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有了微型智能泵,智能手机集成气体传感器就不远了
2017-08-08 16:02:56   来源:麦姆斯咨询   评论:0   点击:

据麦姆斯咨询报道,Fraunhofer(德国弗劳恩霍夫研究所)的研究人员开发了一款强大的微型隔膜泵,能够将环境空气更高效地传输至气体传感器的敏感单元,帮助气体传感器更快速的响应,提供更精准的测量。

有了微型智能泵,智能手机集成气体传感器就不远了

有害气体和颗粒物对人体心脏和肺部健康有害。未来,智能手机会内嵌气体传感器,可对人体在有害气体和颗粒物环境中的过度暴露发出警示。据麦姆斯咨询报道,Fraunhofer(德国弗劳恩霍夫研究所)的研究人员开发了一款强大的微型隔膜泵,能够将环境空气更高效地传输至气体传感器的敏感单元,帮助气体传感器更快速的响应,提供更精准的测量。

“我们开发的这款智能泵尺寸仅为25平方毫米,是全球尺寸最小的泵,不仅如此,它还具有很高的压缩比,”Fraunhofer微系统和固态技术研究所微计量系主任Martin Richter博士介绍道。

Richter和他的研究团队在这款智能泵的开发中利用了压电效应,将施加的电场转化为机械力,并在泵腔中产生压力。通过交替变换的电压,使泵中的硅隔膜上下运动,从而将环境中的空气通过一个微阀泵入泵腔中,并在排出前对气体进行压缩。

巧妙地提高泵腔压力

传统的压电驱动微型隔膜泵仅能产生相对较低的气压,为了使隔膜运动,压电效应的不对称性意味着在泵腔中需要有一定的空间。这不可避免的造成了较高比例的死体积,换句话说,在泵腔中会存有大量的残留气体。Richter和他的研究团队很巧妙的降低了这款智能泵的死体积,并提高了泵的吸入性能,“我们在装配压电陶瓷时,利用压电效应对隔膜进行了预加载。这样处理带来的优势是,我们不再需要较深的泵腔,能够在更小的尺寸下,获得更高的压缩比。”

在这款微型智能泵中,除了隔膜以外,瓣阀和泵腔也是由单晶硅制得,相对于金属和塑料材料,带来了诸多优势。其中一个优势是,单晶硅的类金属性(广泛应用于太阳能电池和计算机芯片)容易弯曲,且没有疲劳效应;另一个优势是,泵腔室可以从硅晶圆层高精准的刻蚀获得,然后再分别组合在一起。

不过,采用硅材料的劣势是相对较高的成本,因此,将泵做得尽可能小才会变得如此重要。“我们的目标是将泵的尺寸降低至10平方毫米,并通过大规模量产使其变得有利可图。目前,我们进展的很顺利,”Richter说道。

当前,智能手机集成气体传感器的主要障碍在于,这些传感器的反应时间太长了。这款智能泵能够将环境空气更高效的传输至气体传感器,使气体传感器的反应时间从数分钟降低至2秒。在这款智能泵的帮助下,气体传感器不仅能测量颗粒物的浓度,还能实现其它功能,例如,室内的空气是否新鲜,是否需要打开窗户进行通风等。理论上来说,还可以分析人体的呼吸气体,例如进行酒精测试等。

“不过,这需要更高的测量精度,目前还没有能够达到。否则,如果某人进行酒精测试后,获得读数为0.3‰,放心地去开车了,而实际结果可能是0.9‰,那就可能因为酒驾造成严重的后果了,”Richter解释。

应用广泛

这款微型智能泵还可以应用于医疗领域,例如,它可以用于医疗贴剂,持续的微量传输激素或止痛剂;或者作为植入体,在青光眼等眼科疾病的治疗中,帮助调整眼压。这款智能泵还可以为机械设备,提供精准剂量的润滑油。“目前,我们正在与产业界的一家合作伙伴共同开发这项应用,”Richter说。

作为弗劳恩霍夫探索基金(支持非传统的原创概念)支持的项目,Richter和他的研究团队还在探索另一项应用:将气味信息添加到音频和视频中。“一款嵌入我们智能泵的头戴耳机,或能将精确剂量的各种气味‘喷射’到用户的鼻子附近。对此,游戏产业已经表示出了极高的兴趣,”Richter补充道,“这款微型智能泵,对于任何希望精确地传输微量液体或气体的用户来说,都是一项非常有前景的技术。”

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