傳感新品

【東華大學(xué)等五校合作：研發(fā)用于可穿戴健康監(jiān)測的電化學(xué)傳感纖維】

一、研究背景

自1962年Clark和Lyons提出生物傳感器的概念以來，其由于具有生物識別過程的高度特異性，在過去幾十年中得到了廣泛關(guān)注與開發(fā)，最成功的例子之一就是血糖儀。近年來，可穿戴設(shè)備取得巨大的商業(yè)進(jìn)步，根據(jù)Grand View Research的市場報告，2016年全球可穿戴設(shè)備市場約為1.5億美元，預(yù)計2025年將達(dá)到28.6億美元，新增市場規(guī)模的很大一部分將由可穿戴電化學(xué)傳感器組成。電化學(xué)傳感器可以實現(xiàn)實時監(jiān)測人體體液中生物分子的動態(tài)波動，為原位體液測量和實時數(shù)據(jù)反饋搭建橋梁，具有極高的臨床應(yīng)用價值。但受限于穩(wěn)定性和復(fù)雜性等問題，可穿戴電化學(xué)傳感器的商業(yè)化尚不成熟。

可穿戴電化學(xué)傳感器從最初的臺式設(shè)備逐漸演變而來，研究人員將傳感電極與柔性基底相結(jié)合，優(yōu)化了設(shè)備形態(tài)與體積，使器件能夠貼合人體，從而便捷地進(jìn)行實時健康監(jiān)測。在可穿戴器件中，纖維電子器件展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，其具有優(yōu)異的穿戴性能，如透氣性、舒適性和拉伸性，有可能在日常生活中長時間持續(xù)使用。將電化學(xué)傳感技術(shù)與纖維電子結(jié)合，通過日常穿戴為人們提供健康狀況的實時監(jiān)測，代表了可穿戴健康監(jiān)測的前沿發(fā)展方向。

圖1 綜述的總體框架。電化學(xué)傳感原理和方法：伏安法、電位法和阻抗法；纖維制造策略：電極材料和制造方法；纖維集成：功能化和性能描述；應(yīng)用和挑戰(zhàn)：智能服裝系統(tǒng)和個性化醫(yī)療

該綜述以問題為導(dǎo)向，首先介紹了基于纖維和織物的可穿戴傳感技術(shù)新平臺，進(jìn)而討論了電化學(xué)傳感纖維的原理和優(yōu)勢；強調(diào)了電化學(xué)傳感纖維在智能服裝設(shè)計與應(yīng)用中的重要性，重點介紹了解決電化學(xué)傳感纖維關(guān)鍵問題的策略如材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計；最后概述了基于電化學(xué)傳感纖維的智能服裝系統(tǒng)及其在醫(yī)療健康中的前沿應(yīng)用（圖1）。

二、文章內(nèi)容

綜述首先介紹了可穿戴傳感技術(shù)的新時代：基于纖維和織物的電化學(xué)傳感器，總結(jié)了電化學(xué)傳感纖維相對于其他可穿戴電極材料的獨特之處(圖2)，如成本低、靈活性高、舒適性好等。概述了電化學(xué)傳感纖維存在的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，如：動態(tài)電化學(xué)穩(wěn)定性、機械耐久性、可洗滌性、透氣透濕性、柔軟性等，并討論了應(yīng)對上述挑戰(zhàn)的策略。

圖2 電化學(xué)傳感纖維的獨特性能

該綜述闡明了電解池、微芯片和纖維電子學(xué)在電化學(xué)原理和方法上的異同（圖3）。傳統(tǒng)的電化學(xué)傳感器依賴于恒電位儀以及具有電極和電解質(zhì)的電解池。隨著柔性電子技術(shù)的進(jìn)步，電化學(xué)傳感器正逐步向小型化、高密度、高集成化方向發(fā)展。微芯片技術(shù)通常利用光刻噴涂等工藝在芯片上產(chǎn)生各種微電極，并利用DNA、蛋白質(zhì)和其他生物分子進(jìn)行修飾，形成具有生物分子識別功能的傳感器。隨著新型電化學(xué)傳感技術(shù)的發(fā)展，傳感器件不再局限于剛性電極，纖維電極因為具有高柔性、高拉伸性等優(yōu)點受到關(guān)注。如絲綢、棉線等天然纖維，可以涂上導(dǎo)電材料，賦予其電極的特性。

