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Tragbare Drucksensoren können dazu beitragen, die menschliche Gesundheit zu überwachen und die Wechselwirkung zwischen Mensch und Komputer zu realisieren. Es werden Anstrengungen durchgeführt, um Drucksensoren mit einem universellen Gerätedesign und einer hohen Empfindlichkeit gegenüber mechanischer Spannung zu erzeugen.
Studie: webenmusternabhängiges textiler piezoelektrischer Druckwandler basierend auf elektrogesponnenen Polyvinyliden -Fluorid -Nanofasern mit 50 Düsen. Bildnachweis: Afrikanischer Studio/Shutterstock.com
In einem in der Zeitschrift NPJ Flexible Electronics veröffentlichten Artikel über die Herstellung von piezoelektrischen Druckwandlern für Stoffe unter Verwendung von Polyethylen -Terephthalat (PET) -Kettbecken und Polyvinylidenfluorid (PVDF) Schleifgarne. Die Leistung des entwickelten Drucksensors in Bezug auf die Druckmessung basierend auf dem Webmuster wird auf einer Stoffskala von ungefähr 2 Metern nachgewiesen.
Die Ergebnisse zeigen, dass die Empfindlichkeit eines Drucksensors, der unter Verwendung des 2/2 -Canard -Designs optimiert ist, um 245% höher ist als die des 1/1 -Canard -Designs. Darüber hinaus wurden verschiedene Inputs verwendet, um die Leistung der optimierten Stoffe zu bewerten, einschließlich Flexion, Drücken, Falten, Verdrehen und verschiedenen menschlichen Bewegungen. In dieser Arbeit weist ein Drucksensor auf Gewebebasis mit einem Sensor-Pixel-Array stabile Wahrnehmungsmerkmale und hohe Empfindlichkeit auf.
Reis. 1. Vorbereitung von PVDF -Fäden und multifunktionalen Stoffen. Ein Diagramm eines 50-Nozzle-Elektrospinning-Prozesses zur Herstellung von ausgerichteten Matten von PVDF-Nanofasern, bei denen Kupferstäbe parallel an einem Konsumentengürtel platziert werden, und die Stufen sind die Vorbereitung von drei geflochtenen Strukturen aus vierschichtigen Monofilamentfilamenten. B SEM -Bild und Durchmesserverteilung ausgerichteter PVDF -Fasern. c SEM-Bild eines vierlagigen Garns. D Zugfestigkeit und Dehnung bei Bruch eines vierlagigen Garns als Funktion der Verdrehung. E-Röntgenbeugungsmuster eines vierlagigen Garns, das das Vorhandensein von Alpha- und Beta-Phasen zeigt. © Kim, DB, Han, J., Sung, SM, Kim, MS, Choi, BK, Park, SJ, Hong, H. R et al. (2022)
Die schnelle Entwicklung intelligenter Roboter und tragbarer elektronischer Geräte hat viele neue Geräte auf der Grundlage flexibler Drucksensoren geführt, und deren Anwendungen in Elektronik, Industrie und Medizin entwickeln sich schnell.
Piezoelektrizität ist eine elektrische Ladung, die auf einem Material erzeugt wird, das einer mechanischen Spannung ausgesetzt ist. Die Piezoelektrizität in asymmetrischen Materialien ermöglicht eine lineare reversible Beziehung zwischen mechanischer Spannung und elektrischer Ladung. Wenn daher ein Stück piezoelektrisches Material physikalisch deformiert wird, wird eine elektrische Ladung erzeugt und umgekehrt.
Piezoelektrische Geräte können eine kostenlose mechanische Quelle verwenden, um eine alternative Stromquelle für elektronische Komponenten bereitzustellen, die wenig Strom verbrauchen. Die Art des Materials und die Struktur des Geräts sind Schlüsselparameter für die Erzeugung von Touch -Geräten basierend auf der elektromechanischen Kopplung. Neben anorganischen Materialien mit hoher Spannung wurden auch mechanisch flexible organische Materialien in tragbaren Geräten untersucht.
