Sự ra đời của các thiết bị điện tử cầm tay và đeo trên người đã hoàn toàn cách mạng hóa xã hội. Các thiết bị điện tử cầm tay như điện thoại di động, máy tính xách tay và đồng hồ thông minh đã giúp cuộc sống của con người trở nên dễ dàng hơn. Người ta có thể kết nối ngay lập tức và nhìn thấy những người thân hoặc bạn bè của mình đang sống ở góc bên kia địa cầu thông qua các cuộc gọi điện video trên internet. Trước đó, ngành công nghiệp bán dẫn dựa trên silicon đã đóng một vai trò lớn trong sự phát triển của ngành điện tử và thông tin.
Tuy nhiên, với sự xuất hiện của các công nghệ mới như internet vạn vật (IoT), trí tuệ nhân tạo, theo dõi sức khỏe từ xa, nhà thông minh, tương tác giữa người và máy, v.v., ngành công nghiệp dựa trên silicon thông thường đang phải đối mặt với những thách thức mới.
Ngày nay, các thiết bị điện tử đeo được, với tính linh hoạt cơ học và chức năng điện tử tích hợp, đã cho thấy sự phát triển và tiến bộ vượt bậc so với các thiết bị điện tử cứng dựa trên silicon thông thường.
Với nghiên cứu mới nhất về khoa học vật liệu, thậm chí có thể chế tạo các mạch điện tử không chỉ linh hoạt mà còn có thể co giãn, cho phép chúng được sử dụng trong nhiều ứng dụng hơn.
Các thiết bị điện tử linh hoạt và có thể đeo được có ứng dụng rộng rãi trong ngành y tế và chăm sóc sức khỏe. Do sự kết hợp công nghệ của trí tuệ nhân tạo và internet vạn vật (IoT) với các thiết bị điện tử y tế như cảm biến, bộ truyền động, v.v., nên có thể đo lường và phân tích bệnh nhân từ xa và cung cấp cho họ dịch vụ chăm sóc và điều trị mong muốn.
Vì các thiết bị y tế và cảm biến linh hoạt, có thể co giãn và có thể quấn quanh cơ thể hoặc cơ quan mục tiêu và có thể thu được hình dạng mong muốn nên các phép đo mà chúng thực hiện khá chính xác.
Những cảm biến linh hoạt này có thể được sử dụng để đo nhiều dữ liệu của bệnh nhân như nhịp tim, huyết áp, nhịp thở, độ pH, mức đường huyết, nhiệt độ, mồ hôi, nước bọt, v.v. và có thể giúp các chuyên gia y tế chẩn đoán sớm.
Các cảm biến không linh hoạt cũng đã được phát triển trước đó và sử dụng silicon làm chất nền nhưng không thể đo chính xác các thông số sinh lý do độ cứng của chúng.
Cảm biến linh hoạt có cấu trúc phân lớp trong đó lớp dưới cùng là chất nền được tạo thành từ vật liệu polyme dẻo. Chất nền thường được sử dụng để sản xuất cảm biến bao gồm polyetylen terephthalate (PET), polyimide (PI), polydimethylsiloxane (PDMS), polypyrrole, màng oxit thiếc indium (ITO), v.v.
Ngoài lớp nền, cảm biến còn có hai lớp điện cực, lớp điện cực trên và lớp điện cực dưới để dẫn tín hiệu điện vào hoặc ra khỏi cảm biến.
Các lớp điện cực cũng được chọn sao cho chúng mang lại sự linh hoạt hoàn toàn tương tự như lớp nền. Các vật liệu thường được sử dụng để chế tạo điện cực của cảm biến linh hoạt là polyme dẫn điện, dây nano bạc (Ag) và lưới kim loại vàng, đồng hoặc bạc.
Lớp quan trọng nhất của cảm biến là lớp hoạt động, được đặt ở giữa cảm biến. Chất liệu của lớp hoạt động phụ thuộc vào loại cảm biến, đó là cảm biến áp suất, cảm biến sinh hóa, cảm biến nhiệt độ, cảm biến lực, v.v.
Nếu cảm biến là cảm biến áp suất thì vật liệu được sử dụng cho lớp hoạt động có thể là vật liệu áp điện có thể chuyển đổi năng lượng cơ học dưới dạng rung, mạch, nhịp tim của con người, v.v., thành tín hiệu điện.
Tương tự, nếu cảm biến là cảm biến nhiệt độ thì vật liệu lớp hoạt động là vật liệu nhiệt điện. Trong cảm biến linh hoạt, vật liệu lớp hoạt động cũng được chọn sao cho nó có đủ độ linh hoạt và hỗ trợ uốn cong cơ học mà không bị hư hỏng.
