深圳大学/香港中文大学:研究离子水凝胶应变传感器在应变再分配的优化方案

传感新品
【深圳大学/香港中文大学:研究离子水凝胶应变传感器在应变再分配的优化方案】
水凝胶由富含水的聚合物网络组成,当与电解质盐混合时,可以用作理想的离子导体。离子水凝胶因其固有的拉伸和透明能力以及优异的加工性和生物相容性而受到广泛关注,并被用作电子和生物系统之间的生物电子桥。然而,与合成生物组织、固体凝胶电解质、柔性生物电子主链等“静态”成分相比,用作电阻应变传感器等传感元件的离子水凝胶仍然存在争议。阻碍离子水凝胶发展的最重要障碍之一是其适度的电响应,防止应变引起的劣化导电性像电子导体一样获得高灵敏度,并且还防止它们充当应变不敏感电阻以保持稳定的电传输。为了满足实际要求,需要一种通用的方法来增强和调整基于离子水凝胶的应变传感器(IHSS)的灵敏度。

到目前为止,离子电导率已经被调整以提高离子水凝胶的GF。离子水凝胶的电导率可以通过增加离子浓度和离子电荷的值直接受到影响。还报道了纳米结构的离子调制能力的产生和水凝胶网络中离子迁移促进的离子富集环境。然而,与电子导电应变传感器相比,增加离子电导率以增加GF的益处是最小的。这是因为构建离子传输通道、改变离子种类或产生富含离子的环境只能降低水凝胶的初始电阻。导电性由于其固有的软链网络而保持应变独立性,而软链网络在伸长过程中不能调节离子传输行为。因此,它们的灵敏度受R/R0=λ2(λ=L/L0)的约束。

本研发亮点
1. 本工作提出了一种通过几何诱导的应变浓度来调节离子传输行为的策略,以调整和提高基于离子水凝胶的应变传感器(IHSS)的灵敏度。

2. 受道路变窄时车辆减速和变道现象的启发,离子水凝胶的应变再分配通过结构和机械参数进行优化,以产生应变诱导的电阻增强。

3. IHSS的规范因子在0–100%的应变范围内从1.31到9.21是连续可调的,这突破了均匀应变分布离子水凝胶的理论极限,同时确保了线性机电响应。

图文解析
图1. IHSS的可调GF是基于漏斗结构和TPU增强引起的应变集中。a) 道路狭窄激发了IHSS可调GF的几何诱导应变集中的工作机制。离子水凝胶含有交联聚合物网络和富含离子的水。拉伸导致交联网络中的链运动,宏观上表现为均匀的横向收缩和纵向伸长,遵循泊松比。“道路狭窄”效应是由几何构型变化的非均质系统中的应变集中引起的。b) 应变ε0下均匀结构的离子水凝胶的示意图;漏斗形离子水凝胶,L表示狭窄区域的宽度,εi是局部应变,以及TPU增强的漏斗形离子凝胶。基于有限元模型对均质、漏斗形和TPU增强漏斗形结构的应变分布进行了分析。在应变ε0下,均匀传感器的GFhomo取决于两端测量的电阻。相反,漏斗形传感器的GFheo取决于在每个部分测量的电阻。

图2. 具有均匀和非均匀结构的离子水凝胶及其应变分布。a) 通过有限元分析确定的漏斗形水凝胶的应变分布,L=30 mm、20、15、10、5和2 mm,ε0=10%。b) 漏斗形离子水凝胶的L变化和ΔA/A0的变化,其中ε0=10%。插图显示了狭窄中央部分的正面图和剖面图。c) TPU与NaCl的比例为1:2、1:4、1:6和1:8,ε0=10%的TPU增强漏斗状水凝胶的狭窄中心截面的应变分布。比较了具有或不具有TPU增强的漏斗形状的水凝胶。d) 均匀、漏斗形和TPU增强的漏斗形水凝胶膜沿虚线的局部应变分布,ε0=10%。

