Klistermærker til RFID-kraftmåling omdefinerer præcis måling

Enhver to genstande i kontakt vil udøve en vis kraft på hinanden, hvilket kan skyldes tyngdekraften eller mekanisk kontakt, såsom vægten af genstanden på platformen eller kontakten af to knogler ved det menneskelige knæled. For at måle denne kraft mere effektivt og bekvemt udviklede et forskerhold ved University of California, San Diego en ultratynd RFID-kraftmålings-"sticker"; at hjælpe med at måle disse fænomener.

ForceSticker blev udviklet ud fra integrationen af to hovedkomponenter: en lille kondensator kun få millimeter tyk og på størrelse med et riskorn, og en kommerciel 900MHz ultra-højfrekvent RFID-tag. Forskerne integrerede de to komponenter, så de kunne måle den påførte kraft og trådløst overføre informationen til en standard RFID-læser.

Et tyndt lag af fleksibel polymer anbringes mellem to ledende kobberstrimler af kondensatoren for at danne kondensatoren. Når en ekstern kraft virker på polymeren, komprimeres den, hvilket får kobberstrimlerne til at bevæge sig tættere sammen, hvilket øger ladningen i kondensatoren.

Designet af dette kraftmålende klistermærke var inspireret af skarp observation af ændringer i kapacitansen. Når der påføres en ekstern kraft, komprimeres polymeren og trækker kobberstrimlerne tættere sammen, hvorved kapacitansen øges. Med dette design kan forskere evaluere sensorens omskiftningsmuligheder baseret på et optimeret kapacitetsområdedesign afledt af matematisk RF-modellering og udføre multifysiske simuleringer i COMSOL.

I den faktiske anvendelse af ForceSticker brugte forskerne to forskellige 4×2 mm sensorimplementeringer med forskellige lag af Ecoflex polymer (en bionedbrydelig platinkatalyseret siliciumbaseret polymer) og neopren, der dækker 0 til 6 N og 0 til 40 N områder, læsefejlene er henholdsvis 0,25 N og 1,6 N. Derudover stresstestede de ForceSticker over 10.000 gange og fandt ingen signifikant fejlreduktion.

Dette passive RFID-tag bruger backscatter til strøm- og datatransmission. Den modtager det indkommende radiosignal fra RFID-læseren, modificerer signalet gennem elektriske ændringer induceret af kondensatoren og reflekterer derefter det modificerede signal tilbage til RFID-læseren, som fortolker og konverterer det til kraft. Denne metode indsætter direkte den analoge RF-fasetransformation, der genereres af sensoren, i den trådløse kanalsti for den elektroniske RFID-tag, hvilket skaber en analog-til-digital backscatter-link.

I processen med at opnå sensorintegration er en nøgleudfordring designet af sensorgrænsefladen. For at muliggøre sensorintegration uden at miste signalfidelitet brugte forskerne en koplanar bølgeledertilgang med matchet impedans. For at opnå denne følsomhedsindstilling skal kondensatoren endvidere have en korrekt designet "nominel værdi"; ved nul kraft. Dette bestemmes af forskellige ikke-lineære ligninger, der modellerer denne situation under hensyntagen til impedansen og reflektionskoefficienten for transmissionslinjen.

Da forskerne simulerede grænsefladen mellem kapacitive sensorer og digital identifikation RFID, gjorde forskerne det ved at indsætte sensoren mellem en antenne og et RFID-tag parallelt med de to. Forskerne bemærker dog, at der er to såkaldte "degenererede&quote; løsninger (hvilket betyder, at mindst én fundamental variabel er nul). En af løsningerne forudsætter, at alle faseændringer reflekteres direkte fra sensoren, og intet signal når RFID-modulet. En anden løsning antager, at sensorens kapacitive koblingstilstand faktisk fungerer. Begge løsninger giver vejledning til yderligere optimering af teknologien.

Samlet set har dette hold ved University of California, San Diego (UCSD) demonstreret, hvad der er muligt inden for ingeniørmæssige gennembrud ved at udvikle ForceSticker, et innovativt kraftmålende klistermærke. Ved at integrere mikrokondensatorer og kommercielle RFID-tags skabte de en enhed, der måler påført kraft og transmitterer informationen trådløst.

"Mennesker er født med en iboende evne til at fornemme kraft," Dinesh Bharadia, professor ved UC San Diego's School of Engineering, sagde i en erklæring fra skolen. "Dette giver os mulighed for at interagere problemfrit med vores omgivelser og giver klinikere mulighed for at udføre delikate kirurgiske procedurer. .At bringe denne evne til at fornemme kræfter ind i elektronisk udstyr og medicinske implantater kan revolutionere mange industrier."

Og denne teknologi har ikke kun potentialet til medicinske og industrielle anvendelser, men kan også bruges til at måle vægten af bunden af lagerpakker. Gennem fortsat forskning og innovation, har vi grund til at tro, at der vil være flere gennembrud som dette for at forbedre vores liv og arbejde i fremtiden.