سنسور فشار برای وسایل الکترونیکی پوشیدنی حساسیت بالا را با محدوده حسی بزرگ ترکیب می کند

حسگرهای فشار نرم و قابل کشش برای استفاده در وسایل الکترونیکی پوشیدنی مانند دستگاه‌های ردیابی حرکت و سیستم‌های نظارت فیزیولوژیکی بسیار ارزشمند هستند. با این حال، در حال حاضر، مبادله بین حساسیت و محدوده حسگر یک چالش بزرگ است. حسگرهای کرنش که قادر به تشخیص تغییر شکل‌های کوچک هستند را نمی‌توان خیلی دور کشید، در حالی که آنهایی که می‌توانند به طول‌های بیشتر کشیده شوند، معمولاً خیلی حساس نیستند.

هنگام پایش فیزیولوژی و حرکت انسان، فشار پوست از زیر 1٪ تا بیش از 50٪ متغیر است. به این ترتیب، سنسورهای جداگانه معمولاً برای تشخیص فشارهای ظریف (مانند موارد مرتبط با نبض خون و تنفس) و فشارهای بزرگ (مانند خم شدن اعضای بدن) استفاده می‌شوند. اما برای پایش بیماری های خاص، استفاده از یک دستگاه ترجیح داده می شود. به عنوان مثال، در بیماری پارکینسون، حسگرها باید به اندازه کافی حساس باشند تا لرزش های کوچک را نظارت کنند و در عین حال محدوده کافی برای اندازه گیری حرکات مفصل را حفظ کنند.

چیزی که واقعاً مورد نیاز است یک حسگر واحد است که بتوان آن را به قسمت‌های مختلف بدن متصل کرد و بتواند طیف کاملی از فشارهای روی پوست انسان را با دقت اندازه‌گیری کند. با در نظر گرفتن این هدف، یک تیم در دانشگاه ایالتی کارولینای شمالی یک سنسور کرنش مقاوم کششی نرم ایجاد کرده است که حساسیت بالا، محدوده حسی بزرگ و استحکام بالا را ارائه می دهد.

نویسنده مسئول توضیح می‌دهد: «سنسور جدیدی که ما توسعه داده‌ایم حساس است و می‌تواند در برابر تغییر شکل قابل توجه مقاومت کند. یونگ زو در بیانیه مطبوعاتی "یک ویژگی اضافی این است که سنسور حتی در هنگام فشار بیش از حد بسیار قوی است، به این معنی که وقتی فشار اعمال شده به طور تصادفی از محدوده حسگر فراتر رود، بعید است که شکسته شود."

سنسور، شرح داده شده در ACS کاربردی مواد و رابط, کرنش را با اندازه گیری تغییرات مقاومت الکتریکی اندازه گیری می کند. این دستگاه از یک شبکه نانوسیم نقره تعبیه شده در پلیمر پلیمری الاستیک (دی متیل سیلوکسان) با یک سری برش های مکانیکی در سطح بالایی آن ساخته شده است که از هر طرف متناوب هستند.

هنگامی که سنسور کشیده می شود، بریدگی ها باز می شوند. این سیگنال الکتریکی را مجبور می کند تا از یک جریان جریان یکنواخت در سراسر شکاف های بسته به حرکت بیشتر در امتداد مسیر رسانایی زیگزاگی که توسط ترک های باز تعریف شده است، حرکت کند. بنابراین مقاومت تحت کرنش اعمال شده افزایش می یابد. باز شدن برش ها همچنین به دستگاه اجازه می دهد تا در برابر تغییر شکل قابل توجهی بدون رسیدن به نقطه شکست مقاومت کند. نویسنده اول می‌گوید: «این ویژگی – برش‌های طرح‌دار – چیزی است که طیف وسیع‌تری از تغییر شکل را بدون از بین بردن حساسیت ممکن می‌سازد. شوانگ وو.

این تیم آزمایش‌ها و تجزیه و تحلیل اجزای محدود را برای ارزیابی تأثیرات عمق، طول و شیار شکاف بر عملکرد سنسور انجام داد. دستگاه بهینه سازی شده یک فاکتور گیج بزرگ (نسبت تغییر نسبی در مقاومت الکتریکی به کرنش مکانیکی) 290.1 ​​با دامنه سنجش بیش از 22 درصد را نشان داد. همچنین در برابر فشار بیش از حد و 1000 چرخه بارگذاری مکرر مقاوم بود.

