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J’espionne le Père Noël | Conception de la machine

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Cet article a paru dans Electronic Design et a été publié ici avec permission.

Ce que vous apprendrez:

  • Comment une équipe Caltech a créé un capteur de transpiration portable à l’aide de circuits imprimés flexibles.
  • Matériaux impliqués dans la création du capteur de récupération d’énergie.

Ce n’est pas une nouveauté que vous pouvez utiliser l’effet triboélectrique – l’électricité générée par le frottement du mouvement entre deux matériaux appropriés – pour générer des quantités minuscules mais utiles d’énergie pour alimenter les appareils montés sur le corps et leurs capteurs. Cependant, bon nombre de ces récupérateurs d’énergie nécessitent des étapes de fabrication complexes et manquent de robustesse ou de flexibilité pour une usure corporelle normale et une usure normale associée normale.

Désormais, une équipe du California Institute of Technology (Caltech) a développé un capteur de transpiration portable alimenté par une moissonneuse triboélectrique simple à fabriquer, basée sur un mince sandwich de matériaux (téflon, cuivre et polyimide) attaché au la peau de la personne. Au fur et à mesure que la personne se déplace, ces feuilles de matériau frottent contre une couche de glissement en cuivre et polyimide pour générer de petites quantités d’électricité.

Ce qui est nouveau, a noté Wei Gao, professeur adjoint de génie médical au département de génie médical Andrew et Peggy Cherng et chef de projet, c’est la façon dont l’équipe de recherche a fabriqué le nanogénérateur. «Ce n’est pas quelque chose de nouveau, du point de vue conceptuel. Mais au lieu d’utiliser des matériaux sophistiqués, nous utilisons des circuits imprimés flexibles disponibles dans le commerce », a-t-il déclaré.« Ce matériau est bon marché et très durable et mécaniquement robuste sur de longues périodes de temps.

Pourquoi se concentrer sur la sueur? Les chercheurs notent que la sueur est un milieu attrayant et accessible avec de nombreux biomarqueurs moléculaires, notamment des électrolytes, des métabolites, des acides aminés, des hormones et des médicaments que des capteurs portables peuvent analyser. Surnommé un nanogénérateur triboélectrique autonome (Système de capteur de transpiration portable alimenté par FTENG) (FWS3), cette unité intégrée transmet ses données sans fil via une liaison Bluetooth basse consommation, éliminant ainsi le besoin d’un connecteur et les nombreux problèmes qui s’ajouteraient à la conception.

Le projet a abouti à une plate-forme portable hautement robuste, pouvant être produite en série et sans batterie, qui extrait efficacement la puissance des mouvements du corps via la carte de circuit imprimé flexible (FPCB) basée sur FTENG. L’unité terminée est un circuit de capteur sans fil à faible puissance portable efficace et un patch de capteur de sueur microfluidique sur une seule plate-forme FPCB qui peut surveiller dynamiquement les biomarqueurs clés de la sueur tels que le pH et le Na+et générer une puissance de sortie relativement élevée d’environ 416 mW / m2 (Fig. 1).


1. FWS sans batterie3 pour la surveillance moléculaire sans fil et non invasive. (A) Schéma illustrant le FWS3 qui intègre la collecte d’énergie du mouvement humain, le traitement du signal, la biocapture de la sueur à base microfluidique et la transmission de données sans fil basée sur Bluetooth à une interface utilisateur mobile pour le suivi de l’état de santé en temps réel. (B et C) Images optiques d’un FWS FPCB3, qui peut être porté sur un torse côté humain. Barres d’échelle, 4 cm. (D) Schéma de principe du FTENG basé sur FPCB avec un curseur de réseau et un stator interdigité. (E) Schéma de principe du FWS3 montrant un patch de capteur de sueur à base microfluidique en interface avec les circuits flexibles. (F) Schéma fonctionnel au niveau du système montrant la gestion de l’alimentation, la transduction du signal, le traitement et la transmission sans fil du FWS3 du FTENG aux biocapteurs, puis à l’interface utilisateur. (Source: Yu Song, Institut de technologie de Californie)

Pour fabriquer le FTENG, l’équipe a utilisé une série d’étapes similaires à la fabrication de PCB pour créer la soudure, en utilisant un dépôt autocatalytique de nickel / or d’immersion (ENIG) plus un revêtement de polytétra-fluoroéthylène (PTFE – Téflon) pour le stator (Fig. 2). Le curseur rectangulaire interdigité (44 × 42 mm) a 10 «chiffres», tandis que le stator (60 × 38 mm) a 15.

