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傳感新品

【溫州大學：研發MOFs亞納米孔離子選擇性微量移液管傳感器體內監測Na+！】

中樞神經系統中電信號和化學信號的傳輸對生物體的生命過程至關重要。其中，濃度可控的各種離子(Na + 、K + 和Ca 2+ )在維持體內平衡和使神經元信號轉導能夠在感知生理刺激時傳播方面發揮著至關重要的作用。具有高選擇性的離子動力學的體內傳感對于獲得對許多生理和病理過程的分子見解至關重要。

溫州大學劉楠楠、北京師范大學毛蘭群和蔣亞楠 報道了一種離子選擇性微量移液管傳感器(ISMS)，該傳感器通過整合在微量移液器尖端內原位合成的功能性冠醚包封的金屬有機框架(MOFs)。ISMS具有獨特的鈉離子(Na + )傳導和對Na + 傳感的高選擇性。選擇性歸因于亞一致空間和18-冠-6對鉀離子(K + )的特定配位的協同作用，這在很大程度上增加了K + 通過ISMS的空間位阻和轉運阻力。ISMS表現出高穩定性和敏感性，有助于在抑郁癥事件傳播過程中實時監測活體大鼠大腦中的Na + 動力學。

研究要點

要點1. 作者展示了用于選擇性體內傳感Na + 的納米流體微量移液管傳感器的報告。受生物離子通道的啟發，人工離子選擇性納米流體裝置由含有冠醚(如18-冠-6)的復合MOFs構建，冠醚是在微量移液管尖端通過界面生長策略原位合成。

要點2. 由于18-冠-6對K+的特定配位，所得到的離子選擇性微量移液管傳感器(ISMS)表現出Na + 對K + 高度選擇性的離子傳導。還實現了對其他種類的一價和二價金屬離子的高選擇性。

要點3. 作者發現Na + 的離子選擇性較少依賴于溶液濃度或pH值，證實了ISMS的高穩定性。這些優異的特性使ISMS成為實時監測不同生理和病理條件下Na + 動力學的理想平臺，為開發用于體內分析的智能納米流體傳感器提供了新的機會。

鑒于冠醚和MOFs的多樣性，這項研究為體內傳感和神經形態電化學傳感的納米流體平臺鋪平了道路。

研究圖文

圖1. 18-crown-6@ZIF-8的表征。

圖2. 基于18-crown-6@ZIF-8的微量移液管傳感器的特性和離子選擇性。

圖3. 基于 18-crown-6@ZIF-8的ISMS的離子選擇性。

圖4. 基于18-crown-6@ZIF-8的微量移液管傳感器的穩定性。

圖5. ISMS體內感應Na + 的傳感器性能。

傳感動態

【為萬億之城貢獻“芯”力量！睿創微納助力煙臺打造百千億級光電傳感產業】

2月19日，煙臺市委、市政府召開全市奮進萬億新征程動員大會。會上，煙臺睿創微納技術有限公司常務副總經理、艾睿光電科技有限公司董事長趙芳彥表示，將繼續保持每年20%左右的研發投入，每年攻克3一5項卡脖子技術、培養招引100名重點專業人才，年銷售保持較高增速，力爭早日產值突破100億元，為建設環渤海地區中心城市和綠色低碳高質量發展示范城市貢獻睿創“芯”力量。

自2009年，睿創微納通過招商入駐煙臺，數年間由籍籍無名成長為科創板上市、行業領頭羊。下一步，睿創微納致力于拓寬賽道，產業布局從“單一紅外”拓展到“多維感知”，完成紅外、激光、微波“三大主賽道”的新格局。具體來說，紅外方向實現長波、中波、短波三個重要窗口的全覆蓋，激光方向實現激光測距、激光指示、激光照射、車載激光雷達四個方向全覆蓋，微波方向實現4D毫米波雷達、火控雷達、衛星通信用射頻芯片等全覆蓋。同時，充分發揮行業領域技術優勢和資源優勢，依托煙臺光電傳感產業園，推動產業鏈上下游垂直整合、延鏈聚合。

2035年，產業園力爭引進關聯企業20—30家、培育區域配套供應商30—50家、培育上市公司3家，實現從芯片到整機的全產業鏈貫通，助力煙臺打造百千億級光電傳感產業。

【湖南加快培育智能傳感和網聯產業綜合性孵育平臺】

2月19日，湘江科學城智能傳感和網聯產業簽約暨揭牌儀式活動在長沙舉行。中南大學交通運輸工程學院、湖南大學半導體學院(集成電路學院)、高速鐵路建造技術國家工程研究中心和岳麓高新區管委會代表現場簽約，中南大學智能交通研究中心、長沙半導體技術與應用創新研究院產業化基地、高速鐵路建造技術國家工程研究中心產業化基地現場揭牌，正式落戶湘江科學城智能傳感與網聯產業基地。

