现了电化学传感灵敏度的提升。同时，该装置采用了基于气泡的声微流技术，增加了分析物分子与电极表面的接触，进一步优化了电化学性能。图1：PμSL打印微柱阵列模具+PDMS二次翻模制备微柱阵列电极、PμSL打印截断圆锥阵列模具+PDMS翻模制备截断圆锥空腔阵列微柱阵列电极的制造过程主要依赖于面投影微立体光刻（PμSL）技术和PDMS翻模技术，该团队利用摩方精密nanoArchP140将光敏树脂打印在载玻片上，这样就形成了微柱阵列的阳模，然后以PDMS 翻模的阴模作为模板，采用二次翻模制造出 PDMS 微柱阵列，选用镀金微柱阵列作为电极层的工作电极，其中微柱阵列最小特征尺寸可达50μm。图2：微柱阵列面投影微立体光刻（PμSL）技术结合PDMS翻模技术可制备微流控电化学生物传感芯片，所制得的传感芯片线性范围宽， 灵敏度高，可广泛用于蛋白质分析及病毒检测中。图3：过氧化氢检测图4：肌氨酸检测原文：Biosensors and Bioelectronics. 223, 114703 (2023)仿生自供电传感器（易便携）来自湖南大学、阿卜杜拉国王科技大学的团队协作研发了一种便携式3D打印仿生传感装置，其光电响应能力得到了显著增强，可实现双酚 A (BPA) 的灵敏检测。该装置利用高反应性的双电极系统，在光辐射的作用下产生电输出，提供传感信号，解决了依赖外部电源的问题。图5：蕨类植物N/Ov/BiVO4光阳极的原位合成步骤图6：N/Ov/BiVO4光阳极表面修饰的bpa特异性适配体示意图这种独特的蕨类仿生结构提升了传感系统的传质效率，并为传感器提供了丰富的适体结合位点，实现了信号的放大。该团队将检测系统集成到了基于微纳 3D 打印技术的微模型中，利用摩方精密microArch S240打印出微流道模型（宽约2.5mm），其内含多个孔道 ，可与电极集成生成小型易便携的传感器。图7：拟设计的三维传感装置的模型图面投影微立体光刻（PμSL）技术可高精度定制微流道模型 ，有助于制备自供电传感器 ，实现对双酚A（致癌致畸） 的特异性检测。图8：传感器性能表征—双酚A检测原文：Biosens Bioelectron. 220, 114817(2023)展会现场，摩方精密展出了系列自主研发的多领域应用样件，吸引众多来自生物医疗、学术科研、创新领域等业界专家学者前来参观，其中包括深圳市微米纳米技术学会会长、北京大学教授金玉丰，香港大学教授陆洋和武汉大学工业科学研究院执行院长刘胜等。摩方精密会继续秉持着深入钻研的精神，持续在微纳 3D 打印技术领域深耕，以技术和终端应用为突破口，为客户带来更多创新性的产品和解决方案，引领行业的新篇章。

1880年，法国物理学家居里兄弟发现，把重物发在石英晶体上，晶体某些表面会产生电荷，电荷量与压力成比例。利用压电材料的这些特性可以实现机械振动（声波）和交流电的相互转换。打火机的点火装置，就是利用此原理进行打火。后来压电材料广泛应用于各种传感器（如图1）中，例如换能器、传感器、驱动器、声纳、手机和机器人等方面。图1 压电陶瓷传感器压电效应的产生是晶胞中正负离子在外界条件作用下出现相对位移，使得正负电荷的中心不再重合，导致晶体发生宏观极化。压电电荷的流动方向取决并且遵循其陶瓷和晶体材料的晶格排列，因此压电陶瓷和压电聚合物复合材料的压电常数与其结构组成有着密切的相关性。美国弗吉尼亚理工大学的郑小雨（Rayne Zheng）教授及其实验室的博士团队使用3D打印的方式实现了新型压电材料的制造，并且采用这种方法制备了具有高压电特性的材料，实现电压在任意方向可被放大、缩小和反向的特征。图2 高灵敏度压电材料的合成以及3D打印制造图3 压电材料3D打印制造（弗吉尼亚理工大学） 这种压电材料的制造方法为：首先采用功能化剂（三甲氧基甲基丙烯酸丙脂）共价接到PZT（锆钛酸铅压电陶瓷）颗粒上合成表面功能化的压电纳米粒子，表面通过硅氧烷键在表面留下自由的甲基丙烯酸酯（如图2-a）；通过提高表面功能化水平，提高复合颗粒材料的压电相应水平，使之达到最大（如图2-b） 最后通过面投影3D打印方式实现纳米颗粒的粘接成型（如图2-c和图3）,最终得到需求的压电材料结构，其显微镜结构（如图2-d）。基于此项技术，压电新型材料在很多领域得到应用P1多功能柔性可穿戴智能材料通过电压激活后能够设计和制造出一系列新型智能材料。该三维材料具有任意形状，任意内部结构复杂度，并且每一个节点、单元和材料本身任意部位均具有压电感应功能，无需任何附加传感器即可实现电压输出。根据该材料的特性，开发出了柔性压电材料（如图4），为将来可穿戴柔性器件开发做好基础准备。图4 打印的柔性材料薄片（弗吉尼亚理工大学）P2自感应吸能材料及护甲由于这种智能材料各个部位均具有压电感应，其打印支撑的三维结构将无需任何附加传感器，并探测出任意位置的压力或者震动。现有传感技术和结构损伤检测当中，需要在各个位置上布满大量的压电传感器，并且对于复杂结构，需要通过复杂算法优化计算，最终来确定传感器阵列的布置。然而，这种自感应三维材料，则可以通过任意位置的压电结构材料，首次解决了这项难题，并且通过智能桥梁结构得到验证（图5）。图5 智能桥梁检测实验P3矢量传感领域通过人工晶格设计制成的压电超材料，可以很灵巧的实现矢量探测传感功能，通过利用改型材料不同结构有不同压力静电相应的特性，设计如图(6-b)所示的结构，并对不同方向进行压力测试，可以实现三个方向的不同压电系数的压电材料制备。图6 力方向感知测试国内西安交通大学陈小明教授也在应用3D打印技术研究压电材料，其将压电聚合物或陶瓷与光敏树脂混合制备成复合材料，然后将复合材料利用深圳摩方（BMF）的3D打印设备S140进行打印成型，从而制成相应的压电器件。除此之外，利用3D打印技术可以制备具有多种微结构的器件（图7），相比于传统的微纳加工工艺具有成型快，成本低，可定制化等优点。打印的微结构复合压电器件相比于平模，极大的提高了压电输出，器件性能成倍增加。图7 3D打印的多种微结构压电器件图BMF的S140（图8）设备打印光学精度达到10um，打印层厚10~40um，打印幅面最大能够达到94mm(L)*52mm(W)*45mm(H)，而且其支持多种树脂材料打印，例如韧性树脂、耐高温树脂、生物医用树脂、柔性树脂等等，能够最大限度的满足不同客户的科研需求。图8 S140设备简图通过3D打印来实现各向异性和定向效应的高响应性压电材料，有效促进了3D传感器材料方向的发展。通过这种材料，用户可以为目标应用进行设计、放大和抑制等操作模式。这种新型结构与功能的压电材料突破了传统传感器整列部署的模式，通过3D打印制造方式为未来智能材料设计提供了一种思路。官网：https://www.bmftec.cn/links/10