Strain sensor til bærbar elektronik kombinerer høj følsomhed med stort føleområde

Bløde og strækbare belastningssensorer er uvurderlige til brug i bærbar elektronik såsom bevægelsessporingsenheder og fysiologiske overvågningssystemer. I øjeblikket er afvejningen mellem følsomhed og sanseområde dog en stor udfordring. Stræksensorer, der er i stand til at detektere små deformationer, kan ikke strækkes ret langt, mens de, der kan strækkes til større længder, typisk ikke er særlig følsomme.

Ved overvågning af menneskelig fysiologi og bevægelse varierer hudbelastningen fra under 1 % til over 50 %. Som sådan bruges separate sensorer typisk til at detektere subtile belastninger (såsom dem, der er forbundet med blodpuls og respiration) og store belastninger (såsom bøjning af kropsdele). Men til overvågning af visse sygdomme ville brug af en enkelt enhed være at foretrække. Ved Parkinsons sygdom skal sensorer for eksempel være følsomme nok til at overvåge små rystelser, samtidig med at de opretholder et tilstrækkeligt stort område til at måle ledbevægelser.

Det, der virkelig er brug for, er en enkelt sensor, der kan fastgøres til forskellige dele af kroppen og nøjagtigt kan måle hele rækken af ​​belastninger på menneskelig hud. Med dette mål for øje vil et hold kl North Carolina State University har udviklet en blød strækbar resistiv belastningssensor, der tilbyder høj følsomhed, stort føleområde og høj robusthed.

"Den nye sensor, vi har udviklet, er både følsom og i stand til at modstå betydelige deformationer," forklarer den tilsvarende forfatter Yong Zhu i en pressemeddelelse. "En yderligere funktion er, at sensoren er meget robust, selv når den er overspændt, hvilket betyder, at den sandsynligvis ikke går i stykker, når den påførte belastning ved et uheld overskrider detektionsområdet."

Sensoren, beskrevet i ACS anvendt materiale og grænseflader, måler belastning ved at måle ændringer i elektrisk modstand. Enheden er lavet af et sølv nanotrådsnetværk indlejret i den elastiske polymer poly(dimethylsiloxan), med en række mekaniske snit i dens øverste overflade, alternerende fra begge sider.

Når sensoren strækkes, trækker snittene sig op. Dette tvinger det elektriske signal til at gå fra en ensartet strøm gennem de lukkede revner til at bevæge sig videre langs den zigzag-ledende bane, der er defineret af de åbne revner. Således øges modstanden under påført belastning. Åbningen af ​​snittene gør det også muligt for anordningen at modstå væsentlig deformation uden at nå sit brudpunkt. "Denne egenskab - de mønstrede snit - er det, der muliggør en større række deformationer uden at ofre følsomhed," siger førsteforfatter Shuang Wu.

Holdet udførte eksperimenter og finite element-analyse for at vurdere virkningerne af spaltedybde, længde og pitch på sensorens ydeevne. Den optimerede enhed udviste en stor gauge-faktor (forholdet mellem relativ ændring i elektrisk modstand og mekanisk belastning) på 290.1 med et føleområde på over 22 %. Den var også robust til overbelastning og 1000 gentagne belastningscyklusser.

Bygge enheder

For at demonstrere nogle potentielle anvendelser af deres nye belastningssensor integrerede Zhu, Wu og kolleger den i bærbare sundhedsovervågningssystemer, der måler vidt forskellige bevægelsesniveauer.

Først brugte de sensoren til at overvåge blodtrykket, hvilket kræver ekstrem høj følsomhed. Ved at bruge et gummibånd til at sikre sensoren placerede de den på en frivilligs håndled for at registrere pulsbølgen – et af de mindste belastningssignaler på menneskelig hud.

Når blodet pumper gennem venen, forbliver sensorenderne fastgjort på plads af båndet, mens midten strækkes, hvilket åbner revnerne på dens øverste overflade.

Forskerne viste, at dette set-up kunne fange pulsbølgen fra den radiale arterie på håndleddet. Ved at placere en anden belastningssensor på brachialisarterien højere oppe på armen og optage en anden pulsbølge samtidigt, kunne de måle den gennemsnitlige pulsbølgehastighed, hvilket muliggør beregning af blodtryk.

I det næste eksempel blev sensoren brugt til at overvåge store belastninger på lænden under bevægelse, hvilket kan bruges til fysioterapi. Her integrerede forskerne sensoren med et strækbart atletisk tape og fastgjorde to sensorer parallelt langs rygsøjlen på en frivilligs lænd. De fastgjorde også et Bluetooth-kort på bagsiden for at indsamle og transmittere sansesignalerne.

Med udgangspunkt i en siddende lige stilling udførte forsøgspersonen en række bevægelser, mens sensoren overvågede belastninger i lænden. Når de lænede sig frem, reagerede begge sensorer med modstandsforøgelser. Mens den lænede sig fremad og vippede sidelæns, forblev modstanden af ​​sensoren på den tilsvarende side næsten konstant, mens sensoren på den modsatte side viste væsentligt øget modstand.

Strækbar organisk fotodiode kunne forbedre ydeevnen af ​​bærbare enheder

Til sidst, for at demonstrere sensorens brug i menneske-maskine-grænseflader, skabte forskerne en blød 3D-berøringssensor, der sporer både normale og forskydningsspændinger og kan bruges til at styre et videospil. De integrerede også en belastningssensor på fingerspidsen af ​​en handske, der derefter blev brugt til at gribe et glas vand, hvilket demonstrerer dets potentiale for taktil sansning til robotapplikationer.

Holdet undersøger nu anvendelsen af ​​belastningssensoren til biomedicinske og sportslige applikationer. "Biomedicinske applikationer omfatter overvågning af bevægelsesmønstre under rehabilitering af slagtilfældepatienter," fortæller Zhu Fysik verden. "Vi arbejder også på skalerbar fremstilling af sensorerne."

• SEO Powered Content & PR Distribution. Bliv forstærket i dag.
• Platoblokkæde. Web3 Metaverse Intelligence. Viden forstærket. Adgang her.
• Kilde: https://physicsworld.com/a/strain-sensor-for-wearable-electronics-combines-high-sensitivity-with-large-sensing-range/