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研究背景


传感器之于IoT物联网,如同五官之于人。人借助感觉器官来获取外界信息;物联网也一样,随着有“电五官”之称的传感器的存在和发展,借助各种敏感元件,物体有了视觉、听觉、触觉、嗅觉等感官,渐渐活了过来。

柔性物联网(Soft AIoT)是未来ZETA 技术的主要演进方向之一,其核心除了能用柔性电池和柔性PCB支撑的低功耗计算+通信,还包括低成本、低功耗的柔性传感器。其应用场景包括健康护理、结构异常监测、智能纺织品和智能包装。而在实际应用中,受限于传感器的精度、灵敏度、稳定性、可伸缩性及耐洗性等诸多因素,如何在提高传感器特性的同时、降低商用成本,则成为研究的重点。

近期,竹井邦晴研究团队联合Techsor(ZETA日本团队),在柔性传感器的稳定性、可伸缩性和耐洗性方面,喜获突破。

4倍于能斯特理论极限、可重复使用25万次的柔性传感器 - ZETA日本团队柔性IoT领域研究再获突破

设计/结论


传统的硅基传感器故不具备机械柔性,但通过在织物中缝入导电性强的银包线,竹井邦晴研究团队联合Techsor团队开发出一种成本低廉、灵敏度高、机械柔性好,且稳定性、可伸缩性、耐洗性等性能均十分优异的,非直接接触人体的、毯状全纺织型柔性触觉力敏传感器。其可置于床面、椅面或地面上,监测人体在睡眠、端坐或走路时在承重物上的压力分布和监测呼吸频率。

该传感器在高压下具有非常高的稳定性(在5个大气压下,可重复使用25万次),并可用洗涤剂在洗衣机中清洗。

这对实际应用有着巨大意义。

4倍于能斯特理论极限、可重复使用25万次的柔性传感器 - ZETA日本团队柔性IoT领域研究再获突破

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4倍于能斯特理论极限、可重复使用25万次的柔性传感器 - ZETA日本团队柔性IoT领域研究再获突破

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不止在传感器的稳定性、可伸缩性和耐洗性等具有非常重要的实际应用价值、却研究者寥寥的传感器特性上有重大突破;在传感器敏感度这种热门的研究命题上,竹井邦晴研究团队也有巨大斩获。

像用于汗液监测分析的柔性可穿戴pH传感器,使用传统的循环伏安法等电化学传感方法时,受限于能斯特(Nernst)理论极限,其在室温下的pH监测灵敏度最高约为59mVpH-1。

4倍于能斯特理论极限、可重复使用25万次的柔性传感器 - ZETA日本团队柔性IoT领域研究再获突破

而竹井邦晴研究团队开发出一种基于柔性电荷耦合器件(CCD)高灵敏度pH传感器,通过电子电荷转移的积累循环,其监测灵敏度可提高至240 mVpH-1,约为能斯特理论极限的4倍。

4倍于能斯特理论极限、可重复使用25万次的柔性传感器 - ZETA日本团队柔性IoT领域研究再获突破

此外,为了能更综合地监测人体生理信息,通过在电极上涂上离子敏感膜,该团队还将柔性温度传感器和CCD pH传感器有效集成在一起。集成pH传感器和温度传感器,可同时用于补偿随温度变化的pH值和监测皮肤温度,从而实现人体汗液中pH值和表皮温度的实时、精确监控。


4倍于能斯特理论极限、可重复使用25万次的柔性传感器 - ZETA日本团队柔性IoT领域研究再获突破

竹井邦晴, 现为日本大阪府立大学副教授,日本Techsor株式会社的创始团队成员。 2009年在丰桥技术科学大学的电子工程系获得博士学位。2009至2013年,在加州大学伯克利分校任研究员。入选2013年度《麻省理工科技评论》“35岁以下世界排名前35位的创新者”(35 Top Young Innovators under 35)。 主要致力于高性能、多功能柔性可穿戴传感器的开发应用。

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