دستگاه های ساختمانی

برای نشان دادن برخی کاربردهای بالقوه سنسور فشار جدید خود، ژو، وو و همکارانش آن را در سیستم‌های نظارت بر سلامت پوشیدنی که سطوح بسیار متفاوتی از حرکت را اندازه‌گیری می‌کنند، ادغام کردند.

اول، آنها از سنسور برای نظارت بر فشار خون استفاده کردند که به حساسیت بسیار بالایی نیاز دارد. آنها با استفاده از یک نوار لاستیکی برای محکم کردن حسگر، آن را روی مچ دست یک داوطلب قرار دادند تا موج پالس را تشخیص دهد - یکی از کوچکترین سیگنال‌های فشار روی پوست انسان.

هنگامی که خون از طریق ورید پمپاژ می شود، انتهای حسگر توسط نوار در جای خود ثابت می ماند در حالی که مرکز کشیده می شود و شکاف های سطح بالایی آن را باز می کند.

محققان نشان دادند که این مجموعه می تواند موج نبض را از شریان شعاعی روی مچ دست بگیرد. با قرار دادن سنسور فشار دیگری بر روی شریان بازویی در بالای بازو و ضبط موج دوم پالس به طور همزمان، آنها می‌توانند میانگین سرعت موج پالس را اندازه‌گیری کنند و امکان محاسبه فشار خون را فراهم کنند.

در مثال بعدی، از سنسور برای نظارت بر فشارهای بزرگ روی کمر در حین حرکت استفاده شد که برای فیزیوتراپی مفید است. در اینجا، محققان حسگر را با یک نوار ورزشی قابل کشش ادغام کردند و دو حسگر را به صورت موازی در امتداد ستون فقرات در قسمت پایین کمر یک داوطلب وصل کردند. آنها همچنین یک برد بلوتوث را برای جمع آوری و انتقال سیگنال های حسگر به پشت وصل کردند.

با شروع از حالت نشسته مستقیم، سوژه یک سری حرکات را انجام داد در حالی که حسگر فشارهای کمر را زیر نظر داشت. هنگام خم شدن به جلو، هر دو سنسور با افزایش مقاومت پاسخ دادند. در حالی که به سمت جلو خم شده بود و به طرفین کج می شد، مقاومت سنسور در سمت مربوطه تقریباً ثابت می ماند در حالی که سنسور در سمت مقابل مقاومت قابل ملاحظه ای افزایش می داد.

فتودیود آلی قابل کشش می تواند عملکرد دستگاه های پوشیدنی را بهبود بخشد

در نهایت، برای نشان دادن استفاده از این حسگر در رابط های انسان و ماشین، محققان یک حسگر لمسی سه بعدی نرم ایجاد کردند که تنش های عادی و برشی را ردیابی می کند و می تواند برای کنترل یک بازی ویدیویی استفاده شود. آنها همچنین یک حسگر فشار را در نوک انگشت دستکش ادغام کردند که سپس برای گرفتن یک لیوان آب مورد استفاده قرار گرفت و پتانسیل آن را برای سنجش لمسی برای کاربردهای روباتیک نشان داد.

این تیم اکنون در حال بررسی کاربرد حسگر فشار برای کاربردهای زیست پزشکی و ورزشی است. ژو می گوید: «کاربردهای زیست پزشکی شامل نظارت بر الگوهای حرکتی در طول توانبخشی بیماران سکته مغزی است دنیای فیزیک. ما همچنین در حال کار بر روی تولید مقیاس پذیر سنسورها هستیم.

• محتوای مبتنی بر SEO و توزیع روابط عمومی. امروز تقویت شوید.
• پلاتوبلاک چین. Web3 Metaverse Intelligence. دانش تقویت شده دسترسی به اینجا.
• منبع: https://physicsworld.com/a/strain-sensor-for-wearable-electronics-combines-high-sensitivity-with-large-sensing-range/