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日本研发灵活且便捷的太赫兹相机传感器阵列

据麦姆斯咨询报道,东京工业大学(Tokyo Institute of Technology)和日本理化学研究所(RIKEN)的科学家们已经开发出一种灵活、便携、多功能的太赫兹(THz)相机传感器阵列。这种新型的太赫兹传感器阵列克服了传统太赫兹相机在体积和刚度方面的缺点。由于其具有灵敏度高、适应性强、易于拍摄不规则形状的物体等优点,因此它是有效控制复杂设备质量的潜在工具。

在如今的数字时代,嵌入传感器和软件的“物联网(IoT)”设备的应用日益广泛。这些设备包括无线通讯设备、自动化机器人、可穿戴传感器和智能安防系统等。由于这些物联网设备具有复杂的结构和功能,需要对它们进行仔细检查,以评估其安全性和实用性,并排除任何潜在的缺陷问题。但是,与此同时,我们还必须避免在检查过程中损坏物联网设备。

太赫兹成像是一种基于频率在0.1~10THz之间的电磁辐射的无损成像方法,由于其高穿透性、高分辨率和高灵敏度而获得应用。然而,传统的太赫兹相机具有庞大的体积,且在刚度方面具有不利因素,因此限制了它们对不平表面物体的成像能力。此外,太赫兹相机的成本高和传感器配置缺乏通用性,使得它们成为一个不切实际的应用方案,所以我们需要适应性更强的太赫兹传感器。

为此,由东京工业大学的一组研究人员在Yukio Kawano副教授的带领下,目前已经通过设计一种灵活且便携的太赫兹传感器阵列来解决上述问题,这种传感器阵列可以用来对形状不规则物体的“盲区”进行无损成像。


日本研发灵活且便捷的太赫兹相机传感器阵列


Yukio Kawano对他们发表在《先进功能材料》(Advanced Functional Materials)上的研究结果感到很满意,他说:“鉴于测试对象在形状、结构和尺寸上的多样性,太赫兹摄像机的设计和传感器必须适应不同的配置。在我们的研究中,开发了一种简单且成本效益高的制造方法,可以制造出形状可调的太赫兹传感器阵列。”

科学家们知道,太赫兹传感器所用的材料必须在太赫兹光谱中具有良好的吸收能力,同时具有将辐射转换为可检测电信号的高效率。因此,Yukio Kawano的研究团队选择了碳纳米管(CNT)薄膜,这种薄膜也具有良好的机械强度和柔韧性。他们将碳纳米管溶液通过带有激光诱导缝隙的聚酰亚胺薄膜和使用真空的薄膜过滤器。干燥后,碳纳米管溶液在图案化聚酰亚胺薄膜层之间保持为独立悬浮结构。此外,他们开发了一种基于碳纳米管薄膜阵列的自组装及形成两端电极的简单制造工艺。为此,他们在有图案的聚酰亚胺薄膜上通过蒸发工艺形成金属电极。上述这些制造工艺共同形成了一个太赫兹传感器阵列。有意思的是,可以通过改变过滤条件和摩擦力进而改变悬浮碳纳米管膜的结构,这样使得太赫兹传感器阵列可定制化。

此外,还可以用剪刀将上述太赫兹传感器阵列剪成更小的便携式可穿戴传感器,这些传感器可以贴在测试物体的表面上,以便更好地覆盖测试区域。研究人员利用该传感器检测和可视化树脂中聚合物的裂缝、杂质和不均匀涂层,以及检测弯管内的污泥,展示了其广泛的工业应用,从而突出了太赫兹成像在质量控制方面中的潜力。

Yukio Kawano在强调其研究的应用时说:“我们的传感器可以很容易地为大型和不可移动物体进行无损成像。独特的二维太赫兹传感器阵列可以减轻与物体形状和位置有关的限制,助力各种物联网设备的检测。”