Klistermärken för RFID-kraftmätning omdefinierar exakt mätning

Alla två föremål som är i kontakt kommer att utöva en viss kraft på varandra, vilket kan bero på gravitation eller mekanisk kontakt, såsom vikten av föremålet på plattformen eller kontakten mellan två ben vid den mänskliga knäleden. För att mäta denna kraft mer effektivt och bekvämt utvecklade ett forskarlag vid University of California, San Diego en ultratunn RFID-kraftmätning "klistermärke" för att hjälpa till att mäta dessa fenomen.

ForceSticker utvecklades från integrationen av två huvudkomponenter: en liten kondensator bara några millimeter tjock och ungefär lika stor som ett riskorn, och en kommersiell 900MHz ultrahögfrekvent RFID-tagg. Forskarna integrerade de två komponenterna så att de kunde mäta den applicerade kraften och trådlöst överföra informationen till en standard RFID-läsare.

Ett tunt lager av flexibel polymer placeras mellan två ledande kopparremsor i kondensatorn för att bilda kondensatorn. När en yttre kraft verkar på polymeren komprimeras den, vilket gör att kopparremsorna rör sig närmare varandra, vilket ökar laddningen i kondensatorn.

Designen av detta kraftmätande klistermärke inspirerades av skarp observation av förändringar i kapacitans. När en extern kraft appliceras komprimeras polymeren, vilket drar kopparremsorna närmare varandra, vilket ökar kapacitansen. Med denna design kan forskare utvärdera sensorns växlingsförmåga baserat på en optimerad kapacitansutformning härledd från matematisk RF-modellering och utföra multifysiska simuleringar i COMSOL.

I själva tillämpningen av ForceSticker använde forskarna två olika 4×2 mm sensorimplementeringar med olika lager av Ecoflex-polymer (en biologiskt nedbrytbar platinakatalyserad kiselbaserad polymer) och neopren som täcker 0 till 6 N och 0 till 40 N intervall, läsfelen är 0,25 N respektive 1,6 N. Dessutom stresstestade de ForceSticker över 10 000 gånger och fann ingen signifikant felminskning.

Denna passiva RFID-tagg använder backscatter för kraft- och dataöverföring. Den tar emot den inkommande radiosignalen från RFID-läsaren, modifierar signalen genom elektriska förändringar som induceras av kondensatorn och reflekterar sedan den modifierade signalen tillbaka till RFID-läsaren, som tolkar och omvandlar den till kraft. Denna metod infogar direkt den analoga RF-fasomvandlingen som genereras av sensorn i den trådlösa kanalvägen för den elektroniska RFID-taggen, vilket skapar en analog-till-digital backscatter-länk.

I processen för att uppnå sensorintegration är en viktig utmaning utformningen av sensorgränssnittet. För att möjliggöra sensorintegration utan att förlora signaltrohet, använde forskarna en koplanär vågledarmetod med matchad impedans. Vidare, för att erhålla denna känslighetsinställning, måste kondensatorn ha ett korrekt utformat "nominellt värde" vid noll kraft. Detta bestäms av olika olinjära ekvationer som modellerar denna situation, med hänsyn tagen till impedansen och reflektionskoefficienten för transmissionsledningen.

Vid simulering av gränssnittet mellan kapacitiva sensorer och digital identifiering RFID, gjorde forskarna det genom att sätta in sensorn mellan en antenn och en RFID-tagg parallellt med de två. Forskarna konstaterar dock att det finns två så kallade "degenererade" lösningar (vilket betyder att minst en fundamental variabel är noll). En av lösningarna förutsätter att alla fasförändringar reflekteras direkt från sensorn och ingen signal når RFID-modulen. En annan lösning förutsätter att sensorns kapacitiva växlingsläge faktiskt fungerar. Båda lösningarna ger vägledning för ytterligare optimering av Tekniken.

Sammantaget har detta team vid University of California, San Diego (UCSD) visat vad som är möjligt inom tekniska genombrott genom att utveckla ForceSticker, ett innovativt kraftmätande klistermärke. Genom att integrera mikrokondensatorer och kommersiella RFID-taggar skapade de en enhet som mäter applicerad kraft och överför informationen trådlöst.

"Människor föds med en inneboende förmåga att känna kraft," Dinesh Bharadia, professor vid UC San Diego's School of Engineering, sa i ett uttalande från skolan. "Detta ger oss möjligheten att interagera sömlöst med vår omgivning och gör det möjligt för läkare att utföra känsliga kirurgiska ingrepp. .Att föra in denna förmåga att känna av krafter i elektroniska apparater och medicinska implantat skulle kunna revolutionera många industrier."

Och denna teknik har inte bara potential för medicinska och industriella tillämpningar, utan kan också användas för att mäta vikten på botten av lagerförpackningar. Genom fortsatt forskning och innovVi har anledning att tro att det kommer att bli fler genombrott som detta för att förbättra våra liv och arbete i framtiden.