激光三维传感器

近日，山西大学激光光谱研究所陈旭远教授和王梅教授等人在《ACS Applied Materials & Interfaces》上发表文章《Vertical Graphene Canal Mesh for Strain Sensing with a Supereminent Resolution》，报导了一种基于三维竖直石墨烯(Vertical Graphene, VG)的超低检测限应变传感器。 　　微应变传感器的发展为微型机器人、智能人机交互、健康监测和医疗康复等众多领域提供了广阔的前景。高分辨率的柔性应变传感器可广泛应用于多种柔性可穿戴电子设备中，有助于提升设备探测灵敏度并保证亲肤性。目前，已有诸多活性材料在柔性传感器中展示了良好的应用效果，如碳纳米管、银纳米线、MXene等。但是具有极高分辨率的柔性应变传感器仍然是应变传感器研究中的一项挑战。 　　作者通过设计三维石墨烯微观和宏观结构制作了网状结构的应变传感器(VGCM)，使其在0-4%的总应变范围内实现了低至0.1‰的应变精确响应，获得了极高的分辨率。同时通过实验验证及理论模拟揭示了VG在应变过程中微裂纹的演化规律和电阻变化机理。 图1 基于VGCM的应变传感器制备过程及VGCM的SEM图像 　　此工作以铜网为模板，利用等离子化学增强气相沉积法在铜网上生长了VG。利用化学刻蚀去除铜网后获得中空网状VGCM结构。这种网状结构使得拉伸应力集中，增强了应变过程中的电阻变化，实现了对低至0.1‰的微小应变的高分辨响应。 图2 拉伸过程中的应力分布示意图 　　有限元模拟展示了VGCM在拉伸过程中的应力分布。结果显示VGCM的中空管道结构使得应力集中分布在管状VGCM的顶端和底部。同时，三维石墨烯竖直结构也会导致应力在竖直结构之间形成集中。 图3 VGCM传感器传感原理图；VGCM应变中的SEM图像；VG和2D石墨烯应力分布模拟图 　　进一步通过实验验证了在拉伸情况下，应力集中产生裂纹且主要分布在中空管道顶端和底部。裂纹的产生加速了电阻的增加，从而提高了VGCM的灵敏度和分辨率，与模拟结果完全吻合。VGCM传感器利用了三维石墨烯的微观结构和网状的宏观结构的协同作用，使得应力集中，增大了电阻在拉伸过程中的变化，赋予了VGCM传感器卓越的分辨率和良好的应用前景。

中科院理化技术研究所段宣明团队、日本理化学研究所河田聪团队通过合作，近日在利用飞秒激光多光子纳米加工技术进行三维微纳结构制备的研究中获得重要进展，成功突破了光学衍射极限，实现了纳米尺度的三维金属纳米结构加工。近年来，利用飞秒激光直写技术进行三维纳米结构加工，已成为一个广泛受到关注的研究工作。该研究团队利用基于非线性光学原理的飞秒激光多光子直写纳米加工技术，突破衍射极限，利用多光子聚合反应成功地获得纳米尺度加工分辨率，并实现了功能性纳米复合材料的三维微纳结构加工。金属纳米材料与结构在电子信息、生物检测等多个领域有重要应用前景，但是加工制备具有各种金属三维纳米结构，仍然是目前国际上研究开发的热点与难点。在利用飞秒激光多光子三维纳米加工技术进行金属纳米结构加工的研究中，加工分辨率长期徘徊在微米至亚微米尺度范围，未能实现突破光学衍射极限的纳米尺度加工。针对飞秒激光多光子还原制备金属纳米结构过程中，金属纳米粒子在激光作用下易于生长成为大块晶体的问题，研究团队提出了利用表面活性剂限制金属纳米材料生长，以获得三维金属纳米结构的思路。他们在硝酸银水溶液中添加了含有肽键的羧酸盐阴离子表面活性剂，使多光子光化学还原的银纳米粒子由微米及亚微米尺度不均一分布，成为尺寸约20纳米的均一分布，获得了仅为约激光波长六分之一的120纳米线宽的银纳米线，成功地突破光学衍射极限，实现了纳米尺度加工与三维金属纳米结构的加工。同时，激光加工所用功率也由数十毫瓦降低到了一毫瓦以下，为进行金属纳米结构的多光束平行快速加工奠定了技术基础。该项研究工作成果发表在5月18日出版的Small上。该研究工作所展示的任意三维金属纳米结构加工能力，使飞秒激光多光子三维纳米加工技术具备了在微纳电子器件的三维金属纳米布线与三维金属T型栅、人工介质材料、亚波长等离子光学器件、表面等离子生物传感器及太阳能三维纳米电极等纳米器件制备中获得广泛应用的可能性。中国科学院、科技部国际科技合作计划、日本科学技术振兴机构对该研究工作给予了支持。

