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Tragbare Drucksensoren können dabei helfen, die menschliche Gesundheit zu überwachen und die Interaktion zwischen Mensch und Computer zu ermöglichen.Derzeit wird daran gearbeitet, Drucksensoren mit universellem Gerätedesign und hoher Empfindlichkeit gegenüber mechanischer Beanspruchung zu entwickeln.
Studie: Webmusterabhängiger textiler piezoelektrischer Druckwandler auf Basis elektrogesponnener Polyvinylidenfluorid-Nanofasern mit 50 Düsen.Bildquelle: African Studio/Shutterstock.com
Ein in der Zeitschrift npj Flexible Electronics veröffentlichter Artikel berichtet über die Herstellung piezoelektrischer Druckwandler für Stoffe unter Verwendung von Kettgarnen aus Polyethylenterephthalat (PET) und Schussgarnen aus Polyvinylidenfluorid (PVDF).Die Leistungsfähigkeit des entwickelten Drucksensors in Bezug auf die Druckmessung anhand des Webmusters wird auf einer Stoffwaage von ca. 2 Metern demonstriert.
Die Ergebnisse zeigen, dass die Empfindlichkeit eines Drucksensors, der mit dem 2/2-Canard-Design optimiert wurde, um 245 % höher ist als die des 1/1-Canard-Designs.Darüber hinaus wurden verschiedene Eingaben verwendet, um die Leistung der optimierten Stoffe zu bewerten, darunter Flexion, Quetschung, Faltenbildung, Verdrehung und verschiedene menschliche Bewegungen.In dieser Arbeit weist ein gewebebasierter Drucksensor mit einem Sensorpixelarray stabile Wahrnehmungseigenschaften und eine hohe Empfindlichkeit auf.
Reis.1. Vorbereitung von PVDF-Fäden und Multifunktionsgeweben.ein Diagramm eines 50-Düsen-Elektrospinnverfahrens zur Herstellung ausgerichteter Matten aus PVDF-Nanofasern, bei dem Kupferstäbe parallel auf einem Förderband platziert werden und die Schritte darin bestehen, drei geflochtene Strukturen aus vierschichtigen Monofilamentfilamenten herzustellen.b REM-Bild und Durchmesserverteilung ausgerichteter PVDF-Fasern.c REM-Aufnahme eines vierfädigen Garns.d Zugfestigkeit und Bruchdehnung eines Vierfachgarns als Funktion der Drehung.e Röntgenbeugungsmuster eines vierlagigen Garns, das das Vorhandensein von Alpha- und Betaphasen zeigt.© Kim, DB, Han, J., Sung, SM, Kim, MS, Choi, BK, Park, SJ, Hong, H. R et al.(2022)
Die rasante Entwicklung intelligenter Roboter und tragbarer elektronischer Geräte hat zu vielen neuen Geräten geführt, die auf flexiblen Drucksensoren basieren, und ihre Anwendungen in der Elektronik, Industrie und Medizin entwickeln sich rasant.
Piezoelektrizität ist eine elektrische Ladung, die auf einem Material erzeugt wird, das mechanischer Belastung ausgesetzt ist.Piezoelektrizität in asymmetrischen Materialien ermöglicht eine lineare reversible Beziehung zwischen mechanischer Spannung und elektrischer Ladung.Wenn daher ein Stück piezoelektrisches Material physikalisch verformt wird, entsteht eine elektrische Ladung und umgekehrt.
Piezoelektrische Geräte können eine freie mechanische Quelle nutzen, um eine alternative Stromquelle für elektronische Komponenten bereitzustellen, die wenig Strom verbrauchen.Materialart und Struktur des Gerätes sind entscheidende Parameter für die Herstellung von Touch-Geräten auf Basis elektromechanischer Kopplung.Neben anorganischen Hochspannungsmaterialien wurden auch mechanisch flexible organische Materialien in tragbaren Geräten untersucht.
Durch Elektrospinnverfahren zu Nanofasern verarbeitete Polymere werden häufig als piezoelektrische Energiespeicher verwendet.Piezoelektrische Polymer-Nanofasern erleichtern die Schaffung stoffbasierter Designstrukturen für tragbare Anwendungen, indem sie eine elektromechanische Erzeugung basierend auf mechanischer Elastizität in einer Vielzahl von Umgebungen ermöglichen.
