We gebruiken cookies om uw ervaring te verbeteren. Door verder te bladeren op deze site, gaat u akkoord met ons gebruik van cookies. Aanvullende informatie.
Draagbare druksensoren kunnen helpen bij het monitoren van de menselijke gezondheid en het realiseren van mens-computerinteractie. Er wordt gewerkt aan de ontwikkeling van druksensoren met een universeel ontwerp en een hoge gevoeligheid voor mechanische belasting.
Onderzoek: Weefpatroonafhankelijke textielpiëzo-elektrische druktransducer op basis van elektrogesponnen polyvinylideenfluoride-nanovezels met 50 spuitmondjes. Beeld: African Studio/Shutterstock.com
Een artikel gepubliceerd in het tijdschrift npj Flexible Electronics rapporteert over de fabricage van piëzo-elektrische druktransducers voor textiel met behulp van polyethyleentereftalaat (PET) kettingdraden en polyvinylideenfluoride (PVDF) inslagdraden. De prestaties van de ontwikkelde druksensor in relatie tot drukmeting op basis van het weefpatroon worden gedemonstreerd op een textielweegschaal van ongeveer 2 meter.
De resultaten tonen aan dat de gevoeligheid van een druksensor, geoptimaliseerd met het 2/2 canard-ontwerp, 245% hoger is dan die van het 1/1 canard-ontwerp. Daarnaast werden verschillende inputs gebruikt om de prestaties van de geoptimaliseerde stoffen te evalueren, waaronder flexie, knijpen, kreukelen, draaien en diverse menselijke bewegingen. In dit onderzoek vertoont een weefselgebaseerde druksensor met een sensorpixelarray stabiele perceptiekenmerken en een hoge gevoeligheid.
Rijst. 1. Voorbereiding van PVDF-draden en multifunctionele stoffen. a Schema van een elektrospinproces met 50 spuitmonden, gebruikt om uitgelijnde matten van PVDF-nanovezels te produceren, waarbij koperen staven parallel op een transportband worden geplaatst en de stappen bestaan ​​uit het voorbereiden van drie gevlochten structuren uit vierlaagse monofilamentfilamenten. b SEM-afbeelding en diameterverdeling van uitgelijnde PVDF-vezels. c SEM-afbeelding van een vierlaags garen. d Treksterkte en breukrek van een vierlaags garen als functie van de draaiing. e Röntgendiffractiepatroon van een vierlaags garen, dat de aanwezigheid van alfa- en bètafasen aantoont. © Kim, DB, Han, J., Sung, SM, Kim, MS, Choi, BK, Park, SJ, Hong, H. R et al. (2022)
De snelle ontwikkeling van intelligente robots en draagbare elektronische apparaten heeft geleid tot veel nieuwe apparaten op basis van flexibele druksensoren. De toepassingen ervan in de elektronica, de industrie en de geneeskunde ontwikkelen zich snel.
Piëzo-elektriciteit is een elektrische lading die wordt gegenereerd op een materiaal dat aan mechanische spanning wordt blootgesteld. Piëzo-elektriciteit in asymmetrische materialen zorgt voor een lineair, omkeerbaar verband tussen mechanische spanning en elektrische lading. Wanneer een stuk piëzo-elektrisch materiaal fysiek wordt vervormd, ontstaat er dus een elektrische lading, en vice versa.
Piëzo-elektrische apparaten kunnen een vrije mechanische bron gebruiken als alternatieve energiebron voor elektronische componenten die weinig stroom verbruiken. Het materiaaltype en de structuur van het apparaat zijn belangrijke parameters voor de productie van aanraakapparaten op basis van elektromechanische koppeling. Naast anorganische materialen met hoge spanning zijn ook mechanisch flexibele organische materialen onderzocht in draagbare apparaten.
Polymeren die door middel van elektrospintechnieken tot nanovezels worden verwerkt, worden veel gebruikt als piëzo-elektrische energieopslag. Piëzo-elektrische polymeernanovezels vergemakkelijken de creatie van textielgebaseerde ontwerpstructuren voor draagbare toepassingen door elektromechanische generatie te bieden op basis van mechanische elasticiteit in diverse omgevingen.
