A hordható elektronikához készült feszültségérzékelő a nagy érzékenységet a nagy érzékelési tartománnyal kombinálja

A puha és nyújtható feszültségérzékelők felbecsülhetetlen értékűek a hordható elektronikában, például mozgáskövető eszközökben és fiziológiai megfigyelőrendszerekben. Jelenleg azonban az érzékenység és az érzékelési tartomány közötti kompromisszum komoly kihívást jelent. A kis alakváltozások érzékelésére képes nyúlásérzékelők nem nyújthatók nagyon messzire, míg a nagyobb hosszra nyújthatóak jellemzően nem túl érzékenyek.

Az emberi fiziológia és a mozgás megfigyelésekor a bőr igénybevétele 1% alatti és 50% feletti tartományban mozog. Mint ilyenek, általában külön szenzorokat használnak a finom feszültségek (például a pulzussal és a légzéssel kapcsolatos) és a nagy igénybevételek (például a testrészek hajlítása) észlelésére. Bizonyos betegségek megfigyelésére azonban előnyösebb lenne egyetlen eszköz használata. Parkinson-kórban például az érzékelőknek elég érzékenynek kell lenniük a kis remegések megfigyeléséhez, miközben elég nagy tartományt kell fenntartaniuk az ízületi mozgások mérésére.

Valójában egyetlen érzékelőre van szükség, amely a test különböző részeihez rögzíthető, és pontosan képes mérni az emberi bőr terheléseinek teljes skáláját. Ezt a célt szem előtt tartva egy csapat a Észak-Karolina Állami Egyetem kifejlesztett egy puha, nyújtható rezisztív nyúlásérzékelőt, amely nagy érzékenységet, nagy érzékelési tartományt és nagy robusztusságot kínál.

„Az általunk kifejlesztett új érzékelő érzékeny és képes ellenállni a jelentős deformációknak” – magyarázza a szerző Yong Zhu sajtónyilatkozatában. "További jellemző, hogy az érzékelő még túlfeszített állapotban is rendkívül robusztus, ami azt jelenti, hogy nem valószínű, hogy eltörik, ha az alkalmazott feszültség véletlenül túllépi az érzékelési tartományt."

pontban leírt érzékelő ACS alkalmazott anyagok és interfészek, a feszültséget az elektromos ellenállás változásának mérésével méri. A készülék rugalmas poli(dimetil-sziloxán) polimerbe ágyazott ezüst nanohuzal-hálózatból készül, felső felületén mechanikus vágások sorozata, mindkét oldalról váltakozva.

Amikor az érzékelő meg van feszítve, a vágások kinyílnak. Ez arra kényszeríti az elektromos jelet, hogy a zárt repedéseken áthaladó egyenletes áramról a nyitott repedések által meghatározott cikcakkos vezetőút mentén továbbhaladjon. Így az ellenállás növekszik az alkalmazott feszültség hatására. A vágások felnyitása azt is lehetővé teszi, hogy az eszköz jelentős deformációnak ellenálljon anélkül, hogy elérné a töréspontját. „Ez a tulajdonság – a mintás vágások – az, ami lehetővé teszi a deformáció nagyobb tartományát az érzékenység feláldozása nélkül” – mondja az első szerző. Shuang Wu.

A csapat kísérleteket és végeselem-elemzést végzett, hogy felmérje a résmélység, -hossz és -emelkedés hatását az érzékelő teljesítményére. Az optimalizált eszköz nagy mérőtényezőt (az elektromos ellenállás és a mechanikai igénybevétel relatív változásának aránya) 290.1-et mutatott 22% feletti érzékelési tartomány mellett. Robusztus volt a túlfeszítéshez és az 1000 ismételt terhelési ciklushoz is.

Készülékek építése

Az új feszültségérzékelő néhány lehetséges alkalmazásának bemutatása érdekében Zhu, Wu és munkatársai beépítették azt hordható egészségmegfigyelő rendszerekbe, amelyek rendkívül különböző mozgási szinteket mérnek.

Először is az érzékelőt a vérnyomás monitorozására alkalmazták, ami rendkívül nagy érzékenységet igényel. Egy gumiszalag segítségével az érzékelőt egy önkéntes csuklójára helyezték, hogy észleljék a pulzushullámot – ez az egyik legkisebb megerőltetési jel az emberi bőrön.

Amikor a vér átpumpál a vénán, az érzékelő végei a helyükön maradnak a szalag által, miközben a közepe megfeszül, megnyitva a repedéseket a felső felületén.

A kutatók kimutatták, hogy ez az elrendezés képes rögzíteni a pulzushullámot a csuklón lévő radiális artériából. Azáltal, hogy egy másik feszültségérzékelőt helyeznek el a kari artériára magasabban, és egyidejűleg rögzítenek egy második pulzushullámot, mérni tudják az átlagos pulzushullámsebességet, lehetővé téve a vérnyomás kiszámítását.

A következő példában az érzékelőt a hát alsó részének mozgás közbeni nagy igénybevételének monitorozására használták, ami fizikoterápiás célra használható. Itt a kutatók az érzékelőt egy nyújtható szalaggal integrálták, és párhuzamosan két érzékelőt rögzítettek a gerinc mentén egy önkéntes hátának alsó részén. Egy Bluetooth kártyát is csatlakoztattak a hátuljához, hogy összegyűjtsék és továbbítsák az érzékelési jeleket.

Az alany egyenes ülő helyzetből kiindulva egy sor mozdulatot hajtott végre, miközben a szenzor a hát alsó részének feszülését figyelte. Előrehajláskor mindkét érzékelő ellenállásnövekedéssel reagált. Előrehajlás és oldalra dőlés közben a megfelelő oldalon lévő érzékelő ellenállása közel állandó maradt, míg a másik oldalon lévő érzékelő lényegesen megnövekedett ellenállást mutatott.

A nyújtható szerves fotodióda javíthatja a hordható eszközök teljesítményét

Végül az érzékelő ember-gép interfészekben való használatának demonstrálására a kutatók egy puha 3D-s érintésérzékelőt készítettek, amely mind a normál, mind a nyírófeszültséget követi, és videojátékok vezérlésére használható. A kesztyű ujjbegyébe húzódásérzékelőt is beépítettek, amellyel aztán egy pohár vizet megfogtak, bizonyítva ezzel a tapintásérzékelés lehetőségét robotikai alkalmazásokban.

A csapat most vizsgálja a nyúlásérzékelő alkalmazását az orvosbiológiai és sportolási alkalmazásokhoz. "Az orvosbiológiai alkalmazások közé tartozik a mozgásminták monitorozása a stroke-betegek rehabilitációja során" - mondja Zhu Fizika Világa. „Az érzékelők méretezhető gyártásán is dolgozunk.”

• SEO által támogatott tartalom és PR terjesztés. Erősödjön még ma.
• Platoblockchain. Web3 metaverzum intelligencia. Felerősített tudás. Hozzáférés itt.
• Forrás: https://physicsworld.com/a/strain-sensor-for-wearable-electronics-combines-high-sensitivity-with-large-sensing-range/