RFID-Kraftmessaufkleber definieren präzise Messung neu

Zwei in Kontakt stehende Objekte üben eine bestimmte Kraft aufeinander aus, die auf die Schwerkraft oder mechanischen Kontakt zurückzuführen sein kann, beispielsweise auf das Gewicht des Objekts auf der Plattform oder auf den Kontakt zweier Knochen am menschlichen Kniegelenk. Um diese Kraft effektiver und bequemer messen zu können, hat ein Forschungsteam an der University of California in San Diego einen ultradünnen RFID-Kraftmess-„Aufkleber“ entwickelt. um bei der Messung dieser Phänomene zu helfen.

ForceSticker wurde aus der Integration von zwei Hauptkomponenten entwickelt: einem winzigen Kondensator, der nur wenige Millimeter dick ist und etwa die Größe eines Reiskorns hat, und einem kommerziellen 900-MHz-Ultrahochfrequenz-RFID-Tag. Die Forscher integrierten die beiden Komponenten, um die ausgeübte Kraft zu messen und die Informationen drahtlos an ein Standard-RFID-Lesegerät zu übertragen.

Eine dünne Schicht aus flexiblem Polymer wird zwischen zwei leitenden Kupferstreifen des Kondensators platziert, um den Kondensator zu bilden. Wenn eine äußere Kraft auf das Polymer einwirkt, wird es komprimiert, wodurch die Kupferstreifen näher zusammenrücken und die Ladung im Kondensator erhöht.

Das Design dieses Kraftmessaufklebers wurde durch die genaue Beobachtung von Kapazitätsänderungen inspiriert. Wenn eine äußere Kraft ausgeübt wird, komprimiert sich das Polymer, zieht die Kupferstreifen näher zusammen und erhöht dadurch die Kapazität. Mit diesem Design können Forscher die Schaltfähigkeiten des Sensors auf der Grundlage eines optimierten Kapazitätsbereichdesigns bewerten, das aus mathematischer HF-Modellierung abgeleitet wurde, und Multiphysiksimulationen in COMSOL durchführen.

Bei der eigentlichen Anwendung des ForceSticker verwendeten die Forscher zwei verschiedene 4×2-mm-Sensorimplementierungen mit unterschiedlichen Schichten aus Ecoflex-Polymer (einem biologisch abbaubaren platinkatalysierten Polymer auf Siliziumbasis) und Neopren, die die Bereiche 0 bis 6 N und 0 bis 40 N abdecken. die Ablesefehler betragen 0,25 N bzw. 1,6 N. Darüber hinaus haben sie den ForceSticker über 10.000 Mal einem Stresstest unterzogen und keine signifikante Fehlerreduzierung festgestellt.

Dieses passive RFID-Tag nutzt Rückstreuung zur Strom- und Datenübertragung. Es empfängt das eingehende Funksignal vom RFID-Lesegerät, modifiziert das Signal durch vom Kondensator induzierte elektrische Veränderungen und reflektiert das modifizierte Signal dann zurück zum RFID-Lesegerät, das es interpretiert und in Kraft umwandelt. Bei dieser Methode wird die vom Sensor erzeugte analoge HF-Phasentransformation direkt in den drahtlosen Kanalpfad des elektronischen RFID-Tags eingefügt, wodurch eine Analog-zu-Digital-Rückstreuverbindung entsteht.

Eine zentrale Herausforderung bei der Sensorintegration ist die Gestaltung der Sensorschnittstelle. Um eine Sensorintegration ohne Einbußen bei der Signaltreue zu ermöglichen, verwendeten die Forscher einen koplanaren Wellenleiteransatz mit angepasster Impedanz. Um diese Empfindlichkeitsabstimmung zu erreichen, muss der Kondensator außerdem einen ordnungsgemäß ausgelegten „Nennwert“ haben. bei null Kraft. Dies wird durch verschiedene nichtlineare Gleichungen bestimmt, die diese Situation modellieren und dabei die Impedanz und den Reflexionskoeffizienten der Übertragungsleitung berücksichtigen.

Bei der Simulation der Schnittstelle zwischen kapazitiven Sensoren und digitaler RFID-Identifikation haben die Forscher den Sensor parallel zwischen einer Antenne und einem RFID-Tag eingefügt. Allerdings stellen die Forscher fest, dass es zwei sogenannte „entartete“ Krankheiten gibt. Lösungen (was bedeutet, dass mindestens eine grundlegende Variable Null ist). Eine der Lösungen geht davon aus, dass alle Phasenänderungen direkt vom Sensor reflektiert werden und kein Signal das RFID-Modul erreicht. Eine andere Lösung geht davon aus, dass der kapazitive Schaltmodus des Sensors tatsächlich funktioniert. Beide Lösungen geben Hinweise zur weiteren Optimierung der Technologie.

Insgesamt hat dieses Team an der University of California, San Diego (UCSD) durch die Entwicklung des ForceSticker, eines innovativen Kraftmessaufklebers, gezeigt, was in technischen Durchbrüchen möglich ist. Durch die Integration von Mikrokondensatoren und kommerziellen RFID-Tags haben sie ein Gerät geschaffen, das die ausgeübte Kraft misst und die Informationen drahtlos überträgt.

„Menschen werden mit der angeborenen Fähigkeit geboren, Kraft zu spüren“, sagte er. Das sagte Dinesh Bharadia, Professor an der School of Engineering der UC San Diego, in einer Erklärung der Schule. „Dies gibt uns die Möglichkeit, nahtlos mit unserer Umgebung zu interagieren und ermöglicht Ärzten die Durchführung heikler chirurgischer Eingriffe.“ „Die Einführung dieser Fähigkeit, Kräfte in elektronische Geräte und medizinische Implantate zu spüren, könnte viele Branchen revolutionieren.“

Und diese Technologie hat nicht nur das Potenzial für medizinische und industrielle Anwendungen, sondern kann auch zur Messung des Bodengewichts von Lagerverpackungen eingesetzt werden. Durch kontinuierliche Forschung und Innovationation haben wir Grund zu der Annahme, dass es in Zukunft weitere Durchbrüche wie diesen geben wird, um unser Leben und unsere Arbeit zu verbessern.