湘江科學城智能傳感和網聯產業基地位于岳麓高新區，是湖南湘江新區加快培育智能傳感和網聯產業的綜合性孵育平臺。基地以5萬平方米科創空間為載體，聚焦成果轉化、初創孵育、創新平臺三類孵育對象，提供場地支持、資金賦能、技術對接、人才服務、場景支撐等10大科創服務，以“高校院所+基地+基金+科創服務”的創新創業生態，賦能帶動智能傳感和網聯產業跨越發展。

中南大學智能交通研究中心下設軌道車輛和裝備、軌道交通監測和控制、智能網聯交通與汽車、智慧物流系統與裝備4個前沿研究方向，共建科學研究平臺、共孵成果轉化項目。“今年力爭完成3個項目孵化、5個技術成果轉化，培育1家科創板上市企業。”中南大學交通運輸工程學院院長黃合來介紹，預計4年內有望形成20余項發明專利、超過15項產業孵化項目。

長沙半導體技術與應用創新研究院產業化基地將構建全鏈條服務體系，形成“半導體材料-器件-芯片-裝備”產業集群，打造成果轉化、企業孵化、總部辦公一體化創新生態鏈。高速鐵路建造技術國家工程研究中心產業化基地聚焦高速鐵路建造領域應用基礎理論研究和關鍵技術研發，推進科研項目產業化落地。

岳麓高新區相關負責人介紹，力爭3至5年，將湘江科學城智能傳感與網聯產業基地打造成為國家級科技企業孵化器平臺，推動園區智能傳感與網聯產業產值達500億元。

【奧比中光董事長在全省高質量發展大會：擴大3D視覺傳感器供給規模】

作為深圳科技企業代表，奧比中光科技集團股份有限公司在全省高質量發展大會期間舉行的產業科技融合發展成果展上，展示了高性能3D相機及六足機器人等展品。

該公司創始人、董事長兼CEO黃源浩2月19日接受記者采訪時表示，全省高質量發展大會為廣東經濟和企業發展指明了方向，釋放出聚焦科技創新、發展新質生產力、促進產業和科技互促雙強的強烈信號，讓人倍感振奮。

當前，新一輪科技革命和產業變革加速演進，生成式人工智能等新興技術不斷涌現，成為重構全球競爭格局的關鍵力量。黃源浩表示，公司將發揮機器人及AI視覺產業中臺能力，進一步擴大3D視覺傳感器和激光雷達供給規模，放大行業龍頭優勢，全面助力經濟高質量發展。

【霍尼韋爾公布2023年第四季度及全年業績，并對2024年業績進行了展望】

霍尼韋爾近日公布了2023年第四季度和全年業績，各項指標達到或超出公司原定的全年指導范圍。霍尼韋爾還同時發布了2024年業績展望，預期銷售額為381億至389億美元，同比內生式增長4%至6%等。

業績報告顯示：霍尼韋爾第四季度銷售額為94億美元，同比增長3%，內生式銷售額同比增長2%，其中商用航空業務的內生式銷售額再次實現兩位數增長。營業利潤率下降了290個基點至16.8%，部門利潤率增長了60個基點至23.5%，主要得益于霍尼韋爾特性材料和技術集團以及航空航天集團所取得的增長。

霍尼韋爾2023年全年實現366.62億美元銷售額，同比增長3%，內生式銷售額增長4%；營業收入增長10%，營業利潤率增長了120個基點。

“霍尼韋爾再一次展現出強大的韌性，不僅兌現了我們的承諾，還在經濟環境充滿挑戰的又一年強勢收官。”霍尼韋爾首席執行官柯偉茂表示，“商用航空業務連續第11個季度實現兩位數增長，引領了內生式銷售額的增長。霍尼韋爾企業智聯業務在本季度也實現了20%以上的增長。2023年全年資本配置總額為83億美元，再次超過了我們的現金流，而且我們預計在明年完成安防解決方案的收購后加快實施資本部署戰略。”

柯偉茂還表示：“展望2024年，我們的業務組合以自動化、未來航空和能源轉型三大趨勢為支撐，有望加速實現營業收入和盈利增長。”

據悉，霍尼韋爾的未交貨訂單額仍保持在創紀錄的水平，截至2023年年底增長了8%，達到318億美元，為公司的業績展望提供了有力支持。長周期市場依然保持強勁，而短周期市場的復蘇有望進一步提振霍尼韋爾的業績。

