Vi använder cookies för att förbättra din upplevelse. Genom att fortsätta använda webbplatsen godkänner du vår användning av cookies. Ytterligare information.
Bärbara trycksensorer kan hjälpa till att övervaka människors hälsa och förverkliga interaktion mellan människa och dator. Arbetet pågår för att skapa trycksensorer med universell design och hög känslighet för mekanisk stress.
Studie: Vävmönsterberoende piezoelektrisk tryckgivare i textil baserad på elektrospunna polyvinylidenfluorid-nanofibrer med 50 munstycken. Bildkälla: African Studio/Shutterstock.com
En artikel publicerad i tidskriften npj Flexible Electronics rapporterar om tillverkning av piezoelektriska tryckgivare för tyger med hjälp av varpgarn av polyetylentereftalat (PET) och väftgarn av polyvinylidenfluorid (PVDF). Den utvecklade trycksensorns prestanda i förhållande till tryckmätning baserat på vävmönstret demonstreras på en tygskala på cirka 2 meter.
Resultaten visar att känsligheten hos en trycksensor optimerad med 2/2 canard-designen är 245 % högre än hos 1/1 canard-designen. Dessutom användes olika indata för att utvärdera prestandan hos de optimerade tygerna, inklusive flexion, klämning, rynkning, vridning och olika mänskliga rörelser. I detta arbete uppvisar en vävnadsbaserad trycksensor med en sensorpixelmatris stabila perceptuella egenskaper och hög känslighet.
Ris. 1. Framställning av PVDF-trådar och multifunktionella tyger. ett diagram över en elektrospinningsprocess med 50 munstycken som används för att producera uppradade mattor av PVDF-nanofibrer, där kopparstavar placeras parallellt på ett transportband, och stegen är att framställa tre flätade strukturer från fyrlagers monofilamentfilament. b SEM-bild och diameterfördelning av uppradade PVDF-fibrer. c SEM-bild av ett fyrlagersgarn. d Draghållfasthet och brottöjning hos ett fyrlagersgarn som funktion av tvinning. e Röntgendiffraktionsmönster hos ett fyrlagersgarn som visar närvaron av alfa- och beta-faser. © Kim, DB, Han, J., Sung, SM, Kim, MS, Choi, BK, Park, SJ, Hong, H. R et al. (2022)
Den snabba utvecklingen av intelligenta robotar och bärbara elektroniska apparater har gett upphov till många nya apparater baserade på flexibla trycksensorer, och deras tillämpningar inom elektronik, industri och medicin utvecklas snabbt.
Piezoelektricitet är en elektrisk laddning som genereras på ett material som utsätts för mekanisk stress. Piezoelektricitet i asymmetriska material möjliggör ett linjärt reversibelt förhållande mellan mekanisk stress och elektrisk laddning. Därför, när en bit piezoelektriskt material deformeras fysiskt, skapas en elektrisk laddning, och vice versa.
Piezoelektriska apparater kan använda en fri mekanisk källa för att tillhandahålla en alternativ strömkälla för elektroniska komponenter som förbrukar lite ström. Materialtypen och apparatstrukturen är viktiga parametrar för produktion av pekskärmar baserade på elektromekanisk koppling. Förutom oorganiska material med hög spänning har även mekaniskt flexibla organiska material utforskats i bärbara apparater.
Polymerer som bearbetats till nanofibrer med elektrospinningmetoder används i stor utsträckning som piezoelektriska energilagringsenheter. Piezoelektriska polymernanofibrer underlättar skapandet av tygbaserade designstrukturer för bärbara tillämpningar genom att tillhandahålla elektromekanisk generering baserad på mekanisk elasticitet i en mängd olika miljöer.
För detta ändamål används piezoelektriska polymerer i stor utsträckning, inklusive PVDF och dess derivat, vilka har stark piezoelektricitet. Dessa PVDF-fibrer dras och spinns till tyger för piezoelektriska tillämpningar, inklusive sensorer och generatorer.