然后用傳感元件對纖維表面進(jìn)行功能化，以進(jìn)行電化學(xué)傳感并檢測特定物質(zhì)。常見電化學(xué)傳感器的工作原理根據(jù)所使用的電化學(xué)技術(shù)進(jìn)行分類，包括（1）記錄三電極電路中電流的安培法/伏安法；（2）電位法，其記錄雙電極系統(tǒng)的工作電極的平衡電勢；以及（3）阻抗測量，其監(jiān)測由分析物引起的電阻抗信號。但在纖維器件中仍存在部分挑戰(zhàn)：比如，為了在纖維電極上實現(xiàn)離子的實時傳感，合理設(shè)計微流體通道以允許新分泌的生物流體流過傳感器是至關(guān)重要的，否則纖維只感應(yīng)到累積水平的離子會出現(xiàn)不準(zhǔn)確的讀數(shù)；同時需要考慮纖維在穿著過程中的變形引起的固有阻抗變化等。

圖3 a）電化學(xué)傳感器發(fā)展的三種基本形式 b）電化學(xué)傳感器工作原理：基于酶電極的電流測量法，包括電流-時間（i–t）曲線；基于蛋白質(zhì)和其他物質(zhì)分析的伏安法，包括電流-電勢（i-E）曲線；基于離子選擇電極的電位測定法，包括電位的測定；阻抗測量法，用于記錄電極表面電特性的變化

理想的電化學(xué)傳感纖維應(yīng)具有以下組成和結(jié)構(gòu)特征：

（1）盡可能多的活性位點以實現(xiàn)高的本征活性；

（2）高導(dǎo)電性以確保穩(wěn)定的性能，因為纖維電極本身的總電荷轉(zhuǎn)移路徑比薄膜電極的總電荷傳輸路徑長；

（3）高比表面積；

（4）足夠的柔性和機械強度，以應(yīng)對使用過程中的彎曲和拉伸；

（5）合理的結(jié)構(gòu)，有利于反應(yīng)物材料的電荷轉(zhuǎn)移和擴散。該綜述概述了纖維基底和生物活性材料，包括類別、制造、表面改性和纖維器件集成（圖4）。重點闡述了從實驗室制備到工廠生產(chǎn)、商業(yè)化的策略，從而有望實現(xiàn)電化學(xué)傳感纖維的連續(xù)和大規(guī)模制造。

圖4 電化學(xué)傳感纖維的材料、結(jié)構(gòu)和制造方法

纖維重量輕，柔韌性好，易于功能化，可進(jìn)行多種集成，如一維紗線、二維織物和三維編織結(jié)構(gòu)。該綜述將纖維電子功能集成到紡織品中的方法分為兩類（圖5）：（1）通過各種編織方法（針織、編織、刺繡）將纖維器件嵌入絕緣織物中；（2）直接使用合適的技術(shù)對織物進(jìn)行功能化，包括絲網(wǎng)印刷、浸涂、靜電紡絲等。

圖5 將纖維整合到織物中的各種方法

隨著材料科學(xué)、電子電路和集成技術(shù)的快速發(fā)展，基于可穿戴電化學(xué)傳感纖維的智能服裝系統(tǒng)已經(jīng)在實驗室中實現(xiàn)了較好的效果演示。智能服裝系統(tǒng)通常由傳統(tǒng)服裝、纖維傳感器、電源、信號采集以及傳輸、接收組件組成，從而以便攜的方式實時監(jiān)測人體健康狀況。這里總結(jié)了解決纖維電化學(xué)傳感器局限性的策略，除了提高電化學(xué)傳感纖維和織物的性能指標(biāo)外，拓展新領(lǐng)域以增強實用性也及有必要。作為進(jìn)一步的展望，重點介紹了采用智能服裝和電化學(xué)傳感技術(shù)的個性化醫(yī)療新概念（圖6）。

