科技周刊｜香港出研发 广州来落地 电容传感器孵化有门路

从检测温湿度，到辨别声音、压力、频率……科学家们发明的传感器可以将外界的各种物理量、化学量或生物量转化为人或计算机读得懂的数据或信号。传感器不仅是工业实现智能制造的重要基础，也是医学维护生命健康的重要一环，更是各类具身智能实现外界感知的“眼耳口鼻”。
本期《科技周刊》，记者走访广州多家科研机构和科技企业，一探广州在传感器领域的最新成果。
传感器发现塑料内部空鼓
如今，塑料的应用非常广泛。但大部分塑料制品仍采用传统制造模式，依靠产品模具、注塑机以及各种性状的塑料颗粒原料，就可以加工各类塑料制品。但产品质检成本高、缺陷排查效率低、调机效率低，使注塑行业无法提质升级。
香港科技大学霍英东研究院先进制造与自动化研发部的姚科博士告诉记者，团队经过十余年研发的一款可实时探查塑料内部缺陷的电容传感器已在今年上市，可实现自动化、全过程监测，并自动分拣残次品，为高端塑料制品的生产提质增效。
霍英东研究院的先进制造实验室
据介绍，传统的平板电容器由两个相对的金属极板组成，电容数据只与3个参数有关，分别是两个金属极板的面积、两个极板之间的距离以及极板之间介质的介电常数。“我们的传感器探头经过巧妙设计，组成电容器的两极，将它放到模具内部，待模具闭合开始注塑后，金属极板的面积和距离就固定了，导致电容变化的就只有介质的介电常数。在注塑过程中，模具内从最开始的空气到注满熔融塑料再到塑料冷却固化不断发生变化，我们可在连接传感器另一端的电脑上，看到一条电容值不断变化的曲线。”
传感器探头
在注塑生产线上，利用这款电容传感器，生产者可先设置一个合格的塑料制品电容曲线，并以此曲线为标准，对塑料制品的质量进行监测，在注塑过程中，一旦塑料内部产生质量缺陷，甚至材料质量出现问题，或者注塑机、模具出现波动，压力出现变化等，传感器输出的电容曲线便会与标准曲线出现差异。这时，电脑通过相关算法，就可以判断注塑生产出现了残次品，从而指挥智能生产线上的机械臂将对应制品分拣。如产品曲线和标准曲线吻合度高，则可极大概率地确认产品质量合格。
姚科介绍，以往要想检测塑料制品质量，例如判断塑料制品中是否出现气泡，光靠肉眼观察是无法实现的。虽然可以使用超声波检测，但成本过高，有时只能选择抽样切开检查。有了这款电容传感器，可以轻松发现塑料生产过程中的气泡问题，“塑料部件中若含有气泡，会对它的机械强度、疲劳寿命及承载能力产生很大影响，客户是不能接受的。”
“随着人工智能技术的发展，我们不仅可以利用这个传感器发现问题，还能分析问题和解决问题。”姚科说，在注塑车间，可以通过设定和调整参数来发现和解决问题。之前主要凭熟练工人的经验来判断，效率低、成本高。现在，在电容传感器的帮助下，塑料加工正向智能制造方向迈进。
传感器探测注塑质量过程示意图
早年的电容传感器有两个平板，形态难与模具匹配。经过迭代升级，这套传感器最终变成了一个探头的模样，可匹配各类注塑设备和模具。
①传感器探头
传感器探头可准确采集模具内的电容信号。一般根据模具大小，探头会安装1个或多个。
传感器探头经过巧妙设计，组成电容器的两极，将它放到模具内部，待模具闭合开始注塑后，金属极板的面积和距离就固定了，导致电容变化的只有介质的介电常数。探头会将这一参数传导出去。
②信号变送器
信号变送器的作用是每2毫秒采样、滤波、放大并将模拟信号转化为数字信号。在生产现场，传感器所采集的信号容易夹杂“噪声”，通过信号变送器的滤波可去除噪声。同时，变送器还能将原本比较微弱的电容信号放大，并将模拟信号转化为电脑可以“读懂”的数字信号。
③电脑终端
电脑终端安装了团队专门研发的软件，可准确记录注塑过程中电容信号的变化，随着时间变化，形成一条电容曲线。根据软件的算法，将这套曲线与标准曲线进行对比，一旦发现超出系统设定的误差范围，就会提示报警并进行分拣，帮助生产者准确找出残次品。
实现注塑过程质量实时监测
姚科告诉记者，此前，涉及汽车、航空航天、家电等领域的高端塑料产品生产，我国企业普遍采用国外进口的压力传感器来监测质量。但这类传感器仅能反映注塑过程中的压力变化，从而推测塑料的质量问题，无法准确发现塑料内部是否存在困气、气泡和材料变化。姚科团队的这款电容传感器产品完全可以替代并超越压力传感器，实现注塑过程质量的实时监测。