Voor dit doel worden piëzo-elektrische polymeren veel gebruikt, waaronder PVDF en derivaten daarvan, die een sterke piëzo-elektrische eigenschap hebben. Deze PVDF-vezels worden getrokken en gesponnen tot weefsels voor piëzo-elektrische toepassingen, zoals sensoren en generatoren.
Figuur 2. Grote weefsels en hun fysische eigenschappen. Foto van een groot 2/2 inslagribpatroon tot 195 cm x 50 cm. b SEM-opname van een 2/2 inslagpatroon bestaande uit één PVDF-inslag verweven met twee PET-bases. c Modulus en breukrek in verschillende stoffen met 1/1, 2/2 en 3/3 inslagranden. d is de gemeten hanghoek van de stof. © Kim, DB, Han, J., Sung, SM, Kim, MS, Choi, BK, Park, SJ, Hong, H. R et al. (2022)
In dit werk worden textielgeneratoren op basis van PVDF-nanovezelfilamenten geconstrueerd met behulp van een sequentieel 50-jet elektrospinproces, waarbij het gebruik van 50 nozzles de productie van nanovezelmatten met behulp van een roterende transportband vergemakkelijkt. Verschillende weefstructuren worden gecreëerd met PET-garen, waaronder 1/1 (vlak), 2/2 en 3/3 inslagribben.
Eerder onderzoek meldde het gebruik van koper voor het uitlijnen van vezels in de vorm van uitgelijnde koperdraden op vezelverzameltrommels. Het huidige onderzoek bestaat echter uit parallelle koperen staven met een tussenruimte van 1,5 cm op een transportband om de spindoppen te helpen uitlijnen op basis van elektrostatische interacties tussen binnenkomende geladen vezels en ladingen op het oppervlak van de vezels die aan de kopervezel zijn bevestigd.
In tegenstelling tot eerder beschreven capacitieve of piëzoresistieve sensoren, reageert de in dit artikel voorgestelde weefseldruksensor op een breed scala aan invoerkrachten van 0,02 tot 694 Newton. Bovendien behield de voorgestelde textieldruksensor 81,3% van zijn oorspronkelijke invoer na vijf standaard wasbeurten, wat de duurzaamheid van de druksensor aangeeft.
Bovendien lieten de gevoeligheidswaarden voor de spanning en stroomsterkte van 1/1, 2/2 en 3/3 ribbreien een hoge spanningsgevoeligheid zien van 83 en 36 mV/N voor de ribdruk van 2/2 en 3/3. 3 inslagsensoren lieten een 245% en 50% hogere gevoeligheid zien voor deze druksensoren, vergeleken met de 24 mV/N inslagdruksensor 1/1.
Rijst. 3. Uitgebreide toepassing van een druksensor voor het hele weefsel. a Voorbeeld van een druksensor voor een binnenzool, gemaakt van 2/2 inslagribstof, die onder twee ronde elektroden wordt geplaatst om de beweging van de voorvoet (net onder de tenen) en de hiel te detecteren. b Schematische weergave van elke fase van de afzonderlijke stappen in het loopproces: hiellanding, aarding, teencontact en beenheffing. c Spanningsuitgangssignalen als reactie op elk onderdeel van de loopstap voor loopanalyse en d Versterkte elektrische signalen die bij elke fase van het lopen horen. e Schematische weergave van een druksensor voor het hele weefsel met een matrix van maximaal 12 rechthoekige pixelcellen met geleidende lijnen die zo zijn gepatroneerd dat ze afzonderlijke signalen van elke pixel detecteren. f Een 3D-kaart van het elektrische signaal dat wordt gegenereerd door met een vinger op elke pixel te drukken. g Er wordt alleen een elektrisch signaal gedetecteerd in de met de vinger ingedrukte pixel en er wordt geen nevensignaal gegenereerd in andere pixels, wat bevestigt dat er geen overspraak is. © Kim, DB, Han, J., Sung, SM, Kim, MS, Choi, BK, Park, SJ, Hong, H. R et al. (2022)
Concluderend toont deze studie een zeer gevoelige en draagbare weefseldruksensor aan, gemaakt van piëzo-elektrische PVDF-nanovezelfilamenten. De geproduceerde druksensoren hebben een breed bereik aan invoerkrachten, van 0,02 tot 694 Newton.