【入門：霍爾效應傳感器的基礎知識】

在各種傳感技術中，最常用和最廣泛的檢測磁場的方法是霍爾效應法。基于霍爾效應，在各種應用中發現了許多霍爾效應傳感器或換能器，它們最常用于感測接近度、速度、電流和位置。

這是因為可以在集成電路上構建霍爾效應傳感器，并在同一硅芯片上使用輔助信號處理電路。由于體積小、堅固耐用、易于使用和成本集成等優點，霍爾效應傳感器是許多磁測量應用的首選。

使用這些霍爾效應傳感器的一些應用領域包括在工業控制中用作編碼器、速度傳感器和行程終點傳感器；在計算機中用作磁盤驅動器索引傳感器和無刷風扇的換向；在汽車中用作防抱死制動系統 （ABS） 和點火正時，在消費設備中用作運動器材等。

關于霍爾效應理論

霍爾效應是由Edwin Hall于1879年在約翰霍普金斯大學通過實驗發現的。由于當時有儀器可用，由于實驗的微妙性質，從材料獲得的電壓極低（以微伏為單位）。因此，在開發出合適的材料之前，在實驗室之外不可能使用霍爾效應。半導體材料的發展為霍爾效應的實際應用制造了高質量的換能器。

霍爾效應是指放置在磁場中的載流導體的相對邊緣產生電壓。當電流通過放置在磁場中的導體時，導體上會在垂直于磁場和電流的方向上產生電位差，其大小與電流和磁場成正比，這種現象被稱為霍爾效應，它是許多磁場測量儀器和設備的基礎。

這里考慮一個簡單的設置來說明如下所示的霍爾效應。導電材料或極板由電池供電，電流（I）流過它。電壓表的一對探頭連接到板的側面，使得在沒有磁場的情況下測量的電壓為零。

當向極板上施加磁場使其與電流成直角時，導體中的電流分布會出現一個小電壓。該力作用在電流上并將電流聚集到導線或導體的一側，從而在導體上產生電位差。如果磁場的極性反轉，則感應電壓也會反轉穿過極板。這種現象就是霍爾效應。

霍爾效應是基于外部磁場和移動電荷載流子之間的相互作用，通過磁場作用在移動電子上的側向力為：F=qvB。

其中B是磁通量密度，v是電子的速度，q是電子電荷。在上圖中，正式由于其中磁場使電荷的運動偏轉。將扁平導電條放置在磁場中，并將導電條的左右兩側的附加觸點連接到電壓表。

導電條的下端和上端連接到電源，由于磁通量的存在，移動的電子在偏轉力的作用下向帶的右側移動。這導致右側比左側更負，因此存在電位差。

該電壓稱為霍爾電壓，其大小和方向取決于電流和磁場的大小和方向。霍爾電壓為計算公式為：

VH=HIB sinα

其中H是整體靈敏度系數，它取決于板材料、溫度及其幾何形狀，α是磁場矢量和霍爾板之間的角度，I是電流密度。

另外，整體靈敏度取決于霍爾系數，霍爾系數是每單位電流密度每單位磁場強度的橫向電勢梯度。因此，霍爾系數給出為：

H = 1/Ncq、

其中c是光速，N是每單位體積的電子數。

霍爾效應傳感器

如果傳感器使用霍爾效應來感知磁場的存在，這種傳感器稱為霍爾效應傳感器。磁傳感器的基本元件是霍爾元件，這些傳感器通常封裝在一個四端子外殼中，其中兩個端子是控制端子，另外兩個是差分輸出端子。控制電流施加在控制端子上，而在差分輸出端子觀察輸出。一個基本的霍爾效應傳感器將磁場轉換為電信號。磁系統將位置、速度、電流、溫度等物理量轉換為磁場，而磁場又可以由霍爾效應傳感器感應。

霍爾效應傳感器由硅材料制成，主要分為兩種類型，即基本傳感器和集成傳感器。有源元件的霍爾系數和電流密度是制造霍爾效應傳感器以產生高輸出電壓時要考慮的兩個重要參數。

因此，高霍爾系數和低電阻是霍爾元件的兩個重要要求。用于制造這些傳感器元件的一些材料包括InSb、Ge、InAs和GaAs。

霍爾效應集成電路（IC）傳感器

該集成技術與霍爾效應原理相結合，產生霍爾效應IC開關。與光電或電感傳感器相比，霍爾效應IC開關更有效、成本更低且效率更高。

這種傳感器是一個單一的集成電路芯片，上面內置了信號放大器、霍爾電壓發生器和施密特觸發電路等各種元件。這些IC可檢測鐵磁材料、永磁體或電磁體在施加偏磁的情況下的磁場強度變化。