Zu diesem Zweck werden häufig piezoelektrische Polymere verwendet, darunter PVDF und seine Derivate, die eine starke Piezoelektrizität aufweisen.Diese PVDF-Fasern werden gezogen und zu Stoffen für piezoelektrische Anwendungen wie Sensoren und Generatoren gesponnen.
Abbildung 2. Großflächige Gewebe und ihre physikalischen Eigenschaften.Foto eines großen 2/2-Schussrippenmusters bis zu 195 cm x 50 cm.b REM-Aufnahme eines 2/2-Schussmusters, bestehend aus einem PVDF-Schussfaden, der mit zwei PET-Grundlagen verschachtelt ist.c Modul und Bruchdehnung in verschiedenen Stoffen mit 1/1, 2/2 und 3/3 Schusskanten.d ist der für den Stoff gemessene Hängewinkel.© Kim, DB, Han, J., Sung, SM, Kim, MS, Choi, BK, Park, SJ, Hong, H. R et al.(2022)
In der vorliegenden Arbeit werden Stoffgeneratoren auf Basis von PVDF-Nanofaserfilamenten mithilfe eines sequentiellen 50-Düsen-Elektrospinnverfahrens konstruiert, wobei der Einsatz von 50 Düsen die Herstellung von Nanofasermatten mithilfe eines rotierenden Förderbandes erleichtert.Aus PET-Garn werden verschiedene Webstrukturen erzeugt, darunter 1/1 (einfache), 2/2 und 3/3 Schussrippen.
In früheren Arbeiten wurde über die Verwendung von Kupfer zur Faserausrichtung in Form ausgerichteter Kupferdrähte auf Fasersammeltrommeln berichtet.Die aktuelle Arbeit besteht jedoch aus parallelen Kupferstäben, die im Abstand von 1,5 cm auf einem Förderband angeordnet sind, um die Ausrichtung der Spinndüsen auf der Grundlage elektrostatischer Wechselwirkungen zwischen ankommenden geladenen Fasern und Ladungen auf der Oberfläche der an der Kupferfaser befestigten Fasern zu unterstützen.
Im Gegensatz zu zuvor beschriebenen kapazitiven oder piezoresistiven Sensoren reagiert der in diesem Artikel vorgeschlagene Gewebedrucksensor auf einen weiten Bereich von Eingangskräften von 0,02 bis 694 Newton.Darüber hinaus behielt der vorgeschlagene Stoffdrucksensor nach fünf Standardwaschgängen 81,3 % seines ursprünglichen Eingangssignals bei, was auf die Haltbarkeit des Drucksensors hinweist.
Darüber hinaus zeigten die Empfindlichkeitswerte zur Bewertung der Spannungs- und Stromergebnisse für 1/1-, 2/2- und 3/3-Rippenstricken eine hohe Spannungsempfindlichkeit von 83 und 36 mV/N gegenüber 2/2- und 3/3-Rippendruck.3 Schussfadensensoren zeigten eine um 245 % bzw. 50 % höhere Empfindlichkeit dieser Drucksensoren im Vergleich zum 24 mV/N-Schussdrucksensor 1/1.
Reis.3. Erweiterte Anwendung des Drucksensors für den gesamten Stoff.a Beispiel eines Einlegesohlen-Drucksensors aus 2/2-Schuss-Rippengewebe, der unter zwei kreisförmigen Elektroden eingesetzt ist, um Vorfuß- (direkt unter den Zehen) und Fersenbewegungen zu erfassen.b Schematische Darstellung der einzelnen Schritte des Gehprozesses: Fersenlandung, Bodenkontakt, Zehenkontakt und Beinheben.c Spannungsausgangssignale als Reaktion auf jeden Teil des Gangschritts zur Ganganalyse und d Verstärkte elektrische Signale, die jeder Phase des Gangs zugeordnet sind.e Schema eines vollständigen Gewebedrucksensors mit einer Anordnung von bis zu 12 rechteckigen Pixelzellen mit Leiterbahnen, die so strukturiert sind, dass individuelle Signale von jedem Pixel erfasst werden.f Eine 3D-Karte des elektrischen Signals, das durch Drücken eines Fingers auf jedes Pixel erzeugt wird.g Ein elektrisches Signal wird nur in dem mit dem Finger gedrückten Pixel erkannt und in anderen Pixeln wird kein Nebensignal erzeugt, was bestätigt, dass kein Übersprechen vorliegt.© Kim, DB, Han, J., Sung, SM, Kim, MS, Choi, BK, Park, SJ, Hong, H. R et al.(2022)
Zusammenfassend zeigt diese Studie einen hochempfindlichen und tragbaren Gewebedrucksensor mit piezoelektrischen PVDF-Nanofaserfilamenten.Hergestellte Drucksensoren verfügen über einen breiten Eingangskräftebereich von 0,02 bis 694 Newton.
