中国科学院半导体所：研发3D异构传感系统实现多维信息准确识别。-德赢Vwin官网网

目标信息的高精度识别为机器在复杂环境中的感知和反应提供了重要支撑。目前，智能传感器多采用多功能和高密度集成的方式以获取更加精确、丰富的多维信息。然而，大多数多功能集成的传感集成器件多采用平面集成。这种布局方式忽略了不同位置之间的差异性，会导致这些传感集成器件收集的信息出现一定程度的时空误差，无法做到原位多维信息识别，进而影响信息识别的准确性。此外，随着传感器件多信息采集的集成度提升，生成的数据量呈爆炸式增长，给数据传输组件带来了巨大的压力。

为了解决这一问题，中国科学院半导体所王丽丽研究员团队借鉴中枢神经系统的信息处理方式，提出同时一种基于Te的3D垂直异构布局多模传感器的同时空多信号并行传输系统（HMPTs），实现了多信号无时空错位识别和高效并行传输(图1)。该系统进行了多功能传感单元的分布优化，完成了四个传感单元的三维垂直异构布局，实现了单个空间位点的多维度信息检测。此外，该系统可耦合并传输多个传感信号，与单通道单一传输系统相比，传输效率提高了4倍，功耗降低了1/3。

图1：同位多信号并行传输系统（HMPTs）。（a）人体中枢神经系统的同位感知和多信号并行传递策略。（b）同位多信号并行传输系统。（c）时域和频域中的方波示意图。（d）VR中混合材料块的材料属性重建。

作为机器获取数据的窗口，传感器件的精度在一定程度上决定了外部物理信号获取的准确性。为了实现高精度的、无时空错位的信号采集，研究人员选择了四种高性能传感单元，用于收集温度、湿度、压力和光这四种信息（图2）。若采用平铺集成架构，多功能集成传感器依旧无法实时正确表示给定空间位置的所有数据。为此，研究人员者充分考虑传感信号的特性以及传感器件的工作机制，设计了四种传感单元的3维垂直异构布局。这种布局方式既保证了四种传感单元垂直集成于同一空间坐标，又避免了四种信号的相互干扰，实现了对同一空间位点多维信息的实时连续检测。性能表征也证明表明传感器具有优异的响应特性，其中，湿度传感在小范围变化下便可实现3个量级的电信号变化，光传感的响应度可达52500 A/W，温度传感探测率为 0.57 Ω /℃，压力传感的灵敏度达24.7 kPa−1。为提高多信号传输效率，研究人员将通过传感器件获取的电信号进行了幅频转化，得到的各种频率的方波信号。随后，通过多个波形的耦合叠加，更好地利用单信道的带宽，避免大量使用单信道带来的传输压力。结果表明四种信号在并行传输中相互之间没有明显的干扰（图2）。

