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工程师为超薄电容传感器创造了新的设计

2019-05-27

  作为宾厄姆顿大学正在进行的声学研究的一部分,纽约州立大学杰出教授Ron Miles创造了一种可行的传感器,其运动阻力最小。薄而灵活的传感器非常适合感应声音,因为它可以随着最柔和的噪音产生的气流移动,并解决了加速度计,麦克风和许多其他类似传感器的问题。

  “目标是创造一种只能抵抗重力的传感器,”迈尔斯说。“传感器需要保持与设备的连接,但除此之外,我希望它能够随着最轻微的声音或空气的移动而移动。”

  能够随着空气移动是传感器能够分辨声音何时出现以及声音来自哪个方向。

  迈尔斯在2017年通过使用蘸有黄金的蜘蛛丝作为薄而灵活的传感器在声学传感器方面取得了进展,使麦克风具有非常平坦的频率响应。该传感器包含磁铁,以便将丝绸运动转换为电子信号。

  作为使用磁铁的替代方案,Miles开始创建一个电容式传感器。电容传感器不需要磁铁,而是需要通过电极向其添加电压。

  每年生产20亿个电容式麦克风,但它们既小又有效,也存在一些挑战。

  他的新平台提供了一种通过在不使用磁铁的情况下感测电场变化来检测极薄纤维或薄膜运动的方法。

  以前在极其柔软的薄材料上使用电容式感应是不可行的,因为它们需要抵抗可能损坏它们或妨碍其运动的静电力。

  “研究人员希望传感器能够以很小的力量从声音中移动,而不受静电力的影响,”迈尔斯说。

  在最近的这项工作中,迈尔斯发现了一种设计,它允许薄而柔韧的传感器 - 可以是蜘蛛丝或任何其他材料一样薄 - 在两个固定电极上方摆动。

  “由于传感器与电极呈90度角,静电力不会影响其运动,”迈尔斯说。

  这是设计的关键部分,因为传感器需要具有高偏置电压 - 器件工作所需的电压 - 才能有效,因为传感器的灵敏度随着高偏置电压而增加。

  这种设计意味着电容式传感器(如智能手机中使用的那些)可以更小,更高效。

  迈尔斯表示,独特的设计还提供了一些在各种应用中非常重要的好处。

  “传感器的设计方式现在意味着它具有几乎恒定的势能,但也可以在大运动后恢复到平衡状态。”

  Miles的研究部分得到了美国国家科学基金会(NSF)的资助,他的功能设计正在申请专利。这项工作最近发表在IEEE Sensors Journal上。

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