圖6 電化學(xué)傳感纖維的未來趨勢

傳感動態(tài)

【索尼圖像傳感器業(yè)務(wù)押注中國市場，工廠擴產(chǎn)以提升產(chǎn)能】

12 月 25 日消息，據(jù)日經(jīng)新聞報道，日本科技巨頭索尼集團(tuán)正計劃通過大力拓展中國智能手機廠商市場，重振其圖像傳感器的盈利能力。

周五，索尼集團(tuán)在生產(chǎn)圖像傳感器的長崎科技中心舉行了擴建工程的竣工儀式，索尼集團(tuán)總裁十時裕樹表示：“圖像傳感器是電子世界的‘眼睛’，我們將把它送到全球客戶手中?！痹?a target="_blank">公司位于長崎的工廠是其圖像傳感器的主要生產(chǎn)基地，此次擴建使?jié)崈羰颐娣e增加了 60%。此外，索尼還計劃在熊本縣新建一座圖像傳感器工廠。

索尼預(yù)計，截至明年 3 月的財年，其合并凈利潤將下降 13% 至 8800 億日元（IT之家備注：當(dāng)前約 441.76 億元人民幣），半導(dǎo)體部門的營業(yè)利潤也將下滑 8% 至 1950 億日元。2019 財年，半導(dǎo)體部門的營業(yè)利潤率曾達(dá)到 22%，位居索尼六大業(yè)務(wù)板塊之首，而本財年這一指標(biāo)預(yù)計僅為 12.3%。

索尼半導(dǎo)體部門盈利能力下降的一個重要原因是，索尼對華為的圖像傳感器供應(yīng)大幅減少。華為曾是全球銷量第一的智能手機制造商，也是索尼的重要客戶，但受中美貿(mào)易摩擦影響，其手機銷量大幅下滑，波及到索尼圖像傳感器業(yè)務(wù)。

與此同時，索尼另一大客戶蘋果的訂單量保持強勁，這也使得索尼向其他客戶大幅增加銷售變得更加困難。

因此，索尼擴大了長崎工廠的產(chǎn)能，瞄準(zhǔn)長期加大對中國智能手機制造商的銷售，小米和 OPPO 是索尼瞄準(zhǔn)的兩大目標(biāo)。

索尼還于去年推出了專門針對中國市場的“Lytia”品牌圖像傳感器，并指定長崎工廠為供應(yīng)中心?！八髂嵴谝灾鲾z像頭為重點，以利潤為優(yōu)先，大力促進(jìn)銷售，”瑞穗證券的分析師中根康介表示。

此外，索尼還在積極提高生產(chǎn)效率，今年春季從其他工廠調(diào)派工程師到長崎，協(xié)助解決今年在長崎開始量產(chǎn)的新型圖像傳感器的良品率。該傳感器可以提高夜間拍攝的圖像質(zhì)量，但大規(guī)模生產(chǎn)一直存在問題。

隨著智能手機市場日趨成熟，索尼也開始將目光投向物流領(lǐng)域，作為新的收入來源。上個月，該公司推出了一項利用人工智能圖像傳感器提升倉庫效率的服務(wù)，可自動追蹤卡車進(jìn)出貨時間，分析裝卸貨效率。隨著日本明年實施更嚴(yán)格的卡車司機加班限制，預(yù)計這類服務(wù)將迎來更大需求。

【公司技術(shù)源于兩彈研制基地，東方之光獲柯力傳感戰(zhàn)略投資】

12月21日，柯力傳感與寧波東方之光安全技術(shù)有限公司簽署投資協(xié)議，雙方達(dá)成戰(zhàn)略合作。東方之光成為柯力傳感控股子公司，也將成為柯力傳感多物理量傳感器協(xié)同發(fā)展版圖中的重要一員。