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2. Processus de fabrication du curseur et du stator du FTENG. Les étapes (i-vi) sont compatibles avec le processus de fabrication du FPCB commercial. (Source: Institut de technologie de Californie)

La production du FTENG a été modélisée et mesurée sur le banc selon plusieurs scénarios; Fig. 3 montre les données extraites d’une telle exécution.

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3. Performances de sortie du FTENG. (A) Formes d’onde des tensions de sortie d’un FTENG sous une fréquence de travail de 0,5 Hz. (B) Stabilité cyclique des performances de sortie d’un FTENG après 20 000 cycles sous une fréquence de travail de 2 Hz. (Source: Institut de technologie de Californie)

Le schéma de principe du circuit et l’organigramme de haut niveau du firmware d’exploitation montre l’interconnexion et l’interaction entre les nombreux éléments (Fig. 4).

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4. Intégration au niveau du système et évaluation du FWS3. (A) Schéma de principe du FWS sans batterie3 composé d’un module FTENG, d’une interface biocapteur, d’amplificateurs d’instrumentation, d’un PMIC récupérateur d’énergie, d’un régulateur de tension et d’un module BLE PSoC. (B) Flux de fonctionnement du FWS3 avec traitement du signal et transmission de données. (C) Consommation électrique du FWS3 pendant l’opération. (D) Potentiel en temps réel du condensateur (242 µF) pendant le fonctionnement continu du FWS3 avec un FTENG à trois panneaux sous différentes fréquences de travail. (E) Validation de la transmission de données depuis un FWS3 avec un FTENG à trois panneaux sous différentes fréquences de travail. (F) Stabilité à long terme du processus de charge du condensateur lorsqu’un FWS3 fonctionne sous une fréquence de travail de 1,5 Hz. (Source: Institut de technologie de Californie)

En plus de la modélisation physique et électrique et des tests au banc, l’équipe du projet a réalisé des évaluations avec des sujets vivants pour valider les résultats et renforcer la crédibilité du projet. (Fig. 5).

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5. Évaluation sur le corps du FWS3 pour une analyse dynamique sans fil de la transpiration. (A) formes d’onde de sortie d’un FTENG à six panneaux FPCB au cours de divers exercices. (B et C) Potentiel en temps réel du condensateur chargé par un FTENG (B) et temps de charge moyen pour chaque transmission de paquet (C) lorsqu’un sujet court sur un tapis roulant pendant 1 heure à une vitesse constante de 9 km / heure. Le rapport en (C) représente le pourcentage de cycles de charge (avec une durée de charge dans une plage de temps donnée) sur tous les cycles de charge. Lorsque le potentiel atteint 3,3 V, le condensateur est déchargé en raison de la transmission de données Bluetooth Low Energy (BLE). (D) Image optique d’un sujet sur un tapis roulant portant un FWS3 et un téléphone portable. (E) pH et Na de la sueur en temps réel+ les niveaux sont obtenus sans fil à partir du système portable chargé par une batterie au lithium et par un FTENG pendant le fonctionnement à vitesse constante. (Source: Yu Song, Institut de technologie de Californie.

Une description de la logique, des différentes étapes et des résultats de ce projet multidisciplinaire se trouve dans un article lisible de 11 pages publié dans la revue Progrès scientifiques, « Capteur de transpiration portable sans fil et sans pile alimenté par le mouvement humain. » Il est accompagné d’un document de 38 pages sur les matériaux supplémentaires qui fournit des détails supplémentaires sur la fabrication, l’arrangement et le test.

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