Nástup přenosných a nositelných elektronických zařízení zcela změnil společnost. Přenosná elektronická zařízení, jako jsou mobilní telefony, notebooky a chytré hodinky, usnadňují lidem život. Prostřednictvím internetových videohovorů se můžete okamžitě připojit a vidět své blízké nebo přátele živě pobývající na druhém konci zeměkoule. Dříve hrál průmysl polovodičů na bázi křemíku velkou roli ve vývoji elektronického a informačního průmyslu.
S příchodem nových technologií, jako je internet věcí (IoT), umělá inteligence, vzdálené monitorování zdraví, chytré domácnosti, interakce člověk-stroj atd., však konvenční průmysl založený na křemíku čelí novým výzvám.
V dnešní době nositelná elektronika s integrovanou mechanickou flexibilitou a elektronickými funkcemi vykazuje pozoruhodný vývoj a pokrok ve srovnání s konvenční pevnou elektronikou na bázi křemíku.
Díky nejnovějšímu výzkumu v oblasti materiálové vědy je dokonce možné vyrábět elektronické obvody, které jsou nejen flexibilní, ale také roztažitelné, což umožňuje jejich použití v širším spektru aplikací.
Flexibilní a nositelná elektronika má široké uplatnění v lékařském a zdravotnickém průmyslu. Díky technologické fúzi umělé inteligence a internetu věcí (IoT) s lékařskými elektronickými zařízeními, jako jsou senzory, akční členy atd., je možné měřit a analyzovat pacienty na dálku a poskytovat jim požadovanou péči a léčbu.
Vzhledem k tomu, že flexibilní a roztažitelné lékařské přístroje a senzory se mohou obalit kolem těla nebo cílového orgánu a mohou získat požadovaný tvar, jsou jimi prováděná měření poměrně přesná.
Tyto flexibilní senzory lze použít k měření více údajů o pacientovi, jako je tepová frekvence, krevní tlak, dechová frekvence, pH, hladina glukózy, teplota, pot, sliny atd., a mohou pomoci lékařům při včasné diagnostice.
Neflexibilní senzory byly také vyvinuty dříve a používají jako substrát křemík, ale kvůli své tuhosti nemohou přesně měřit fyziologické parametry.
Flexibilní senzor má vrstvenou strukturu, kde spodní vrstva je substrát vyrobený z pružného polymerního materiálu. Běžně používaný substrát pro výrobu senzorů zahrnuje polyethylentereftalát (PET), polyimid (PI), polydimethylsiloxan (PDMS), polypyrrol, film oxidu india a cínu (ITO) atd.
Kromě vrstvy substrátu má senzor dvě elektrodové vrstvy, horní elektrodovou vrstvu a spodní elektrodovou vrstvu, pro vedení elektrického signálu do nebo ze senzoru.
Elektrodové vrstvy jsou také voleny tak, aby poskytovaly plnou flexibilitu podobnou vrstvě substrátu. Běžně používanými materiály pro výrobu elektrod flexibilního senzoru jsou vodivé polymery, stříbrné (Ag) nanodrátky a kovové pletivo ze zlata, mědi nebo stříbra.
Nejdůležitější vrstvou snímače je aktivní vrstva, která je umístěna uprostřed snímače. Materiál aktivní vrstvy je závislý na typu senzoru, tedy zda se jedná o tlakový senzor, biochemický senzor, teplotní senzor, senzor síly atd.
Pokud je snímačem tlakový snímač, pak materiálem použitým pro aktivní vrstvu může být piezoelektrický materiál, který dokáže přeměnit mechanickou energii ve formě lidských vibrací, pulzu, srdečního tepu atd. na elektrický signál.
Podobně, je-li snímačem teplotní snímač, pak je materiálem aktivní vrstvy termoelektrický materiál. U flexibilního senzoru je také materiál aktivní vrstvy zvolen tak, aby vykazoval dostatečnou pružnost a podporoval mechanické ohýbání bez poškození.
Pružné tlakové senzory obecně využívají polyvinylidenfluorid (PVDF), ZnO, P(VDF-TrFR) atd. jako piezoelektrické aktivní vrstvy, které mají požadovanou flexibilitu.
Pro výrobu nositelných a flexibilních senzorů byly vyvinuty různé techniky. Některé z technik používaných pro výrobu těchto senzorů jsou tisk, elektrostatické zvlákňování, přenos vzorů a aditivní výroba.
Technika tisku je nejoblíbenější technikou pro výrobu těchto senzorů. Tisk může být sítotisk také známý jako analogový tisk nebo možná digitální tisk také známý jako inkoustový tisk.
Při sítotisku se vyrábí maska, která se přivádí do tiskárny a používá se k vytištění požadovaného vzoru. Téměř všechny dřívější senzory a elektronické obvody byly vyrobeny touto technikou sítotisku.
V dnešní době přišel digitální tisk, u kterého není potřeba výroba masek. Při digitálním tisku je vzor, který má být vytištěn, digitálně přiváděn do počítače a je automaticky vytištěn příkazem počítače.
Přestože je digitální tisk jednoduchý, snadno použitelný a vyžaduje méně manuálního úsilí, inkoust používaný pro tuto techniku musí splňovat některé specifické požadavky, pokud jde o viskozitu a povrchové napětí.
Na druhé straně se při technice elektrostatického zvlákňování připravuje roztok polymeru a přivádí se do injekční stříkačky, která je poháněna až ke kovové jehle pomocí injekční pumpy.
Podél jehly je aplikováno vysoké elektrické napětí, které se používá k vytlačení roztoku polymeru přerušením povrchového napětí tekutiny. Během ejekčního procesu se polymer-rozpouštědlo odpařuje a stabilní polymerní materiál se ukládá spirálovitě a získá se požadovaný vláknitý produkt.
