XVII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2025

Введение

Продолжающиеся достижения в области электроники прокладывают путь для разнообразного спектра приложений, начиная от имплантируемых биомедицинских устройств и заканчивая мягкой робототехникой, устойчивыми датчиками и инструментами сбора энергии для повседневной потребительской электроники. Развитие электронных технологий также значительно расширило возможности, при этом емкостные сенсорные датчики вместе со складными датчиками получили заметное внимание за их простую настройку, эффективность и надежность. Емкостные устройства, по сравнению с альтернативными устройствами измерения давления, обладают рядом преимуществ, заключающихся в возможности создания сенсоров давления в широком диапазоне давлений, в зависимости от назначения, а также температурной стабильностью, значительно меньшего энергетического потребления, простоте создания и прочности конструкции.

Носимые устройства имеют широкие перспективы применения в человеко-машинных интерфейсах, мягких роботах, мониторинге здоровья и электронной коже. В связи с растущим спросом на носимые устройства высокопроизводительные гибкие датчики давления привлекли к себе широкое внимание. Датчики давления можно разделить на пьезорезистивные, пьезоэлектрические, ёмкостные и датчики на основе трибоэлектрического эффекта. Несмотря на то, что за последние несколько лет датчики давления значительно усовершенствовались, по-прежнему существует множество проблем, связанных с производством высокочувствительных датчиков. В частности, гибкие ёмкостные датчики давления, как правило, обладают низкой чувствительностью8. Большинство ёмкостных датчиков давления представляют собой параллельные пластинчатые конденсаторы, которые характеризуются наличием диэлектрического слоя, расположенного между двумя электродными пластинами8. Однако емкостный датчик с параллельной пластинчатой структурой сложно миниатюризировать и сделать ультратонким; кроме того, сложно спроектировать и интегрировать верхнюю и нижнюю структуры электродов. Традиционные параллельные пластинчатые емкостные датчики давления обычно имеют недостаток в виде низкой чувствительности. Таким образом, необходимо приложить немало усилий, чтобы найти гибкий датчик давления с высокой чувствительностью, быстрым временем отклика и низким пределом обнаружения, отвечающий требованиям носимых устройств.

Емкостной датчик давления представляет собой конденсатор с упругой диэлектрической прослойкой. Изменение электрической емкости конденсатора под действием давления позволяет фиксировать величину давления. Как известно, емкость плоского конденсатора пропорциональна площади обкладки и обратно пропорциональна толщине пространства:

,где:

диэлектрического межобкладочного — диэлектрическая проницаемость материала между пластинами (для вакуума она равна 1); — электрическая постоянная (равная 8,854x1012 Ф/м); A — площадь пластин; d — расстояние между пластинами

Переменную емкость можно обеспечить двумя способами: изменением площади перекрытия обкладок или изменением расстояния между обкладками. Чувствительность емкости на переменной площади перекрытия меньше чувствительности на упругих деформациях. Изменение любой из переменных вызовет соответствующее изменение емкости. Проще всего контролировать расстояние. Это можно сделать, сделав одну или обе пластины диафрагмой, которая отклоняется при изменении давления. Обычно один электрод представляет собой чувствительную к давлению диафрагму, а другой — фиксированный. Пример емкостного датчика давления показан справа. Простой способ измерения изменения емкости — сделать его частью настроенной схемы, обычно состоящей из емкостного датчика и индуктора. Это может изменить либо частоту осциллятора, либо связь переменного тока резонансного контура[1].

Диафрагма может быть изготовлена из различных материалов, таких как пластик, стекло, силикон или керамика, в зависимости от области применения.

Емкость датчика обычно составляет около 50–100 пФ [2], при этом изменение составляет несколько пикофарад. Жесткость и прочность материала можно выбирать для обеспечения диапазона чувствительности и рабочего давления. Для получения большого сигнала датчик может быть достаточно большим, что может ограничить диапазон рабочих частот. Однако меньшие диафрагмы более чувствительны и имеют более быстрое время отклика.Большая тонкая диафрагма может быть чувствительна к шуму от вибрации (в конце концов, тот же базовый принцип используется в создании конденсаторных микрофонов), особенно при низком давлении. Более толстые диафрагмы используются в датчиках высокого давления и для обеспечения механической прочности.