p　　根据“两会”期间公布的2020年政府工作报告，今年要实现单位国内生产总值能耗和主要污染物排放量继续下降 深化重点地区大气污染治理攻坚 要打好蓝天、碧水、净土保卫战，实现污染防治攻坚战阶段性目标。br//pp　　2020年是打赢蓝天保卫战、“十三五”规划的全面收官之年，我国大气污染治理进入攻坚“深水期”，剩下的都是难啃的“硬骨头”。作为一直以来的重点和难点，扬尘污染治理已然成为大气污染防治目标完成与否的关键点之一。/pp　　扬尘治理，需对症下药 而把脉问诊，监测为先。高性能的扬尘传感器对实现扬尘全面监测、精准治理、降低成本等多方面的重要性不言而喻。/pp　　span style="color: rgb(0, 176, 240) "strong扬尘传感器的需求及应用现状/strong/span/pp　　行业发展初期，扬尘监测设备多基于β射线吸收法，然而受仪器体积较大、成本高昂等因素掣肘，量大面广的需求无法得到真正满足。/pp　　基于光散射原理的粉尘传感器，在民用室内检测应用中，经历了从采用LED光源和扩散式采样，用于粉尘浓度变化的趋势检测，到升级为激光光源和风扇采样，可以精确检测PM2.5数值的创新发展过程。然而针对室外扬尘监测还需要PM10和TSP的精准监测要求，则无法得到满足。/pp　　因此，能够同时准确测量PM2.5/PM10/TSP、体积小、购买和维护成本低成为了扬尘监测设备配套传感器面临的主要挑战。/pp　　span style="color: rgb(0, 176, 240) "strong室外扬尘颗粒物监测的技术难点/strong/span/pp　　① 与β射线原理的设备保持较高的线性相关性/pp　　国站监测设备采用的是β射线原理，其他的扬尘监测站的监测数据必须要与其保持高度一致性，但由于原理上的差异，要做到这一点，传感器需要采用更高性能的器件，有效提升颗粒物识别的能力。/pp　　② 满足室外-30℃~70℃的工作温度要求/pp　　温度对传感器激光管的影响非常大，然而室外温度范围更宽，夏天在太阳下暴晒，温度可能会到达70℃ 冬天北方严寒地区最低温度可能达到零下30℃。这就要求传感器在此温度下不仅能够正常工作，还要确保检测的准确性。/pp　　③检测精度不受水雾影响/pp　　由于室外环境经常会遇到凝霜与露水的情况，这些水汽进入到传感器后会严重影响到传感器的测量值，甚至会造成传感器永久损坏。/pp　　④长期使用，精度不受积灰影响/pp　　扬尘传感器工作在室外，大颗粒的灰尘经过传感器采样风道内会受到重力影响附着在传感器内部，长期使用，会使得灰尘在传感器内部大量堆积，影响到测量准确性。/pp　　span style="color: rgb(0, 176, 240) "strong四方光电激光扬尘传感器的技术特点/strong/span/pp　　四方光电基于创新的光散射技术研究，陆续推出红外粉尘传感器、激光粉尘传感器等系列传感器产品，广泛应用于室内、室外及车内检测等领域。/pp　　在此基础上，四方光电针对扬尘传感器的应用场景，以及不同地方标准需求，推动技术革新升级，成功研发扬尘颗粒物传感器PM3003S及 PM3006。/pp style="text-align: center"img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202006/uepic/578caa97-49a6-4d7e-9c5f-e5fc398bc203.jpg" title="222_副本.jpg" alt="222_副本.jpg"//pp style="text-align: center "图1：PM3006S(左)及 PM3006(右)激光扬尘传感器/pp　　strong1、 扬尘颗粒物智能识别技术(API技术)/strong/pp　　PM3003S，PM3006采用了独特的API(Auto Particle Identification，自动颗粒识别)技术，在多种尘源下进行标定，根据检测到的颗粒物分布进行自动判断，确保PM2.5、PM10和TSP的检测精度。