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浙江大学谢金《AFM》:基于柔性压电声学的多功能、可穿戴贴片用于传感、定位和水下通信!

来源:高分子科学前沿|

发表时间:2022-12-01

点击:3106

由于在医疗保健、可穿戴电子设备、机器人和物联网中的广泛应用,柔性无线传感器引起了人们的极大兴趣。然而,目前开发的无线可穿戴传感器往往是通过无线电信号进行通信,只能提供有限的定位精度,并且无法用于水下交通、海洋环境监测、水下可穿戴设备中。因此,为了满足无线传感器网络(WSN)的定位要求,基于射频信号的距离测量已得到广泛研究,但其目前也只能提供有限的定位精度(误差大于10cm)。


浙江大学谢金教授、英国诺森比亚大学傅永庆教授等人开发了一种基于柔性压电声学的无线系统,具有传感、通信和定位等多种功能。在高频刺激下(≈13MHz),该系统可产生兰姆波用于呼吸监测。而在低频刺激下(≈20kHz),该装置可作为一个振动膜,用于通信和定位应用。该系统的室内通信距离在200 bps时为2.8 m,在25 bps时为4.2 m。结合传感功能,该系统可同时实现实时呼吸监测和无线通信。该系统的距离测量是基于在100 cm范围内发送和接收的声学信号的相位差所实现的,最大误差仅为3cm。这项研究为使用柔性声波设备的通信和定位应用提供了新的见解,有望用于无线和可穿戴传感器网络。该研究以题为“Multifunctional and Wearable Patches Based on Flexible Piezoelectric Acoustics for Integrated Sensing, Localization, and Underwater Communication”的论文发表在《Advanced Functional Materials》上。



【柔性声波器件的制造】


作者选择厚度为50 µm的铝箔作为柔性基板,其可以用作底部电极并限制电场。然后,作者使用直流磁控溅射技术,以400 W的功率溅射锌靶材,从而在铝箔上沉积一层3.5µm厚的ZnO薄膜。该ZnO膜具有良好的薄膜结晶性、低的薄膜应力和与衬底良好的粘附性。最后,作者在该ZnO压电层的顶部使用常规光刻和剥离工艺制备了由叉指换能器(IDT)组成的上电极。这些IDT可以与底部电极协作,以驱动压电材料发射低频超声波。作者将两个相同的柔性声波装置(用作一个发射器和一个接收器)固定在印刷电路板(PCB)上,并以0.2至4.2 m的距离彼此相对放置。接收器产生的电信号首先使用电荷放大器放大,随后通过示波器测量,并最终输入计算机进行处理和解调,以测试其最佳通信频率、最大声学测距距离和最大传输速率。



图1 柔性声波器件的结构和工作机理



图2 使用平面发射器和接收器的通信性能


【柔性声波器件在传感、通信中的应用】


为了演示该柔性声波器件在传感和通信领域的应用,作者首先研究了频率和距离对接收信号信噪比(SNR)的影响。作者在空中和水下条件下进行通信测试,不借助任何额外的天线或通信模块。结果表明,作者使用两个这样的柔性器件,一个用作发射器,另一个用作接收器,在2.8米范围内的传输速率可达200 bps,在4.2米范围内的传输速率可达25 bps。特别是在水下进行通信时,不使用电荷放大器,在2米范围内的传输速率可达500 bps。为了验证该器件的柔性,作者在各种弯曲条件下进行了通信测试(例如,粘贴在管道表面和志愿者上臂以对应可穿戴和可植入应用),所提出的声学通信系统始终表现出良好的收发性能。最后以呼吸监测为例,作者使用两个柔性声波器件进行实时传感和无线通信,证明了在合理配置下,其传感和通信功能可以同时运行,没有明显干扰。



图3 实时呼吸监测和无线信息传输


【柔性声波器件在测距、定位中的应用】


作者还对所提出的柔性声学系统的声学测距和二维定位功能进行了评估。基于多频率连续波的方法,作者使用该柔性声学系统演示了1米范围内的声学测距。结果表明,其最大误差为3 cm,R2=98.73%。为了进一步验证其定位功能,作者使用三个不同坐标的发射机分别测量了与接收机的距离,以此估计接收机的未知坐标。结果表明,其定位误差约为1.3 cm。此外,所提出的柔性声波系统还可以形成具有多种功能的无线传感器网络,例如测量特定区域中的温度场、实时监测和特定量的通信等。因此,所提出的基于柔性声波器件的智能无线传感系统具有低功耗、柔性、多功能等特点,可扩展应用于智能家居、可穿戴设备、医疗健康监测和多机器人协调等领域。



图4 通过柔性声波设备进行测距和定位


总结:作者报道了一种基于薄膜声波设备的多功能柔性传感器网络,并且相应地演示了其在短距离通信、测距和定位中的应用。作者使用了两个柔性传感器进行实时呼吸监测和测量结果的连续传输,证明了该系统的传感和通信功能可以在适当的调度下同时运行。这项研究所提出的柔性无线传感器系统有望成为下一代无线传感器网络的有竞争力的候选者,应用于可穿戴健康和运动监测、室内定位系统和工业预测维护等领域。


封面来源:图虫创意

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