技術(shù)
導(dǎo)讀:這個(gè)傳感器對(duì)元宇宙很關(guān)鍵!
自去年11月份,F(xiàn)acebook改名Meta,并大張旗鼓進(jìn)軍元宇宙后,Meta的市值今年已累計(jì)跌去60%,扎克伯格元宇宙之路走的并不順利。
要實(shí)現(xiàn)元宇宙這個(gè)想法,需要借助許多設(shè)備和內(nèi)容,像VR、AR等技術(shù),視覺、聽覺等硬件我們大都已經(jīng)實(shí)現(xiàn),然而要怎么在元宇宙里再現(xiàn)人的觸覺和味覺等感官呢?
柔性傳感器就是實(shí)現(xiàn)觸覺,制造“電子皮膚”的基石,Meta一改名就立馬宣布與卡內(nèi)基梅隆大學(xué)合作,基于柔性傳感器研制電子皮膚“ReSkin”,可見柔性傳感器的重要性。
然而,一年過去,這個(gè)“ReSkin”柔性傳感器遙遙無期,有錢有才還搞不定?本文帶你看看什么是柔性傳感器,以及它的發(fā)展?jié)摿图夹g(shù)趨勢。
死磕元宇宙,一年市值暴跌60%,分析稱:柔性傳感器等許多硬件并未準(zhǔn)備好
10月26日,Meta發(fā)布了2022財(cái)年第三季度業(yè)績。當(dāng)季Meta營收277.1億美元,同比下跌4%;成本和支出220.5億美元,同比增加19%;調(diào)整后每股收益為1.64美元,同比下滑49%;凈利潤43.95億美元,同比大降52%。
財(cái)報(bào)一出,Meta股價(jià)當(dāng)即暴跌20%。而在今年以來,Meta的市值已較一年前的Facebook跌去了60%
如今,元宇宙是個(gè)炙手可熱的概念。元宇宙是一個(gè)聚焦于社交連結(jié)的3D虛擬世界之網(wǎng)絡(luò),需要借助虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡、擴(kuò)增實(shí)境眼鏡、手機(jī)、個(gè)人電腦和電子游戲機(jī)等設(shè)備進(jìn)入人造的虛擬世界。
為此,F(xiàn)acebook改名Meta并宣布全力進(jìn)軍元宇宙后,一口氣研發(fā)了多種元宇宙硬件設(shè)備,包括提供3D視覺體驗(yàn)的OculusQuestVR頭顯、提供虛擬觸覺體驗(yàn)的電子皮膚ReSkin……等黑科技。
但這些“黑科技”真的準(zhǔn)備好了嗎?
其中,最為人詬病的就是Meta的VR頭顯創(chuàng)造的元宇宙世界,畫面簡陋,并且沒有下半身!
根本原因就是VR頭顯硬件設(shè)備跟不上,算力和功耗、發(fā)熱等等原因制約了對(duì)元宇宙畫面的渲染和重現(xiàn),Meta只能對(duì)元宇宙一切從簡,這樣何來沉浸式體驗(yàn)?
同樣的,為了給在元宇宙的人帶來觸感,F(xiàn)acebook一改名Meta就宣布聯(lián)合卡內(nèi)基梅隆大學(xué),基于柔性傳感器研發(fā)電子觸覺皮膚ReSkin。
扎克格在Facebook發(fā)帖寫道:“我們?cè)O(shè)計(jì)了一種高分辨率的觸摸傳感器,并與卡內(nèi)基梅隆大學(xué)合作創(chuàng)造了一種薄薄的機(jī)器人皮膚。這使得我們更接近于在元宇宙中實(shí)現(xiàn)逼真的虛擬對(duì)象和物理交互?!?/strong>
然而,一年過去,ReSkin渺無音訊。
▲演示,實(shí)驗(yàn)利用葡萄和藍(lán)莓等軟水果作為測試。(左圖)在有ReSkin反饋的情況下,機(jī)器人能夠控制力度,并輕輕地握持水果。(右圖)沒有ReSkin反饋時(shí),機(jī)器人則會(huì)用力過猛并壓扁水果。
如果VR頭顯,柔性傳感器等技術(shù)研發(fā)順利,元宇宙就真的到來了。無法再現(xiàn)人在現(xiàn)實(shí)世界中的五官感受,那么元宇宙也只能是空中樓閣。
那么,柔性傳感器是什么?目前我們研究到什么階段了?什么時(shí)候真正能用?
