เซ็นเซอร์สเตรนสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบสวมใส่รวมความไวสูงเข้ากับช่วงการตรวจจับที่กว้าง

เซ็นเซอร์ความเครียดที่อ่อนนุ่มและยืดหยุ่นได้นั้นมีคุณค่าอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่สวมใส่ได้ เช่น อุปกรณ์ติดตามการเคลื่อนไหว และระบบตรวจสอบทางสรีรวิทยา อย่างไรก็ตาม ในปัจจุบัน การแลกเปลี่ยนระหว่างความไวและช่วงการตรวจจับถือเป็นความท้าทายที่สำคัญ เซ็นเซอร์ความเครียดที่สามารถตรวจจับการเสียรูปเล็กๆ น้อยๆ จะไม่สามารถยืดออกได้ไกลมากนัก ในขณะที่เซ็นเซอร์ที่สามารถยืดให้ยาวขึ้นได้มักจะไม่ไวมากนัก

เมื่อตรวจสอบสรีรวิทยาและการเคลื่อนไหวของมนุษย์ ความเครียดของผิวหนังจะอยู่ในช่วงตั้งแต่ต่ำกว่า 1% ถึงมากกว่า 50% ด้วยเหตุนี้ โดยทั่วไปแล้ว เซ็นเซอร์ที่แยกจากกันจึงถูกใช้เพื่อตรวจจับความเครียดเล็กน้อย (เช่น ที่เกี่ยวข้องกับชีพจรในเลือดและการหายใจ) และความเครียดขนาดใหญ่ (เช่น การโค้งงอของส่วนต่างๆ ของร่างกาย) แต่ในการเฝ้าติดตามโรคบางชนิด ควรใช้อุปกรณ์เพียงเครื่องเดียวจะดีกว่า ตัวอย่างเช่น สำหรับโรคพาร์กินสัน เซ็นเซอร์จะต้องมีความไวเพียงพอที่จะติดตามการสั่นสะเทือนเล็กๆ ขณะเดียวกันก็รักษาช่วงที่กว้างพอที่จะวัดการเคลื่อนไหวของข้อต่อได้

สิ่งที่จำเป็นจริงๆ คือเซ็นเซอร์ตัวเดียวที่สามารถติดกับส่วนต่างๆ ของร่างกาย และสามารถวัดความเครียดบนผิวหนังมนุษย์ได้อย่างแม่นยำ ด้วยเป้าหมายนี้ในใจทีมที่ มหาวิทยาลัยแห่งรัฐนอร์ทแคโรไลนา ได้พัฒนาเซ็นเซอร์ความเครียดต้านทานแบบยืดหดได้แบบนุ่มซึ่งมีความไวสูง ช่วงการตรวจจับที่กว้าง และความทนทานสูง

“เซนเซอร์ตัวใหม่ที่เราพัฒนาขึ้นมีทั้งความไวและสามารถทนต่อการเสียรูปอย่างมีนัยสำคัญ” ผู้เขียนที่เกี่ยวข้องอธิบาย หยงจู้ ในแถลงการณ์ “คุณสมบัติเพิ่มเติมคือเซ็นเซอร์มีความแข็งแกร่งสูงแม้ในขณะที่ใช้งานมากเกินไป ซึ่งหมายความว่าไม่น่าจะแตกหักเมื่อความเครียดที่กระทำเกินช่วงการตรวจจับโดยไม่ได้ตั้งใจ”

เซ็นเซอร์ อธิบายไว้ใน ACS Applied Materials & Interfaces, วัดความเครียดโดยการวัดการเปลี่ยนแปลงความต้านทานไฟฟ้า อุปกรณ์นี้ทำจากเครือข่ายลวดนาโนสีเงินที่ฝังอยู่ในโพลีเมอร์ยืดหยุ่น (ไดเมทิลไซลอกเซน) โดยมีการตัดเชิงกลที่พื้นผิวด้านบนสลับกันจากด้านใดด้านหนึ่ง

เมื่อเซ็นเซอร์ถูกยืดออก การตัดจะดึงออก สิ่งนี้บังคับให้สัญญาณไฟฟ้าเปลี่ยนจากการไหลของกระแสสม่ำเสมอข้ามรอยแตกแบบปิดไปสู่การเคลื่อนที่ต่อไปตามเส้นทางนำซิกแซกที่กำหนดโดยรอยแตกแบบเปิด ดังนั้นความต้านทานจะเพิ่มขึ้นภายใต้ความเครียดที่ใช้ การเปิดรอยตัดยังช่วยให้อุปกรณ์ทนทานต่อการเสียรูปอย่างมากโดยไม่ถึงจุดแตกหัก “คุณลักษณะนี้ – การตัดที่มีลวดลาย – เป็นสิ่งที่ช่วยให้สามารถเปลี่ยนรูปได้หลากหลายมากขึ้นโดยไม่กระทบต่อความไว” ผู้เขียนคนแรกกล่าว ซวงหวู่.

