【華中科技大學：研發(fā)自粘附壓力傳感器，用于水下目標探測】

水下目標探測是海洋技術(shù)領(lǐng)域的一個重要課題，涵蓋科學研究（例如海洋生物學和環(huán)境監(jiān)測）、工業(yè)（例如對采礦和油田開采作業(yè)進行水下監(jiān)視）和軍事（例如威脅檢測）等多個場景。例如，通過監(jiān)測特定水域中海洋生物發(fā)出的信號，可以對種群進行分類，識別外來物種，保護區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的平衡。然而，介質(zhì)衰減、信號干擾以及不同的水域環(huán)境等影響使得非接觸水下目標探測面臨巨大的挑戰(zhàn)。

本研究制備了一種可用于水下目標探測的自粘附壓力傳感器，其由混合構(gòu)型碳納米管陣列制備而成，包括陣列和非陣列兩個部分。由于陣列部分在壓力作用下致密的管間接觸，其可實現(xiàn)水下18 mPa的微弱壓力信號檢測，在18 mPa-178 mPa壓力探測范圍內(nèi)保持99.82%的線性度。此外，非陣列部分表現(xiàn)出23.24 N/cm2的剪切粘附強度，使得傳感器可以在運行速度為10公里/小時的載體上保持穩(wěn)定。結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，該傳感器可以對不同的水下目標進行識別，為非接觸式壓力檢測和水下目標識別提供了新的可能。

水下目標探測可以分為主動探測（發(fā)射主動信號并接收反射信號）和被動探測（探測目標產(chǎn)生的信號）兩種。主動探測具有成像分辨率高、噪聲干擾低等優(yōu)點，但該方法需要大功率信號源來發(fā)射信號，加重了供電系統(tǒng)的負擔，并且增加了暴露的風險。相對而言，被動探測更加隱蔽，功耗低且可大范圍鋪設(shè)，是一種理想的隱蔽式探測方案。然而，被動式水下非接觸式壓力探測的研究仍相對少見。

本研究成功制備了一種具有超低檢測下限的自粘附壓力傳感器，為水下目標的非接觸式遠距離探測提供了重要解決方案。其基于混合構(gòu)型碳納米管制備而成，在有離子存在的液體環(huán)境中，碳納米管表面會吸附離子形成雙電層，在壓力作用下，碳納米管發(fā)生彎曲變形，管與管之間發(fā)生接觸，所吸附的離子發(fā)生遷移，產(chǎn)生電勢變化，從而實現(xiàn)目標的探測。

圖1. 自粘附水下壓力傳感器件的結(jié)構(gòu)及制備。（A）自粘附壓力傳感器的結(jié)構(gòu)。（B）混合構(gòu)型碳納米管的制備。（C）自粘附壓力傳感器的工作機理。

相較于單一構(gòu)型的陣列碳納米管和非陣列碳納米管，混合構(gòu)型碳納米管結(jié)合了陣列碳納米管在傳感性能方面和非陣列碳納米管在粘附方面的優(yōu)勢。并且，由于混合構(gòu)型碳納米管中非陣列部分的彈性模量低于陣列部分的彈性模量，在施加預(yù)壓力將自粘附壓力傳感器粘附在基底的過程中，非陣列部分先發(fā)生變形，與載體形成牢固的貼合。而陣列部分由于彈性模量較高，其在預(yù)壓力作用下仍然保持了高度的取向結(jié)構(gòu)，為傳感器在壓力作用下致密的管間接觸提供了保障，從而獲得更高的壓力輸出響應(yīng)。

圖2. 自粘附傳感的工作機制。（A-B）混合構(gòu)型碳納米管粘附之前的掃描電子顯微鏡圖像。（C）基于混合構(gòu)型碳納米管粘附之前掃描電子顯微鏡圖像的快速傅里葉變換。（D-E）混合構(gòu)型碳納米管粘附之后的掃描電子顯微鏡圖像。（F）基于混合構(gòu)型碳納米管粘附之后掃描電子顯微鏡圖像的快速傅里葉變換。（G）陣列結(jié)構(gòu)和非陣列結(jié)構(gòu)壓力作用下接觸長度的趨勢對比。（H）陣列結(jié)構(gòu)在壓力作用下的變形。（I）非陣列結(jié)構(gòu)在壓力作用下的變形。

結(jié)果分析

基于混合構(gòu)型碳納米管制備的自粘附水下壓力傳感器的剪切粘附強度達到23.24 N/cm2,法向粘附強度達到5.05N/cm2，經(jīng)過28天水下浸泡后，其粘附強度保持率仍然在80%以上，并且可以實現(xiàn)在石英、不銹鋼、亞克力、玻璃和銅基底上的粘附。