寧波東方之光安全技術(shù)有限公司成立于2013年，原址位于中國工程物理研究院寧波科技園。公司技術(shù)源于兩彈研制基地——中國工程物理研究院，是寧波市“3315計劃”重點引進(jìn)項目，自成立以來得到寧波市政府的大力支持。東方之光以光子計數(shù)探測、光電溫度傳感為技術(shù)基礎(chǔ)，專注于高危環(huán)境溫度測試系統(tǒng)的研發(fā)及推廣，目前已成為國內(nèi)領(lǐng)先的光纖溫度傳感解決方案供應(yīng)商。公司擁有強大的技術(shù)團(tuán)隊，自主研發(fā)分布式光纖測溫系統(tǒng)、光纖光柵測溫系統(tǒng)、無線測溫系統(tǒng)，擁有自主開發(fā)的軟件系統(tǒng)，為用戶產(chǎn)品的升級提供有力保障。產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于新能源、航空、船舶、交通、電力、冶金、石油石化、城市管廊等領(lǐng)域。

基于多年研發(fā)積累及技術(shù)升級，東方之光主要產(chǎn)品—分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)，在產(chǎn)品性能領(lǐng)先的情況下，成本已降至行業(yè)最低水平，且該系統(tǒng)經(jīng)多方驗證，具有防燃、防爆、抗腐蝕、耐高壓、抗電磁輻射、測量范圍廣、定位精度高、使用方便等優(yōu)點。公司在傳統(tǒng)行業(yè)業(yè)務(wù)基礎(chǔ)上，也緊抓市場需求，目前已成功進(jìn)入寧德時代（300750）、先導(dǎo)智能（300450）、利元亨、杭可科技等新能源及智能裝備上市公司供應(yīng)鏈。

柯力傳感此次戰(zhàn)略控股東方之光，既豐富了柯力傳感的多傳感產(chǎn)品布局，亦有望結(jié)合東方之光技術(shù)平臺在力學(xué)、光學(xué)等領(lǐng)域作出更大科技成果轉(zhuǎn)化，如瞬態(tài)光學(xué)測溫系統(tǒng)，瞬態(tài)高溫成像系統(tǒng)等。本次投資完成后，雙方將在研發(fā)、市場、供應(yīng)鏈、制造、管理等方面進(jìn)行更深度的融合。

【比亞迪入股深迪半導(dǎo)體，后者為陀螺儀芯片研發(fā)商】

天眼查App顯示，近日，深迪半導(dǎo)體（紹興）有限公司發(fā)生工商變更，股東新增深圳市創(chuàng)啟開盈創(chuàng)業(yè)投資合伙企業(yè)（有限合伙）、比亞迪、紹興市柯橋區(qū)智城數(shù)智五號創(chuàng)業(yè)投資合伙企業(yè)（有限合伙）等，同時公司注冊資本由約1707.24萬美元增至約1825.83萬美元。

深迪半導(dǎo)體（紹興）有限公司成立于2008年8月，法定代表人、董事長為BO ZOU，經(jīng)營范圍含新型電子元器件、微機械電子傳感器的研究、開發(fā)、設(shè)計，系統(tǒng)集成的設(shè)計、調(diào)試、維護(hù)等。公開信息顯示，深迪半導(dǎo)體是商用MEMS陀螺儀系列慣性傳感器芯片提供商。

【視覺傳感器的工作原理】

光電傳感器包含一個光傳感元件，而視覺傳感器具有從一整幅圖像捕獲光線的數(shù)以千計的。圖像的清晰和細(xì)膩程度通常用分辨率來衡量，以像素數(shù)量表示。Banner 工程公司提供的部分視覺傳感器能夠捕獲 130 萬像素。因此，無論距離目標(biāo)數(shù)米或數(shù)厘米遠(yuǎn)，傳感器都能“看到”十分細(xì)膩的目標(biāo)圖像。