柔性傳感器有什么特點(diǎn)?
“柔性時(shí)代”已然來臨,成為業(yè)內(nèi)人士的共識(shí)。而作為柔性電子設(shè)備的重要組成部分,柔性傳感器正在從基礎(chǔ)研究向產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展。
利用柔性傳感器和導(dǎo)電體,科學(xué)家可以將外界的受力或受熱情況轉(zhuǎn)換為電信號(hào),傳遞給機(jī)器人的電腦進(jìn)行信號(hào)處理,這樣就可以制作成透明、柔韌、可延展、可自由彎曲折疊、可穿戴的電子皮膚,以便實(shí)時(shí)精準(zhǔn)的監(jiān)測出人體各項(xiàng)指標(biāo)
柔性傳感器是指采用柔性材料制成的傳感器,具有良好的柔韌性、延展性、甚至可自由彎曲甚至折疊,而且結(jié)構(gòu)形式靈活多樣,可根據(jù)測量條件的要求任意布置,能夠非常方便地對(duì)復(fù)雜被測量進(jìn)行檢測。
柔性傳感器的優(yōu)勢讓它有非常好的應(yīng)用前景,包括在醫(yī)療電子、環(huán)境監(jiān)測和可穿戴等領(lǐng)域。例如在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域,科學(xué)家將制作成的柔性傳感器置于設(shè)備中,可監(jiān)測臺(tái)風(fēng)和暴雨的等級(jí);在可穿戴方面,柔性的電子產(chǎn)品更易于測試皮膚的相關(guān)參數(shù),因?yàn)槿说纳眢w不是平面的。
那么,對(duì)于柔性傳感器而言關(guān)鍵是什么?以現(xiàn)在被廣泛用于醫(yī)療、環(huán)境檢測等領(lǐng)域的柔性可穿戴電子傳感器為例,其信號(hào)轉(zhuǎn)換機(jī)制主要分為壓阻、電容和壓電三大部分。
壓阻
壓阻傳感器可以將外力轉(zhuǎn)換成電阻的變化(與施加壓力的平方根成正比),進(jìn)而可以方便地用電學(xué)測試系統(tǒng)間接探測外力變化。而導(dǎo)電物質(zhì)間導(dǎo)電路徑的變化是獲得壓阻傳感信號(hào)的常見機(jī)理。由于其簡單的設(shè)備和信號(hào)讀出機(jī)制,這類傳感器得到廣泛應(yīng)用。
程文龍等發(fā)展了一種簡單實(shí)用的高靈敏壓阻傳感器,其在彈性基底上構(gòu)筑了金納米線薄層和電極陣列。這種器件具有13~50000Pa寬的檢測范圍。為了增強(qiáng)靈敏性,實(shí)現(xiàn)對(duì)接觸力的掃描,鮑哲楠等利用具有錐狀微結(jié)構(gòu)的壓阻傳感器制備了一種可以向大腦傳遞觸覺信息的電子皮膚
電容
容是衡量平行板間容納電荷能力的物理量。傳統(tǒng)的電容傳感器通過改變正對(duì)面積s和平行板間距d來探測不同的力,例如壓力,剪切力等。
電容式傳感器的主要優(yōu)勢在于其對(duì)力的敏感性強(qiáng),可以實(shí)現(xiàn)低能耗檢測微小的靜態(tài)力。鮑哲楠等在彈性基底上制備了電容型透明可拉伸的碳納米管傳感器,對(duì)壓力和拉力同時(shí)有響應(yīng)。
壓電
壓材料是指在機(jī)械壓力下可以產(chǎn)生電荷的特殊材料。這種壓電特性是由存在的電偶極矩導(dǎo)致的。電偶極矩的獲得是靠取向的非中心對(duì)稱晶體結(jié)構(gòu)變形,或者孔中持續(xù)存在電荷的多孔駐極體。