圖3. 自粘附水下壓力傳感器的粘附性能。（A）基于混合構(gòu)型碳納米管、陣列碳納米管、非陣列碳納米管的自粘附水下壓力傳感器的剪切粘附強度和法向粘附強度。（B）三種自粘附水下壓力傳感器的剪切粘附力和剪切脫附功。（C）三種自粘附水下壓力傳感器的法向粘附力和法向脫附功。（D）基于混合構(gòu)型碳納米管的自粘附水下壓力傳感器的剪切粘附強度隨時間的變化。（E）基于混合構(gòu)型碳納米管的自粘附水下壓力傳感器的法向粘附強度隨時間的變化。（F）混合構(gòu)型碳納米管粘附在載體上浸泡在0.6 mol/L NaCl溶液中7天和28天的掃描電子顯微鏡圖像。（G）剪切粘附強度與商用粘附材料性能對比。（H）混合構(gòu)型碳納米管在不同基底上的剪切粘附強度和法向粘附強度對比。（I）水壓沖擊測試。（J）高速運行測試。

得益于混合構(gòu)型碳納米管中陣列部分對于壓力的高靈敏響應(yīng)，其可實現(xiàn)18 mPa-178 mPa范圍內(nèi)微弱壓力信號的響應(yīng)，在40m水深范圍內(nèi)可保持性能穩(wěn)定。結(jié)合其1-10Hz范圍內(nèi)的頻率穩(wěn)定性和在垂直方向的指向性，通過組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，其可實現(xiàn)水下不同目標的識別和所在位置的判斷。

圖4. 自粘附水下壓力傳感器的傳感性能。（A）基于混合構(gòu)型碳納米管、陣列碳納米管、非陣列碳納米管的自粘附水下壓力傳感器對不同壓力的響應(yīng)。（B）混合構(gòu)型碳納米管自粘附水下壓力傳感器對18 mPa–178 mPa壓力信號的實時響應(yīng)。（C）自粘附水下壓力傳感器在不同水深下的壓力響應(yīng)曲線。（D）基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的目標識別與位置判斷示意圖。（E）自粘附水下壓力傳感器對于不同頻率、不同壓力的輸出響應(yīng)。（F）自粘附水下壓力傳感器的指向性。（G）循環(huán)性能測試。（H）與已報道研究的性能對比。

結(jié)合人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，自粘附水下壓力傳感器可以實現(xiàn)對不同目標的識別。通過采集不同目標產(chǎn)生的信號，根據(jù)不同目標產(chǎn)生的信號在傳輸過程中頻率不會變化這一特點，依據(jù)其特征頻率的不同，自粘附水下壓力傳感器可以實現(xiàn)對不同目標的識別。

圖5.自粘附水下壓力傳感器的應(yīng)用場景。（A）自粘附水下壓力傳感器用于水下目標識別。（B）通過機器學習實現(xiàn)目標識別過程。（C）不同目標產(chǎn)生的實時信號。（D）基于不同目標產(chǎn)生的實時信號的傅里葉變化圖。

總之，本研究開發(fā)了一種自粘附水下壓力傳感器，實現(xiàn)了對水下目標的非接觸檢測?；旌蠘?gòu)型碳納米管的獨特結(jié)構(gòu)設(shè)計有效地解決了傳感和粘合功能之間的權(quán)衡，從而實現(xiàn)了安全的固定和18 mPa的超低檢測下限。此外，由于陣列部分高度的取向性，該傳感器表現(xiàn)出穩(wěn)定的頻率響應(yīng)和垂直方向的指向性。并且其剪切粘結(jié)強度為23.24 N/cm2，可承受高達1.67 L/S的水壓沖擊和10 km/h的高速運行試驗，在復(fù)雜的水下環(huán)境中表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。通過與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，其還可實現(xiàn)對不同模擬水下目標的移動識別，為非接觸式、遠距離水下目標探測提供了新的可能。

傳感動態(tài)

【蘋果手表被曝將移除血氧傳感器技術(shù)，以規(guī)避美國銷售禁令】

為避免蘋果手表在美銷售禁令再次生效，蘋果（Nasdaq：AAPL）計劃移除旗下最新兩款智能手表Apple Watch Ultra 2和Apple Watch Series 9的血氧傳感器技術(shù)。

當?shù)貢r間1月15日，據(jù)醫(yī)療技術(shù)公司麥斯莫醫(yī)療（Masimo）透露，蘋果已經(jīng)獲得美國海關(guān)邊境保護局（CBP）的批準，或?qū)τ诿媾R禁售風險的蘋果手表進行重新設(shè)計，使其不再包含血氧檢測功能，麥斯莫醫(yī)療在血氧傳感器技術(shù)上與蘋果有長期專利糾紛。

