宽带机械响应液态金属传感器,实现可穿戴生物力学传感

MEMS 2022-08-16 00:00

可拉伸电子器件具有匹配人体复杂几何构型的基本优势,这为实时生物力学传感提供了机会。据麦姆斯咨询报道,近日,一支由美国达特茅斯学院(Dartmouth College)的研究人员组成的团队在npj Flexible Electronics期刊上发表了题为“Broadband mechanoresponsive liquid metal sensors”的论文,该论文提出的新型液态金属传感器有助于用于触觉和生物医学传感的新一代高效节能可穿戴设备的开发。

可拉伸电子器件与人类生理学的复杂几何构型和柔顺机构独特地相匹配。这种能力使可拉伸和柔性器件适用于各种人体生物医学传感应用,如脉搏波传感、血氧测定和生物阻抗断层扫描等,因为它们具有多方向的可拉伸性和可变形性。此外,可拉伸材料提供的保形接触可以通过减少运动伪影来提高信号质量,并可将可穿戴电子设备转变为重量轻和不易察觉的设备。液态金属,如Ga和In的共晶合金(EGaIn)(75.5% Ga,24.5% In)和Ga、In、Sn的共晶合金(Galinstan)(68.5% Ga、21.5% In和10.0% Sn),由于其高导电率(3.4 × 10⁴ S cm⁻¹)和低毒性,是可拉伸电子器件连接的最高性能材料。此外,EGaIn的液体状态很容易适应可穿戴设备所需的大单轴和双轴应变的循环载荷,而无需蜿蜒曲折的蛇形结构。

液态金属导体的可靠性和性能对于集成了许多无源元件、传感器和集成电路(IC)的可拉伸无线电路至关重要。这些可穿戴系统在正常使用过程中会发生变形,包括关节(如指关节或肘部)处皮肤的双轴应变高达30–40%。维持这些机械变形使得电阻传感模式将液态金属迹线转换为应变计。液态金属柔性电路的变形包括平面内机械拉伸、平面外扭转和压缩等模式。虽然液态金属导体对这些机械变形模式的基于直流(DC)电阻的电响应(反映应变程度、横截面几何形状和长度)已得到了充分证实,但人们尚未探索它们对这些模式的高频响应。

交流(AC)电阻调制是一种很有前途的方式,通过充分利用液态金属可变形几何构型的物理特性,人们可以扩展液态金属可拉伸传感器的灵敏度和性能。以往的基于交流的液态金属传感方面的研究是通过液态金属传输线上的反射以及电感或电容的变化进行时域传感的。然而,这些以往的研究尚未考察液态金属在高于1 MHz的较高频率下的一个关键特征——即可变形导体的横截面自然地改变了它们的电磁学,并在微尺度上改变了有效电阻率。

理解液态金属导体中交流传导的电动力学对于设计用于传感和通信的复杂可拉伸模拟电路至关重要。具体而言,通过软光刻技术由液态金属制成的具有无源元件(如电阻器、电容器、导通孔等)的高密度可拉伸电子器件可以从对机械变形的高频交流电阻响应的研究中受益匪浅。交流性能也是将液态金属用于对电阻损耗高度敏感的无线电力传输等应用的核心问题。

在这篇论文中,研究人员提出了一种高频交流增强电阻传感方法,该方法利用可变形液态金属来改善可穿戴电子设备中机械刺激的低功耗检测。这种增强的基本机制是集肤效应的几何调制,它导致电流在液态金属迹线的表面发生拥挤。结合直流传感,该方法可以定量地确定变形的机械模式,例如平面内拉伸和平面外压缩,这些模式传统上是无法区分的。在这里,他们通过有限元仿真研究这种方法。最后,他们通过实验演示了可穿戴触觉手套装置和可穿戴呼吸传感带中的交流电阻传感,验证了低功耗拉伸和压缩的多模式检测性能。此外,这种交流传感器的功率比直流传感器低100倍,从而有助于用于触觉和生物医学传感的新一代高效节能可穿戴设备的开发。

图1 柔性电子器件应用的液态金属填充导体的有限元分析仿真交流电阻

图2 交流增强液态金属传感器制造和手势跟踪实验

图3 实验交流电阻的建模和低功耗可穿戴呼吸传感带的演示

论文信息:
https://doi.org/10.1038/s41528-022-00206-3



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