壓電系數(shù)是衡量壓電材料能量轉(zhuǎn)換效率的物理量,壓電系數(shù)越高,能量轉(zhuǎn)換的效率就越高。高靈敏,快速響應(yīng)和高壓電系數(shù)的壓電材料被廣泛應(yīng)用于將壓力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器。
柔性材料迅速發(fā)展成為催化劑
柔性傳感器為何成為趨勢,自然是隨著柔性材料的發(fā)展應(yīng)運(yùn)而生。柔性材料是與剛性材料相對(duì)應(yīng)的概念,一般,柔性材料具有柔軟、低模量、易變形等屬性目前制作柔性傳感器的材料有很多,主要是金屬材料、無機(jī)半導(dǎo)體材料、有機(jī)材料和柔性基底。
1、柔性基底
為了滿足柔性電子器件的要求,輕薄、透明、柔性和拉伸性好、絕緣耐腐蝕等性質(zhì)成為了柔性基底的關(guān)鍵指標(biāo)。
在眾多柔性基底的選擇中,聚二甲基硅氧烷(PDMS)成為了人們的首選。它的優(yōu)勢包括方便易得、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、透明和熱穩(wěn)定性好等。尤其在紫外光下粘附區(qū)和非粘附區(qū)分明的特性使其表面可以很容易的粘附電子材料。
很多柔性電子設(shè)備通過降低基底的厚度來獲得顯著的彎曲性;然而,這種方法局限于近乎平整的基底表面。相比之下,可拉伸的電子設(shè)備可以完全粘附在復(fù)雜和凹凸不平的表面上。
目前,通常有兩種策略來實(shí)現(xiàn)可穿戴傳感器的拉伸性。第一種方法是在柔性基底上直接鍵合低楊氏模量的薄導(dǎo)電材料。第二種方法是使用本身可拉伸的導(dǎo)體組裝器件。通常是由導(dǎo)電物質(zhì)混合到彈性基體中制備。
2、金屬材料
金屬材料一般為金銀銅等導(dǎo)體材料,主要用于電極和導(dǎo)線。對(duì)于現(xiàn)代印刷工藝而言,導(dǎo)電材料多選用導(dǎo)電納米油墨,包括納米顆粒和納米線等。金屬的納米粒子除了具有良好的導(dǎo)電性外,還可以燒結(jié)成薄膜或?qū)Ь€。
3、無機(jī)半導(dǎo)體材料
以ZnO和ZnS為代表的無機(jī)半導(dǎo)體材料由于其出色的壓電特性,在可穿戴柔性電子傳感器領(lǐng)域顯示出了廣闊的應(yīng)用前景。
一種基于直接將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為光學(xué)信號(hào)的柔性壓力傳感器被開發(fā)出來。這種矩陣?yán)昧薢nS:Mn顆粒的力致發(fā)光性質(zhì)。力致發(fā)光的核心是壓電效應(yīng)引發(fā)的光子發(fā)射。壓電ZnS的電子能帶在壓力作用下產(chǎn)生壓伏效應(yīng)而產(chǎn)生傾斜,這樣可以促進(jìn)Mn2+的激發(fā),接下來的去激發(fā)過程發(fā)射出黃光(580nm左右)。
一種快速響應(yīng)(響應(yīng)時(shí)間小于10ms)的傳感器就是由這種力致發(fā)光轉(zhuǎn)換過程所得到,通過自上而下的光刻工藝,其空間分辨率可達(dá)100μm。
這種傳感器可以記錄單點(diǎn)滑移的動(dòng)態(tài)壓力,其可以用于辨別簽名者筆跡和通過實(shí)時(shí)獲得發(fā)射強(qiáng)度曲線來掃描二維平面壓力分布。所有的這些特點(diǎn)使得無機(jī)半導(dǎo)體材料成為未來快速響應(yīng)和高分辨壓力傳感器材料領(lǐng)域最有潛力的候選者之一。