Podobně v technice přenosu vzoru se vzor tiskne na pevný povrch pomocí masky pomocí běžné tiskové techniky a později se přenáší na pružný substrát.
Proces přenosu vzoru vyžaduje zvláštní péči, protože vyrobené vzory jsou jemné a při nesprávné manipulaci se mohou rozpadnout. Aditivní výroba známá také jako 3D tisk je nejnovější tisková technika používaná k výrobě složitých elektronických zařízení nebo návrhů elektrických obvodů.
Při této technice se tisk provádí způsobem po vrstvách a vzory se tisknou jeden přes druhý na pružný substrát. Pomocí této techniky lze efektivně vyrábět elektronická zařízení s komplexní nanoarchitekturou nebo designem.
Flexibilní a nositelné senzory mají mnoho obecných a zdravotnických aplikací. Rozmístění konkrétního senzoru v konkrétním zařízení závisí na typu měření nebo trasy, která má být provedena.
Typicky používanými senzory jsou elektrochemické senzory, tlakové nebo deformační senzory, teplotní senzory a tak dále. Několik příkladů senzorů nošených na těle je ukázáno na obrázku 1.
Všechny tyto senzory mají aktivní vrstvu, která měří konkrétní cílovou veličinu a převádí ji na odpovídající elektrický signál. Ve sledování zdravotní péče existuje mnoho druhů elektrochemických senzorů, které zahrnují glukózu, pot, sliny, pH, měření cholesterolu transportu léků atd.
Základním principem elektrochemických senzorů je to, že chemická odezva mezi snímaným materiálem a cílovou látkou mění elektrické rezidence senzoru a sledování zdraví se provádí tímto způsobem.
Senzor tlaku nebo senzor síly je důležitou kategorií senzorů, které se používají k měření mnoha zásadních zdravotních parametrů, jako je tepová frekvence, krevní tlak, srdeční tep atd.
Tyto senzory detekují mechanickou sílu ve formě tahu, napětí, deformace a krouticího momentu a převádějí je na elektrický signál. Ve zdravotnictví existuje mnoho druhů snímačů napětí, jako jsou odporové snímače, kapacitní snímače a piezoelektrické snímače.
U odporového senzoru se odpor modifikace snímací tkaniny při detekci mechanického signálu a odpor výtlačku zvažuje na straně tvaru extrade na straně elektrického signálu.
Podobně u kapacitního snímače se kapacita snímače mění se změnou mechanické síly nebo tlaku a projevuje se ve formě elektrického signálu.
Piezoelektrický snímač je snímač, který vyvíjí elektrické napětí na svých svorkách při detekci mechanické síly nebo tlaku. Mnoho keramických materiálů a polymerů na bázi olova vykazuje piezoelektrické vlastnosti a jsou přímo používány v takových senzorech.
Podle nejnovějšího výzkumu tlakových senzorů lze ke zvýšení výkonu nebo citlivosti těchto senzorů použít porézní struktury nebo návrhy nanoarchitektury vyrobené aditivní výrobou.
Další kategorií nositelných senzorů jsou teplotní senzory. Tyto senzory detekují změnu tělesné teploty a odrážejí výstup ve formě elektrického signálu.
Existují především dva typy teplotních senzorů, a to odporové senzory a pyroelektrické senzory. U odporového snímače teploty se odpor nasazeného materiálu mění se změnou teploty.
Výstupní elektrický signál se proto mění podle toho. Oxidy kovů, CNT, grafen a polymerní kompozity jsou běžně používané materiály pro výrobu odporových snímačů teploty.
U pyroelektrických senzorů se polarizace materiálu mění se změnou teploty. Změna polarizace se dále využívá pro generování elektrického signálu, který je kalibrován z hlediska teploty
Kromě nich jsou dnes k dispozici také multifunkční senzory. V multifunkčním senzoru je několik vrstev s různými funkcemi naskládáno na sebe a používají se k současné detekci více veličin, jako je teplota, tlak atd.
Tyto vícenásobné vrstvy jsou vloženy mezi elektrody a celá struktura je nanesena na substrátový materiál tvořený polymerním základem. Multifunkční senzor se schopností měřit napětí a teplotu současně ve zdravotnictví byl úspěšně vyroben.
Z výše uvedené diskuse je zřejmé, že flexibilní a nositelné senzory zaznamenaly v posledních několika letech velký pokrok. Tyto senzory v kombinaci s umělou inteligencí a internetem věcí nacházejí ve společnosti velké množství aplikací. Přínos nositelných senzorů v oblasti zdravotnictví a lékařství je pozoruhodný a očekává se, že jejich přínos v nadcházející budoucnosti dále poroste.
Docela slibně vypadají multifunkční senzory se schopností měřit více veličin současně. Technika aditivní výroby se také ukazuje jako docela plodná pro výrobu složitých 3D návrhů nositelných senzorů.
Koncepce vytváření řízené pórovitosti v nositelných senzorech pro zlepšení jejich snímací schopnosti je také nová a očekává se, že přinese dobré výsledky, pokud bude implementována inteligentním způsobem.
Požádejte o zpětné zavolání!
Děkujeme za váš zájem o TT Consultants. Vyplňte prosím formulář a my se vám brzy ozveme
ODEMKNOUT MOC
vašeho nápady
Zvyšte své patentové znalosti
Exkluzivní informace na vás čekají v našem zpravodaji
Požádejte o zpětné zavolání!
Děkujeme za váš zájem o TT Consultants. Vyplňte prosím formulář a my se vám brzy ozveme