此前，蘋果在對美國國際貿(mào)易委員會（ITC）發(fā)布的銷售禁令上訴時表示，對于該禁令所涉及的兩款智能手表型號，公司已向CBP提交了經(jīng)過重新設(shè)計的版本。CBP負責執(zhí)行進口禁令，將確定經(jīng)過重新設(shè)計的蘋果手表是否依然侵犯麥斯莫醫(yī)療的專利。

根據(jù)麥斯莫醫(yī)療15日提交的一份文件顯示，CBP已于12日批準了對蘋果手表相關(guān)型號的技術(shù)修改，其中包括去除血氧傳感器。麥斯莫醫(yī)療方面的律師向外媒確認，只要去除血氧監(jiān)測功能，美國政府對于蘋果手表的進口就不會有反對意見。

麥斯莫醫(yī)療當日發(fā)布的一份聲明表示：“蘋果稱其重新設(shè)計的手表不包含血氧測量功能，這是該公司向承擔責任邁出的積極一步?！?/p>

法院將在未來幾天內(nèi)對蘋果此前提交的動議給出結(jié)果，決定是否在蘋果上訴期間暫停執(zhí)行ITC的銷售禁令。蘋果的一位發(fā)言人對外媒表示，目前，兩款手表將繼續(xù)提供血氧功能。如果法院沒有批準暫緩執(zhí)行禁令，蘋果將去掉手表中的血氧檢測功能。蘋果方面預(yù)計，整個上訴過程將持續(xù)一年或更長時間。

據(jù)外媒分析，血氧檢測功能是蘋果手表相關(guān)型號的最大賣點之一，移除該功能可能會削弱消費者需求。有消息稱蘋果正在準備一個軟件更新來調(diào)整其血氧檢測功能的算法，試圖避開麥斯莫醫(yī)療的專利技術(shù)，不知是否能趕在銷售禁令重啟前推出。而知名蘋果爆料記者馬克·古爾曼（Mark Gurman）表示，蘋果已經(jīng)開始向美國零售店運送新的“改良”版蘋果手表。

蘋果和麥斯莫醫(yī)療之間這場圍繞血氧傳感器展開的專利風波已經(jīng)持續(xù)數(shù)年，近日更是反轉(zhuǎn)不斷。

2023年12月26日，在度過美國政府為期60天的總統(tǒng)審查期后，ITC發(fā)布的蘋果手表在美銷售禁令正式生效，有血氧傳感器技術(shù)的Apple Watch Ultra 2和Apple Watch Series 9將在美國停止銷售。

當日，蘋果宣布就ITC的判決提起上訴，并向美國聯(lián)邦巡回上訴法院請求緊急限制令，稱ITC的決定是錯誤的，公司將遭受“無法彌補的傷害”。美國聯(lián)邦巡回上訴法院于第二日宣布暫停實施該銷售禁令。

今年1月10日，ITC又向美國聯(lián)邦巡回上訴法院提交了訴訟文件，正式反對蘋果此前提出的、在整個上訴期間暫停該銷售禁令的動議。

受本次銷售禁令影響的Apple Watch Series 9和Apple Watch Ultra 2發(fā)布于2023年9月，是目前蘋果手表的主力機型，售價分別為399美元和799美元起步。雖然蘋果手表在公司總營收中所占比例較小，但該產(chǎn)品在蘋果不斷擴大健康業(yè)務(wù)的計劃中扮演著重要的角色。

【總投資15億元，芯智達電子MEMS高性能壓力傳感器項目、碳華新材項目落地安徽蚌埠】

據(jù)傳感器專家網(wǎng)了解，近日安徽蚌埠市龍子湖區(qū)政府與安徽芯智達電子科技有限公司、深圳碳華新材料科技有限公司項目簽約儀式舉行。

龍子湖區(qū)人民政府發(fā)布消息顯示，此次簽約的芯智達電子科技MEMS高性能壓力傳感器項目、碳華新材料科技復(fù)合型芯片用熱管理材料項目總投資共15億元。其中，芯智達電子科技MEMS高性能壓力傳感器項目達產(chǎn)后可形成年產(chǎn)1200萬只高性能MEMS壓力傳感器的產(chǎn)能。碳華新材料科技復(fù)合型芯片用熱管理材料項目，將生產(chǎn)各類高強度、超大存儲熱量的復(fù)合型芯片用熱管理材料，應(yīng)用于電子顯示、數(shù)碼3C、智能座艙等各類智能電子設(shè)備。

