傳感新品

【香港城市大學，上海交通大學：研發帶有真實指紋的生物識別電子皮膚傳感器，可提供觸覺洞察】

皮膚的觸覺反饋是人類幾種感知機制之一，在我們與環境的互動中起著至關重要的作用，尤其是在執行精細任務時，如削鉛筆、縫制衣服和識別織物的質地。這些任務在很大程度上依賴于指尖高度發達的觸覺敏感性。作用在指尖上的機械信號（如壓力或振動）通過指紋調節傳遞給特定受體，隨后轉化為神經信號的過程稱為指尖觸覺感知。由于指尖具有指紋結構，皮膚下的機械感受器比其他身體皮膚區域更密集，亞毫米級的指紋結構可以區分最小脊間距為760 nm的圖案，滑動速度、環境濕度和指紋結構都會影響測試結果。此外，指紋差異引起的各種觸覺引起了研究人員的關注，例如指紋脊對觸摸產生的振動信號的調制作用。此外，有趣的是，女性比男性更能分辨出更精細的表面細節，這可以歸因于她們的皮紋結構的差異。

受人類指紋的啟發，研究人員開發了觸覺傳感器來研究指紋的作用，并為機器人、假肢和虛擬現實場景設計高精度的人工觸覺系統。基于加速度計和霍爾效應傳感器的觸覺傳感系統能夠精確識別織物表面的微小表面和紋理。然而，這些剛性傳感技術與柔性表面不兼容。柔性電子技術的快速發展使研究人員能夠采用壓阻、電容和雙電層（EDL）技術來構建承載微結構的柔性觸覺傳感器。這些傳感器可用于復制對壓力和觸摸做出反應的緩慢適應（SA）機械感受器。此外，基于壓電和摩擦電技術的觸覺傳感器已經開發出來，可以復制對高頻振動做出反應的快速適應（RA）機械感受器。多層傳感器也被設計用于同時模擬SA和RA機械感受器，能夠檢測壓力和振動，從而進行紋理識別。然而，很少有研究調查皮紋結構對觸覺信號的影響。指尖皮紋圖案是在胚胎發育的早期階段在遺傳因素的影響下形成的，因此指紋圖案已被廣泛研究用于疾病相關的風險評估，并作為初步識別某些肢體和大腦發育異常的基礎。指紋脊對摩擦振動頻率的過濾作用也會影響我們的日常觸覺感知。因此，有必要研究指紋脊結構對觸覺信號的影響。

電容式壓力傳感器因其高結構穩定性、低功耗、溫度無關性和快速動態響應而得到了廣泛的研究。然而，一個缺點是，外力在介電層中引起的變形往往相當弱。結果，這種電容式壓力傳感器的靈敏度往往受到顯著限制。將微錐體、微柱和微槽等微結構集成到介電層中已被證明能有效提高電容式壓力傳感器的靈敏度。這些微觀結構可以通過直接復制砂紙或植物葉子的表面形貌來引入，這提供了低成本的方法。然而，這種方法無法定制微觀結構的形狀、尺寸或間距。研究人員試圖利用硅膠模具來生產有序均勻的微觀結構。但制造過程依賴于復雜且昂貴的基于光刻的方法。除了優化介電層的結構外，材料的適當選擇也是傳感器性能的關鍵。彈性體電介質通常用于電容式傳感器以提高其靈敏度，如聚二甲基硅氧烷（PDMS）。然而，PDMS的固有粘彈性不可避免地延長了響應/恢復時間，這限制了它們的應用范圍。各種方法都試圖解決這些局限性，一種有前景的方法是利用具有高介電常數的新型材料作為電容式壓力傳感器中的介電層。氧化石墨烯（GO）是石墨烯的多功能衍生物，具有良好的機械、熱和電性能。石墨烯由2D晶體片組成，在石墨烯氧化過程中，在基面和邊緣引入了含氧親水官能團，這些官能團的存在引入了結構不規則性，阻礙了電子沿GO平面的轉移。由于其較高的相對介電常數和水溶性，GO是高靈敏度電容式傳感器的理想介電層?；贕O的壓力傳感器的研究仍然有限。因此，GO作為介電層材料的增強介電材料顯示出廣闊的前景。

本文亮點

1. 本工作開發了一種新型的多層柔性傳感器，其具有能夠復制任意指紋的人工合成皮膚表面。該傳感器同時檢測壓力（SA響應）和振動（RA響應），從而實現紋理識別。

2. 來自著名歷史人物——羅莎·帕克斯、理查德·尼克松、馬丁·路德·金和羅納德·里根——的指紋脊圖案被制作在傳感器表面上。測量了各種織物紋理的振動頻率響應，并在指紋復制品之間進行了比較。

3. 指紋形貌對皮膚表面振動傳輸有顯著影響。帕克斯的指紋結構比尼克松、金或里根的指紋結構更清楚地傳達了更高的頻率。

圖文解析

圖1. 靈感來自指尖的電子皮膚的設計、構造和制造。A） 人類觸覺系統的感知機制。B） WFES傳感器布局示意圖以及使用WFES傳感器對不同傳感器結構的振動信號的研究，包括i）條形傳感器結構的間距對觸覺振動信號的影響。ii）不同指紋結構對觸覺振動信號的影響。C-F）WFES傳感器主要部件的光學圖像，從左到右依次是指紋膜電極、P-GO/PDMS介電層、聚對二甲苯電極和組裝好的傳感器。G） WFES傳感器主要部件的制造過程示意圖。I） 傳感器指紋結構的建模。II） 指紋膜電極的制作。III） 電弧頂部圓柱形結構介電層的制造。IV） 聚對二甲苯電極膜的制造。V） 組裝好的WFES傳感器。