Polymere, die durch Elektrospinnmethoden zu Nanofasern verarbeitet werden, werden weit verbreitet als piezoelektrische Energiespeichergeräte. Piezoelektrische Polymer-Nanofasern erleichtern die Schaffung von Stoffbasis-Designstrukturen für tragbare Anwendungen, indem die elektromechanische Erzeugung auf der Grundlage der mechanischen Elastizität in einer Vielzahl von Umgebungen basiert.
Zu diesem Zweck werden piezoelektrische Polymere häufig verwendet, einschließlich PVDF und deren Derivate, die eine starke Piezoelektrizität aufweisen. Diese PVDF -Fasern werden für piezoelektrische Anwendungen, einschließlich Sensoren und Generatoren, in Stoffe gezogen.
Abbildung 2. Großflächengewebe und ihre physikalischen Eigenschaften. Foto eines großen 2/2 Schussrippenmusters bis zu 195 cm x 50 cm. B SEM -Bild eines 2/2 Schussmusters, das aus einem PVDF -Schuss mit zwei PET -Basen besteht. C -Modul und Dehnung bei Bruch 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 den vorliegenden Arbeiten werden Stoffgeneratoren auf Basis von PVDF-Nanofaserfilamenten unter Verwendung eines sequentiellen 50-Jet-Elektrospinning-Prozesses konstruiert, bei dem die Verwendung von 50 Düsen die Produktion von Nanofasermatten unter Verwendung eines rotierenden Gürtelförderbandes erleichtert. Verschiedene Webstrukturen werden mit PET -Garn erstellt, einschließlich 1/1 (einfach), 2/2 und 3/3 Schussrippen.
Frühere Arbeiten haben über die Verwendung von Kupfer für die Faserausrichtung in Form von ausgerichteten Kupferdrähten bei Fasersammlungstrommeln berichtet. Die aktuelle Arbeit besteht jedoch aus parallelen Kupferstangen, die auf einem Förderband von 1,5 cm voneinander entfernt sind, um die Spinner auf der Grundlage elektrostatischer Wechselwirkungen zwischen eingehenden geladenen Fasern und Ladungen auf der Oberfläche der an der Kupferfaser befestigten Fasern auszurichten.
Im Gegensatz zu zuvor beschriebenen kapazitiven oder piezoresistiven Sensoren reagiert der in diesem Papier vorgeschlagene Gewebedrucksensor auf einen weiten Bereich von Eingangskräften von 0,02 bis 694 Newtons. Darüber hinaus hielt der vorgeschlagene Stoffdrucksensor nach fünf Standardwaschungen 81,3% seines ursprünglichen Eingangs bei, was auf die Haltbarkeit des Drucksensors hinweist.
Darüber hinaus zeigten die Sensitivitätswerte, die Spannungs- und Stromergebnisse für 1/1, 2/2 und 3/3 Rippenstricken bewerten, eine hohe Spannungsempfindlichkeit von 83 und 36 mV/n bis 2/2 und 3/3 Rippendruck. 3 Schusssensoren zeigten 245% und 50% höhere Empfindlichkeit für diese Drucksensoren im Vergleich zu 24 mV/N -Schussdrucksensor 1/1.
Reis. 3. Erweiterte Anwendung des Vollkleid-Drucksensors. Ein Beispiel für einen Innensohle -Drucksensor aus 2/2 -Schuss -Rippengewebe, der unter zwei kreisförmige Elektroden eingeführt wurde, um Vorfuß (direkt unter den Zehen) und Fersenbewegungen zu erkennen. B Schematische Darstellung jeder Phase der einzelnen Schritte im Gehensprozess: Fersenlandung, Erdung, Zehenkontakt und Beinlift. C -Spannungsausgangssignale als Reaktion auf jeden Teil des Gangschritts für die Ganganalyse und d amplifizierte elektrische Signale, die mit jeder Phase des Gangs verbunden sind. E Schema eines Vollgewebedrucksensors mit einer Reihe von bis zu 12 rechteckigen Pixelzellen mit leitenden Linien, die so strukturiert sind, dass einzelne Signale aus jedem Pixel nachgewiesen werden. F Eine 3D -Karte des elektrischen Signals, das durch Drücken eines Fingers auf jedes Pixel erzeugt wird. G Ein elektrisches Signal wird nur im fingergepressten Pixel nachgewiesen, und in anderen Pixeln wird kein Seitensignal erzeugt, was bestätigt, dass kein Übersprechen vorhanden ist. © 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 PVDF -Nanofaser -Piezoelektrikfilamenten. Herstellte Drucksensoren haben einen weiten Bereich von Eingangskräften von 0,02 bis 694 Newtons.
