如何利用壓力感測器產生電壓脈衝,並將其轉化為突觸後電流的?

2023年06月22日19:03:16 健康 1805

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開發了一種雙模式感測器,分別通過使用電感和電容機制來檢測接近度和壓力當人類的手靠近一個硅酮具有碳微線圈(CMC)的彈性體複合物,手和複合線圈之間形成的互感發生變化,因此,可以檢測到接近。

當感測器被直接按壓時,共面電極之間的測量電容發生變化,因為電容易受幾何因素影響。

儘管這兩種系統的感測性能仍然局限於磁場或手指,但近程感測器在物理感測器領域提供了一種新型的刺激。基於磁場的接近感測器的結構和感測機制。

壓力和近程感測方案,使用嵌入在硅彈性體。在生物體感系統中,感覺信息通過一系列被稱為鋒電位序列的潛在信號傳遞到大眾所周知。

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尖峰的發射率(所產生信號的頻率)傳遞刺激的強度這種事件驅動尖峰訓練信號實現了高能量效率並增強了從雜訊中識別信號已經進行了幾項研究來模擬基於頻率的輸出信號,並且驗證了人工尖峰信號與生物神經系統的兼容性受生物信號轉導機制的啟發。

Tee等人報道了數字觸覺系統他們將金字塔形CNT壓力感測器用於壓力感測模塊。模數轉換器(ADC)將電阻信號轉換成頻率信號,其中頻率與測量壓力的強度成比例。雙觸點與相結合光電子的模塊,以便將頻率輸出轉換為光信號。

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當來自該設備的光脈衝被引入光基因工程小鼠時,從體感皮層神經元檢測到響應細胞電位。Kim等人展示了基於頻率的信號的功能,如物體運動檢測、盲文字元識別和肌肉運動他們將金字塔形的壓力感測器連接到一個有機環上振蕩器以產生電壓脈衝

然後,脈衝被傳輸到突觸晶體管,以產生基於頻率的突觸後電流即使來自兩個壓力感測器的頻率輸出重疊,兩個不同的頻率也可以通過傅立葉變換分離。由於人工突觸後信號模擬生物傳遞,它們可以電觸發生物傳入神經。

壓敏觸覺感測器,其可以通過利用有機環形振蕩器(a)產生頻率信號,並且頻率響應取決於所施加的壓力。來自人工傳入神經的兩個頻率信號的突觸調製。

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頻率信號由模擬壓力信號轉換而來,在突觸晶體管中合併,然後通過傅立葉變換解耦。人工傳入神經和生物傳出神經的雜交。

蟑螂腿伸展的測量力與施加的壓力成比。使用可拉伸設備的最大障礙之一是電力供應。

由於剛性電池的使用不僅降低了裝置設計的自由度,而且使其難以確保拉伸性,因此已經提出了對自供電裝置或消耗最少量電能的裝置的需求。

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此外,無線通信對於可穿戴可拉伸設備來說是必不可少的,以使設備形狀因素多樣化。

在這些方面,可拉伸射頻識別(RFID)可能是一個很好的候選設備類型牛等人演示了一種可拉伸的RFID應變感測器,無需任何晶元或電池即可傳輸應變信息他們通過印刷基於CNT的應變感測器和銀片/彈性體複合電路。

RFID性能方面,三個參數決定了無線傳輸的效率;目標共振頻率(f標籤)、目標天線質量因子(Q)以及RFID啟動器和目標之間的耦合因子(κ) 他們展示了對電子元件的精確控制,並證實了在坐著、站著和走路的身體運動期間應變信息的無線傳輸王等製作了一種低成本柔性RFID標籤金屬天線他們用催化劑墨水噴墨列印無電沉積銅的。

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柔性金屬天線在-180°到180°的彎曲範圍內沒有表現出明顯的信號衰減。即使在彎曲半徑為8 mm的1000次彎曲循環中也能可靠地識別RFID標籤利用摩擦電納米發電機(TENG)和壓電納米發電機(PENG)的主動物理感測器。

半球陣列結構TENGs的結構及其感測機制。基於TENG的可拉伸多模式觸覺感測器的結構。該感測器可以同時檢測壓力和應變,同時最小化信號耦合 (c)基於彭的聲學感測器,使用PVDF納米纖維墊作為壓電薄膜。

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使用Pb[Zr]的壓電感測器中壓力下的壓電電勢分布x,Ti1-x]O3(PZT)薄膜作為壓電層。給出了對外部壓力和聲波的動態響應

壓電材料已經被研究用於感應振動和壓力Lang等人通過靜電紡絲生產壓電PVDF納米纖維,並將納米纖維墊夾在兩層金濺射PET膜當聲波撞擊PVDF膜時,該膜經歷面內(V1)和跨平面(V2)震動。

感測器的這種波動允許以高靈敏度(2.66 mV Pa)檢測聲波−1).值得注意的是,電紡PVDF納米纖維墊顯示出比由連續PVDF膜製成的商業感測器高5倍的靈敏度。

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Park等人利用Pb[Zr]設計了一種自供電壓力感測器x,Ti1-x]O3(PZT)作為無機壓電材料壓力的大小(1-30 kPa)可以通過電壓輸出的幅度來識別。

基於超薄PZT薄膜的感測器通過聲波表現出壓電性。薄膜感測器的高機械順從性使其能夠在人的手腕上使用,並從血管監測心臟脈搏。

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雖然是無機的熱電材料可以獲得高的能量轉換效率,但是由於先天的原因,它不能獲得機械柔性脆性。