Рисунок 1. Поперечное сечение конструкции емкостного сенсора [3]

Выбирая материалы для пластин конденсатора с низким коэффициентом теплового расширения, можно изготовить датчики с очень низкой чувствительностью к изменению температуры. Структура также должна иметь низкий гистерезис для обеспечения точности и повторяемости измерений.

Поскольку сама диафрагма является чувствительным элементом, не возникает проблем с присоединением к ней дополнительных компонентов, поэтому емкостные датчики способны работать при более высоких температурах, чем некоторые другие типы датчиков.

Емкостные датчики давления также могут быть построены непосредственно на кремниевом чипе с использованием тех же методов изготовления, которые используются в производстве полупроводниковых электронных устройств (рис.1). Это позволяет создавать очень маленькие чувствительные элементы и объединять их с электроникой для обработки и передачи сигналов. Датчики давления, использующие микроэлектронные механические системы (MEMS).

Диэлектрическая проницаемость материала между пластинами может меняться в зависимости от давления или температуры, и это также может быть источником ошибок. Относительная диэлектрическая проницаемость воздуха и большинства других газов увеличивается с давлением, поэтому это немного увеличит изменение емкости с давлением. Датчики абсолютного давления, между пластинами которых находится вакуум, ведут себя идеально в этом отношении.

Более линейный датчик может быть построен с использованием «сенсорного режима», когда диафрагма контактирует с противоположной пластиной (с тонким изолирующим слоем между ними) на протяжении всего нормального рабочего диапазона (как показано справа). Геометрия этой структуры приводит к более линейному выходному сигналу.

Этот тип датчика также более надежен и способен выдерживать большее избыточное давление. Это делает его более подходящим для промышленных сред. Однако эта структура более подвержена гистерезису из-за трения между двумя поверхностями.

Применение в робототехнике

Для обеспечения сложных взаимодействий между людьми и роботами важно разработать метод распознавания касаний [3], который может быть активен на кончиках пальцев и других сенсорных поверхностях. В идеале этот подход должен быть масштабируемым, чтобы охватывать большую часть поверхности робота, образуя искусственную или электронную кожу. Такая технология также необходима для протезов с нейроуправлением, чтобы улучшить двигательную функцию. Функциональные требования к искусственной коже включают способность распознавать и различать тактильные раздражители, такие как лёгкое прикосновение, нормальная сила и сдвиг. Совместное распознавание сдвига и нормальной силы позволяет брать хрупкие предметы для манипуляций, избегая чрезмерных усилий. Ученые подчёркивают преимущества распознавания сдвига для распознавания жестов человека на роботе, другие же ученые описали преимущества обратной связи в таких областях, как протезирование конечностей. Гладкая и мягкая кожа, а не жёсткая или бугристая поверхность, делает поверхность более реалистичной. Обсуждается необходимость создания мягкого датчика, который обеспечивает сигналы смещения по трём осям, которые можно легко различить и которые, в свою очередь, могут быть связаны с силой. Мягкость или податливость датчиков силы обеспечивает более естественное взаимодействие между роботом и человеком, а три оси измерения повышают точность по сравнению с измерением только нормальной силы. Мягкие датчики нормальной и касательной силы обычно бывают ёмкостными, пьезоэлектрическими, пьезорезистивными или магнитными. Гибкость обеспечивается за счет слоев эластомера и деформируемых электродных материалов, которые содержат серебряные нанопроволоки, углеродные нанотрубки, жидкие металлы и гидрогели. Для придания растяжимости подложке использовались эластомерные материалы на основе силикона. В дополнение к обычным возможностям измерения давления, для искусственной кожи важно обладать чувствительностью к сдвигу. Большинство мягких датчиков не измеряют одновременно сдвиг и давление, а те, которые измеряют, часто имеют существенные недостатки.

