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Tragbare Drucksensoren können zur Überwachung der menschlichen Gesundheit beitragen und die Mensch-Computer-Interaktion ermöglichen. Derzeit werden Drucksensoren mit universellem Design und hoher Empfindlichkeit gegenüber mechanischer Belastung entwickelt.
Studie: Webmusterabhängiger textiler piezoelektrischer Druckwandler basierend auf elektrogesponnenen Polyvinylidenfluorid-Nanofasern mit 50 Düsen. Bildnachweis: African Studio/Shutterstock.com
Ein in der Fachzeitschrift npj Flexible Electronics veröffentlichter Artikel berichtet über die Herstellung piezoelektrischer Drucksensoren für Textilien aus Kettgarnen aus Polyethylenterephthalat (PET) und Schussgarnen aus Polyvinylidenfluorid (PVDF). Die Leistung des entwickelten Drucksensors in Bezug auf die Druckmessung basierend auf dem Webmuster wird auf einem etwa zwei Meter langen Stoff demonstriert.
Die Ergebnisse zeigen, dass die Empfindlichkeit eines mit dem 2/2-Canard-Design optimierten Drucksensors 245 % höher ist als die des 1/1-Canard-Designs. Zusätzlich wurden verschiedene Parameter zur Bewertung der Leistung der optimierten Gewebe herangezogen, darunter Beugung, Quetschung, Faltenbildung, Verdrehung und verschiedene menschliche Bewegungen. In dieser Arbeit weist ein gewebebasierter Drucksensor mit einem Sensorpixel-Array stabile Wahrnehmungseigenschaften und eine hohe Empfindlichkeit auf.
Reis. 1. Herstellung von PVDF-Fäden und Multifunktionsgeweben. a Diagramm eines 50-Düsen-Elektrospinnprozesses zur Herstellung ausgerichteter Matten aus PVDF-Nanofasern. Dabei werden Kupferstäbe parallel auf einem Förderband platziert. Die einzelnen Schritte dienen der Herstellung dreier geflochtener Strukturen aus vierlagigen Monofilamenten. b SEM-Aufnahme und Durchmesserverteilung ausgerichteter PVDF-Fasern. c SEM-Aufnahme eines vierlagigen Garns. d Zugfestigkeit und Bruchdehnung eines vierlagigen Garns in Abhängigkeit von der Drehung. e Röntgenbeugungsmuster eines vierlagigen Garns mit Alpha- und Beta-Phasen. © 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 zur Entstehung zahlreicher neuer Geräte auf Basis flexibler Drucksensoren geführt, und ihre Anwendungsmöglichkeiten in der Elektronik, Industrie und Medizin entwickeln sich rasant.
Piezoelektrizität ist die Erzeugung elektrischer Ladung in einem Material, das mechanischer Spannung ausgesetzt ist. Piezoelektrizität in asymmetrischen Materialien ermöglicht eine lineare, reversible Beziehung zwischen mechanischer Spannung und elektrischer Ladung. Daher entsteht bei der physikalischen Verformung eines piezoelektrischen Materials eine elektrische Ladung und umgekehrt.
Piezoelektrische Geräte können eine freie mechanische Quelle nutzen, um eine alternative Energiequelle für elektronische Komponenten mit geringem Stromverbrauch bereitzustellen. Material und Struktur des Geräts sind Schlüsselparameter für die Herstellung von Touch-Geräten auf Basis elektromechanischer Kopplung. Neben anorganischen Hochspannungsmaterialien wurden auch mechanisch flexible organische Materialien für tragbare Geräte untersucht.
Durch Elektrospinnen zu Nanofasern verarbeitete Polymere werden häufig als piezoelektrische Energiespeicher eingesetzt. Piezoelektrische Polymer-Nanofasern ermöglichen die Herstellung gewebebasierter Designstrukturen für tragbare Anwendungen, indem sie elektromechanische Energieerzeugung auf Basis mechanischer Elastizität in verschiedenen 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 Geweben für piezoelektrische Anwendungen, einschließlich Sensoren und Generatoren, gesponnen.
Abbildung 2. Großflächige Gewebe und ihre physikalischen Eigenschaften. Fotografie eines großen 2/2-Schuss-Rippenmusters mit bis zu 195 cm x 50 cm. b SEM-Aufnahme eines 2/2-Schussmusters, bestehend aus einem PVDF-Schuss, der mit zwei PET-Basen verschachtelt ist. c Modul und Bruchdehnung in verschiedenen Geweben mit 1/1-, 2/2- und 3/3-Schusskanten. d ist der gemessene Hängewinkel des Gewebes. © Kim, DB, Han, J., Sung, SM, Kim, MS, Choi, BK, Park, SJ, Hong, H. R et al. (2022)
In der vorliegenden Arbeit werden Gewebegeneratoren auf Basis von PVDF-Nanofaserfilamenten mittels eines sequentiellen 50-Düsen-Elektrospinnverfahrens hergestellt. Der Einsatz von 50 Düsen ermöglicht die Herstellung von Nanofasermatten mithilfe eines rotierenden Förderbandes. Mit PET-Garn werden verschiedene Webstrukturen erzeugt, darunter 1/1 (glatt), 2/2 und 3/3 Schussrippen.
Frühere Arbeiten berichteten über die Verwendung von Kupfer zur Faserausrichtung in Form ausgerichteter Kupferdrähte auf Fasersammeltrommeln. Die aktuelle Arbeit besteht jedoch aus parallelen Kupferstäben im Abstand von 1,5 cm auf einem Förderband. Diese dienen der Ausrichtung der Spinndüsen auf Grundlage elektrostatischer Wechselwirkungen zwischen eingehenden geladenen Fasern und Ladungen auf der Oberfläche der an der Kupferfaser haftenden Fasern.