這些IC用于各種應用，例如對準控制、速度控制、點火系統、機械限位開關、機床、計算機、鍵盤、按鈕、安全系統等。

霍爾效應IC采用各種配置的硅CMOS技術制造。上圖顯示了4引腳封裝的霍爾效應傳感器IC。在總共4個引腳中，有2個引腳連接到恒壓源，另外兩個連接到電壓表。連接布置電路如下圖所示。當沒有磁場時，測得的薄板電壓可以忽略不計。當磁場以磁通線與流過霍爾元件的電流成直角的方式施加在偏置霍爾效應傳感器上時，霍爾IC的輸出端會產生與大小成比例的電壓到磁場強度。

主要類型

霍爾效應傳感器需要一個信號調理電路，以使其輸出可用于許多其他應用。該信號條件電路進行放大、電壓調節、溫度補償、線性等。目前主要有兩種類型的霍爾效應傳感器，即模擬霍爾效應傳感器和雙極性霍爾效應傳感器。

1、模擬霍爾效應傳感器

與基本霍爾傳感器相比，模擬霍爾效應傳感器在更寬的電壓范圍內工作，并且在嘈雜的環境中也很穩定。下圖顯示了模擬輸出霍爾效應器件，它產生的模擬電壓與它所暴露的磁場成正比。

放大器具有偏置或固定偏移，因此當磁場不存在時，偏置電壓出現在輸出端，這被認為是零電壓。霍爾元件處的磁場可以是正的也可以是負的。因此，當感測到正磁場時，輸出電壓增加到高于零值，而當感測到負磁場時，輸出降低到零值以下。

使用這些傳感器，輸出電壓在電源施加的限制范圍內，因此，在達到電源限制之前，放大器將開始飽和，如上圖所示。需要注意的是，飽和發生在放大器中，而不發生在霍爾元件中，因此較大的磁場不會對霍爾效應傳感器造成損壞。

此外，這些傳感器相對于磁場不是很線性，因此它們需要適當的校準才能進行高精度測量。與此同時，通過在差分放大器的輸出端增加推挽晶體管、集電極開路或發射極開路，增加了器件的接口靈活性。

2、雙極性霍爾效應傳感器

這些傳感器的輸出有兩個極性：開或關，這些傳感器也稱為數字輸出霍爾效應傳感器。此外，放大器包含具有閾值電平的內置滯后的施密特觸發器。該施密特觸發器裝置通過將差分放大器輸出與固定基準進行比較，將模擬信號轉換為數字輸出。

因此，當差分放大器輸出大于參考值或預設值時，施密特觸發器打開，而低于參考值時，施密特觸發器關閉。

作為磁場函數的兩電平輸出信號如下圖所示。在這種情況下，磁滯通過引入死區消除了可避免的振蕩，在死區中，在參考值或預設值通過后，動作被禁用。

主要應用

根據應用的不同，霍爾效應傳感器有多種配置。這些是非常流行的測量設備，用于工業過程控制、生物醫學、汽車、電信、自動柜員機等各種應用領域。

霍爾效應傳感器被廣泛用作位置傳感器、液位測量、限位開關和流量測量。一些器件基于霍爾效應工作，例如霍爾效應電流傳感器、霍爾效應葉片開關和霍爾效應磁場強度傳感器。其中的一些應用如下所述。

1、位置傳感器

霍爾效應傳感器用于感測滑動運動，在這種類型的傳感器中，霍爾元件和磁體之間將有一個嚴格控制的間隙，具體如下圖所示：

當磁體在固定間隙處來回移動時，感應磁場將發生變化。當元素接近北極時，該場將為負，當元素接近南極時，該磁場將為正。

這些傳感器也稱為接近傳感器，用于精確定位。下圖顯示了四個數字輸出雙極傳感器，它們被擰入鋁制外殼并由安裝在桿上的一個磁鐵驅動。

當磁鐵在可接受的尺寸范圍內移動時，這些傳感器會產生信號。從參考表面開始，這些信號代表測量的距離。這種類型的布置也稱為多位置感測，此類應用的最佳示例是檢測照片處理設備的各種鏡頭位置。