Cảm biến áp suất linh hoạt thường sử dụng polyvinylidene fluoride (PVDF), ZnO, P(VDF-TrFR), v.v., làm các lớp hoạt động áp điện có độ linh hoạt mong muốn.
Các kỹ thuật khác nhau đã được phát triển để sản xuất các cảm biến linh hoạt và có thể đeo được. Một số kỹ thuật được sử dụng để chế tạo các cảm biến này là in, quay điện, chuyển mẫu và sản xuất bồi đắp.
Kỹ thuật in là kỹ thuật phổ biến nhất để sản xuất các cảm biến này. Việc in ấn có thể là in lụa còn được gọi là in analog hoặc có thể là in kỹ thuật số còn được gọi là in phun.
Trong in lụa, mặt nạ được tạo ra và đưa vào máy in và được sử dụng để in mẫu theo yêu cầu. Hầu hết tất cả các cảm biến và mạch điện tử trước đó đều được chế tạo bằng kỹ thuật in lụa này.
Ngày nay, in kỹ thuật số đã xuất hiện, không cần phải làm mặt nạ. Trong in kỹ thuật số, mẫu cần in được đưa kỹ thuật số vào máy tính và được in tự động bằng lệnh máy tính.
Mặc dù in kỹ thuật số đơn giản, dễ sử dụng và ít tốn công sức hơn nhưng loại mực sử dụng cho kỹ thuật này phải đáp ứng một số yêu cầu cụ thể về độ nhớt và sức căng bề mặt.
Mặt khác, trong kỹ thuật quay điện, dung dịch polyme được chuẩn bị và được đưa vào ống tiêm được dẫn tới kim kim loại bằng bơm ống tiêm.
Một điện áp cao được đặt dọc theo kim và được sử dụng để đẩy dung dịch polymer bằng cách phá vỡ sức căng bề mặt của chất lỏng. Trong quá trình phóng, dung môi polyme bay hơi và vật liệu polyme ổn định được lắng đọng theo kiểu xoắn ốc và thu được sản phẩm sợi mong muốn.
Tương tự, trong kỹ thuật chuyển mẫu, một mẫu được in trên bề mặt cứng bằng cách sử dụng mặt nạ thông qua kỹ thuật in thông thường và sau đó được chuyển lên chất nền dẻo.
Cần có sự cẩn thận đặc biệt trong quá trình chuyển mẫu, vì các mẫu được tạo ra rất mỏng manh và có thể bị hỏng nếu không được xử lý đúng cách. Sản xuất bồi đắp còn được gọi là in 3D là kỹ thuật in mới nhất được sử dụng để chế tạo các thiết bị điện tử hoặc thiết kế mạch điện phức tạp.
Trong kỹ thuật này, việc in được thực hiện theo từng lớp và các mẫu được in chồng lên nhau trên chất nền linh hoạt. Sử dụng kỹ thuật này, các thiết bị điện tử có cấu trúc hoặc thiết kế nano phức tạp có thể được chế tạo một cách hiệu quả.
Cảm biến linh hoạt và có thể đeo được có nhiều ứng dụng chung và chăm sóc sức khỏe. Việc triển khai một cảm biến cụ thể trong một tiện ích cụ thể phụ thuộc vào loại phép đo hoặc đường đi cần thực hiện.
Các cảm biến thường được áp dụng là cảm biến điện hóa, cảm biến áp suất hoặc biến dạng, cảm biến nhiệt độ, v.v. Một vài ví dụ về cảm biến đeo trên người được minh họa trong hình 1.
Tất cả những cảm biến đó đều có một lớp hoạt động để đo đại lượng mục tiêu cụ thể và chuyển đổi đại lượng đó thành tín hiệu điện tương ứng. Có nhiều loại cảm biến điện hóa cần có trong theo dõi chăm sóc sức khỏe, bao gồm glucose, mồ hôi, nước bọt, độ pH, đo cholesterol vận chuyển thuốc, v.v.
Nguyên lý cơ bản của cảm biến điện hóa là phản ứng hóa học giữa vật liệu cảm biến và chất mục tiêu sẽ thay đổi nơi cư trú điện của cảm biến và việc theo dõi sức khỏe được thực hiện theo cách này.
Cảm biến áp suất hay cảm biến lực là một loại cảm biến quan trọng được sử dụng để đo nhiều thông số quan trọng về sức khỏe như nhịp tim, huyết áp, nhịp tim, v.v.
