在當(dāng)今這個(gè)數(shù)字化時(shí)代，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用已經(jīng)變得非常普遍。這種萬物互聯(lián)的狀態(tài)主要是通過在各式各樣的設(shè)備中嵌入多個(gè)軟件和傳感器來實(shí)現(xiàn)的。具體而言，這些設(shè)備主要包括無線設(shè)備、自動(dòng)機(jī)械、可穿戴傳感器和安全系統(tǒng)等。
要保證設(shè)備平穩(wěn)運(yùn)行，就需要對(duì)各個(gè)組件進(jìn)行詳細(xì)檢查，以評(píng)估其安全性和實(shí)用性，排除任何潛在的缺陷，同時(shí)還要避免在檢查過程中給設(shè)備造成不必要的損壞。而太赫茲(THz)成像就是一種十分重要的監(jiān)測(cè)手段，這種非破壞性成像方法與其他波段的成像技術(shù)相似，都是利用頻率在0.1~10THz之間的太赫茲射線對(duì)測(cè)試物品進(jìn)行照射，通過透射或反射即可完成物品相關(guān)信息的獲取與成像。這種技術(shù)也因具備高穿透性、高分辨率和高靈敏度而迅速得到普及。然而，傳統(tǒng)太赫茲攝像機(jī)因?yàn)轶w積大且較為堅(jiān)硬，所以難以完成不平坦的物品表面的成像工作。而且這種攝像機(jī)在傳感器的配置上還存在成本過高和通用性缺乏等問題，這些極大地阻礙了其在實(shí)際工業(yè)、生活場(chǎng)景中的大規(guī)模應(yīng)用。想要解決這些難題，就需要更多的適應(yīng)性傳感器。
近日，東京工業(yè)大學(xué)(Tokyo Institute of Technology)和日本理化學(xué)研究所(RIKEN)的科研人員設(shè)計(jì)出一種靈活獨(dú)立的太赫茲傳感器陣列，可讓太赫茲攝像機(jī)對(duì)形狀不規(guī)則的物體盲區(qū)進(jìn)行成像。
新型2D太赫茲攝像機(jī)(來源：Tokyo Tech)
該研究成果發(fā)表在《高級(jí)功能材料》(Advanced Functional Materials)上，標(biāo)題為《一種基于自對(duì)準(zhǔn)2D懸浮傳感器陣列模式的可調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)的太赫茲攝像機(jī)貼片》(A Terahertz Video Camera Patch Sheet with an Adjustable Design based on Self‐Aligned, 2D, Suspended Sensor Array Patterning)。
“考慮到測(cè)試對(duì)象在形狀、結(jié)構(gòu)和尺寸上的多樣性，攝像機(jī)的設(shè)計(jì)和傳感器必須適應(yīng)不同的配置。在此次研究中，我們開發(fā)出一種更為簡單經(jīng)濟(jì)的制造方法，能夠生產(chǎn)具有可適應(yīng)形狀的太赫茲攝像機(jī)。”東京工業(yè)大學(xué)的Yukio Kawano副教授表示。
眾所周知，這些傳感器的原材料必須在太赫茲光譜中具有良好的吸收能力，并能高效地將發(fā)射物轉(zhuǎn)換為可檢測(cè)的電信號(hào)。因此，該團(tuán)隊(duì)選擇碳納米管(Carbon Nanotube，簡稱CNT)薄膜作為原材料，該薄膜具有良好的機(jī)械強(qiáng)度和柔韌性。
他們首先讓CNT溶液依次通過一個(gè)帶有激光誘導(dǎo)狹縫的聚酰亞胺薄膜和一個(gè)帶有真空泵的膜過濾器;干燥后，CNT溶液就作為一個(gè)獨(dú)立的懸浮結(jié)構(gòu)保留在模式化的聚酰亞胺膜夾層之間;然后他們進(jìn)一步開發(fā)出一種簡單制造工藝，借此完成CNT膜陣列的自組裝，以及從兩端形成電極;最后在模式化的聚酰亞胺薄膜上蒸發(fā)金屬電極。這一系列過程最后產(chǎn)生了太赫茲攝像機(jī)貼片。有趣的是，他們還可以通過改變過濾條件和摩擦力，來改變懸浮CNT膜的結(jié)構(gòu)，從而制備出可定制的薄膜。
據(jù)悉，還可以直接用剪刀將貼片剪成更小的便攜式、可穿戴傳感器，附著在任意測(cè)試對(duì)象的表面以實(shí)現(xiàn)更好地覆蓋。
研究人員通過檢測(cè)和顯示樹脂中聚合物的裂縫、雜質(zhì)和不均勻涂層，以及彎曲管道中的污泥來演示這種貼片在實(shí)際工業(yè)化應(yīng)用中的表現(xiàn)，最終證實(shí)了這種新型的太赫茲攝像機(jī)在質(zhì)量檢測(cè)與控制操作中的巨大潛力。
Kawano強(qiáng)調(diào)道：“我們研發(fā)的2D補(bǔ)片太赫茲攝像機(jī)可以更加快捷地完成大型不可移動(dòng)的物體成像，并且能夠在很大程度上緩解由物體形狀和所在位置帶來的成像限制，進(jìn)而對(duì)無損檢測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)做出重大貢獻(xiàn)。”
值得一提的是，這種通過自對(duì)準(zhǔn)過濾過程，去將熱傳感器、太赫茲傳感器、應(yīng)變傳感器和生物化學(xué)傳感器結(jié)合在一起的技術(shù)，未來有望不斷衍生，并發(fā)展出全方位薄片傳感器這一全新的研究方向。
