Le capteur de contrainte pour l'électronique portable combine une sensibilité élevée avec une large plage de détection

Les capteurs de contrainte souples et extensibles sont inestimables pour une utilisation dans les appareils électroniques portables tels que les dispositifs de suivi de mouvement et les systèmes de surveillance physiologique. Actuellement, cependant, le compromis entre la sensibilité et la portée de détection est un défi majeur. Les capteurs de contrainte capables de détecter de petites déformations ne peuvent pas être étirés très loin, tandis que ceux qui peuvent être étirés sur de plus grandes longueurs ne sont généralement pas très sensibles.

Lors de la surveillance de la physiologie et des mouvements humains, la tension cutanée varie de moins de 1 % à plus de 50 %. En tant que tels, des capteurs séparés sont généralement utilisés pour détecter les contraintes subtiles (telles que celles associées au pouls sanguin et à la respiration) et les contraintes importantes (telles que la flexion des parties du corps). Mais pour le suivi de certaines maladies, l'utilisation d'un seul appareil serait préférable. Dans la maladie de Parkinson, par exemple, les capteurs doivent être suffisamment sensibles pour surveiller les petits tremblements tout en conservant une plage suffisamment large pour mesurer les mouvements articulaires.

Ce qu'il faut vraiment, c'est un capteur unique qui peut être fixé à différentes parties du corps et qui peut mesurer avec précision toute la gamme des contraintes sur la peau humaine. Avec cet objectif en tête, une équipe de Université d'État de Caroline du Nord a développé un capteur de contrainte résistif extensible souple qui offre une sensibilité élevée, une large plage de détection et une grande robustesse.

"Le nouveau capteur que nous avons développé est à la fois sensible et capable de résister à des déformations importantes", explique l'auteur correspondant Yong Zhu dans un communiqué de presse. "Une caractéristique supplémentaire est que le capteur est très robuste même lorsqu'il est surchargé, ce qui signifie qu'il est peu probable qu'il se brise lorsque la contrainte appliquée dépasse accidentellement la plage de détection."

Le capteur, décrit dans Matériaux appliqués et interfaces ACS, mesure la contrainte en mesurant les changements de résistance électrique. Le dispositif est constitué d'un réseau de nanofils d'argent intégré dans le polymère élastique poly(diméthylsiloxane), avec une série de coupes mécaniques dans sa surface supérieure, alternant de chaque côté.

Lorsque le capteur est étiré, les coupures s'ouvrent. Cela force le signal électrique à passer d'un flux de courant uniforme à travers les fissures fermées à se déplacer plus loin le long du chemin conducteur en zigzag défini par les fissures ouvertes. Ainsi, la résistance augmente sous la contrainte appliquée. L'ouverture des découpes permet également au dispositif de supporter des déformations importantes sans atteindre son point de rupture. "Cette caractéristique - les coupes à motifs - est ce qui permet une plus grande gamme de déformations sans sacrifier la sensibilité", déclare le premier auteur Shuang Wu.

L'équipe a réalisé des expériences et une analyse par éléments finis pour évaluer les effets de la profondeur, de la longueur et du pas de la fente sur les performances du capteur. Le dispositif optimisé présentait un grand facteur de jauge (le rapport du changement relatif de la résistance électrique à la contrainte mécanique) de 290.1 avec une plage de détection de plus de 22 %. Il était également robuste à la surcharge et à 1000 cycles de chargement répétés.

Appareils de construction

Pour démontrer certaines applications potentielles de leur nouveau capteur de contrainte, Zhu, Wu et leurs collègues l'ont intégré dans des systèmes de surveillance de la santé portables qui mesurent des niveaux de mouvement très différents.

Tout d'abord, ils ont utilisé le capteur pour surveiller la pression artérielle, ce qui nécessite une sensibilité extrêmement élevée. À l'aide d'un élastique pour fixer le capteur, ils l'ont placé sur le poignet d'un volontaire pour détecter l'onde de pouls - l'un des plus petits signaux de tension sur la peau humaine.

Lorsque le sang pompe dans la veine, les extrémités du capteur restent fixées en place par la bande tandis que le centre est étiré, ouvrant les fissures sur sa surface supérieure.

Les chercheurs ont montré que cette configuration pouvait capter l'onde de pouls de l'artère radiale du poignet. En plaçant un autre capteur de contrainte sur l'artère brachiale plus haut sur le bras et en enregistrant simultanément une deuxième onde de pouls, ils ont pu mesurer la vitesse moyenne de l'onde de pouls, permettant le calcul de la pression artérielle.

Dans l'exemple suivant, le capteur a été utilisé pour surveiller de grandes contraintes sur le bas du dos pendant le mouvement, ce qui a une utilité pour la thérapie physique. Ici, les chercheurs ont intégré le capteur à une bande athlétique extensible et ont fixé deux capteurs en parallèle le long de la colonne vertébrale sur le bas du dos d'un volontaire. Ils ont également attaché une carte Bluetooth à l'arrière pour collecter et transmettre les signaux de détection.

Partant d'une position assise droite, le sujet a effectué une série de mouvements pendant que le capteur surveillait les tensions dans le bas du dos. En se penchant en avant, les deux capteurs ont répondu avec des augmentations de résistance. Tout en se penchant vers l'avant et incliné latéralement, la résistance du capteur du côté correspondant est restée presque constante tandis que le capteur du côté opposé a montré une résistance sensiblement accrue.

Une photodiode organique extensible pourrait améliorer les performances des appareils portables

Enfin, pour démontrer l'utilisation du capteur dans les interfaces homme-machine, les chercheurs ont créé un capteur tactile 3D souple qui suit à la fois les contraintes normales et de cisaillement et peut être utilisé pour contrôler un jeu vidéo. Ils ont également intégré un capteur de contrainte au bout du doigt d'un gant qui a ensuite été utilisé pour saisir un verre d'eau, démontrant son potentiel de détection tactile pour les applications robotiques.

L'équipe explore actuellement l'application du capteur de contrainte pour des applications biomédicales et sportives. "Les applications biomédicales incluent la surveillance des schémas de mouvement pendant la rééducation des patients victimes d'un AVC", explique Zhu. Monde de la physique. "Nous travaillons également sur la fabrication évolutive des capteurs."

• Contenu propulsé par le référencement et distribution de relations publiques. Soyez amplifié aujourd'hui.
• Platoblockchain. Intelligence métaverse Web3. Connaissance Amplifiée. Accéder ici.
• La source: https://physicsworld.com/a/strain-sensor-for-wearable-electronics-combines-high-sensitivity-with-large-sensing-range/