/pp style="text-align: center"img style="width: 580px height: 393px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202006/uepic/bb9423a3-a58f-4a20-924e-5ae69424f42a.jpg" title="11.jpg" width="580" height="393" border="0" vspace="0" alt="11.jpg"//pp style="text-align: center"img style="" src="https://img1.17img.cn/17img/images/202006/uepic/8ddb10c0-114d-496b-bd0c-6b33eaad613f.jpg" title="22.jpg"//pp　　strong2、 高温、恒功率、线型激光管/strong/pp　　PM3003S、 PM3006激光扬尘传感器采用了工作温度在-30~70℃的恒功率、线型光源，其光功率高达100mW，相比点光源高出20倍以上，原始信号更强，大大提升了颗粒物的识别效率。同时对光源采用了恒功率控制，保证原始信号的稳定输出，确保测量的稳定性。/pp style="text-align: center"img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202006/uepic/e6860d1a-bc80-4215-b684-13ef739fa43c.jpg" title="33_副本.jpg" alt="33_副本.jpg"//pp style="text-align: center "图2：室外扬尘传感器与民用粉尘传感器光源差别，左：高功率线型光源，右：低功率点光源/pp　　strong3、 自带除水雾装置，不受水汽影响。/strong/pp　　四方光电研制的PM3003S、 PM3006激光扬尘传感器前端配套了除湿装置，防止室外环境中细小的水珠进入检测气室，消除水汽对扬尘传感器的精度影响。/pp style="text-align: center"img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202006/uepic/0c10a2cf-ddd2-450c-bf4b-330c21a12571.jpg" title="44_副本.jpg" alt="44_副本.jpg"//pp　　strong4、 创新结构设计，长效防积灰。/strong/pp　　PM3003S、 PM3006激光扬尘传感器通过流体力学仿真对采样风道进行了长效防积灰结构设计，经过实际验证，可以减少室外环境对传感器检测精确度的影响，降低后期维护成本。/pp style="text-align: center"img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202006/uepic/efa66063-7146-489b-88b2-af426b89892a.jpg" title="66.jpg" alt="66.jpg"//pp　　我国室外扬尘网格化监测经历了早期的β射线吸收法，到采用民用净化器大量应用的激光粉尘传感器的过程。在使用过程中发现，民用的激光粉尘传感器不仅不能满足-30~70℃室外环境温度的全天候使用要求，同时还必须面对监测场所，特别是建设工地经常喷洒降霾的水雾影响，或者下雨潮湿的气候环境等。这种环境下，水雾经常被判断为严重雾霾造成爆表。同时网格化室外粉尘监控希望得到局部的可以与国家大气环境监测网数据具备的PM2.5/PM10/TSP的多项参数对比， 民用激光传感器由于激光功率小，采样流量小， PM10分辨率很低，无法提供准确的PM10, 通常采用根据PM2.5的数字进行比例计算，造成PM10监测数据失真。四方光电研制的PM3003S、 PM3006激光扬尘传感器通过采用宽温型大功率线型激光光源、API粉尘自动识别技术、先进的流道设计实现抗污染、大流量车规级采样机构、高湿度环境的水雾去除装置等，低成本地实现了对室外扬尘粉尘与β射线吸收法达到0.9相关系数的高精度测量。/ppbr//p