图2：HMPTs中的多信号感知和耦合。（a）HMPTs不同模块中信息转换的示意图。（b）HMS中传感单元的内部电阻和外部物理变量的函数关系，外部物理变量包含湿度、光强度、温度和压力。（c）在分压器电路中，输出电压与参考电阻和传感器的内阻的关系。（d）不同传感信息在频谱上的分布区间。H 表示相应传感器的高电阻状态，而 L 表示低电阻状态。（e）左：发生器输出的方波，当光传感在不同的光强度下。右：由左侧方波傅里叶变换得到的频域信号。（f）在 25 °C，单个温度传感生成的信号频谱。（g）在 25 °C且无外应力下，不同湿度下耦合三种信号的频域信息对比。（h）在 25 °C 且无外应力下，不同光强度下耦合四种信号的频域信息比较。系统的信号传输特性表征表明，相同硬件水平下，HMPTs的传输效率是单一信号传输的4倍，而功耗只有其1/3（图3）。此外，HMPTs信噪比为44.827 dB，与单一信号传输系统的信噪比（46.334 dB）相当，说明信号耦合对信号质量影响较小，也说明方式的可拓展性。图3：HMPTs 的传输特性。（a）HMPTs 的光学照片。（b）HMPTs 示意图。（c）多信号并行传输的输出波形。并行传输和单一传输之间的输出数据比较。（d）并行传输与单一传输的效率对比。（e）功耗与集成传感单元数量的函数关系。（f）并行传输和单一传输的信噪比比较。本研究制作了由干燥的铝块、背部激光照射的PDMS和浸润的木头组成混合材质块，作为实验验证的材料模型。图4所示的信号采集结果表明，平铺布局的多功能传感器所获取的四维信号之间存在5 mm的偏移，对应传感单元的平面分布距离。而采用3D垂直异构布局的HMPTs输出信号没有明显的偏差。图4：无时空误差的混合材料识别。（a）混合材料块，由干铝、中间的激光照明 PDMS 和湿木组成。左图和右图分别显示了 HMS和平铺多功能传感器的传感单元分布。两组传感系统从点 0-14 收集信息，共 15个点。点之间的距离为0.25 mm。分别由（b）HMPTs 和（c）平铺多功能传感系统获得的初始位置的时域和频域信息。通过（d）HMPTs 和（e）平铺多功能传感系统收集每个点的混合材料信息。（f）本研究与以前研究之间的空间误差比较。本研究还构建了接触物体和VR交互的场景，作为HMPTs的功能性验证。如图5所示，四种维度的信息可以用于传感系统判断与物体的接触状态，显示其在指导机器人完成对物体的触摸动作的应用价值。当器件接触物体后，HMPTs获取了丰富的材料信息。配合陀螺仪的辅助定位，HMPTs将真实的材质信息参数化，完成了VR空间中3D混合材料的重建过程，丰富了人机交互中VR 空间构建的方法。图5：基于HMPTs的VR交互。（a）VR交互的流程图。（b）使用HMPTs进行接触姿态监测。第一张图片是不同接触状态的照片，即Away、Close和Contacted。第二张图片是在HMS与湿木材接触期间，HMPTs记录了4个传感器信号。（c）用于接触姿态监测的HMPTs用户界面。（d）根据HMPTs捕获的数值特征用于VR中的材质构建。（e）VR中混合材质构建的对比和（f）三种系统之间的特性比较。三种系统分别基于HMPTs、基于单一传输的HMS和基于单一传输的平铺传感集成。在VR 中重建3D混合材质块，（g）x 轴，（h）z 轴，（i）y 轴。小结本研究受中枢神经系统的启发，提出了同为多传感并行传输系统（HMPTs），实现了多信号无时空错位识别和高效的并行传输。首先，3D垂直异构布局规避了多功能器件平面级联分布引起的信号时空偏差。其次，基于多信号并行传输的HMPT与同一系统的单通道传输相比，效率提高了4 倍，功耗降低了2/3，这说明了在传感端并行传输多个信号的巨大潜力。最终，该系统被用于识别混合材料，并作为人机交互窗口实现VR中的材质重构，证实了该系统在实际应用中的可行性。这一工作为提高机器感知精度、提高信息传输效率提供了经验参考。该项目研究获得国家自然科学基金、中国科学院等项目的资助。相关工作以“3D Heterogeneous Sensing System for Multimode Parrallel Signal No-Spatiotemporal Misalignment Recognition”为题发表在《Advanced Materials》上。

审核编辑黄宇

声明：本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人，不代表德赢Vwin官网网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用，如有内容侵权或者其他违规问题，请联系本站处理。举报投诉

传感器

传感器

+关注

关注
2550

文章
51034

浏览量
753040
异构

异构

+关注

关注
0

文章
40

浏览量
13103
传感系统

传感系统

+关注

关注
1

文章
88

浏览量
16872

中国科学院金属研究所选购我司HS-STA-001同步热分析仪

近日，我司荣幸地宣布，中国科学院金属研究所决定选购我司研发的HS-STA-001同步热分析仪，以助力其在材料科学研究领域的深入探索。中国科学院

发表于 11-27 09:27 •98次阅读

欧洲科学院院士蒋田仔：智能化技术推动脑控和控脑技术发展

研发》，主要内容涉及脑健康领域的医疗器械发展现状，以及脑控和控脑创新医疗器械研发的最新情况。欧洲科学院院士、中国科学院自动化研究所研究员、

发表于 11-22 10:13 •200次阅读

中国科学院沈阳应用生态研究所选购我司同步热分析仪

态环境保护及科学研究的高度重视。中国科学院沈阳应用生态研究所我司同步热分析仪具有的加热系统、温度控制、灵活的气氛控制，这些核心部件的协同作用，使得该仪器在样品加热过程中的物