Những cảm biến này phát hiện lực cơ học dưới dạng lực căng, ứng suất, biến dạng và mô-men xoắn và chuyển chúng thành tín hiệu điện. Có nhiều loại cảm biến biến dạng cần có trong chăm sóc sức khỏe như cảm biến điện trở, cảm biến điện dung và cảm biến áp điện.
Trong cảm biến điện trở, điện trở của vải cảm biến sẽ thay đổi khi phát hiện tín hiệu cơ học và điện trở đùn được coi là bên trong hình dạng của một bộ khuếch đại bên trong tín hiệu điện.
Tương tự, trong cảm biến điện dung, điện dung của cảm biến thay đổi khi có sự thay đổi của lực cơ học hoặc áp suất và được phản ánh dưới dạng tín hiệu điện.
Cảm biến áp điện là cảm biến phát triển điện áp trên các cực của nó khi phát hiện lực hoặc áp suất cơ học. Nhiều vật liệu gốm và polyme gốc chì thể hiện tính chất áp điện và được sử dụng trực tiếp trong các cảm biến như vậy.
Theo nghiên cứu mới nhất về cảm biến áp suất, các cấu trúc xốp hoặc thiết kế kiến trúc nano được sản xuất thông qua công nghệ sản xuất bồi đắp có thể được sử dụng để nâng cao hiệu suất hoặc độ nhạy của các cảm biến này.
Một loại cảm biến đeo được khác là cảm biến nhiệt độ. Những cảm biến này phát hiện sự thay đổi nhiệt độ cơ thể và phản ánh đầu ra dưới dạng tín hiệu điện.
Chủ yếu có hai loại cảm biến nhiệt độ là cảm biến điện trở và cảm biến nhiệt điện. Trong cảm biến nhiệt độ điện trở, điện trở của vật liệu được triển khai thay đổi theo sự thay đổi nhiệt độ.
Do đó tín hiệu điện đầu ra thay đổi tương ứng. Oxit kim loại, CNT, graphene và vật liệu tổng hợp polymer là những vật liệu thường được sử dụng để chế tạo cảm biến nhiệt độ điện trở.
Trong trường hợp cảm biến nhiệt điện, độ phân cực của vật liệu thay đổi khi nhiệt độ thay đổi. Sự thay đổi độ phân cực được tiếp tục sử dụng để tạo ra tín hiệu điện được hiệu chỉnh theo nhiệt độ
Ngoài ra, hiện nay còn có các cảm biến đa chức năng. Trong cảm biến đa chức năng, một số lớp với các chức năng khác nhau được xếp chồng lên nhau và được sử dụng để phát hiện đồng thời nhiều đại lượng như nhiệt độ, áp suất, v.v..
Nhiều lớp này được kẹp giữa các điện cực và toàn bộ cấu trúc được đặt trên một vật liệu nền được tạo thành từ đế polyme. Cảm biến đa chức năng có khả năng đo đồng thời biến dạng và nhiệt độ trong chăm sóc sức khỏe đã được chế tạo thành công.
Rõ ràng từ cuộc thảo luận ở trên rằng các cảm biến linh hoạt và có thể đeo được đã có những tiến bộ lớn trong vài năm qua. Những cảm biến này kết hợp với trí tuệ nhân tạo và Internet vạn vật tìm thấy rất nhiều ứng dụng trong xã hội. Sự đóng góp của cảm biến đeo được trong lĩnh vực chăm sóc sức khỏe và y tế là rất đáng chú ý và đóng góp của chúng dự kiến sẽ còn tăng hơn nữa trong tương lai tới.
Cảm biến đa chức năng với khả năng đo nhiều đại lượng cùng lúc trông khá hứa hẹn. Ngoài ra, kỹ thuật sản xuất bồi đắp đang tỏ ra khá hiệu quả trong việc sản xuất các thiết kế 3D phức tạp của cảm biến đeo trên người.
Khái niệm tạo ra độ xốp được kiểm soát trong các cảm biến đeo được để nâng cao khả năng cảm biến của chúng cũng mới và dự kiến sẽ mang lại kết quả tốt nếu được thực hiện một cách thông minh.
Yêu cầu gọi lại!
Cảm ơn bạn đã quan tâm đến TT Consultants. Vui lòng điền vào biểu mẫu và chúng tôi sẽ liên hệ với bạn ngay
MỞ KHÓA SỨC MẠNH
Của bạn Ý tưởng
Nâng cao kiến thức về bằng sáng chế của bạn
Thông tin chi tiết độc quyền đang chờ đợi trong Bản tin của chúng tôi
Yêu cầu gọi lại!
Cảm ơn bạn đã quan tâm đến TT Consultants. Vui lòng điền vào biểu mẫu và chúng tôi sẽ liên hệ với bạn ngay