ทีมงานทำการทดลองและการวิเคราะห์ไฟไนต์เอลิเมนต์เพื่อประเมินผลกระทบของความลึกของรอยตัด ความยาว และระยะพิทช์ต่อประสิทธิภาพของเซ็นเซอร์ อุปกรณ์ที่ได้รับการปรับปรุงให้เหมาะสมมีปัจจัยเกจขนาดใหญ่ (อัตราส่วนของการเปลี่ยนแปลงสัมพัทธ์ในความต้านทานไฟฟ้าต่อความเครียดเชิงกล) อยู่ที่ 290.1 ​​โดยมีช่วงการตรวจจับมากกว่า 22% นอกจากนี้ยังทนทานต่อการใช้งานเกินกำลังและรอบการโหลดซ้ำอีก 1000 รอบ

อุปกรณ์ก่อสร้าง

เพื่อสาธิตการใช้งานที่เป็นไปได้ของเซ็นเซอร์ความเครียดตัวใหม่ Zhu, Wu และเพื่อนร่วมงานได้รวมเซ็นเซอร์ดังกล่าวเข้ากับระบบตรวจสอบสุขภาพที่สวมใส่ได้ ซึ่งวัดระดับการเคลื่อนไหวที่แตกต่างกันอย่างมากมาย

ขั้นแรก พวกเขาใช้เซ็นเซอร์ในการติดตามความดันโลหิต ซึ่งต้องใช้ความไวที่สูงมาก พวกเขาใช้หนังยางเพื่อยึดเซ็นเซอร์ไว้บนข้อมือของอาสาสมัครเพื่อตรวจจับคลื่นชีพจร ซึ่งเป็นหนึ่งในสัญญาณความเครียดที่เล็กที่สุดบนผิวหนังมนุษย์

เมื่อเลือดสูบฉีดผ่านหลอดเลือดดำ ปลายเซ็นเซอร์จะยังคงยึดอยู่กับที่โดยสายรัดในขณะที่ศูนย์กลางถูกยืดออก เพื่อเปิดรอยแตกบนพื้นผิวด้านบน

นักวิจัยแสดงให้เห็นว่าการตั้งค่านี้สามารถจับคลื่นชีพจรจากหลอดเลือดแดงเรเดียลบนข้อมือได้ การวางเซ็นเซอร์ความเครียดอีกตัวหนึ่งบนหลอดเลือดแดงแขนและบันทึกคลื่นพัลส์ที่สองพร้อมกัน จึงสามารถวัดความเร็วคลื่นพัลส์เฉลี่ย จึงสามารถคำนวณความดันโลหิตได้

ในตัวอย่างถัดไป เซ็นเซอร์ถูกใช้เพื่อติดตามความเครียดขนาดใหญ่ที่หลังส่วนล่างระหว่างการเคลื่อนไหว ซึ่งมีประโยชน์สำหรับการกายภาพบำบัด ที่นี่ นักวิจัยได้รวมเซ็นเซอร์เข้ากับเทปกีฬาแบบยืดได้ และติดตั้งเซ็นเซอร์สองตัวขนานไปตามกระดูกสันหลังบนหลังส่วนล่างของอาสาสมัคร พวกเขายังติดบอร์ด Bluetooth ไว้ที่ด้านหลังเพื่อรวบรวมและส่งสัญญาณการตรวจจับ

เริ่มต้นจากท่านั่งตัวตรง ผู้ทดสอบทำการเคลื่อนไหวหลายครั้งในขณะที่เซ็นเซอร์ตรวจดูความตึงเครียดของหลังส่วนล่าง เมื่อโน้มตัวไปข้างหน้า เซ็นเซอร์ทั้งสองจะตอบสนองด้วยแรงต้านที่เพิ่มขึ้น ขณะที่เอนไปข้างหน้าและเอียงไปด้านข้าง ความต้านทานของเซ็นเซอร์ในด้านที่สอดคล้องกันยังคงใกล้เคียงค่าคงที่ ในขณะที่เซ็นเซอร์ในด้านตรงข้ามมีความต้านทานเพิ่มขึ้นอย่างมาก

โฟโตไดโอดอินทรีย์แบบยืดหดได้สามารถปรับปรุงประสิทธิภาพของอุปกรณ์สวมใส่ได้

ในที่สุด เพื่อสาธิตการใช้งานเซ็นเซอร์ในส่วนต่อประสานระหว่างมนุษย์กับเครื่องจักร นักวิจัยได้สร้างเซ็นเซอร์สัมผัส 3 มิติที่นุ่มนวล ซึ่งติดตามทั้งความเค้นปกติและแรงเฉือน และสามารถใช้ควบคุมวิดีโอเกมได้ นอกจากนี้ พวกเขายังติดตั้งเซ็นเซอร์ความเครียดไว้ที่ปลายนิ้วของถุงมือซึ่งจากนั้นใช้จับแก้วน้ำ ซึ่งแสดงให้เห็นถึงศักยภาพในการตรวจจับสัมผัสสำหรับการใช้งานหุ่นยนต์

ขณะนี้ทีมงานกำลังสำรวจการประยุกต์ใช้เซ็นเซอร์ความเครียดสำหรับการใช้งานด้านชีวการแพทย์และการกีฬา “การประยุกต์ใช้ทางชีวการแพทย์ ได้แก่ การติดตามรูปแบบการเคลื่อนไหวระหว่างการฟื้นฟูผู้ป่วยโรคหลอดเลือดสมอง” Zhu กล่าว โลกฟิสิกส์. “เรายังทำงานเกี่ยวกับการผลิตเซ็นเซอร์ที่ปรับขนาดได้”

• เนื้อหาที่ขับเคลื่อนด้วย SEO และการเผยแพร่ประชาสัมพันธ์ รับการขยายวันนี้
• เพลโตบล็อคเชน Web3 Metaverse ข่าวกรอง ขยายความรู้. เข้าถึงได้ที่นี่.
• ที่มา: https://physicsworld.com/a/strain-sensor-for-wearable-electronics-combines-high-sensitivity-with-large-sensing-range/