Dehnungssensor für tragbare Elektronik kombiniert hohe Empfindlichkeit mit großem Erfassungsbereich

Weiche und dehnbare Dehnungssensoren sind für den Einsatz in tragbarer Elektronik wie Bewegungsverfolgungsgeräten und physiologischen Überwachungssystemen von unschätzbarem Wert. Derzeit ist jedoch der Kompromiss zwischen Empfindlichkeit und Reichweite eine große Herausforderung. Dehnungssensoren, die kleine Verformungen erkennen können, können nicht sehr weit gedehnt werden, während solche, die auf größere Längen gedehnt werden können, typischerweise nicht sehr empfindlich sind.

Bei der Überwachung der menschlichen Physiologie und Bewegung reicht die Hautbelastung von unter 1 % bis über 50 %. Daher werden typischerweise getrennte Sensoren verwendet, um schwache Belastungen (wie solche, die mit Blutpuls und Atmung verbunden sind) und große Belastungen (wie etwa das Biegen von Körperteilen) zu erkennen. Aber für die Überwachung bestimmter Krankheiten wäre die Verwendung eines einzelnen Geräts vorzuziehen. Bei der Parkinson-Krankheit müssen Sensoren beispielsweise empfindlich genug sein, um leichtes Zittern zu überwachen, und gleichzeitig eine ausreichend große Reichweite haben, um Gelenkbewegungen zu messen.

Was wirklich benötigt wird, ist ein einziger Sensor, der an verschiedenen Körperteilen angebracht werden kann und das gesamte Spektrum der Belastungen der menschlichen Haut genau messen kann. Mit diesem Ziel vor Augen, ein Team bei North Carolina State University hat einen weich dehnbaren Dehnungssensor entwickelt, der eine hohe Empfindlichkeit, einen großen Erfassungsbereich und eine hohe Robustheit bietet.

„Der neue Sensor, den wir entwickelt haben, ist sowohl empfindlich als auch in der Lage, erheblichen Verformungen standzuhalten“, erklärt der korrespondierende Autor YongZhu in einer Presseerklärung. „Ein weiteres Merkmal ist, dass der Sensor auch bei Überbeanspruchung sehr robust ist, was bedeutet, dass es unwahrscheinlich ist, dass er bricht, wenn die aufgebrachte Belastung versehentlich den Erfassungsbereich überschreitet.“

Der Sensor, beschrieben in ACS Applied Materials & Interfaces, misst Dehnung durch Messen von Änderungen des elektrischen Widerstands. Das Gerät besteht aus einem Silber-Nanodraht-Netzwerk, das in das elastische Polymer Poly(dimethylsiloxan) eingebettet ist, mit einer Reihe von mechanischen Schnitten in seiner oberen Oberfläche, die sich von beiden Seiten abwechseln.

Wenn der Sensor gedehnt wird, ziehen sich die Schnitte auf. Dies zwingt das elektrische Signal zu einem Übergang von einem gleichförmigen Stromfluss über die geschlossenen Risse zu einer weiteren Wanderung entlang des durch die offenen Risse definierten Zickzack-Leiterwegs. Somit erhöht sich der Widerstand unter aufgebrachter Belastung. Das Öffnen der Schnitte ermöglicht es der Vorrichtung auch, einer beträchtlichen Verformung zu widerstehen, ohne ihren Bruchpunkt zu erreichen. „Dieses Merkmal – die gemusterten Schnitte – ermöglicht einen größeren Verformungsbereich, ohne die Empfindlichkeit zu beeinträchtigen“, sagt der Erstautor Shuang Wu.

Das Team führte Experimente und Finite-Elemente-Analysen durch, um die Auswirkungen von Schlitztiefe, -länge und -abstand auf die Sensorleistung zu bewerten. Das optimierte Gerät zeigte einen großen k-Faktor (das Verhältnis der relativen Änderung des elektrischen Widerstands zur mechanischen Belastung) von 290.1 mit einem Erfassungsbereich von über 22 %. Es war auch robust gegen Überbeanspruchung und 1000 wiederholte Belastungszyklen.

Geräte bauen

Um einige potenzielle Anwendungen ihres neuen Dehnungssensors zu demonstrieren, integrierten Zhu, Wu und Kollegen ihn in tragbare Gesundheitsüberwachungssysteme, die sehr unterschiedliche Bewegungsniveaus messen.

Erstens setzten sie den Sensor zur Überwachung des Blutdrucks ein, was eine extrem hohe Empfindlichkeit erfordert. Sie befestigten den Sensor mit einem Gummiband und befestigten ihn am Handgelenk eines Freiwilligen, um die Pulswelle zu erfassen – eines der kleinsten Spannungssignale auf der menschlichen Haut.

Wenn das Blut durch die Vene gepumpt wird, bleiben die Sensorenden durch das Band fixiert, während die Mitte gedehnt wird, wodurch die Risse auf ihrer Oberseite geöffnet werden.

Die Forscher zeigten, dass diese Anordnung die Pulswelle von der Speichenarterie am Handgelenk erfassen konnte. Indem sie einen weiteren Dehnungssensor an der Oberarmarterie weiter oben am Arm platzierten und gleichzeitig eine zweite Pulswelle aufzeichneten, konnten sie die durchschnittliche Pulswellengeschwindigkeit messen und so den Blutdruck berechnen.

Im nächsten Beispiel wurde der Sensor verwendet, um große Belastungen des unteren Rückens während der Bewegung zu überwachen, was für die Physiotherapie nützlich ist. Hier integrierten die Forscher den Sensor mit einem dehnbaren Sportband und befestigten zwei Sensoren parallel entlang der Wirbelsäule am unteren Rücken eines Freiwilligen. Sie brachten auch ein Bluetooth-Board auf der Rückseite an, um die Sensorsignale zu sammeln und zu übertragen.

Ausgehend von einer geraden Sitzposition führte die Testperson eine Reihe von Bewegungen aus, während der Sensor die Belastungen des unteren Rückens überwachte. Beim Vorlehnen reagierten beide Sensoren mit Widerstandserhöhungen. Während man sich nach vorne lehnte und zur Seite neigte, blieb der Widerstand des Sensors auf der entsprechenden Seite nahezu konstant, während der Sensor auf der gegenüberliegenden Seite einen wesentlich erhöhten Widerstand zeigte.

Eine dehnbare organische Fotodiode könnte die Leistung von tragbaren Geräten verbessern

Um schließlich die Verwendung des Sensors in Mensch-Maschine-Schnittstellen zu demonstrieren, entwickelten die Forscher einen weichen 3D-Berührungssensor, der sowohl normale als auch Scherspannungen verfolgt und zur Steuerung eines Videospiels verwendet werden kann. Sie integrierten auch einen Dehnungssensor an der Fingerspitze eines Handschuhs, der dann verwendet wurde, um ein Glas Wasser zu greifen, und demonstrierten sein Potenzial für die taktile Erfassung für Roboteranwendungen.

Das Team untersucht nun die Anwendung des Dehnungssensors für biomedizinische und sportliche Anwendungen. „Zu den biomedizinischen Anwendungen gehört die Überwachung von Bewegungsmustern während der Rehabilitation von Schlaganfallpatienten“, sagt Zhu Physik-Welt. „Außerdem arbeiten wir an einer skalierbaren Fertigung der Sensoren.“

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/strain-sensor-for-wearable-electronics-combines-high-sensitivity-with-large-sensing-range/