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科学家发明智能手机内置气体传感器

导读: 为了使传感器产生精确的测量和快速响应,弗劳恩霍夫科学家设计了一种强大的微型隔膜泵,将大气空气分布到传感器上。

颗粒物对于肺和心脏的伤害是很大的,科学发明了一种用于检测颗粒可内置于智能手机的气体传感器。为了使传感器产生精确的测量和快速响应,弗劳恩霍夫科学家设计了一种强大的微型隔膜泵,将大气空气分布到传感器上。

Fraunhofer研究所Martin Richter博士说,“我们的智能泵只有25平方毫米,是世界上最小的泵。也就是说,它仍然具有很高的压缩比。”

Richter和他的同事们应用压电效应将外加电场转化为机械能,然后在泵腔内产生压力。通过改变电压,硅膜可以上下移动。硅膜允许大气空气通过阀门,压缩泵腔内的空气,随后从腔室中排出空气。

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压电效应增压减少体积

传统压电式微隔膜泵利用空气产生较低的压力,但是压电效应的不平衡表明,泵腔内需要更多的空间来移动硅膜,从而导致产生了更多的死体积,即腔室内的残余气体体积增多。Richter和他的同事们发明了一种减少泵的死体积和增加吸入能力的技术。

Richter说,利用压电效应在装配压电陶瓷膜片时预加负荷,这样做的好处是我们不再需要一个很深的泵腔,因为它不仅建立具有高压缩比的泵,还使得泵体积更小。

除了隔膜外,泵腔和止回阀也由单晶硅构成,与塑料和金属相比这是非常有利的。其中一个主要原因是非金属也用于制造电脑芯片和太阳能电池,是柔性的。另一个原因是泵的各个部件可以非常精确地从硅层蚀刻出来,然后集成在一起。

然而,使用硅的主要缺点之一是成本高,因此,泵的尺寸必须保持相当小。Richter说“我们的目标是将泵的尺寸缩小到10平方毫米,才能使其批量生产有利可图。”

提升传感器响应和精度

目前,阻碍传感器加入智能手机的因素是传感器的反应时间过长。这点智能泵可以克服,因为它可以向气体传感器显式地传递空气,从而最大限度地减少反应时间从几分钟到只有2秒。例如,除了测量颗粒物浓度外,传感器还可以检测室内空气是否有臭味,是否需要打开窗户进行通风。

“从本质上讲,智能手机还可以用来检测呼吸来测量酒精含量。但是,这需要很高度的测量精度,否则,检测结果会存在争议,这个目前还没有实现。”Richter说。

微泵可以有更多应用方向

举一个例子,微泵也可以应用于医学领域,作为一种医疗贴片来管理止痛药或少量的激素,或作为植入物来帮助控制青光眼治疗过程中眼睛内的压力。除此之外,泵还可以用来向机器输送精确的润滑剂,这是一个应用程序,目前弗劳恩霍夫科学家正在与行业合作伙伴一起开发。

Richter和他的同事们的项目是弗劳恩霍夫发现资助计划的一部份,弗劳恩霍夫基金会目标是通过向公司发放研究成果来加强德国的创新和职业前景。

“一个装有智能泵的耳机可以在鼻子附近传递不同剂量的不同气味,游戏业已经对此表示了兴趣”Richter还说,“智能泵将是一个吸引的应用,能传递非常小而准确的气体或液体剂量。

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