图3. 均匀和非均匀PVA10-G30-FeCl3水凝胶的相关性能和GF范围的测试。a) 不同离子浓度下的均匀水凝胶导电性。b、 c)具有不同离子浓度的100%应变下的均匀水凝胶的GF。插图显示了拉伸水凝胶的图表,比例尺:1厘米。GF不能通过增加离子浓度来突破理论极限。d) 漏斗状PVA10-G30-FeCl3水凝胶的狭窄中心部分的局部应变,作为总应变是100%。e、 f)漏斗形PVA10-G30-FeCl3水凝胶在100%应变下的GF。比例尺:1厘米。漏斗结构诱导的应变集中产生了更显著的“窄路”效应,突破了TPU增强PVA10-G30-FeCl3水凝胶的GF.g)杨氏模量的理论值。h、 i)TPU增强的漏斗形PVA10-G30-FeCl3水凝胶在100%应变下的GF。比例尺:1厘米。TPU的局部增强使应变更加集中,GF在原有漏斗结构的基础上进一步增加。

图4. TPU增强漏斗形IHSS的水凝胶-弹性体界面拉伸试验和传感能力。a) 水凝胶-TPU界面观察到的每个宽度的剥离力。砂纸被用来增加弹性体的表面粗糙度。该比例显示了TPU与NaCl的质量比例。水凝胶溶液的渗透性、多孔TPU的孔隙率和界面结合都随着NaCl用量的增加而增加。插图显示,水凝胶本体在剥离测试过程中发生内聚失效,在TPU基底上留下一层薄薄的水凝胶残余层。b) 水凝胶-弹性体界面观察到的每个宽度的剥离力。类似的技术被用于制造多孔PDMS,该PDMS与水凝胶结合以产生机械互锁。c) TPU增强漏斗形IHSS的响应和恢复时间。d) TPU增强漏斗形IHSS在10%-100%应变下的循环稳定性测试。e) TPU增强的(1:2)漏斗形IHSS和TPU增强(1:6)漏斗形的IHSS分别产生了最大应变下的最大GF和100%应变时的最大GF。f) 本研究中的GF与先前报道的IHSS之间的比较。

图5. TPU增强漏斗形IHSS的应用。a) 通过将传感器固定在口罩上进行呼吸检测。b) 通过将传感器连接到手腕,实时监测桡动脉脉搏。每个桡动脉脉冲波形包含“P1”、“P2”和“P3”峰值。c) 手势识别用于交流。d) 正交排列的传感器的照片。当它在不同方向上拉伸时,可以检测到与方向相关的信号。e) 正交排列的传感器的各向异性响应。两个阻力变化率之间的差值大小(Rh−Rv)可用于确定力的方向。f) 两个手指爪和机器人手臂的照片。爪可以实现打开和关闭运动,机械臂的每个自由度都可以根据不同拉伸方向产生的Rh−Rv的正负信号向前或向后旋转。g) 3×3应变传感器阵列的结构示意图。将Ag纳米线涂覆在多孔TPU层上作为电极。h) 3×3应变传感器阵列的照片。i) 阵列的点触摸功能在每个传感器被触摸时表现出电阻的正变化。j) 同时检测三指、四指和五指触摸,展示多点触摸功能。

传感动态
【这城市上半年智能传感产业规上企业产值同比增长11.5%】
作为全国三大传感器基地之一,也是安徽省唯一拥有集成电路和MEMS晶圆生产线的城市,蚌埠市正紧抓机遇,集聚企业、人才等资源,致力打造自主可控芯体最多、传感器种类最全、产值超千亿的产业集群,形成国内一流、世界知名的中国传感谷。据悉,今年前6月,蚌埠市智能传感产业规上企业产值同比增长11.5%。

蚌埠市发挥合芜蚌国家自主创新示范区、中国(安徽)自由贸易试验区蚌埠片区、皖北承接产业转移集聚区等重大平台优势,实施产业创新平台、“双招双引”多轮驱动,加强核心技术攻关,精耕细作优化产业生态,全力打造智能传感器产业高地。上半年,蚌埠市智能传感产业新签约亿元以上项目20个,协议总投资44.4亿元;已开工项目3个,总投资额52.7亿元;已投产项目4个,总投资额9.67亿元。