4、有機(jī)材料
大規(guī)模壓力傳感器陣列對(duì)未來可穿戴傳感器的發(fā)展非常重要?;趬鹤韬碗娙菪盘?hào)機(jī)制的壓力傳感器存在信號(hào)串?dāng)_,導(dǎo)致了測量的不準(zhǔn)確,這個(gè)問題成為發(fā)展可穿戴傳感器最大的挑戰(zhàn)之一。
由于晶體管完美的信號(hào)轉(zhuǎn)換和放大性能,晶體管的使用為減少信號(hào)串?dāng)_提供了可能。因此,在可穿戴傳感器和人工智能領(lǐng)域的很多研究都是圍繞如何獲得大規(guī)模柔性壓敏晶體管展開的。
典型的場效應(yīng)晶體管是由源極、漏極、柵極、介電層和半導(dǎo)體層五部分構(gòu)成。根據(jù)多數(shù)載流子的類型可以分為p型(空穴)場效應(yīng)晶體管和n型(電子)場效應(yīng)晶體管。
傳統(tǒng)上用于場效應(yīng)晶體管研究的p型聚合物材料主要是噻吩類聚合物,其中最為成功的例子便是聚(3-己基噻吩)(P3HT)體系。萘四酰亞二胺(NDI)和苝四酰亞二胺(PDI)顯示了良好的n型場效應(yīng)性能,是研究最為廣泛的n型半導(dǎo)體材料,被廣泛應(yīng)用于小分子n型場效應(yīng)晶體管當(dāng)中。
通常晶體管參數(shù)有載流子遷移率、運(yùn)行電壓和開/關(guān)電流比等。與無機(jī)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)相比,有機(jī)場效應(yīng)晶體管(OFET)具有柔性高和制備成本低的優(yōu)點(diǎn),但也有載流子遷移率低和操作電壓大的缺點(diǎn)。
5、碳材料
柔性可穿戴電子傳感器常用的碳材料有碳納米管和石墨烯等。碳納米管具有結(jié)晶度高、導(dǎo)電性好、比表面積大、微孔大小可通過合成工藝加以控制,比表面利用率可達(dá)100%的特點(diǎn)。
石墨烯具有輕薄透明,導(dǎo)電導(dǎo)熱性好等特點(diǎn)。在傳感技術(shù)、移動(dòng)通訊、信息技術(shù)和電動(dòng)汽車等方面具有極其重要和廣闊的應(yīng)用前景。
在碳納米管的應(yīng)用上,利用多臂碳納米管和銀復(fù)合并通過印刷方式得到的導(dǎo)電聚合物傳感器,在140%的拉伸下,導(dǎo)電性仍然高達(dá)20S/cm。
在碳納米管和石墨烯的綜合應(yīng)用上,制備了可以高度拉伸的透明場效應(yīng)晶體管,其結(jié)合了石墨烯/單壁碳納米管電極和具有褶皺的無機(jī)介電層單壁碳納米管網(wǎng)格通道。由于存在褶皺的氧化鋁介電層,在超過一千次20%幅度的拉伸-舒張循環(huán)下,沒有漏極電流變化,顯示出了很好的可持續(xù)性。
柔性傳感器種類繁多
柔性傳感器種類較多,分類方式也多樣化。按照用途分類,柔性傳感器包括柔性壓力傳感器、柔性氣體傳感器、柔性濕度傳感器、柔性溫度傳感器、柔性應(yīng)變傳感器、柔性磁阻抗傳感器和柔性熱流量傳感器等。
按照感知機(jī)理分類,柔性傳感器包括柔性電阻式傳感器、柔性電容式傳感器、柔性壓磁式傳感器和柔性電感式傳感器等。
接下來列舉一些目前應(yīng)用較多的柔性傳感器。
柔性圖像感應(yīng)陣列