在捕獲圖像之后，視覺傳感器將其與內(nèi)存中存儲的基準(zhǔn)圖像進(jìn)行比較，以做出分析。例如，若視覺傳感器被設(shè)定為辨別正確地插有八顆螺栓的機器部件，則傳感器知道應(yīng)該拒收只有七顆螺栓的部件，或者螺栓未對準(zhǔn)的部件。此外，無論該機器部件位于視場中的哪個位置，無論該部件是否在 360 度范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，視覺傳感器都能做出判斷。

視覺源于生物界獲取外部環(huán)境信息的一種方式，是自然界生物獲取信息的最有效手段，是生物智能的核心組成之一。人類80%的信息都是依靠視覺獲取的，基于這一啟發(fā)研究人員開始為機械安裝“眼睛”使得機器跟人類一樣通過“看”獲取外界信息，由此誕生了一門新興學(xué)科——計算機視覺，人們通過對生物視覺系統(tǒng)的研究從而模仿制作機器視覺系統(tǒng)，盡管與人類視覺系統(tǒng)相差很大，但是這對傳感器技術(shù)而言是突破性的進(jìn)步。視覺傳感器技術(shù)的實質(zhì)就是圖像處理技術(shù)，通過截取物體表面的信號繪制成圖像從而呈現(xiàn)在研究人員的面前。

視覺傳感器具有從一整幅圖像捕獲光線的數(shù)以千計的像素。圖像的清晰和細(xì)膩程度通常用分辨率來衡量，以像素數(shù)量表示。在捕獲圖像之后，視覺傳感器將其與內(nèi)存中存儲的基準(zhǔn)圖像進(jìn)行比較，以做出分析。例如，若視覺傳感器被設(shè)定為辨別正確地插有八顆螺栓的機器部件，則傳感器知道應(yīng)該拒收只有七顆螺栓的部件，或者螺栓未對準(zhǔn)的部件。此外，無論該機器部件位于視場中的哪個位置，無論該部件是否在 360 度范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，視覺傳感器都能做出判斷視覺傳感技術(shù)的出現(xiàn)解決了其他傳感器因場地大小限制或檢測設(shè)備龐大而無法操作的問題，由此廣受工業(yè)制造界的歡迎。

視覺傳感技術(shù)包括3D視覺傳感技術(shù)，3D視覺傳感器具有廣泛的用途，比如多媒體手機、網(wǎng)絡(luò)攝像、數(shù)碼相機、機器人視覺導(dǎo)航、汽車安全系統(tǒng)、生物醫(yī)學(xué)像素分析、人機界面、虛擬現(xiàn)實、監(jiān)控、工業(yè)檢測、無線遠(yuǎn)距離傳感、顯微鏡技術(shù)、天文觀察、海洋自主導(dǎo)航、科學(xué)儀器等等。這些不同的應(yīng)用均是基于3D視覺圖像傳感器技術(shù)。特別是3D影像技術(shù)在工業(yè)控制、汽車自主導(dǎo)航中具有急迫的應(yīng)用。

智能視覺傳感技術(shù)也是一種視覺傳感技術(shù)，智能視覺傳感技術(shù)下的智能視覺傳感器也稱智能相機，是近年來機器視覺領(lǐng)域發(fā)展最快的一項新技術(shù)。智能相機是一個兼具圖像采集、圖像處理和信息傳遞功能的小型機器視覺系統(tǒng)，是一種嵌入式計算機視覺系統(tǒng)。它將圖像傳感器、數(shù)字處理器、通訊模塊和其他外設(shè)集成到一個單一的相機內(nèi)，由于這種一體化的設(shè)計，可降低系統(tǒng)的復(fù)雜度，并提高可靠性。同時系統(tǒng)尺寸大大縮小，拓寬了視覺技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。

智能視覺傳感器的易學(xué)、易用、易維護(hù)、安裝方便，可在短期內(nèi)構(gòu)建起可靠而有效的視覺檢測系統(tǒng)等優(yōu)點使得這項技術(shù)得到飛速的發(fā)展。視覺傳感器的圖像采集單元主要由CCD/CMOS像機、光學(xué)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)和圖像采集卡組成，將光學(xué)影像轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像，傳遞給圖像處理單元。

審核編輯 黃宇