RFID-krachtmeetstickers herdefiniëren nauwkeurige meting

Twee objecten die met elkaar in contact zijn, oefenen een bepaalde kracht op elkaar uit, wat kan komen door zwaartekracht of mechanisch contact, zoals het gewicht van het object op het platform of het contact van twee botten bij het menselijke kniegewricht. Om deze kracht effectiever en gemakkelijker te meten, ontwikkelde een onderzoeksteam van de University of California, San Diego een ultradunne RFID-krachtmetingssticker om te helpen bij het meten van deze verschijnselen.

ForceSticker is ontwikkeld door de integratie van twee hoofdcomponenten: een kleine condensator van slechts een paar millimeter dik en ongeveer zo groot als een rijstkorrel, en een commerciële 900MHz ultrahoge frequentie RFID-tag. De onderzoekers integreerden de twee componenten zodat ze de uitgeoefende kracht konden meten en de informatie draadloos konden verzenden naar een standaard RFID-lezer.

Een dunne laag flexibel polymeer wordt tussen twee geleidende koperstrips van de condensator geplaatst om de condensator te vormen. Wanneer een externe kracht op het polymeer inwerkt, comprimeert het, waardoor de koperen strips dichter bij elkaar komen, waardoor de lading in de condensator toeneemt.

Het ontwerp van deze krachtmetende sticker is geïnspireerd op nauwkeurige observatie van veranderingen in capaciteit. Wanneer een externe kracht wordt toegepast, comprimeert het polymeer, waardoor de koperen strips dichter bij elkaar komen, waardoor de capaciteit toeneemt. Met dit ontwerp kunnen onderzoekers de schakelmogelijkheden van de sensor evalueren op basis van een geoptimaliseerd capaciteitsbereikontwerp afgeleid van wiskundige RF-modellering en multifysica-simulaties uitvoeren in COMSOL.

Bij de daadwerkelijke toepassing van de ForceSticker gebruikten de onderzoekers twee verschillende 4×2 mm sensorimplementaties met verschillende lagen Ecoflex-polymeer (een biologisch afbreekbaar platina-gekatalyseerd silicium-gebaseerd polymeer) en neopreen die de bereiken van 0 tot 6 N en 0 tot 40 N bestrijken, de leesfouten zijn respectievelijk 0,25 N en 1,6 N. Daarnaast hebben ze de ForceSticker meer dan 10.000 keer aan stresstests onderworpen en geen significante foutreductie gevonden.

Deze passieve RFID-tag gebruikt backscatter voor stroom- en gegevensoverdracht. Het ontvangt het binnenkomende radiosignaal van de RFID-lezer, wijzigt het signaal door elektrische veranderingen die door de condensator worden geïnduceerd en reflecteert vervolgens het gewijzigde signaal terug naar de RFID-lezer, die het interpreteert en omzet in kracht. Deze methode voegt de analoge RF-fasetransformatie die door de sensor wordt gegenereerd rechtstreeks in het draadloze kanaalpad van de RFID-elektronische tag in, waardoor een analoog-naar-digitaal backscatter-link ontstaat.

In het proces van het bereiken van sensorintegratie is een belangrijke uitdaging het ontwerp van de sensorinterface. Om sensorintegratie mogelijk te maken zonder signaalgetrouwheid te verliezen, gebruikten de onderzoekers een coplanaire golfgeleiderbenadering met aangepaste impedantie. Bovendien moet de condensator, om deze gevoeligheidsafstemming te verkrijgen, een correct ontworpen "nominale waarde" hebben bij nulkracht. Dit wordt bepaald door verschillende niet-lineaire vergelijkingen die deze situatie modelleren, rekening houdend met de impedantie en reflectiecoëfficiënt van de transmissielijn.

Bij het simuleren van de interface tussen capacitieve sensoren en digitale identificatie-RFID, deden de onderzoekers dit door de sensor tussen een antenne en een RFID-tag parallel aan de twee te plaatsen. De onderzoekers merken echter op dat er twee zogenaamde "gedegenereerde" oplossingen (wat betekent dat ten minste één fundamentele variabele nul is). Een van de oplossingen gaat ervan uit dat alle faseveranderingen rechtstreeks door de sensor worden gereflecteerd en dat geen enkel signaal de RFID-module bereikt. Een andere oplossing gaat ervan uit dat de capacitieve schakelmodus van de sensor daadwerkelijk werkt. Beide oplossingen bieden richtlijnen voor verdere optimalisatie van de technologie.

Over het geheel genomen heeft dit team aan de University of California, San Diego (UCSD) laten zien wat er mogelijk is in technische doorbraken door de ForceSticker te ontwikkelen, een innovatieve sticker die kracht meet. Door microcondensatoren en commerciële RFID-tags te integreren, creëerden ze een apparaat dat toegepaste kracht meet en de informatie draadloos verzendt.

"Mensen worden geboren met een inherent vermogen om kracht te voelen," zei Dinesh Bharadia, een professor aan de School of Engineering van UC San Diego, in een verklaring van de school. "Dit geeft ons de mogelijkheid om naadloos te interacteren met onze omgeving en stelt clinici in staat om delicate chirurgische ingrepen uit te voeren. .Het brengen van dit vermogen om krachten te voelen in elektronische apparaten en medische implantaten zou een revolutie kunnen betekenen voor veel industrieën."

En deze technologie heeft niet alleen het potentieel voor medische en industriële toepassingen, maar kan ook worden gebruikt om het gewicht van de onderkant van magazijnverpakkingen te meten. Door voortdurend onderzoek en innovatie, hebben we reden om te geloven dat er meer doorbraken zoals deze zullen zijn om ons leven en werk in de toekomst te verbeteren.