An einem Prototyp einer elektrischen Spinnmaschine wurden 50 Düsen verwendet, und mithilfe eines Chargenförderers auf Basis von Kupferstäben wurde eine kontinuierliche Matte aus Nanofasern hergestellt.Unter intermittierender Kompression zeigte das hergestellte 2/2-Schuss-Saumgewebe eine Empfindlichkeit von 83 mV/N, was etwa 245 % höher ist als das 1/1-Schuss-Saumgewebe.
Die vorgeschlagenen vollständig gewebten Drucksensoren überwachen elektrische Signale, indem sie sie physiologischen Bewegungen aussetzen, darunter Drehen, Beugen, Drücken, Laufen und Gehen.Darüber hinaus sind diese Stoffdruckmessgeräte hinsichtlich der Haltbarkeit mit herkömmlichen Stoffen vergleichbar und behalten auch nach 5 Standardwäschen etwa 81,3 % ihrer ursprünglichen Ergiebigkeit.Darüber hinaus ist der hergestellte Gewebesensor im Gesundheitssystem wirksam, indem er elektrische Signale basierend auf kontinuierlichen Schrittabschnitten einer Person erzeugt.
Kim, DB, Han, J., Sung, SM, Kim, MS, Choi, BK, Park, SJ, Hong, HR, et al.(2022).Piezoelektrischer Stoffdrucksensor auf Basis elektrogesponnener Polyvinylidenfluorid-Nanofasern mit 50 Düsen, abhängig vom Webmuster.Flexible Elektronik npj.https://www.nature.com/articles/s41528-022-00203-6.
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Bhavna Kaveti ist eine Wissenschaftsjournalistin aus Hyderabad, Indien.Sie hat einen MSc und MD vom Vellore Institute of Technology, Indien.in organischer und medizinischer Chemie an der Universität Guanajuato, Mexiko.Ihre Forschungsarbeit bezieht sich auf die Entwicklung und Synthese bioaktiver Moleküle auf Basis von Heterozyklen und sie verfügt über Erfahrung in der Mehrschritt- und Mehrkomponentensynthese.Während ihrer Doktorarbeit beschäftigte sie sich mit der Synthese verschiedener heterocyclischer gebundener und fusionierter peptidomimetischer Moleküle, von denen man erwartet, dass sie das Potenzial haben, die biologische Aktivität weiter zu funktionalisieren.Während sie Dissertationen und Forschungsarbeiten verfasste, entdeckte sie ihre Leidenschaft für wissenschaftliches Schreiben und Kommunikation.
Hohlraum, Buffner.(11. August 2022).Vollständiger Drucksensor für die tragbare Gesundheitsüberwachung.AZonano.Abgerufen am 21. Oktober 2022 von https://www.azonano.com/news.aspx?newsID=39544.
Hohlraum, Buffner.„Ein Drucksensor für das gesamte Gewebe, der für die tragbare Gesundheitsüberwachung entwickelt wurde.“AZonano.21. Oktober 2022 .21. Oktober 2022 .
Hohlraum, Buffner.„Ein Drucksensor für das gesamte Gewebe, der für die tragbare Gesundheitsüberwachung entwickelt wurde.“AZonano.https://www.azonano.com/news.aspx?newsID=39544.(Stand: 21. Oktober 2022).
Hohlraum, Buffner.2022. Drucksensor für den gesamten Stoffbereich zur tragbaren Gesundheitsüberwachung.AZoNano, abgerufen am 21. Oktober 2022, https://www.azonano.com/news.aspx?newsID=39544.
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