Vijftig nozzles werden gebruikt op één prototype elektrische spinmachine en een continue mat van nanovezels werd geproduceerd met behulp van een batchtransportband op basis van koperstaven. Onder intermitterende compressie vertoonde de geproduceerde 2/2 inslagzoomstof een gevoeligheid van 83 mV/N, wat ongeveer 245% hoger is dan de 1/1 inslagzoomstof.
De voorgestelde, volledig geweven druksensoren monitoren elektrische signalen door ze te onderwerpen aan fysiologische bewegingen, zoals draaien, buigen, knijpen, rennen en lopen. Bovendien zijn deze drukmeters voor textiel qua duurzaamheid vergelijkbaar met conventionele stoffen en behouden ze ongeveer 81,3% van hun oorspronkelijke opbrengst, zelfs na vijf standaard wasbeurten. Bovendien is de geproduceerde weefselsensor effectief in de gezondheidszorg door elektrische signalen te genereren op basis van continue segmenten van iemands looppatroon.
Kim, DB, Han, J., Sung, SM, Kim, MS, Choi, BK, Park, SJ, Hong, HR, et al. (2022). Piëzo-elektrische druksensor van textiel op basis van elektrogesponnen polyvinylideenfluoride nanovezels met 50 spuitmondjes, afhankelijk van het weefpatroon. Flexibele elektronica npj. https://www.nature.com/articles/s41528-022-00203-6.
Disclaimer: De hier geuite meningen zijn die van de auteur in zijn persoonlijke hoedanigheid en weerspiegelen niet noodzakelijkerwijs de meningen van AZoM.com Limited T/A AZoNetwork, de eigenaar en exploitant van deze website. Deze disclaimer maakt deel uit van de gebruiksvoorwaarden van deze website.
Bhavna Kaveti is een wetenschappelijk schrijver uit Hyderabad, India. Ze behaalde een masterdiploma en een doctoraat in de organische en medicinale chemie aan het Vellore Institute of Technology in India en aan de Universiteit van Guanajuato in Mexico. Haar onderzoekswerk richt zich op de ontwikkeling en synthese van bioactieve moleculen op basis van heterocyclische verbindingen, en ze heeft ervaring met meerstaps- en multicomponentsynthese. Tijdens haar promotieonderzoek werkte ze aan de synthese van verschillende heterocyclische gebonden en gefuseerde peptidomimetische moleculen waarvan verwacht wordt dat ze de biologische activiteit verder kunnen functionaliseren. Tijdens het schrijven van proefschriften en onderzoekspapers verkende ze haar passie voor wetenschappelijk schrijven en communicatie.
Cavity, Buffner. (11 augustus 2022). Druksensor van volledig textiel, ontworpen voor draagbare gezondheidsmonitoring. AZonano. Geraadpleegd op 21 oktober 2022 via https://www.azonano.com/news.aspx?newsID=39544.
Cavity, Buffner. "Een weefseldruksensor ontworpen voor draagbare gezondheidsmonitoring." AZonano.21 oktober 2022 .21 oktober 2022 .
Cavity, Buffner. "Een weefseldruksensor ontworpen voor draagbare gezondheidsmonitoring". AZonano. https://www.azonano.com/news.aspx?newsID=39544. (Per 21 oktober 2022).
Cavity, Buffner. 2022. Druksensor van textiel, ontworpen voor draagbare gezondheidsmonitoring. AZoNano, geraadpleegd op 21 oktober 2022, https://www.azonano.com/news.aspx?newsID=39544.
In dit interview spreekt AZoNano met professor André Nel over een innovatief onderzoek waaraan hij meewerkt. Het onderzoek beschrijft de ontwikkeling van een nanodrager in de vorm van een ‘glazen bel’ die medicijnen kan helpen om alvleesklierkankercellen binnen te dringen.
In dit interview spreekt AZoNano met King Kong Lee van UC Berkeley over zijn met de Nobelprijs bekroonde technologie: het optische pincet.
In dit interview spreken we met SkyWater Technology over de staat van de halfgeleiderindustrie, hoe nanotechnologie de sector vormgeeft en hun nieuwe partnerschap.
Inoveno PE-550 is de best verkochte elektrospin-/spuitmachine voor de continue productie van nanovezels.
Filmetrics R54 Geavanceerde tool voor het in kaart brengen van de bladweerstand van halfgeleider- en composietwafers.