柔性電子設(shè)備的光敏性是柔性成像傳感系統(tǒng),生物健康監(jiān)測和遙控的技術(shù)核心。設(shè)計(jì)具有新材料和結(jié)構(gòu)的柔性平臺(tái)來開發(fā)高感測性能光電探測器是十分必要的,為了實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)和寬帶寬,低維度材料得到認(rèn)可,包括納米線、納米帶、2D材料和納米復(fù)合材料
這些基于納米材料的可穿戴式光電探測器在感測平臺(tái)上是可拉伸,可彎曲,重量輕和透明的,并且由于它們?cè)趯淼娜诵曰瘧?yīng)用中的潛在價(jià)值受到極大關(guān)注。
柔性氣體傳感器
柔性氣體傳感器在電極表面布置對(duì)氣體敏感的薄膜材料,其基底是柔性的,具備輕便、柔韌易彎曲,可大面積制作等特點(diǎn),薄膜材料也具備更高的敏感性和相對(duì)簡便的制作工藝而備受關(guān)注。
這很好地滿足了特殊環(huán)境下氣體傳感器的便攜、低功耗等需求,打破了以往氣體傳感器不易攜帶、測量范圍不全面、量程小、成本高等不利因素,可對(duì)乙醇?xì)怏w進(jìn)行簡單精確的檢測。
柔性濕度傳感器
濕度傳感器主要有電阻式、電容式兩大類。濕敏電阻器特點(diǎn)是在基片上覆蓋一層用感濕材料制成的膜,當(dāng)空氣中的水蒸汽吸附在感濕膜上時(shí),元件的電阻率和電阻值都發(fā)生變化,利用這一特性即可測量濕度。
濕敏電容器一般是用高分子薄膜制成,常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酞亞胺、酪酸醋酸纖維等。濕度傳感器正從簡單的濕敏元件向集成化、智能化。
多參數(shù)檢測的方向迅速發(fā)展,傳統(tǒng)的干濕球濕度計(jì)或毛發(fā)濕度計(jì)已無法滿足現(xiàn)代科技發(fā)展的需要。
柔性濕度傳感器以低成本、低能耗、易于制造和易集成到智能系統(tǒng)制造等優(yōu)點(diǎn)已被廣泛研究。制作該類柔性濕度傳感器的基底材料與其他柔性傳感器類似,制造濕度敏感膜的方法也有很多,包括浸涂、旋轉(zhuǎn)涂料、絲網(wǎng)印刷和噴墨印刷等。
柔性壓力傳感器
柔性壓力傳感器在智能服裝、智能運(yùn)動(dòng)、機(jī)器人“皮膚”等方面有廣泛運(yùn)用。聚偏氟乙烯、硅橡膠、聚酞亞胺等作為其基底材料已廣泛用于柔性壓力傳感器的制作,它們有別于采用金屬應(yīng)變的測力傳感器和采用n型半導(dǎo)體芯片的擴(kuò)散型普通壓力傳感器,具有較好的柔韌性、導(dǎo)電性及壓阻特性。
結(jié)語
柔性智能傳感器的應(yīng)用前景一路向好,但是其產(chǎn)業(yè)化的過程中一定將面臨很多挑戰(zhàn)。強(qiáng)大如Meta和卡內(nèi)基梅隆大學(xué),強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手,仍未取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。
目前,柔性傳感器許多技術(shù)仍停留在研究階段,柔性傳感器產(chǎn)業(yè)鏈整體亟待提高。就技術(shù)本身而言,傳感器本身的穩(wěn)定性、耐磨損性等還需要進(jìn)一步提高。而從整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的配套來說,柔性電路、柔性存儲(chǔ),以及軟硬連接等環(huán)節(jié)也需要跟進(jìn)步伐。
柔性傳感器搞出來了,元宇宙的大門離我們也就不遠(yuǎn)了。