传感器可安装在塑料模具内
“这款电容传感器就是一个香港研发、广州落地的典型案例。”姚科说，早在20年前，电容传感器的雏形就在香港科技大学诞生，2007年，香港科技大学霍英东研究院在南沙落地后，瞄准内地广阔的制造业市场，这款电容传感器在南沙开启了从实验室样机向工业产品的转化。
汽车家电等领域传感器保驾护航
记者了解到，姚科团队利用电容传感器技术孵化了一家科技企业，并于今年初获得1000多万元的融资。目前，公司正与汽车、家电、包装、材料加工、工业电子领域的企业展开合作。
在汽车领域，公司与一家汽车配件企业合作，专门为国际著名豪车品牌生产汽车内饰部件。
在家电领域，公司与美的等知名企业合作，为家电中的塑料部件生产保驾护航。
信号变送器
在材料加工领域，公司正与广州高分子材料领域的龙头企业金发科技合作，在线监测改性材料的质量。
对此，姚科表示：“我们希望用我们的传感器为注塑加工领域提质、增效、降本，为企业不断提升生产智能化水平。”
智能汗液传感器实时“解码”汗液
传感器不仅广泛应用于制造业领域，还应用于人体健康监测。
近日，香港科技大学（广州）功能枢纽先进材料学域主任、教授高平向记者展示了一款智能皮肤贴片汗液传感器。这款传感器由纳米薄膜和电路构成，可以贴敷在皮肤上，让汗液通过透气、多孔纳米膜，监测汗液中的乳酸值等数据。这些监测数据可直接发送到手机上，用于反映人体在运动时的身体健康状况、运动强度和身体疲劳度。“在此之前，大家要想知道这类数据，只能通过抽血化验。我们这款传感器则突破了这一限制。依靠我们研发的纳米材料，能直接对汗液进行微量分析。”高平说。
智能汗液传感器
目前，这款皮肤汗液传感器已进行成果转化，由香港科技大学（广州）孵化企业——博菲特生物科技有限公司研发生产，该公司已在南沙落地，入驻粤港澳（国际）青年创新工场。值得一提的是，大湾区的产学研协同机制为这家初创企业提供了从技术验证到商业落地的全链条支持。
8月20日，十五运会和残特奥会广州赛区“科技赋能+超级场景精准对接会”上，博菲特生物科技有限公司作为“运动员生理状态无感监测与智能预警系统”需求清单中唯一的路演对接企业，在活动中大放光彩。
香港科技大学（广州）先进材料学域博士生、博菲特生物科技联合创办人兼首席执行官林坚表示，全球每年有约5400名马拉松运动员在比赛期间因极端情况产生不适，甚至陷入昏迷。区别于传统抽血检测运动员体内乳酸堆积值，该款产品通过汗液传感器测量乳酸值直观显示运动员疲劳程度，可帮助运动员科学优化训练、调整竞赛策略，并为其制订个性化营养与恢复方案提供精确指导。
科技企业谈创新
国产化替代方案降低下游企业成本
除了高校和科研机构，广州本地科技企业也非常重视传感器的研发。广州奥松电子股份有限公司深耕智能传感器20多年，公司还专门建立了广州市智能传感技术概念验证中心，推动更多新型智能传感器从实验室走向应用场景。
广州奥松电子股份有限公司（下称“奥松电子”）拥有一支近200名工程师组成的专职研发团队，并与华南理工大学、中山大学、电子科技大学等知名院校展开深度合作。近五年来，公司年均研发经费投入占营业收入总额的20%以上。
该公司副总经理、高级工程师陈新准告诉记者，公司开发的传感器已广泛应用在工业、智能家居、医疗、汽车、智慧城市领域。“在新能源汽车领域，我们的传感器能帮助驾驶员自动调节车内空气环境，提升驾驶体验，打造专属的智能座舱方案。在医疗领域，我们的传感器能提高医疗设备的有效性、安全性，助力医务人员为患者提供更好的医疗服务。在智慧城市的建设方面，我们的传感器主要用于采集城市各种信息，如水利、电网、环境、能源、安全等方面的数据。通过数据采集、处理、传输和分析，实现城市基础设施和公共服务的智能化和自动化，提高城市管理和生活质量。公司开发出高动态温度传感器和高精度压力传感器，解决了高铁专用温度、压力传感器的‘卡脖子’问题，实现国产化替代。”
据介绍，作为集芯片设计、芯片制造、封装测试、终端应用为一体的智能传感器全产业链（MEMSIDM）国家级专精特新“小巨人”企业，公司已实现了30余款系列智能传感器的量产。此外，过去国内呼吸机使用的氧气传感器、流量传感器完全依赖进口。正是奥松电子在研发上的突破，大幅降低了呼吸机的成本。“国产化替代方案显著降低了下游企业的生产成本。”陈新准说。