Nhãn đo lực RFID xác định lại phép đo chính xác

Hai vật bất kỳ tiếp xúc sẽ tác dụng một lực nhất định lên nhau, có thể là do trọng lực hoặc tiếp xúc cơ học, chẳng hạn như trọng lượng của vật đó trên mặt sàn hoặc sự tiếp xúc của hai xương ở khớp gối của con người. Để đo lực này hiệu quả và thuận tiện hơn, một nhóm nghiên cứu tại Đại học California, San Diego đã phát triển một "nhãn dán" đo lực siêu mỏng RFID. để hỗ trợ việc đo lường những hiện tượng này.

ForceSticker được phát triển từ sự tích hợp của hai thành phần chính: một tụ điện cực nhỏ chỉ dày vài mm và có kích thước bằng hạt gạo và Thẻ RFID tần số siêu cao 900 MHz thương mại. Các nhà nghiên cứu đã tích hợp hai thành phần này để họ có thể đo lực tác dụng và truyền thông tin không dây đến đầu đọc RFID tiêu chuẩn.

Một lớp polymer mỏng dẻo được đặt giữa hai dải đồng dẫn điện của tụ điện để tạo thành tụ điện. Khi có ngoại lực tác dụng lên polyme, nó sẽ nén lại, làm cho các dải đồng di chuyển lại gần nhau hơn, làm tăng điện tích bên trong tụ điện.

Thiết kế của nhãn dán đo lực này được lấy cảm hứng từ sự quan sát nhạy bén về những thay đổi của điện dung. Khi có ngoại lực tác dụng, polyme nén lại, kéo các dải đồng lại gần nhau hơn, do đó làm tăng điện dung. Với thiết kế này, các nhà nghiên cứu có thể đánh giá khả năng chuyển mạch của cảm biến dựa trên thiết kế phạm vi điện dung được tối ưu hóa bắt nguồn từ mô hình RF toán học và thực hiện mô phỏng đa vật lý trong COMSOL.

Trong ứng dụng thực tế của ForceSticker, các nhà nghiên cứu đã sử dụng hai cách triển khai cảm biến 4 × 2 mm khác nhau với các lớp polyme Ecoflex khác nhau (một loại polyme dựa trên silicon được xúc tác bằng bạch kim có khả năng phân hủy sinh học) và cao su tổng hợp bao phủ các phạm vi từ 0 đến 6 N và 0 đến 40 N, sai số đọc lần lượt là 0,25 N và 1,6 N. Ngoài ra, họ đã kiểm tra ForceSticker hơn 10.000 lần và không thấy lỗi giảm đáng kể.

Thẻ RFID thụ động này sử dụng tán xạ ngược để cấp nguồn và truyền dữ liệu. Nó nhận tín hiệu vô tuyến đến từ đầu đọc RFID, sửa đổi tín hiệu thông qua các thay đổi điện do tụ điện gây ra, sau đó phản ánh tín hiệu đã sửa đổi trở lại đầu đọc RFID, nó sẽ diễn giải và chuyển đổi nó thành lực. Phương pháp này chèn trực tiếp phép biến đổi pha RF tương tự do cảm biến tạo ra vào đường dẫn kênh không dây của Thẻ điện tử RFID, tạo ra liên kết tán xạ ngược từ tương tự sang Kỹ thuật số.

Trong quá trình tích hợp cảm biến, thách thức chính là thiết kế giao diện cảm biến. Để cho phép tích hợp cảm biến mà không làm mất độ trung thực của tín hiệu, các nhà nghiên cứu đã sử dụng phương pháp ống dẫn sóng đồng phẳng có trở kháng phù hợp. Hơn nữa, để có được sự điều chỉnh độ nhạy này, tụ điện phải có "giá trị danh nghĩa" được thiết kế phù hợp; với lực bằng không. Điều này được xác định bằng các phương trình phi tuyến khác nhau mô hình hóa tình huống này, có tính đến hệ số trở kháng và phản xạ của đường truyền.

Khi mô phỏng giao diện giữa cảm biến điện dung và RFID nhận dạng kỹ thuật số, các nhà nghiên cứu đã làm như vậy bằng cách chèn cảm biến giữa ăng-ten và thẻ RFID song song với cả hai. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu lưu ý rằng có hai cái gọi là "thoái hóa" nghiệm (có nghĩa là ít nhất một biến cơ bản bằng 0). Một trong những giải pháp giả định rằng tất cả các thay đổi về pha được phản ánh trực tiếp từ cảm biến và không có tín hiệu nào truyền tới Mô-đun RFID. Một giải pháp khác giả định rằng chế độ chuyển đổi điện dung của cảm biến thực sự hoạt động. Cả hai giải pháp đều cung cấp hướng dẫn để tối ưu hóa hơn nữa công nghệ.

Nhìn chung, nhóm nghiên cứu tại Đại học California, San Diego (UCSD) này đã chứng minh những gì có thể thực hiện được trong những đột phá về kỹ thuật bằng cách phát triển ForceSticker, một nhãn dán đo lực cải tiến. Bằng cách tích hợp các vi tụ điện và thẻ RFID thương mại, họ đã tạo ra một thiết bị đo lực tác dụng và truyền thông tin không dây.

"Con người sinh ra đã có khả năng cảm nhận lực bẩm sinh" Dinesh Bharadia, giáo sư tại Trường Kỹ thuật UC San Diego, cho biết trong một tuyên bố từ trường. "Điều này mang lại cho chúng ta khả năng tương tác liền mạch với môi trường xung quanh và cho phép các bác sĩ lâm sàng thực hiện các thủ tục phẫu thuật tinh tế. .Đưa khả năng cảm nhận lực này vào các thiết bị điện tử và thiết bị cấy ghép y tế có thể cách mạng hóa nhiều ngành công nghiệp.”

Và công nghệ này không chỉ có tiềm năng ứng dụng trong y tế, công nghiệp mà còn có thể dùng để đo trọng lượng đáy các gói hàng trong kho. Thông qua việc tiếp tục nghiên cứu và đổi mớiation, chúng ta có lý do để tin rằng sẽ có thêm nhiều đột phá như thế này để cải thiện cuộc sống và công việc của chúng ta trong tương lai.