Figur 2. Stora vävnader och deras fysikaliska egenskaper. Fotografi av ett stort 2/2-väftmönster upp till 195 cm x 50 cm. b SEM-bild av ett 2/2-väftmönster bestående av en PVDF-väft sammanflätad med två PET-baser. c Modul och brottöjning i olika tyger med 1/1-, 2/2- och 3/3-väftkanter. d är den uppmätta hängvinkeln för tyget. © Kim, DB, Han, J., Sung, SM, Kim, MS, Choi, BK, Park, SJ, Hong, H. R et al. (2022)
I föreliggande arbete konstrueras tyggeneratorer baserade på PVDF-nanofiberfilament med hjälp av en sekventiell 50-jets elektrospinningsprocess, där användningen av 50 munstycken underlättar produktionen av nanofibermattor med hjälp av ett roterande bandtransportband. Olika vävstrukturer skapas med PET-garn, inklusive 1/1 (släta), 2/2 och 3/3 väftribbor.
Tidigare arbete har rapporterat användningen av koppar för fiberjustering i form av justerade koppartrådar på fiberuppsamlingstrummor. Det aktuella arbetet består dock av parallella kopparstavar placerade 1,5 cm från varandra på ett transportband för att hjälpa till att justera spinnmunstyckena baserat på elektrostatiska interaktioner mellan inkommande laddade fibrer och laddningar på ytan av fibrerna fästa vid kopparfibern.
Till skillnad från tidigare beskrivna kapacitiva eller piezoresistiva sensorer, reagerar den vävnadstrycksensor som föreslås i denna artikel på ett brett spektrum av ingångskrafter från 0,02 till 694 Newton. Dessutom behöll den föreslagna tygtrycksensorn 81,3 % av sin ursprungliga ingångskraft efter fem standardtvättar, vilket indikerar trycksensorns hållbarhet.
Dessutom visade känslighetsvärden som utvärderade spännings- och strömresultat för 1/1, 2/2 och 3/3 ribbstickning hög spänningskänslighet på 83 och 36 mV/N för 2/2 och 3/3 ribbtryck. 3 väftsensorer uppvisade 245 % respektive 50 % högre känslighet för dessa trycksensorer jämfört med 24 mV/N väfttrycksensorn 1/1.
Rice. 3. Utökad tillämpning av trycksensor för hela tyget. a Exempel på en trycksensor för innersula tillverkad av 2/2 väft ribbat tyg insatt under två cirkulära elektroder för att detektera framfoten (strax under tårna) och hälens rörelse. b Schematisk representation av varje steg i de enskilda stegen i gångprocessen: hällandning, jordning, tåkontakt och benlyft. c Spänningsutgångssignaler som svar på varje del av gångsteget för gånganalys och d Förstärkta elektriska signaler associerade med varje fas av gången. e Schematisk bild av en trycksensor för hela vävnaden med en matris av upp till 12 rektangulära pixelceller med ledande linjer mönstrade för att detektera individuella signaler från varje pixel. f En 3D-karta över den elektriska signalen som genereras genom att trycka ett finger på varje pixel. g En elektrisk signal detekteras endast i den fingertryckta pixeln, och ingen sidosignal genereras i andra pixlar, vilket bekräftar att det inte finns någon överhörning. © Kim, DB, Han, J., Sung, SM, Kim, MS, Choi, BK, Park, SJ, Hong, H. R et al. (2022)
Sammanfattningsvis visar denna studie en mycket känslig och bärbar vävnadstrycksensor som innehåller piezoelektriska filament av PVDF-nanofiber. Tillverkade trycksensorer har ett brett spektrum av ingångskrafter från 0,02 till 694 Newton.