因此,無機熱電材料(例如,Bi-Te和Sb-Te化合物)已經被集成到在彈性體襯底上圖案化的剛性島上等人研究了基於PEDOT:PSS/PU混合物的熱電行為的可拉伸自供電感測器當PU的PU組成被優化(90 wt%)時,在不影響熱電性能的情況下實現了高拉伸性(700 %)。

利用熱電流演示了應變感測。對於光電電子皮膚,利用了可拉伸的褶皺石墨烯光電探測器由於其優異的機械柔性和寬頻吸收石墨烯沉積在預應變的彈性體上並被釋放以形成褶皺結構。

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由於高面密度,起皺的石墨烯具有200 %的拉伸性和增強的光響應性。在光照區,電子-空穴對產生一個小電壓(15 μV)。某些情況下,刺激-反應的組合可以同時使用。

Lee等人開發了一種高度可拉伸的熱電和壓電納米發電機,稱為混合可拉伸納米發電機通過單一材料P(VDF-TrFE)獲得熱和機械刺激響應特性。

PDMS/CNT的複合層和石墨烯層被用作頂部和底部可拉伸電極。由於高導熱性在石墨烯中,來自頂部的熱刺激表現出高熱電輸出。

感測器被拉伸時,P(VDF-TrFE)的電偶極子垂直於拉伸方向排列。當感測器受熱時,電偶極振蕩導致極化衰減。這樣,單個感測器可以經歷壓電和熱電行為。HSNG的拉伸率約為30 %,熱電性能穩定。

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基於非機械能源的主動物理感測器可拉伸的示意圖光電探測器基於起皺的石墨烯光活性複合材料,通過混合熱電和壓電納米發電機的可拉伸應變和熱感測器。

隨著單功能觸覺感測器的技術進步,多功能感測器已經對實現如人體中的多感官感知感興趣有兩種方法可以獲得多種功能。在橫向或垂直方向上將不同的感測器組合在單個基底上,以及(在單個感測單元中利用多模態響應。

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不同單元感測器的橫向集成可以在單個襯底上實現多種功能,但是這種方法限制了感測器的空間解析度。並且使得設備結構複雜不同的感測器可以垂直堆疊,以避免結構複雜性,但不損失空間解析度這種方法要求分步製造過程之間的正交性,頂層可能會妨礙底層的功能。

如果單個單元的感測器具有多模態性,並且能夠完美地區分多種刺激,則它可以保持對多種刺激的高解析度,而沒有結構複雜性的問題這種方法需要開發多功能材料或新的分析過程。實現多種功能還沒有被深入研究。

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本節通過橫向/縱向集成和多模態感測介紹了最近的研究。通過並排放置不同類型的感測器,可以實現多種功能。

這種策略對於集成多種類型的感測器簡單而有效集成應變感測器,溫度感測器水合感測器、電生理感測器和加熱器,以檢測來自人體皮膚的生理和物理信號通過結合導體、半導體和電介質材料,可以獲得多種功能。

感測器與由Ag薄片/PEDOT:PSS複合材料製成的柔性電路線連接。他們使用P3HT納米纖維墨水作為應變感測器的半導體活性材料,使用PVDF-HFP/[Emim][TfSi]離子凝膠墨水作為介電層他們將墨水注入圓珠筆,用來繪製電路。

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感測單元也可以用作溫度感測器,因為它具有負溫度係數,而它具有正應變係數。加熱器是用纏繞電極製成的。通過測量兩個電極之間的皮膚阻抗來實現水合感測器。

值得注意的是,這種多功能性是通過將油墨直接印刷在皮膚上實現的。集成了靈活的三軸加速度感測器、溫度感測器、心電圖感測器和紫外光感測器,用於實時健康監護所有的組件都被放置在可變形的PET上硅橡膠襯底。

印刷三軸加速度感測器由一個丙烯酸的由用Ag NP/CNT油墨印刷的應變感測器包圍的板。在加速過程中,丙烯酸板的運動被相鄰的應變感測器檢測到。

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用PEDOT:PSS/CNT複合材料製備印刷溫度感測器,其中當溫度升高時,由於PEDOT:PSS和CNT界面處增強的電子跳躍,電阻發生變化。紫外感測器由ZnO納米線網路製成。電阻變化是由氧的吸附和解吸引起的。

EGaIn用於將感測器連接到電路線路,以保持機械變形能力。通過多個感測器的橫向集成實現多功能感測器。皮膚共形的全印刷畫皮電子設備。Ag薄片/PEDOT:PSS複合材料、P3HT納米纖維和PVDF-HFP/[Emim][TfSi]離子凝膠分別用作電極、半導體和介電層。

該系統具有加熱功能。多功能印刷柔性感測器,用於同時監控三軸加速度、心電圖和溫度。印刷柔性感測器的保健監測。這些功能包括檢測紫外線、溫度、心電圖和身體運動。

人的指尖在表皮-真皮界面處具有互鎖結構,因此它可以實現高度靈敏的機械換人類指尖結構的啟發,Park等人提出了一種多功能感測器來檢測靜態/動態壓力和溫度A鐵電的PVDF/r-GO複合膜用於模擬互鎖結構。該薄膜表現出壓電和熱電響應,因此可以檢測動態機械刺激和熱刺激。

聯鎖結構能夠通過測量聯鎖介面處的接觸電阻來檢測靜壓。當水滴落在感測器上時,由於水滴的溫度,相對電阻在初始階段迅速下降。然後,相對阻力逐漸達到平衡,然後阻力只受液滴壓力的影響。關於各種刺激的空間分布的信息對於對環境的反應性相互作用是重要的。


參考文獻

《物理感測器的方法:電子與離子電子》

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