웨어러블 전자 장치용 스트레인 센서는 높은 감도와 넓은 감지 범위를 결합합니다.

부드럽고 신축성 있는 스트레인 센서는 동작 추적 장치 및 생리학적 모니터링 시스템과 같은 웨어러블 전자 장치에 사용하는 데 매우 중요합니다. 그러나 현재 감도와 감지 범위 간의 절충이 주요 과제입니다. 작은 변형을 감지할 수 있는 스트레인 센서는 아주 멀리 늘릴 수 없는 반면 더 긴 길이로 늘릴 수 있는 센서는 일반적으로 그다지 민감하지 않습니다.

인간의 생리 및 동작을 모니터링할 때 피부 변형 범위는 1% 미만에서 50% 이상입니다. 따라서 별도의 센서가 일반적으로 미묘한 긴장(예: 혈액 맥박 및 호흡과 관련된 긴장)과 큰 긴장(예: 신체 부위의 구부러짐)을 감지하는 데 사용됩니다. 그러나 특정 질병을 모니터링하려면 단일 장치를 사용하는 것이 좋습니다. 예를 들어 파킨슨병의 경우 센서는 관절 움직임을 측정할 수 있을 만큼 충분히 큰 범위를 유지하면서 작은 떨림을 모니터링할 수 있을 만큼 충분히 민감해야 합니다.

정말로 필요한 것은 신체의 다른 부분에 부착할 수 있고 인간 피부의 모든 범위의 긴장을 정확하게 측정할 수 있는 단일 센서입니다. 이러한 목표를 염두에 두고 한 팀은 노스 캐롤라이나 주립 대학 는 높은 감도, 넓은 감지 범위 및 높은 견고성을 제공하는 부드러운 신축성 저항성 스트레인 센서를 개발했습니다.

"우리가 개발한 새로운 센서는 민감하고 상당한 변형을 견딜 수 있습니다."라고 해당 저자는 설명합니다. 주용 기자회견에서. "추가 기능은 센서가 과도하게 변형된 경우에도 매우 견고하다는 것입니다.

에 설명된 센서 ACS 응용 재료 및 인터페이스, 전기 저항의 변화를 측정하여 변형을 측정합니다. 이 장치는 탄성 중합체 폴리(디메틸실록산)에 내장된 은 나노와이어 네트워크로 만들어지며, 상단 표면에 일련의 기계적 절단이 양쪽에서 번갈아 가며 이루어집니다.

센서가 늘어나면 절단부가 당겨 열립니다. 이것은 전기 신호가 닫힌 균열을 가로지르는 균일한 전류 흐름에서 열린 균열에 의해 정의된 지그재그 전도 경로를 따라 더 멀리 이동하도록 강제합니다. 따라서 응력이 가해지면 저항이 증가합니다. 절단부의 개방은 또한 장치가 파단점에 도달하지 않고 상당한 변형을 견딜 수 있게 합니다. "이 기능, 즉 패턴 컷은 감도를 희생하지 않고 더 넓은 범위의 변형을 가능하게 하는 것입니다."라고 첫 번째 저자는 말합니다. 우 슈앙.

팀은 슬릿 깊이, 길이 및 피치가 센서 성능에 미치는 영향을 평가하기 위해 실험과 유한 요소 분석을 수행했습니다. 최적화된 장치는 290.1% 이상의 감지 범위에서 22의 큰 게이지 계수(전기 저항과 기계적 변형률의 비율)를 나타냈습니다. 또한 과도한 변형과 ​​1000회 반복 하중 주기에도 강했습니다.

건물 장치

새로운 스트레인 센서의 몇 가지 잠재적인 응용 분야를 시연하기 위해 Zhu, Wu 및 동료들은 이를 매우 다양한 수준의 동작을 측정하는 웨어러블 건강 모니터링 시스템에 통합했습니다.

첫째, 그들은 매우 높은 감도를 요구하는 혈압을 모니터링하기 위해 센서를 사용했습니다. 센서를 고정하기 위해 고무 밴드를 사용하여 인간 피부에서 가장 작은 변형 신호 중 하나인 맥파를 감지하기 위해 지원자의 손목에 센서를 배치했습니다.

혈액이 정맥을 통해 펌핑될 때 센서 끝은 밴드에 의해 제자리에 고정되고 중앙은 늘어나 상단 표면의 균열이 열립니다.

연구원들은 이 설정이 손목의 요골 동맥에서 맥파를 캡처할 수 있음을 보여주었습니다. 팔 위쪽 상완 동맥에 스트레인 센서를 하나 더 배치하고 동시에 두 번째 맥파를 기록함으로써 평균 맥파 속도를 측정하여 혈압을 계산할 수 있었습니다.

다음 예에서는 센서를 사용하여 동작 중 허리에 큰 부담이 가는지 모니터링했으며, 이는 물리 치료에 유용합니다. 여기에서 연구원들은 신축성 있는 운동용 테이프와 센서를 통합하고 지원자의 허리 척추를 따라 두 개의 센서를 병렬로 부착했습니다. 또한 뒷면에 블루투스 보드를 부착해 센싱 신호를 수집해 전송했다.

똑바로 앉은 자세에서 시작하여 센서가 허리의 긴장을 모니터링하는 동안 피험자는 일련의 움직임을 수행했습니다. 앞으로 기울일 때 두 센서 모두 저항 증가로 반응했습니다. 앞으로 기울이고 옆으로 기울였을 때 해당 쪽 센서의 저항은 거의 일정하게 유지되는 반면 반대쪽 센서의 저항은 상당히 증가했습니다.

신축성 있는 유기 포토다이오드는 웨어러블 장치의 성능을 향상시킬 수 있습니다.

마지막으로, 인간-기계 인터페이스에서 센서의 사용을 시연하기 위해 연구원들은 수직 응력과 전단 응력을 모두 추적하고 비디오 게임을 제어하는 ​​데 사용할 수 있는 부드러운 3D 터치 센서를 만들었습니다. 그들은 또한 장갑의 손가락 끝에 스트레인 센서를 통합하여 물 한 컵을 잡는 데 사용하여 로봇 응용 분야의 촉각 감지 가능성을 보여주었습니다.

팀은 현재 생물 의학 및 스포츠 응용 분야를 위한 스트레인 센서의 응용 프로그램을 탐색하고 있습니다. "생물 의학 응용 프로그램에는 뇌졸중 환자의 재활 중 움직임 패턴 모니터링이 포함됩니다."라고 Zhu는 말합니다. 물리 세계. "우리는 또한 센서의 확장 가능한 제조를 위해 노력하고 있습니다."

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• 출처: https://physicsworld.com/a/strain-sensor-for-wearable-electronics-combines-high-sensitivity-with-large-sensing-range/