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小木NMG

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[交流] 智能材料对传感器发展的推动

“智能材料”（又可称为“敏感材料”）是指具有感知环境（包括内环境和外环境）刺激，对之进行分析、处理、判断，并采取一定的措施进行适度响应的智能特征的材料。具体而言，它具有感知功能，能够检测并且可以识别外界(或者内部)的刺激强度，如电、光、热、应力、应变、ph值、振动、湿度等；能够快速、及时响应外界的变化，并按照设定的方式选择和控制响应，当外部刺激消除后，能够迅速恢复到原始状态。以上这些特性满足了如今人们对传感器的要求，并克服了传统材料的局限性。

通过听觉、视觉、触觉、控制、感应和交流等不同技术，使材料在复杂的医疗设备环境中发生改变，并与周围环境建立感知关系，从而获得传输数据。这听起来像是天方夜谭，但实际上，这已成为现实。

您是否想象得到每天晚上穿的睡衣可以监测您睡眠时的健康状态，甚至可以控制您的心跳和呼吸频率？

您是否能想象一个简单粘贴在身上的膏药贴可以监测患者的健康情况，并通过无线技术来传输患者的医疗参数？

事实是，它们真的实现了！

但是，这场技术革命成功的背后是什么呢？这种新型智能材料相较于传统材料而言，品质更好，且在温度、压力和振感方面的特性可以满足电流传感器的需求。
这类新型材料不仅可以捕获和中继信息，还能对周围环境的变化做出反应，并按照设定的方式选择和控制响应。从本质上来说，这些材料不仅智能，而且很活跃。

智能材料在传感器开发和优化中的作用

人们所说的“智能”领域，指的是部署了“智能”设备的区域，比如无线数字心电图仪（ecg）和无线血压计。
这些设备的技术进步在数字领域表现得尤为明显：比如计算领域、后台自动传输领域和更智能的电脑系统等。

在这一进步的背后隐藏着材料科学的飞速发展与进步：智能材料的出现。研究人员通过对材料的分析研究、设计，以及他们独创性的思维使得开发这类敏感材料成为可能，这些材料会根据外界刺激做出反应，并改变其特性，从而探测周围环境的变化。这些属性的变化形成了传感器的输入数据，因此，这类材料也成了传感器的基石。

那么，这种独创性带来了什么呢？答案是传感器自主化。当然了，传感器需要电能的支持，以便处理和传输信息。智能材料可以做到这一点。实际上，在大多数的情况下，传感器的能耗很低，这些材料可以响应刺激而产生电能，从而帮助传感器录入数据，并提供电能。

那么，哪些是智能材料呢？

简而言之，智能材料是指根据环境条件进行自适应的材料，这是一种笼统的说法，并未就材料类型进行分类，若按类型分类可以分为：

聚合/复合材料
压电材料
磁阻材料
电致伸缩材料
形变记忆材料

以上所有材料的共性是适应性和可变性。迄今为止，压电材料仍是传感器中应用最广泛的材料。它是一种受到压力作用时会在两端面间出现电压的晶体材料。

根据idtechex发布的《传感器技术和市场趋势-2020版》中显示，压电材料符合传感器的需要：自供电、无毒、抗菌，并且可用于穿戴设备和物联网节点。因此，压电材料是一种可满足多方面应用的设备/材料。

压电材料分为两大类：天然材料(如罗谢尔盐、石英和黄玉)和合成材料(如pzt和pvdf)。

合成压电材料的出现是为了使其性能适应相应应用的需要，如性能、尺寸和抗失效能力等。

智能材料的发展，不仅促进了研究人员和开发人员之间的相互竞争，还创建了从原子级到宏观级的定制模拟和合成工具。

这些工具的出现得益于化学和生物学方面纳米技术的发展，如扫描隧道显微镜(stm)或原子力显微镜(afm)。借助它们，可以实现原子或分子的自由排列组合。
其他则来自微处理器的出现，如光学光刻机，它可以生产用于集成设备的薄材料层。这种材料的微小化，可以让传感器更小、更轻、更精密。所有这些都为未来生产更多种类的智能材料铺平了道路。

超越制造：制造传感器的挑战

除了用智能材料生产传感器的挑战外，实现方案也存在挑战。不同的传感器都有着不同的要求，而每种材料都有其特性。这就需要开发一种特定的电子设备，使它们彼此匹配。

为了能让传感器彼此匹配，使用可靠的特性监测和模拟工具进行适配测试是极为重要的。只有这样，才能设计出低能耗、能管理和传输数据的电子传感器。

在缩小尺寸和减轻重量的情况下，必须使用无尘室技术和工艺来将材料集成到产品上，例如微机电系统(mems)。每个芯片都有不同的要求，因此必须逐步了解其开发过程，并突破挑战。

下一步：智能材料的未来

智能材料的时代才刚刚开始，从上面的技术发展和演变，我们可以期望，在不久的将来植入芯片能够替代我们体内衰竭的器官，如模拟听觉、心脏起搏器和人工视网膜。

也许有一天，智能药丸可以置于我们身体的特定部位，以诊断和治疗体内疾病，而不用进行外科手术。

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