圖2. 傳感器性能的表征，包括靈敏度、可重復性、分辨率和振動響應。A） 附著在指尖的WFES傳感器的光學圖像和指紋結構的光學3D輪廓圖像。B） 在高達250 kPa的壓力范圍內，傳感器電容的變化。C） 電容在高達5 kPa的壓力范圍內變化。D） 在0.5至3 kPa的26000次循環后，確定了傳感器的工作穩定性，入口顯示了測試開始和結束時的特寫視圖。E） 對傳感器頂部花瓣的放置和移除的響應。F） 智能手機和電動牙刷的振動光譜；插圖顯示了測試的時域信號。

圖3. 掃描速度和樣品表面粗糙度對振動信號的影響。A） 掃描過程中實驗裝置和WFES傳感器變形的示意圖。B） WFES傳感器在掃描具有受試者1指紋結構的Si微帶（λs30、λs50、λs100和光滑的Si表面）時在1 mm s-1處產生的振動光譜；插圖顯示了微帶樣品的圖像。C） 不同掃描速度下的振動光譜。D） 振動光譜中的特征峰、測試樣品的脊間距離和掃描速度之間的關系，分別以男性受試者（受試者1）和女性受試者的指紋圖案作為傳感器的外部結構。

圖4. 不同傳感器結構對捕獲的振動信號的影響。A） 通過以15 mm s?1的平均速度手動掃描各種印刷微帶，具有條紋結構（λf220）的傳感器獲得了振動光譜。B） 通過掃描具有不同脊間距離的WFES傳感器的微帶（λs900）來獲得振動光譜。C） 通過掃描具有不同脊深的WFES傳感器的微帶（λs900）來獲得振動光譜。D） 通過掃描具有不同脊寬的WFES傳感器的微帶（λs900）來獲得振動光譜。E） 傳感器結構的脊間距、掃描樣本的脊間距和特征頻率之間的關系。F） 比較不同脊深和脊寬的傳感器結構對振動信號振幅的影響。

圖5. 織物紋理識別測試。A） WFES傳感器和織物之間相互作用的示意圖。B） 通過光學輪廓儀測量了四種織物（斜紋棉、燈芯絨、70%棉+30%聚酯和聚酰胺）的3D織物表面輪廓圖像。C） 通過使用線性致動器（WFES傳感器）I）、PGI輪廓儀II）和手動掃描（WFES傳感）III）掃描四種織物（斜紋棉、燈芯絨、70%棉+30%聚酯和聚酰胺）獲得振動光譜。D） 四種實驗條件下織物脊間距離測量的比較。

圖6. 測試指紋圖案類型對織物紋理識別信號的影響。A） 這項研究選取了四位來自政治和民權領域的有影響力人物的指紋作為樣本。B）比較從著名政治和民權領袖的WFES傳感器獲得的振動光譜。

傳感動態

【臺積電 2024 年第二季度凈利潤 2478.5 億新臺幣，同比增長 36.3%】

7 月 18 日消息，臺積電今日公布 2024 年第二季財務報告，合并營收約 6735.1 億元新臺幣，凈利潤約 2478.5 億元新臺幣（當前約 553.7 億元人民幣），每股盈余為 9.56 元新臺幣（折合美國存托憑證每單位為 1.48 美元）。

與去年同期相較，臺積電 2024 年第二季營收增加了 40.1%，凈利潤與每股盈余均增加了 36.3%。

與前一季相較，臺積電 2024 年第二季營收增加了 13.6%，凈利潤增加了 9.9%。

從出貨情況來看，3nm 制程出貨占臺積電 2024 年第二季晶圓銷售金額的 15%，5nm 制程出貨占全季晶圓銷售金額的 35%，7nm 制程出貨則占全季晶圓銷售金額的 17%。

總體而言，先進制程（包含 7nm 及更先進制程）的營收達到全季晶圓銷售金額的 67%。

【漢威科技：設立光電公司，建設光電子器件產線，公司將提供自主可控激光器件及模組整體方案】

7月16日消息，有投資者在互動平臺向漢威科技提問：董秘你好，您做為鄭州威晶光電科技有限公司的負責人，想請您介紹下公司的產品，以及目前的業績情況，謝謝！

公司回答表示：公司分別設立了鄭州威晶光電、鄭州新威光電以及威晶光電深圳分公司，建設了完整的光電子器件產線，實現光電子器件系列產品的覆蓋，主要業務產品為TO封裝激光器、蝶形封裝激光器器件的研發、生產和銷售。未來公司將充分發揮中原總部研發創新、生產制造能力，同時發揮深圳激光器行業區位優勢與發展創新潛能，以自身全面的研發制造能力結合漢威科技集團總部的產業生態圈優勢，為客戶提供完全自主可控的激光器器件及模組整體方案。

審核編輯 黃宇