安徽省科技廳信息顯示，截至2023年10月底，蚌埠市智能傳感產(chǎn)業(yè)規(guī)上企業(yè)達39家，完成產(chǎn)值41.7億元，實現(xiàn)營業(yè)收入55.1億元；新簽約億元以上項目34個、協(xié)議總投資92億元，已開工項目7個、總投資額12億元，已投產(chǎn)項目6個、總投資額22.1億元。

【成功成像！中國電科11所低成本紅外探測器駛?cè)肷虡I(yè)航天應(yīng)用“快車道”】

近日，中國電科11所研發(fā)的低成本紅外探測器搭載“星池一號”第二組A/B星發(fā)射升空，成功開機拍攝紅外影像。

圖：“星池一號”第二組A/B星紅外成像影像

近年來，我國遙感衛(wèi)星尤其是商業(yè)遙感衛(wèi)星步入發(fā)展“快車道”。遙感好像聽起來很神秘，其實就是“眼睛”的延長。把“眼睛”放到太陽同步軌道，通過觀察地面的情況，輔助農(nóng)業(yè)發(fā)展、災(zāi)害治理、城市管理等。這其中，很重要的一雙“眼睛”就是紅外探測器，它采用焦平面陣列技術(shù)，集成數(shù)萬個乃至數(shù)十萬個信號放大器，構(gòu)建熱力“視網(wǎng)膜”，把紅外“熱信號”轉(zhuǎn)換成電信號，并進行積分、存儲、放大、輸出，從而取得探測目標“熱量”全景圖。

搶抓商業(yè)遙感衛(wèi)星發(fā)展機遇，中國電科11所加大低成本紅外探測器技術(shù)創(chuàng)新力度，研發(fā)高性能、低功耗、低噪聲、大動態(tài)范圍、輕小型探測器模組，進一步降低成本，形成特有多系列“拳頭”產(chǎn)品，為后續(xù)規(guī)?；瘧?yīng)用于商業(yè)航天遙感探測奠定了堅實基礎(chǔ)。

【消息稱 SK 海力士無錫工廠升級第四代 DRAM】

1 月 16 日消息，根據(jù)韓媒《首爾經(jīng)濟日報》報道，SK 海力士計劃在 2024 年之前，完成對無錫 C2 工廠的改造，轉(zhuǎn)換升級為第四代（1a）D-ram 工藝，該工藝達到 10nm 級別。

無錫工廠是該公司的核心生產(chǎn)基地，約占 SK hynix D-RAM 總產(chǎn)量的 40%。該廠目前生產(chǎn) 10 納米后期級別的第二代（1y）和第三代（1z）D-RAM，屬于舊（傳統(tǒng)）產(chǎn)品線。

消息稱 SK 海力士會在無錫工廠完成第四代 D-RAM 的部分工藝，然后把晶圓運到韓國總部利川園區(qū)內(nèi)，使用 EUV 加工之后再返回送到無錫工廠。

由于第四代產(chǎn)品只有一個 D-RAM 層需要采用 EUV 工藝，該公司顯然認為成本增加是值得的。

在 2013 年無錫工廠大火期間，該公司克服了 D-RAM 生產(chǎn)中斷的困難，因此在這種方法上也積累了豐富的經(jīng)驗。

關(guān)于無錫工廠的工藝轉(zhuǎn)型，SK 海力士表示無法確認該公司具體的工廠運營計劃。

【一文探秘MEMS陀螺儀工作原理與特性】

陀螺儀，又叫角速度傳感器，是用高速回轉(zhuǎn)體的動量矩敏感殼體相對慣性空間繞正交于自轉(zhuǎn)軸的一個或二個軸的角運動檢測裝置，同時，利用其他原理制成的角運動檢測裝置起同樣功能的裝置也稱陀螺儀。

陀螺儀的名字由來

陀螺儀名字的來源具有悠久的歷史。據(jù)考證，1850年法國的物理學家萊昂·傅科（J.Foucault）為了研究地球自轉(zhuǎn)，首先發(fā)現(xiàn)高速轉(zhuǎn)動中地的轉(zhuǎn)子（rotor），由于它具有慣性，它的旋轉(zhuǎn)軸永遠指向一固定方向，因此傅科用希臘字 gyro（旋轉(zhuǎn)）和skopein（看）兩字合為“gyro scopei ”一字來命名該儀器儀表。

