Moderator
Bạn có muốn tự in một số thiết bị cảm biến không dây để sử dụng trong các ứng dụng IoT hoặc rô-bốt của mình không?
Nếu câu trả lời là “có”, hoặc thậm chí là “có thể”, thì chúng tôi có tin tốt cho bạn, vì một số nhà nghiên cứu tại Đại học Simon Fraser, British Columbia, vừa xuất bản một bài báo xem xét các phương pháp khác nhau để làm như vậy.
Bài báo đã được xuất bản trên tạp chí Vật liệu điện tử ứng dụng ACS, xem xét một số loại cảm biến vật lý khác nhau bao gồm cảm biến áp suất, biến dạng và nhiệt độ. Ngoài ra, các cảm biến loại hóa học như cảm biến y sinh và môi trường cũng được kiểm tra. Những cảm biến này dự kiến sẽ được sử dụng như một phần của hệ thống cảm biến không dây như thẻ RF và RFID.
Cùng với việc tóm tắt các loại cảm biến in khác nhau, các nhà nghiên cứu kiểm tra các loại phương pháp in khác nhau mà bạn có thể in các cảm biến khác nhau.
Chúng ta hãy nhìn vào một số trong số họ.
Sức ép
Cảm biến áp suất cơ học có các ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ nhận dạng tư thế, theo dõi áp suất trong các phương tiện hàng không vũ trụ, đến đo áp suất bể chứa chất lỏng.
Các cơ chế cảm biến để cảm nhận áp suất bao gồm các phương pháp đo điện trở hoặc điện dung. Khi áp suất được áp dụng cho cảm biến, sự thay đổi điện trở hoặc điện dung có thể được theo dõi không dây. Thông qua thử nghiệm, mối quan hệ giữa áp suất tác dụng và những thay đổi về điện trở hoặc điện dung có thể được theo dõi và sử dụng trong các ứng dụng mong muốn.
Các cảm biến này tương đối đơn giản, chỉ cần một rãnh vật liệu dẫn điện thay đổi điện trở hoặc điện dung khi có lực tác dụng.
Bạn có thể xem một ví dụ như vậy trong hình ảnh bên dưới, ví dụ này sử dụng các dây nano đồng được ép đùn bằng phương pháp ghi trực tiếp lên một đế dẻo. Khi áp suất tác dụng lên cảm biến, các dây nano đồng được in bị biến dạng và diện tích tiếp xúc giữa các dạng hình học dây nano liền kề tăng lên, dẫn đến điện trở giảm. Sự thay đổi điện trở được theo dõi trong một mạch cộng hưởng và những giá trị đó được ghi lại không dây.
Phương pháp in cho phép chế tạo dễ dàng các cảm biến với số lượng lớn hơn với chi phí thấp.
In dây nano đồng, một cách in cảm biến áp suất. (Tín dụng hình ảnh: Vật liệu điện tử ứng dụng ACS)Nhiệt độ
Cảm biến nhiệt độ rõ ràng là khá quan trọng và khả năng thực hiện điều đó không dây có những lợi ích đặc biệt là trong môi trường nguy hiểm hoặc bị cô lập. Một ví dụ trong bài báo sử dụng ăng-ten lưỡng cực được in.
Bằng cách sử dụng phương pháp in viết mực trực tiếp (DIW), một nhóm các nhà nghiên cứu đã in ăng-ten lưỡng cực RF trên chất nền polyetylen terephthalate (PET) và PDMS.
Lưỡng cực cảm biến nhiệt độ in. (Tín dụng hình ảnh: Vật liệu điện tử ứng dụng ACS)
Sau đó, họ đã thêm một chip đọc nhiệt độ vào ăng-ten lưỡng cực RF để đạt được phép đo nhiệt độ, được liên lạc với ăng-ten đầu đọc. Thiết lập này được sử dụng để theo dõi nhiệt độ của lá cây (xem ở trên).
y sinh
Cảm biến y sinh chi phí thấp rất hữu ích, đặc biệt là trong thời đại của thiết bị đeo tay và thiết bị y tế thông minh. Rốt cuộc, không ai muốn mang theo một cục pin nặng và máy tính cả ngày.
Một trong những cảm biến được in trên giấy sử dụng miếng cảm biến RF được in với cảm biến đa thông số. Bộ phát đáp bao gồm một ăng-ten thu nhỏ để thu năng lượng và liên lạc với bộ dò tín hiệu RF từ xa, một vi mạch để lấy mẫu dữ liệu và điều chế tín hiệu, cùng một số phần tử cảm biến.
Các phần tử cảm biến được in trên màng tương thích sinh học có thể hấp thụ chất lỏng sinh học như mồ hôi hoặc thuốc khi chúng được giải phóng. Cảm biến RF không dây biểu bì thu được có thể thực hiện các cảm biến khác nhau về các đặc điểm da cục bộ như nhiệt độ, độ căng, mất mồ hôi và độ pH.
Nhiệt độ cơ thể khu vực, căng thẳng và áp suất cũng có thể được phát hiện như là một phần của bộ cảm biến nhỏ.
Bộ đa cảm biến được in cho các ứng dụng y sinh. (Tín dụng hình ảnh: Vật liệu điện tử ứng dụng ACS)
Bài báo tóm tắt xem xét nhiều ví dụ về các cảm biến khác nhau mà các nhà nghiên cứu có thể quan tâm và các tác giả lưu ý rằng vẫn còn một số hạn chế nhất định đối với các cảm biến RF được in.
Độ dẫn điện thấp của mực in là một trong những trở ngại lớn nhất. Điều này có thể được khắc phục bằng xử lý hậu kỳ chẳng hạn như mạ điện, nhưng điều này phải được tính đến khi xem xét tỷ lệ chi phí trên lợi ích của những thứ như vậy.