Auf einem Prototyp Electric Spinning Machine wurden fünfzig Düsen verwendet, und eine kontinuierliche Matte von Nanofasern wurde unter Verwendung eines Batch -Förderers basierend auf Kupferstangen hergestellt. Unter intermittierender Kompression zeigte der hergestellte 2/2 Schusssäumengewebe eine Empfindlichkeit von 83 mV/n, was etwa 245% höher ist als der 1/1 Schusssaum.
Die vorgeschlagenen Allbedrucksensoren überwachen elektrische Signale, indem sie physiologische Bewegungen unterzogen werden, einschließlich Verdrehen, Biegen, Drücken, Laufen und Gehen. Darüber hinaus sind diese Stoffdruckmessgeräte in Bezug auf die Haltbarkeit mit herkömmlichen Stoffen vergleichbar und behalten ungefähr 81,3% ihrer ursprünglichen Ausbeute auch nach 5 Standardwaschungen bei. Darüber hinaus ist der hergestellte Gewebesensor im Gesundheitssystem wirksam, indem er elektrische Signale basierend auf kontinuierlichen Segmenten des Gehens einer Person erzeugt.
Kim, DB, Han, J., Sung, SM, Kim, MS, Choi, BK, Park, SJ, Hong, HR, et al. (2022). Stoff -Piezoelektrik -Drucksensor basierend auf elektrogesponnenen Polyvinyliden -Fluorid -Nanofasern mit 50 Düsen, abhängig vom Gewebemuster. Flexible Elektronik NPJ. https://www.nature.com/articles/s41528-022-00203-6.
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Bhavna Kaveti ist ein Wissenschaftsautor aus Hyderabad, Indien. Sie hat MSC und MD vom Vellore Institute of Technology, Indien. in organischer und medizinischer Chemie von der Universität Guanajuato, Mexiko. Ihre Forschungsarbeit bezieht sich auf die Entwicklung und Synthese von bioaktiven Molekülen, die auf Heterocyclen basieren, und sie verfügt über Erfahrung in mehrstufigen und mehrkomponenten Synthese. Während ihrer Doktorarbeit arbeitete sie an der Synthese verschiedener gebundener und verschmolzener peptidomimetischer Moleküle, von denen erwartet wird, dass sie das Potenzial haben, die biologische Aktivität weiter zu funktionalisieren. Während sie Dissertationen und Forschungsarbeiten schrieb, untersuchte sie ihre Leidenschaft für wissenschaftliches Schreiben und Kommunikation.
Hohlraum, Buffner. (11. August 2022). Voller Stoffdrucksensor für die tragbare Gesundheitsüberwachung. Azonano. Abgerufen am 21. Oktober 2022 von https://www.azonano.com/news.aspx?newsid=39544.
Hohlraum, Buffner. „Ein All-Gewebe-Drucksensor für die tragbare Gesundheitsüberwachung“. Azonano.21. Oktober 2022.21. Oktober 2022.
Hohlraum, Buffner. „Ein All-Gewebe-Drucksensor für die tragbare Gesundheitsüberwachung“. Azonano. https://www.azonano.com/news.aspx?newsid=39544. (Ab dem 21. Oktober 2022).
Hohlraum, Buffner. 2022. All-Cloth-Drucksensor für die tragbare Gesundheitsüberwachung ausgelegt. Azonano, abgerufen am 21. Oktober 2022, https://www.azonano.com/news.aspx?newsid=39544.
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