【鲜度】有了微型智能泵，智能手机集成气体传感器就不远了

2017-08-14 蓝海星智库 学术plus

本文转载自：蓝海星智库

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。”