你知道智能手機(jī)內(nèi)置氣體傳感器嗎？

顆粒物對于肺和心臟的傷害是很大的，科學(xué)發(fā)明了一種用于檢測顆?？蓛?nèi)置于智能手機(jī)的氣體傳感器。為了使傳感器產(chǎn)生精確的測量和快速響應(yīng)，弗勞恩霍夫科學(xué)家設(shè)計了一種強(qiáng)大的微型隔膜泵，將大氣空氣分布到傳感器上。

Fraunhofer研究所Martin Richter博士說，“我們的智能泵只有25平方毫米，是世界上最小的泵。也就是說，它仍然具有很高的壓縮比。”

Richter和他的同事們應(yīng)用壓電效應(yīng)將外加電場轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，然后在泵腔內(nèi)產(chǎn)生壓力。通過改變電壓，硅膜可以上下移動。硅膜允許大氣空氣通過閥門，壓縮泵腔內(nèi)的空氣，隨后從腔室中排出空氣。

壓電效應(yīng)增壓減少體積

傳統(tǒng)壓電式微隔膜泵利用空氣產(chǎn)生較低的壓力，但是壓電效應(yīng)的不平衡表明，泵腔內(nèi)需要更多的空間來移動硅膜，從而導(dǎo)致產(chǎn)生了更多的死體積，即腔室內(nèi)的殘余氣體體積增多。Richter和他的同事們發(fā)明了一種減少泵的死體積和增加吸入能力的技術(shù)。

Richter說，利用壓電效應(yīng)在裝配壓電陶瓷膜片時預(yù)加負(fù)荷，這樣做的好處是我們不再需要一個很深的泵腔，因為它不僅建立具有高壓縮比的泵，還使得泵體積更小。

除了隔膜外，泵腔和止回閥也由單晶硅構(gòu)成，與塑料和金屬相比這是非常有利的。其中一個主要原因是非金屬也用于制造電腦芯片和太陽能電池，是柔性的。另一個原因是泵的各個部件可以非常精確地從硅層蝕刻出來，然后集成在一起。

然而，使用硅的主要缺點(diǎn)之一是成本高，因此，泵的尺寸必須保持相當(dāng)小。Richter說“我們的目標(biāo)是將泵的尺寸縮小到10平方毫米，才能使其批量生產(chǎn)有利可圖。”

提升傳感器響應(yīng)和精度

目前，阻礙傳感器加入智能手機(jī)的因素是傳感器的反應(yīng)時間過長。這點(diǎn)智能泵可以克服，因為它可以向氣體傳感器顯式地傳遞空氣，從而最大限度地減少反應(yīng)時間從幾分鐘到只有2秒。例如，除了測量顆粒物濃度外，傳感器還可以檢測室內(nèi)空氣是否有臭味，是否需要打開窗戶進(jìn)行通風(fēng)。

“從本質(zhì)上講，智能手機(jī)還可以用來檢測呼吸來測量酒精含量。但是，這需要很高度的測量精度，否則，檢測結(jié)果會存在爭議，這個目前還沒有實現(xiàn)。”Richter說。

微泵可以有更多應(yīng)用方向

舉一個例子，微泵也可以應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，作為一種醫(yī)療貼片來管理止痛藥或少量的激素，或作為植入物來幫助控制青光眼治療過程中眼睛內(nèi)的壓力。除此之外，泵還可以用來向機(jī)器輸送精確的潤滑劑，這是一個應(yīng)用程序，目前弗勞恩霍夫科學(xué)家正在與行業(yè)合作伙伴一起開發(fā)。

Richter和他的同事們的項目是弗勞恩霍夫發(fā)現(xiàn)資助計劃的一部份，弗勞恩霍夫基金會目標(biāo)是通過向公司發(fā)放研究成果來加強(qiáng)德國的創(chuàng)新和職業(yè)前景。

“一個裝有智能泵的耳機(jī)可以在鼻子附近傳遞不同劑量的不同氣味，游戲業(yè)已經(jīng)對此表示了興趣”Richter還說，“智能泵將是一個吸引的應(yīng)用，能傳遞非常小而準(zhǔn)確的氣體或液體劑量。