2、流量測量

下圖顯示了用于流量測量的霍爾效應傳感器。該腔室設有流體流入和流出的開口，流體流過這些開口。帶有螺紋軸布置的彈簧加載槳使磁性組件朝向霍爾磁體來回移動。

隨著通過腔室的流速增加，彈簧加載的槳葉轉動螺紋軸。因此，當軸轉動時，磁性組件會向上升高，從而使傳感器通電。當流量減少時，彈簧線圈會導致磁性組件下降。因此，換能器輸出降低。整個布置經過校準，使得測得的電壓和流速之間存在線性關系。

3、液位測量

在這種方法中，霍爾效應傳感器用于確定浮子的高度，從而測量罐中的液位。下圖說明了浮子和霍爾效應元件在罐中的布置。浮子附有一塊磁鐵，這樣它的驅動就會改變離霍爾元件遠近的磁場距離。

隨著液位上升，磁鐵移近傳感器，因此輸出電壓增加，而當液位下降時，該電壓降低。因此，該系統提供了簡單的液位測量，無需在罐內進行任何電氣連接。

4、轉速傳感器

轉速或RPM感應是霍爾效應傳感器最常見的應用。在速度傳感中，霍爾效應傳感器以面向旋轉磁鐵的方式固定放置。該旋轉磁鐵產生操作傳感器或霍爾元件所需的磁場。旋轉磁鐵的排列方式可以不同，這取決于應用的便利性。其中一些布置是將單個磁體安裝在軸或輪轂上或通過使用環形磁體。霍爾傳感器每次面對磁鐵時都會發出輸出脈沖。

此外，這些脈沖由處理器控制以確定并顯示RPM中的速度。這些傳感器可以是數字或線性模擬輸出傳感器。

5、無刷直流電機傳感器

無刷直流電機的功率分配由電子換向控制，而不是機械換向。三個雙極性霍爾效應傳感器放置在定子一端靠近轉子磁極面的位置，以執行電子換向。為了操作這些傳感器，永磁材料安裝在轉子軸上。這些傳感器測量旋轉磁鐵的位置，以便確定何時應將電流施加到電機線圈的電流上，從而使磁鐵朝正確的方向旋轉。霍爾效應傳感器感測到的信息饋送到邏輯電路，該邏輯電路進一步編碼該信息并控制驅動電路。這種類型的反饋機制由霍爾效應傳感器提供，用于測量用于許多BLDC電機控制應用的轉子的速度和位置，因為它具有更大的靈活性。

6、電流傳感器

霍爾效應電流傳感器用于測量交流和直流電流。通過使用線性模擬霍爾效應傳感器，可以測量從250mA到數千安培的電流。

這種隔離的模擬輸出電壓被進一步數字化，并且通過添加放大器進行電平轉換和溫度補償。載流導體始終被磁場包圍，因此在該磁場附近放置線性霍爾效應傳感器，然后在傳感器的輸出端產生電壓，如下圖所示。該電壓與導體周圍的磁場強度成比例。

通過將霍爾效應傳感器與電磁鐵結合使用，可以獲得更靈敏、更高效的隔離式電流傳感裝置。這種布置由一個開槽鐵氧體環形磁芯和一個位于間隙中的霍爾效應 IC傳感器組成。傳感器被磁芯包圍，因此磁芯充當通量集中器，因為它將感應磁場聚焦到霍爾元件放置的位置，如下圖所示。

通過改變磁芯上的繞組數量，該傳感器可以測量幾安培到幾千安培的電流。霍爾效應傳感器的輸出電壓與流過繞組的電流成正比，因此與電流測量值成正比。

7、溫度或壓力傳感器

霍爾效應傳感器也可用作壓力和溫度傳感器，這些傳感器與帶有適當磁鐵的壓力偏轉膜片結合在一起，波紋管的磁性組件來回致動霍爾效應元件。在壓力測量的情況下，波紋管受到膨脹和收縮。波紋管的變化導致磁性組件移動靠近霍爾效應元件。因此，產生的輸出電壓與施加的壓力成正比。在溫度測量的情況下，波紋管組件用具有已知熱膨脹特性的氣體密封。當腔室被加熱時，波紋管內的氣體會膨脹，這會導致傳感器產生與溫度成比例的電壓。

總結

通過上文的介紹不難看出，霍爾效應傳感器是根據霍爾效應制作的一種磁場傳感器，可以廣泛地應用于工業自動化技術、檢測技術及信息處理等方面。霍爾效應是研究半導體材料性能的基本方法。另外，霍爾效應傳感器也是一個換能器，它將變化的磁場轉化為輸出電壓的變化。霍爾傳感器首先是實用于測量磁場，此外還可測量產生和影響磁場的物理量，例如被用于接近開關、位置測量、轉速測量和電流測量設備。

審核編輯 黃宇