Tragbarer Drucksensor aus Flüssigmetall

Weiche Drucksensoren haben in einer Vielzahl von Bereichen, einschließlich weicher Robotik, elektronischer Haut und tragbarer Elektronik, erhebliche Forschungsaufmerksamkeit erhalten. Forscher haben einen hochempfindlichen tragbaren Drucksensor entwickelt, der in der Lage ist, physiologische und physikalische Signale empfindlich, präzise und kontinuierlich zu messen und ein großes Potenzial für Gesundheitsüberwachungsanwendungen und die Frühdiagnose von Krankheiten aufweist.

Ein weicher Drucksensor muss eine hohe Nachgiebigkeit, hohe Empfindlichkeit, niedrige Kosten, langfristige Leistungsstabilität und Umgebungsstabilität aufweisen, um für eine kontinuierliche Gesundheitsüberwachung eingesetzt zu werden. Herkömmliche Festkörper-Weichdrucksensoren mit funktionellen Materialien, einschließlich Kohlenstoffnanoröhren und Graphen, haben eine hervorragende Sensorleistung gezeigt; Diese Sensoren leiden jedoch aufgrund des Abstands zwischen dem dehnbaren Substrat und den Funktionsmaterialien unter eingeschränkter Dehnbarkeit, Signaldrift und Langzeitinstabilität.

Um diese Probleme zu lösen, wurde für verschiedene Wearable-Anwendungen eine Flüssigzustandselektronik unter Verwendung von Flüssigmetall eingeführt. Von diesen Materialien hat Galinstan – eine eutektische Metalllegierung aus Gallium, Indium und Zinn – hervorragende mechanische und elektrische Eigenschaften, die in tragbaren Anwendungen eingesetzt werden können. Die heutigen Drucksensoren auf Flüssigmetallbasis haben jedoch eine geringe Druckempfindlichkeit, was ihre Anwendbarkeit für Gesundheitsüberwachungsgeräte einschränkt.

Die Forscher entwickelten einen 3D-gedruckten, starren Mikrobump-Array-integrierten, weichen Drucksensor auf Flüssigmetallbasis. Mit Hilfe des 3D-Drucks konnte die Integration eines starren Mikrohöcker-Arrays und der Urform für einen Flüssigmetall-Mikrokanal gleichzeitig erreicht werden, wodurch die Komplexität des Herstellungsprozesses reduziert wurde. Durch die Integration des starren Mikrohöckers und des Mikrokanals hat der neue Drucksensor eine extrem niedrige Nachweisgrenze und eine verbesserte Druckempfindlichkeit im Vergleich zu zuvor berichteten Drucksensoren auf Flüssigmetallbasis. Der vorgeschlagene Sensor weist auch eine vernachlässigbare Signaldrift über 10.000 Druck-, Biege- und Dehnungszyklen auf und zeigte eine hervorragende Stabilität, wenn er verschiedenen Umgebungsbedingungen ausgesetzt wurde.

Diese Leistungsergebnisse machen ihn zu einem hervorragenden Sensor für verschiedene Gesundheitsüberwachungsgeräte. Zunächst demonstrierte das Forschungsteam ein tragbares Armbandgerät, das den Puls während des Trainings kontinuierlich überwachen und in einem nicht-invasiven, manschettenlosen Blutdrucküberwachungssystem basierend auf PTT-Berechnungen eingesetzt werden kann. Dann führten sie ein drahtloses, tragbares Fersendrucküberwachungssystem ein, das drei 3D-BLiPS mit einem drahtlosen Kommunikationsmodul integriert.