RFID-voimamittaustarrat määrittelevät tarkan mittauksen uudelleen

Kaikki kaksi kosketuksessa olevaa esinettä kohdistavat toisiinsa tietyn voiman, joka voi johtua painovoimasta tai mekaanisesta kosketuksesta, kuten esineen painosta alustalla tai kahden luun kosketuksesta ihmisen polvinivelessä. Tämän voiman mittaamiseksi tehokkaammin ja kätevämmin Kalifornian yliopistossa San Diegossa sijaitseva tutkimusryhmä kehitti ultraohuen RFID-voiman mittaus "tarran" auttamaan näiden ilmiöiden mittaamisessa.

ForceSticker kehitettiin yhdistämällä kaksi pääkomponenttia: pieni, vain muutaman millimetrin paksuinen ja noin riisinjyvän kokoinen kondensaattori ja kaupallinen 900 MHz:n ultrakorkeataajuinen RFID-tunniste. Tutkijat integroivat nämä kaksi komponenttia, jotta he voisivat mitata kohdistetun voiman ja lähettää tiedot langattomasti tavalliseen RFID-lukijaan.

Ohut kerros joustavaa polymeeriä asetetaan kondensaattorin kahden johtavan kupariliuskan väliin kondensaattorin muodostamiseksi. Kun ulkoinen voima vaikuttaa polymeeriin, se puristuu, jolloin kuparinauhat siirtyvät lähemmäksi toisiaan, mikä lisää varausta kondensaattorissa.

Tämän voimanmittaustarran suunnittelu on saanut inspiraationsa kapasitanssin muutosten tarkkaavaisuudesta. Kun ulkoista voimaa kohdistetaan, polymeeri puristuu kokoon ja vetää kuparinauhat lähemmäksi toisiaan, mikä lisää kapasitanssia. Tämän suunnittelun avulla tutkijat voivat arvioida anturin kytkentäominaisuuksia matemaattisesta RF-mallintamisesta johdettuun optimoituun kapasitanssialueen suunnitteluun perustuen ja suorittaa monifysikaalisia simulaatioita COMSOLissa.

Varsinaisessa ForceSticker-sovelluksessa tutkijat käyttivät kahta erilaista 4 × 2 mm:n anturitoteutusta eri kerroksilla Ecoflex-polymeeriä (biohajoava platinakatalysoitu piipohjainen polymeeri) ja neopreenia, jotka kattavat 0-6 N ja 0-40 N. lukuvirheet ovat 0,25 N ja 1,6 N vastaavasti. Lisäksi he testasivat ForceStickerin yli 10 000 kertaa eivätkä löytäneet merkittävää virheen vähentymistä.

Tämä passiivinen RFID-tunniste käyttää takaisinsirontaa tehon ja tiedonsiirrossa. Se vastaanottaa tulevan radiosignaalin RFID-lukijasta, muokkaa signaalia kondensaattorin aiheuttamien sähköisten muutosten kautta ja heijastaa sitten muunnetun signaalin takaisin RFID-lukijaan, joka tulkitsee ja muuntaa sen voimaan. Tämä menetelmä lisää anturin generoiman analogisen RF-vaihemuunnoksen suoraan elektronisen RFID-tunnisteen langattoman kanavan polulle luoden analogisesta digitaaliseen takaisinsirontalinkin.

Anturiintegraation saavuttamisessa keskeinen haaste on anturirajapinnan suunnittelu. Anturien integroinnin mahdollistamiseksi menettämättä signaalin tarkkuutta, tutkijat käyttivät sovitetun impedanssin koplanaarista aaltoputkea. Lisäksi tämän herkkyysvirityksen saavuttamiseksi kondensaattorilla on oltava oikein suunniteltu "nimellisarvo". nollavoimalla. Tämä määritetään erilaisilla epälineaarisilla yhtälöillä, jotka mallintavat tätä tilannetta ottaen huomioon siirtojohdon impedanssin ja heijastuskertoimen.

Simuloiessaan kapasitiivisten antureiden ja digitaalisen tunnistamisen RFID:n välistä rajapintaa, tutkijat tekivät sen asettamalla anturin antennin ja RFID-tunnisteen väliin rinnakkain näiden kahden kanssa. Tutkijat kuitenkin huomauttavat, että on olemassa kaksi ns. "degeneroitunutta"; ratkaisuja (eli ainakin yksi perusmuuttuja on nolla). Eräässä ratkaisussa oletetaan, että kaikki vaihemuutokset heijastuvat suoraan anturista, eikä signaali pääse RFID-moduuliin. Toinen ratkaisu olettaa, että anturin kapasitiivinen kytkentätila todella toimii. Molemmat ratkaisut antavat opastusta teknologian optimointiin edelleen.

Kaiken kaikkiaan tämä Kalifornian yliopiston San Diegon (UCSD) tiimi on osoittanut, mikä on mahdollista suunnittelun läpimurroissa kehittämällä ForceStickerin, innovatiivisen voimaa mittaavan tarran. Integroimalla mikrokondensaattoreita ja kaupallisia RFID-tunnisteita he loivat laitteen, joka mittaa kohdistetun voiman ja lähettää tiedot langattomasti.

"Ihmisillä on syntyessään luontainen kyky aistia voimaa", Dinesh Bharadia, professori UC San Diego's School of Engineeringistä, sanoi koulun lausunnossa. "Tämä antaa meille mahdollisuuden olla saumattomasti vuorovaikutuksessa ympäristömme kanssa ja antaa kliinikoille mahdollisuuden suorittaa herkkiä kirurgisia toimenpiteitä. .Tämän voiman tunnistamiskyvyn tuominen elektronisiin laitteisiin ja lääketieteellisiin implantteihin voisi mullistaa monia aloja."

Ja tällä tekniikalla ei ole potentiaalia vain lääketieteellisiin ja teollisiin sovelluksiin, vaan sitä voidaan käyttää myös varastopakkausten pohjan painon mittaamiseen. Jatkuvan tutkimuksen ja innovaation kauttaMeillä on syytä uskoa, että tämän kaltaisia läpimurtoja tullaan lisäämään elämämme ja työmme parantamiseksi tulevaisuudessa.