在产业发展中,蚌埠市积极搭建“一院两委四中心”的产业创新平台,加速共性技术攻关,助力科技成果转移转化。其中,“一院”即发挥MEMS国家地方联合工程实验室、MEMS产业创新中心策源作用,吸引国内一流院校共建中国(蚌埠)传感谷微电子产业研究院。“两委”即组建MEMS智能传感器产业专家咨询委员会、中国(蚌埠)传感谷产业发展战略咨询委员会。“四中心”分别是人才培养中心、研发实验中心、产业孵化中心、产业投资中心。通过搭建这一平台,园区企业招才引才、推动科技成果产业化有了强力支撑,蚌埠智能传感器产业发展有了无限可能。

全力推进项目、人才聚集。“以赛招才,以会聚才,科创引才。上半年,招商小分队外出双招双引活动31次,拜访企业86家、高校院所6家……”蚌埠市科技局有关负责人介绍,蚌埠市多措并举,通过“以赛引才+资本助力+深度孵化+落地服务”全程服务模式,吸引海内外高层次人才来蚌创新创业,推进智能传感器产业招才引智工作。

在新平台建设上,为了让园区更符合产业发展需求,蚌埠市还依托北方微电子研究院合作共建了传感谷公共服务平台及示范线项目,建设力传感器工艺线、温湿声类传感器工艺线、高温共烧陶瓷工艺线及传感器检验试验平台等9条公共技术服务平台。

产业是支柱,平台是基础,人才是关键。蚌埠市立足产业发展需求,不断强化人才平台载体建设,激发创新创造活力。新备案海创空间、蚌埠中关村海外人才创业园等2家省级众创空间,推荐蚌埠经开区科技企业孵化器申报省级科技企业孵化器,华东光电、凯盛工程等企业省重点实验室成功获批,“智能汽车用高精度角度传感器以及封装测试技术开发”等8个项目获省重点研发计划项目,中国兵器工业第二一四研究所联合高校院所申报了国家重点研发计划。

下一步,蚌埠市将继续抓好产业集群招才引智工作,深入摸排重点企业高层次人才,持续跟进创新创业大赛中的20强团队、第五届中国(蚌埠)MEMS智能传感器产业发展大会签约成果,推动科技人才团队落户蚌埠。

【博世子公司:MEMS传感器面临降价压力】
据电子时报报道,博世全资子公司Bosch Sensortec(博世传感器)区域销售经理Greg Huang表示,微机电系统(MEMS)传感器的价格竞争迫在眉睫,但博世不会是第一批降价的厂商。

尽管半导体供应链需求回升,但上游MEMS芯片制造的基本成本仍未改变,博世等MEMS传感器供应商很难通过降价来迎合客户需求。尽管博世预计未来会出现价格竞争,但仍将暂时维持定价不变。
智能手机是MEMS传感器的主要应用领域,但从2023年第一季度开始的相关库存调整已延续至第二季度。进入三季度,部分需求略有恢复。然而,由于手机市场的逆风,MEMS传感器的销量增长将受到限制。

尽管智能手机的需求相对疲软,但Greg Huang表示,越来越多的笔记本电脑客户开始在新型号中引入额外的MEMS传感器。在笔记本电脑中添加更多MEMS传感器将使它们能够检测笔记本电脑何时被拿起、放在桌子上或装进公文包。

一些通常不使用MEMS传感器的系统客户也将MEMS传感器用于成熟的应用领域,以追求产品差异化,其中包括广泛的物联网设备,而博世集团此前已收购了一家MEMS微型扬声器公司Arioso Systems。

博世于2008年在中国台湾建立了MEMS传感器团队,此后在中国台湾设立了半导体研发、物流和采购部门,将中国台湾作为其区域中心。

【SK海力士与三星电子上半年半导体库存接近50万亿韩元】
8月18日消息,据外媒报道,在消费电子产品需求下滑,对存储芯片的需求减少之后,SK海力士和三星电子这两大存储芯片制造商,就相继削减了产量,其中SK海力士在去年10月份就已决定削减今年的投资,并逐步削减产量,三星电子则是在营业利润大幅下滑之后,而在4月份开始削减存储芯片的产量的。
但即便这两大存储芯片制造商削减了产量,他们的库存也未减少,在今年上半年两家公司的库存都还有增加。

