Наклейки для измерения силы RFID переосмысливают точность измерений

Любые два объекта в контакте будут оказывать друг на друга определенную силу, которая может быть вызвана гравитацией или механическим контактом, например, весом объекта на платформе или контактом двух костей в коленном суставе человека. Чтобы измерить эту силу более эффективно и удобно, исследовательская группа Калифорнийского университета в Сан-Диего разработала сверхтонкую «наклейку» для измерения силы RFID, которая поможет измерить эти явления.

ForceSticker был разработан путем интеграции двух основных компонентов: крошечного конденсатора толщиной всего несколько миллиметров и размером с рисовое зерно и коммерческой сверхвысокой частоты RFID-метки 900 МГц. Исследователи объединили два компонента, чтобы можно было измерять приложенную силу и передавать информацию по беспроводной связи на стандартный считыватель RFID.

Тонкий слой гибкого полимера помещается между двумя проводящими медными полосками конденсатора, образуя конденсатор. Когда на полимер действует внешняя сила, он сжимается, заставляя медные полоски сближаться, увеличивая заряд внутри конденсатора.

Дизайн этой наклейки для измерения силы был вдохновлен внимательным наблюдением за изменениями емкости. Когда прикладывается внешняя сила, полимер сжимается, сближая медные полоски, тем самым увеличивая емкость. С помощью этой конструкции исследователи могут оценить возможности переключения датчика на основе оптимизированного дизайна диапазона емкости, полученного из математического моделирования радиочастот, и выполнить мультифизическое моделирование в COMSOL.

В реальном применении ForceSticker исследователи использовали две различные реализации датчика 4×2 мм с различными слоями полимера Ecoflex (биоразлагаемый полимер на основе кремния, катализируемый платиной) и неопрена, охватывающие диапазоны от 0 до 6 Н и от 0 до 40 Н, ошибки считывания составляют 0,25 Н и 1,6 Н соответственно. Кроме того, они провели стресс-тестирование ForceSticker более 10 000 раз и не обнаружили существенного снижения ошибок.

Эта пассивная метка RFID использует обратное рассеяние для передачи мощности и данных. Она получает входящий радиосигнал от считывателя RFID, изменяет сигнал посредством электрических изменений, вызванных конденсатором, а затем отражает измененный сигнал обратно на считыватель RFID, который интерпретирует и преобразует его в силу. Этот метод напрямую вставляет аналоговое преобразование фазы RF, генерируемое датчиком, в беспроводной канал электронной метки RFID, создавая аналого-цифровую линию обратного рассеяния.

В процессе достижения интеграции датчика ключевой проблемой является проектирование интерфейса датчика. Чтобы обеспечить интеграцию датчика без потери точности сигнала, исследователи использовали подход копланарного волновода с согласованным импедансом. Кроме того, чтобы получить эту настройку чувствительности, конденсатор должен иметь правильно спроектированное «номинальное значение» при нулевой силе. Это определяется различными нелинейными уравнениями, которые моделируют эту ситуацию, принимая во внимание импеданс и коэффициент отражения линии передачи.

При моделировании интерфейса между емкостными датчиками и цифровой идентификацией RFID исследователи сделали это, вставив датчик между антенной и меткой RFID параллельно с ними. Однако исследователи отмечают, что существует два так называемых «вырожденных» решения (то есть по крайней мере одна фундаментальная переменная равна нулю). Одно из решений предполагает, что все изменения фазы отражаются непосредственно от датчика, и сигнал не достигает модуля RFID. Другое решение предполагает, что фактически работает режим емкостного переключения датчика. Оба решения дают указания по дальнейшей оптимизации технологии.

В целом, эта команда из Калифорнийского университета в Сан-Диего (UCSD) продемонстрировала, что возможно в инженерных прорывах, разработав ForceSticker, инновационную наклейку для измерения силы. Интегрировав микроконденсаторы и коммерческие метки RFID, они создали устройство, которое измеряет приложенную силу и передает информацию по беспроводной связи.

«Люди рождаются с врожденной способностью ощущать силу», Динеш Бхарадиа, профессор Школы инженерии Калифорнийского университета в Сан-Диего, сказал в заявлении школы. «Это дает нам возможность беспрепятственно взаимодействовать с окружающей средой и позволяет врачам выполнять тонкие хирургические процедуры. Внедрение этой способности ощущать силы в электронные устройства и медицинские имплантаты может произвести революцию во многих отраслях промышленности».

И эта технология не только имеет потенциал для медицинских и промышленных применений, но также может использоваться для измерения веса нижней части складских упаковок. Благодаря постоянным исследованиям и инновациямation, у нас есть основания полагать, что в будущем нас ждет еще больше подобных прорывов, которые улучшат нашу жизнь и работу.