Im Gegensatz zu zuvor beschriebenen kapazitiven oder piezoresistiven Sensoren reagiert der hier vorgestellte Gewebedrucksensor auf einen breiten Kraftbereich von 0,02 bis 694 Newton. Darüber hinaus behielt der Gewebedrucksensor nach fünf Standardwäschen 81,3 % seiner ursprünglichen Eingangsleistung, was auf die Langlebigkeit des Drucksensors hindeutet.
Darüber hinaus zeigten die Empfindlichkeitswerte aus der Auswertung der Spannungs- und Stromergebnisse für 1/1-, 2/2- und 3/3-Rippenstrick eine hohe Spannungsempfindlichkeit von 83 und 36 mV/N gegenüber 2/2- und 3/3-Rippendruck. 3 Schusssensoren zeigten für diese Drucksensoren eine um 245 % bzw. 50 % höhere Empfindlichkeit im Vergleich zum 24 mV/N-Schussdrucksensor 1/1.
Reis. 3. Erweiterte Anwendung eines Drucksensors aus Vollgewebe. a Beispiel eines Einlegesohlen-Drucksensors aus 2/2-Schuss-Rippengewebe, der unter zwei kreisförmigen Elektroden eingefügt ist, um die Bewegung des Vorderfußes (knapp unter den Zehen) und der Ferse zu erfassen. b Schematische Darstellung jeder Phase der einzelnen Schritte beim Gehen: Fersenlandung, Bodenhaftung, Zehenkontakt und Beinheben. c Spannungsausgangssignale als Reaktion auf jeden Teil des Gangschritts zur Ganganalyse und d Verstärkte elektrische Signale, die mit jeder Phase des Gangs verbunden sind. e Schema eines Vollgewebe-Drucksensors mit einer Anordnung von bis zu 12 rechteckigen Pixelzellen mit leitfähigen Linien, die so gemustert sind, dass sie einzelne Signale von jedem Pixel erfassen. f Eine 3D-Karte des elektrischen Signals, das durch Drücken eines Fingers auf jedes Pixel erzeugt wird. g Ein elektrisches Signal wird nur im 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 lässt sich sagen, dass diese Studie einen hochempfindlichen und tragbaren Gewebedrucksensor mit piezoelektrischen PVDF-Nanofaserfilamenten präsentiert. Die hergestellten Drucksensoren decken einen breiten Eingangskraftbereich von 0,02 bis 694 Newton ab.
An einem Prototyp einer elektrischen Spinnmaschine wurden 50 Düsen eingesetzt, und mithilfe eines Chargenförderers auf Kupferstabbasis wurde eine Endlosmatte aus Nanofasern hergestellt. Unter intermittierender Kompression zeigte das hergestellte 2/2-Schusssaumgewebe eine Empfindlichkeit von 83 mV/N, was etwa 245 % höher ist als beim 1/1-Schusssaumgewebe.
Die vorgeschlagenen vollgewebten Drucksensoren überwachen elektrische Signale, indem sie sie physiologischen Bewegungen wie Drehen, Beugen, Drücken, Laufen und Gehen aussetzen. Darüber hinaus sind diese Gewebedruckmesser hinsichtlich ihrer Haltbarkeit mit herkömmlichen Stoffen vergleichbar und behalten selbst nach fünf Standardwäschen noch etwa 81,3 % ihrer ursprünglichen Festigkeit. Darüber hinaus ist der hergestellte Gewebesensor im Gesundheitswesen effektiv, indem er elektrische Signale basierend auf kontinuierlichen Gehsegmenten einer Person erzeugt.
Kim, DB, Han, J., Sung, SM, Kim, MS, Choi, BK, Park, SJ, Hong, HR, et al. (2022). Piezoelektrischer Textildrucksensor basierend auf elektrogesponnenen 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 Wissenschaftsautorin aus Hyderabad, Indien. Sie hat einen MSc und MD vom Vellore Institute of Technology, Indien, und einen Abschluss in organischer und medizinischer Chemie von der Universität Guanajuato, Mexiko. Ihre Forschungsarbeit befasst sich mit der Entwicklung und Synthese bioaktiver Moleküle auf Basis von Heterozyklen und verfügt über Erfahrung in der mehrstufigen und mehrkomponentigen Synthese. Während ihrer Doktorarbeit beschäftigte sie sich mit der Synthese verschiedener gebundener und kondensierter peptidomimetischer Moleküle auf Heterozyklenbasis, die voraussichtlich das Potenzial haben, biologische Aktivitäten weiter zu funktionalisieren. Beim Verfassen von Dissertationen und Forschungsarbeiten widmete sie sich ihrer Leidenschaft für wissenschaftliches Schreiben und wissenschaftliche Kommunikation.
Cavity, Buffner. (11. August 2022). Vollgewebe-Drucksensor für tragbare Gesundheitsüberwachung. Abgerufen am 21. Oktober 2022 von https://www.azonano.com/news.aspx?newsID=39544.
Cavity, Buffner. „Ein Gewebedrucksensor für tragbare Gesundheitsüberwachung“. AZonano.21. Oktober 2022 .21. Oktober 2022 .
Cavity, Buffner. „Ein Gewebedrucksensor für tragbare Gesundheitsüberwachung“. AZonano. https://www.azonano.com/news.aspx?newsID=39544. (Stand: 21. Oktober 2022).
Cavity, Buffner. 2022. Stoffdrucksensor für tragbare Gesundheitsüberwachung. AZoNano, abgerufen am 21. Oktober 2022, https://www.azonano.com/news.aspx?newsID=39544.
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