Femtio munstycken användes på en prototyp av en elektrisk spinnmaskin, och en kontinuerlig matta av nanofibrer tillverkades med hjälp av en satstransportör baserad på kopparstavar. Under intermittent kompression uppvisade den tillverkade 2/2 väftfålltyget en känslighet på 83 mV/N, vilket är cirka 245 % högre än 1/1 väftfålltyget.
De föreslagna helvävda trycksensorerna övervakar elektriska signaler genom att utsätta dem för fysiologiska rörelser, inklusive vridning, böjning, klämning, löpning och gång. Dessutom är dessa tygtrycksmätare jämförbara med konventionella tyger vad gäller hållbarhet och bibehåller cirka 81,3 % av sin ursprungliga avkastning även efter 5 standardtvättar. Dessutom är den tillverkade vävnadssensorn effektiv inom hälsovårdssystemet genom att generera elektriska signaler baserat på kontinuerliga segment av en persons gång.
Kim, DB, Han, J., Sung, SM, Kim, MS, Choi, BK, Park, SJ, Hong, HR, et al. (2022). Piezoelektrisk trycksensor för tyg baserad på elektrospunna polyvinylidenfluorid-nanofibrer med 50 munstycken, beroende på vävmönstret. Flexibel elektronik npj. https://www.nature.com/articles/s41528-022-00203-6.
Friskrivning: De åsikter som uttrycks här är författarens egna och återspeglar inte nödvändigtvis åsikterna hos AZoM.com Limited T/A AZoNetwork, ägaren och operatören av denna webbplats. Denna friskrivning är en del av användarvillkoren för denna webbplats.
Bhavna Kaveti är en vetenskapsskribent från Hyderabad, Indien. Hon har en magisterexamen och en läkarexamen från Vellore Institute of Technology, Indien, i organisk och medicinsk kemi från University of Guanajuato, Mexiko. Hennes forskningsarbete är relaterat till utveckling och syntes av bioaktiva molekyler baserade på heterocykler, och hon har erfarenhet av flerstegs- och flerkomponentsyntes. Under sin doktorandforskning arbetade hon med syntesen av olika heterocykliska bundna och fuserade peptidomimetiska molekyler som förväntas ha potential att ytterligare funktionalisera biologisk aktivitet. Medan hon skrev avhandlingar och forskningsartiklar utforskade hon sin passion för vetenskapligt skrivande och kommunikation.
Cavity, Buffner. (11 augusti 2022). Heltäckande tygtryckssensor utformad för bärbar hälsoövervakning. AZonano. Hämtad 21 oktober 2022 från https://www.azonano.com/news.aspx?newsID=39544.
Cavity, Buffner. ”En trycksensor för hela vävnaden utformad för bärbar hälsoövervakning”. AZonano.21 oktober 2022.21 oktober 2022.
Cavity, Buffner. ”En vävnadstrycksensor utformad för bärbar hälsoövervakning”. AZonano. https://www.azonano.com/news.aspx?newsID=39544. (Från och med 21 oktober 2022).
Cavity, Buffner. 2022. Trycksensor helt i tyg utformad för bärbar hälsoövervakning. AZoNano, hämtad 21 oktober 2022, https://www.azonano.com/news.aspx?newsID=39544.
I den här intervjun pratar AZoNano med professor André Nel om en innovativ studie han är involverad i, som beskriver utvecklingen av en nanobärare av typen ”glasbubbla” som kan hjälpa läkemedel att komma in i bukspottkörtelcancerceller.
I den här intervjun pratar AZoNano med King Kong Lee från UC Berkeley om hans Nobelprisbelönta teknologi, optiska pincetter.
I den här intervjun pratar vi med SkyWater Technology om halvledarindustrins tillstånd, hur nanotekniken bidrar till att forma branschen och deras nya partnerskap.
Inoveno PE-550 är den bäst säljande elektrospinnings-/sprutmaskinen för kontinuerlig nanofiberproduktion.
Filmetrics R54 Avancerat verktyg för kartläggning av arkresistans för halvledar- och kompositskivor.