最早的陀螺儀的簡易制作方式如下：即將一個高速旋轉(zhuǎn)的陀螺放到一個萬向支架上，靠陀螺的方向來計算角速度，簡易圖如下圖所示。

其中，中間金色的轉(zhuǎn)子即為陀螺，它因為慣性作用是不會受到影響的，周邊的三個“鋼圈”則會因為設(shè)備的改變姿態(tài)而跟著改變，通過這樣來檢測設(shè)備當前的狀態(tài)，而這三個“鋼圈”所在的軸，也就是三軸陀螺儀里面的“三軸”，即X軸、y軸、Z軸，三個軸圍成的立體空間聯(lián)合檢測各種動作，然后用多種方法讀取軸所指示的方向，并自動將數(shù)據(jù)信號傳給控制系統(tǒng)。因此一開始，陀螺儀的最主要的作用在于可以測量角速度。

陀螺儀的基本組成

當前，從力學的觀點近似的分析陀螺的運動時，可以把它看成是一個剛體，剛體上有一個萬向支點，而陀螺可以繞著這個支點作三個自由度的轉(zhuǎn)動，所以陀螺的運動是屬于剛體繞一個定點的轉(zhuǎn)動運動，更確切地說，一個繞對稱軸高速旋轉(zhuǎn)的飛輪轉(zhuǎn)子叫陀螺。將陀螺安裝在框架裝置上，使陀螺的自轉(zhuǎn)軸有角轉(zhuǎn)動的自由度，這種裝置的總體叫做陀螺儀。

陀螺儀的基本部件有:陀螺轉(zhuǎn)子（常采用同步電機、磁滯電機、三相交流電機等拖動方法來使陀螺轉(zhuǎn)子繞自轉(zhuǎn)軸高速旋轉(zhuǎn)，并見其轉(zhuǎn)速近似為常值）；內(nèi)、外框架（或稱內(nèi)、外環(huán)，它是使陀螺自轉(zhuǎn)軸獲得所需角轉(zhuǎn)動自由度的結(jié)構(gòu)）；附件（是指力矩馬達、信號傳感器等）。

陀螺儀的工作原理

陀螺儀偵測的是角速度。其工作原理基于科里奧利力的原理：當一個物體在坐標系中直線移動時，假設(shè)坐標系做一個旋轉(zhuǎn)，那么在旋轉(zhuǎn)的過程中，物體會感受到一個垂直的力和垂直方向的加速度。

臺風的形成就是基于這個原理，地球轉(zhuǎn)動帶動大氣轉(zhuǎn)動，如果大氣轉(zhuǎn)動時受到一個切向力，便容易形成臺風，而北半球和南半球臺風轉(zhuǎn)動的方向是不一樣的。用一個形象的比喻解釋了科里奧利力的原理。

陀螺儀的兩大動力特性

陀螺儀是一種既古老而又很有生命力的儀器，從第一臺真正實用的陀螺儀器問世以來已有大半個世紀，直到現(xiàn)在，陀螺儀仍在吸引著人們對它進行研究，這是由于它本身具有的特性所決定的。陀螺儀最主要的基本特性是它的定軸性（inertia or rigidity）和進動性（precession），這兩種特性都是建立在角動量守恒的原則下。人們從兒童玩的地陀螺中早就發(fā)現(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)的陀螺可以豎直不倒而保持與地面垂直，這就反映了陀螺的定軸性。研究陀螺儀運動特性的理論是繞定點運動剛體動力學的一個分支，它以物體的慣性為基礎(chǔ)，研究旋轉(zhuǎn)物體的動力學特性。

定軸性（inertia or rigidity）。當陀螺轉(zhuǎn)子以高速旋轉(zhuǎn)時，在沒有任何外力矩作用在陀螺儀上時，陀螺儀的自轉(zhuǎn)軸在慣性空間中的指向保持穩(wěn)定不變，即指向一個固定的方向；同時反抗任何改變轉(zhuǎn)子軸向的力量。這種物理現(xiàn)象稱為陀螺儀的定軸性或穩(wěn)定性。其穩(wěn)定性隨以下的物理量而改變：轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量愈大，穩(wěn)定性愈好；轉(zhuǎn)子角速度愈大，穩(wěn)定性愈好。

進動性（precession）。當轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時，若外力矩作用于外環(huán)軸，陀螺儀將繞內(nèi)環(huán)軸轉(zhuǎn)動；若外力矩作用于內(nèi)環(huán)軸，陀螺儀將繞外環(huán)軸轉(zhuǎn)動。其轉(zhuǎn)動角速度方向與外力矩作用方向互相垂直，這種特性，叫做陀螺儀的進動性。進動角速度的方向取決于動量矩H的方向(與轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)角速度矢量的方向一致)和外力矩M的方向，而且是自轉(zhuǎn)角速度矢量以最短的路徑追趕外力矩。

審核編輯 黃宇