外媒的报道显示,三星电子负责半导体业务的设备解决方案部门的库存,在上半年结束时达到了33.69万亿韩元,较去年年底时的29.06万亿韩元增加4.63万亿韩元。

SK海力士的库存在上半年结束时则是16.42万亿韩元,较一季度结束时的17.18万亿韩元虽有减少,但较去年年底时的15.67万亿韩元还是有增加。

有分析师指出,在削减产量之后,两家公司的库存在上半年还有增加,主要是因为NAND闪存需求下滑,抵消了产量减少对库存的有利影响。

【传英特尔将继续裁员:架构师、SoC工程师在列!】
据国外媒体tomshardware报道,当英特尔 于 2022 年 10 月宣布 对某些部门进行大规模裁员时,这被认为是一个重大举措。但显然这还不够,这就是为什么该公司在 2023 年 5 月  对其客户端计算团队(CCG)和数据中心团队(DCG)发起了另一轮裁员。据Sacramento Inno报道,显然,该公司目前正在削减加州的研发人员。

英特尔将在加州裁员 140 名员工:英特尔福尔瑟姆园区将解雇 89 名员工,圣何塞将裁员 51 名。报告称,福尔瑟姆工厂有 37 个职位类别受到影响,受影响职位的主要头衔是工程师和架构师。具体来说,英特尔将裁员 10 名 GPU 软件开发工程师、8 名系统软件开发工程师、6 名云软件工程师、6 名产品营销工程师和 6 名SOC系统设计工程师。

此次最新的裁员标志着福尔瑟姆研发园区继 1 月、3 月和 5 月削减了近 500 个职位后,今年又削减了近 500 个职位。截至 2022 年初,英特尔在福尔瑟姆拥有 5,300 名员工。

英特尔的福尔瑟姆园区已用于各种研发活动,包括固态硬盘、图形处理器、软件甚至芯片组的开发。自从英特尔在 2021 年摆脱了 3D NAND 和 SSD 部门以来,到目前为止,它要么将适当的专家转移到 Solidigm,要么让他们离开。结果,它现在开始解雇 GPU 专家,这有点令人惊讶,因为该公司的 GPU 软件远非完美。也许,该公司希望将某些职位转移到劳动力更便宜的其他地点,但英特尔尚未对此事发表评论。

在与州政府官员的通信中,英特尔提到了在公司内部重新安置受影响员工的可能性。英特尔发言人还指出,英特尔在加州保留了超过 13,000 名员工,并继续致力于投资其业务的基本领域,特别是在美国的制造业务。同时,英特尔在美国的大部分生产都在亚利桑那州、俄勒冈州和新州进行。

【台积电:已有专业团队负责 2nm 研发作业】
 8 月 17 日消息,据中国台湾地区“中央社”消息,台积电已组建 2nm 任务团队 One Team,调动 800 人冲刺在台湾地区新竹宝山与高雄厂同步试产及量产。
对此,台积电今日晚间回应称,已有专业团队负责 2 纳米研发作业,至于人员编制细节则未透露。

8 月 15 日,台积电中科 2nm 厂确认将延后至明年交地建厂,因此台积电决定将高雄厂直接切入 2nm 项目。

目前台积电 2nm 主要生产规划会先放在新竹宝山,台积电内部定为 Fab 20 厂,规划兴建 P1 至 P4 四座厂,而 P1 目前正紧锣密鼓赶进度,预计明年可实现风险性试产,2025 下半年量产。

根据台积电供应链人士透露,台积电已通知设备商于明年第三季开始交付 2nm 相关机台,高雄厂 2nm 装机作业估计只晚新竹宝山厂一个月。

根据目前已知信息,台积电准备在中油高雄炼油厂旧址兴建 2 座 12 英寸晶圆厂,包括第一期月产能 4 万片的 7nm 及 6nm 晶圆厂,及第二期月产能 2 万片的 28nm 及 22nm 晶圆厂。若投资计划确认,第一期晶圆厂完工时间为 2024 年,2025 年才会进入量产,但现在似乎因为多种原因选择切入 2nm 项目,具体规划仍不确定。

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