Các nhà nghiên cứu kết luận rằng con đường tối ưu cho lĩnh vực nghiên cứu này là tập trung vào phát triển các loại mực có độ dẫn điện cao và đáng tin cậy.
Nếu câu trả lời là “có”, hoặc thậm chí là “có thể”, thì chúng tôi có tin tốt cho bạn, vì một số nhà nghiên cứu tại Đại học Simon Fraser, British Columbia, vừa xuất bản một bài báo xem xét các phương pháp khác nhau để làm như vậy.
Bài báo đã được xuất bản trên tạp chí Vật liệu điện tử ứng dụng ACS, xem xét một số loại cảm biến vật lý khác nhau bao gồm cảm biến áp suất, biến dạng và nhiệt độ. Ngoài ra, các cảm biến loại hóa học như cảm biến y sinh và môi trường cũng được kiểm tra. Những cảm biến này dự kiến sẽ được sử dụng như một phần của hệ thống cảm biến không dây như thẻ RF và RFID.
Cùng với việc tóm tắt các loại cảm biến in khác nhau, các nhà nghiên cứu kiểm tra các loại phương pháp in khác nhau mà bạn có thể in các cảm biến khác nhau.
Chúng ta hãy nhìn vào một số trong số họ.
Sức ép
Cảm biến áp suất cơ học có các ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ nhận dạng tư thế, theo dõi áp suất trong các phương tiện hàng không vũ trụ, đến đo áp suất bể chứa chất lỏng.
Các cơ chế cảm biến để cảm nhận áp suất bao gồm các phương pháp đo điện trở hoặc điện dung. Khi áp suất được áp dụng cho cảm biến, sự thay đổi điện trở hoặc điện dung có thể được theo dõi không dây. Thông qua thử nghiệm, mối quan hệ giữa áp suất tác dụng và những thay đổi về điện trở hoặc điện dung có thể được theo dõi và sử dụng trong các ứng dụng mong muốn.
Các cảm biến này tương đối đơn giản, chỉ cần một rãnh vật liệu dẫn điện thay đổi điện trở hoặc điện dung khi có lực tác dụng.
Bạn có thể xem một ví dụ như vậy trong hình ảnh bên dưới, ví dụ này sử dụng các dây nano đồng được ép đùn bằng phương pháp ghi trực tiếp lên một đế dẻo. Khi áp suất tác dụng lên cảm biến, các dây nano đồng được in bị biến dạng và diện tích tiếp xúc giữa các dạng hình học dây nano liền kề tăng lên, dẫn đến điện trở giảm. Sự thay đổi điện trở được theo dõi trong một mạch cộng hưởng và những giá trị đó được ghi lại không dây.
Phương pháp in cho phép chế tạo dễ dàng các cảm biến với số lượng lớn hơn với chi phí thấp.
Cảm biến nhiệt độ rõ ràng là khá quan trọng và khả năng thực hiện điều đó không dây có những lợi ích đặc biệt là trong môi trường nguy hiểm hoặc bị cô lập. Một ví dụ trong bài báo sử dụng ăng-ten lưỡng cực được in.
Bằng cách sử dụng phương pháp in viết mực trực tiếp (DIW), một nhóm các nhà nghiên cứu đã in ăng-ten lưỡng cực RF trên chất nền polyetylen terephthalate (PET) và PDMS.
Sau đó, họ đã thêm một chip đọc nhiệt độ vào ăng-ten lưỡng cực RF để đạt được phép đo nhiệt độ, được liên lạc với ăng-ten đầu đọc. Thiết lập này được sử dụng để theo dõi nhiệt độ của lá cây (xem ở trên).
y sinh
Cảm biến y sinh chi phí thấp rất hữu ích, đặc biệt là trong thời đại của thiết bị đeo tay và thiết bị y tế thông minh. Rốt cuộc, không ai muốn mang theo một cục pin nặng và máy tính cả ngày.
Một trong những cảm biến được in trên giấy sử dụng miếng cảm biến RF được in với cảm biến đa thông số. Bộ phát đáp bao gồm một ăng-ten thu nhỏ để thu năng lượng và liên lạc với bộ dò tín hiệu RF từ xa, một vi mạch để lấy mẫu dữ liệu và điều chế tín hiệu, cùng một số phần tử cảm biến.
Các phần tử cảm biến được in trên màng tương thích sinh học có thể hấp thụ chất lỏng sinh học như mồ hôi hoặc thuốc khi chúng được giải phóng. Cảm biến RF không dây biểu bì thu được có thể thực hiện các cảm biến khác nhau về các đặc điểm da cục bộ như nhiệt độ, độ căng, mất mồ hôi và độ pH.
Nhiệt độ cơ thể khu vực, căng thẳng và áp suất cũng có thể được phát hiện như là một phần của bộ cảm biến nhỏ.
Bài báo tóm tắt xem xét nhiều ví dụ về các cảm biến khác nhau mà các nhà nghiên cứu có thể quan tâm và các tác giả lưu ý rằng vẫn còn một số hạn chế nhất định đối với các cảm biến RF được in.
Độ dẫn điện thấp của mực in là một trong những trở ngại lớn nhất. Điều này có thể được khắc phục bằng xử lý hậu kỳ chẳng hạn như mạ điện, nhưng điều này phải được tính đến khi xem xét tỷ lệ chi phí trên lợi ích của những thứ như vậy.
Các nhà nghiên cứu kết luận rằng con đường tối ưu cho lĩnh vực nghiên cứu này là tập trung vào phát triển các loại mực có độ dẫn điện cao và đáng tin cậy.