发表于 09-03 15:55 •195次阅读

阿里云携手中国科学院地化所发布首个月球专业大模型

近日，在备受瞩目的数博会上，中国科学院地球化学研究所携手阿里云宣布了一项重大合作成果——全球首个“月球科学多模态专业大模型”正式问世。这一突破性进展标志着我国在月球科学研究领域迈出了重

发表于 08-29 18:08 •792次阅读

中国科学院大学:实现可再生高灵敏度生物传感器新进展

传感新品【中国科学院大学:实现可再生高灵敏度生物传感器新进展】可再生的即时检测（POC）传感器为疾病标志物的快速检测提供了一类新型解决

发表于 08-14 19:14 •1631次阅读

中国科学院青岛生物能源所全固态锂电池研究获重大突破

近日，中国科学院青岛生物能源与过程研究所传来振奋人心的消息，其科研团队在全固态锂电池领域取得了里程碑式的进展，这一创新成果为电子设备的小型化与长续航梦想铺平了道路。该突破性研究成果已在全球知名学术期刊《自然—能源》上正式发表，标志着中国在新能源材料

发表于 08-02 14:25 •652次阅读

半导体所量子点异质外延研究取得重要进展

来源：中国科学院半导体研究所 半导体量子点（Quantum Dot，QD）以其显著的量子限制效应和可调的能级结构，成为构筑新一代信息器件的重

发表于 06-14 16:04 •428次阅读

特斯联与中国科学院共建边缘智能计算重庆市重点实验室

近日，特斯联与中国科学院重庆绿色智能技术研究院（简称重庆研究院）携手共建的“边缘智能计算重庆市重点实验室”在重庆高新区正式揭牌。这一合作标志着双方在智能科技领域的深度合作进入新阶段。

发表于 06-04 09:25 •496次阅读

中国科学院赣江创新研究院选购我司同步热分析仪

近日，中国科学院赣江创新研究经过严格的筛选和评估，最终决定选购我司生产的同步热分析仪。这一决定不仅是对我司技术实力的认可，也标志着双方在科研领域合作的进一步深化。中国科学院赣江创新研究院同步热分析仪

发表于 05-16 09:33 •284次阅读

中国科学院在薄膜荧光传感器研究方面取得进展，美国为F-22升级新传感器

传感新品【中国科学院上海微系统与信息技术研究所：在薄膜荧光传感器研究方面取得进展】近日，中国科学院

发表于 04-26 08:39 •580次阅读

综述：高性能锑化物中红外半导体激光器研究进展

据麦姆斯咨询报道，近期，由中国科学院半导体研究所和中国科学院大学组成的科研团队受邀在《激光技术》期刊上发表了以“高性能锑化物中红外半导体激光

发表于 04-13 12:08 •1956次阅读

最新！中国科学院院士褚君浩如何从新质生产力视角看传感器产业

，提高动手实验实践能力，培养创新精神和创造力。徐汇中学曾宪一校长介绍说：褚君浩先生系一九六二届校友，徐汇中学校友会名誉会长。他是享誉世界的半导体物理专家，中国科学院院士。现任中国科学院上海技术物理研究

发表于 04-06 08:37 •188次阅读

达实智能正式签约中国科学院大学深圳医院（光明）新院项目

近日，深圳达实智能股份有限公司（以下简称“公司”）与深圳市光明区建筑工务署就中国科学院大学深圳医院（光明）新院项目有关事项协商一致，在深圳市光明区正式签署了项目合同，合同金额为4,317.32万元。

发表于 03-13 15:01 •461次阅读

“超级光盘”在中国科学院上海光学精密机械研究所诞生

存储容量是普通光盘上万倍、普通硬盘上百倍的“超级光盘”，在中国科学院上海光学精密机械研究所诞生。

发表于 02-25 10:16 •1168次阅读

科学家发展出高品质Si/Ge半导体纤维及其柔性传感器

来源：深圳先进技术研究院近日，中国科学院深圳先进技术研究院材料所光子信息与能源材料研究中心杨春雷课题组陈明研究团队，联合新加坡南洋理工大学教授魏磊和中国科学院外籍院士高华健团队、

发表于 02-18 17:42 •428次阅读