Недавно было продемонстрировано конструкция трёхкоординатного датчика силы с пятью электродами, аналогичную нашей, которая также определяет вращение вокруг нормали к поверхности. Их моделирование показывает преимущества использования пористых полимеров и столбиковых структур в качестве диэлектриков для повышения чувствительности по сравнению с использованием твёрдого диэлектрика. Они также демонстрируют оценку комбинированных многоосевых силовых воздействий со средней погрешностью около 10%. В исследовании [4] продемонстрировали набор внутренних выступов с пятью тонкими ёмкостными электродами. Над этими небольшими куполами находится мягкая плоская поверхность с пятью перпендикулярными электродами, которые перекрываются с нижними электродами. Характер отклика, возникающий при движении двух слоёв относительно друг друга, позволяет различать одновременное давление и сдвиг в этом мягком датчике. Однако для определения давления/сдвига в одном месте требуется интерпретация данных с массива ёмкостных датчиков 5×5, что затрудняет масштабирование до более крупных массивов, а количественная дифференциация пока не показана. Ученые продемонстрировали ёмкостный датчик сдвига на основе твёрдого диэлектрика PDMS, но для его работы требуется значительное начальное нормальное усилие.

Применение в медицине

Каждый год в нашей стране от острого нарушения мозгового кровообращения погибает полмиллиона человек. У каждого пятого, перенесшего инсульт, в течение года развивается повторное острое нарушение мозгового кровообращения, при котором вероятность летального исхода увеличивается. По статистическим данным в структуре общей смертности населения инсульт как причина смерти занимает третье место после ишемической болезни сердца и злокачественных новообразований.

Инсульт – заболевание, которое может сделать человека инвалидом. Инвалидами после него становятся примерно 60 процентов больных. Многие из них оказываются пожизненно прикованными к койке, не могут самостоятельно передвигаться и даже обслуживать себя по минимуму.

В наше время инсульт молодеет с каждым годом. Не редкость случаи инсульта у 30-40–летних людей. Одна треть всех больных - люди трудоспособного возраста. В то же время необходимо подчеркнуть, что чем старше человек, тем выше риск развития инсульта. Каждые десять лет риск развития острого нарушения мозгового кровообращения увеличивается примерно в два раза.

Россия занимает 2-ое место в мире по количеству инсультов и в последние годы рост заболеваемости инсультом в 5 раз выше (более 1,5 млн. человек, перенесших инсульт), чем, например, в США. Стремительный рост использования интернета и мобильных технологий открыл новые модели оказания реабилитационной помощи после инсульта, особенно в виде виртуального ухода за пациентами на дому. COVID-19 стал катализатором внедрения виртуальной медицинской помощи в клиническую практику, даже в таких областях, как физиотерапия, где обычно оказывается практическая помощь. Одно региональное исследование, в котором приняли участие 365 физиотерапевтов, выявило резкое увеличение числа терапевтов, предлагающих виртуальную медицинскую помощь, с 6% до 94% ко второму году пандемии, при этом 64% указали, что они продолжат предоставлять услуги виртуальной медицинской помощи даже после пандемии [5].

Использование виртуальной помощи для улучшения двигательных функций может позволить пациентам раньше вернуться домой и продолжить лечение. Существует ряд новых цифровых подходов, которые объединяют датчики или устройства с платформой для наблюдения за пациентом или его контроля. Уникальная программа телереабилитации после инсульта была реализована с помощью системы, которая включала видеоконференции, электронные медицинские карты, стимуляцию мышц-разгибателей запястья и передней большеберцовой мышцы, а также хранение данных. Эта программа телереабилитации (под дистанционным наблюдением) улучшила восстановление двигательных функций (по шкале Фугль-Мейера) в большей степени, чем обычная амбулаторная реабилитация (под личным наблюдением). В обеих группах терапевты наблюдали за пациентами (в среднем в течение 14 дней после инсульта) в течение 12 недель по 10 реабилитационных сеансов в неделю, состоящих из трудотерапии, физиотерапии и нервно-мышечной стимуляции [6].

Интеграция программного обеспечения и датчиков с виртуальным уходом потенциально даёт большие преимущества, позволяя эффективно практиковаться, предоставляя показатели эффективности в режиме реального времени, чтобы можно было целенаправленно, мотивированно и систематически практиковаться. V-ABC (Virtual Arm Boot Camp) [7] - это проходящее испытание устройство, использующее новый датчик на запястье для отслеживания хватательных движений и мотивации к использованию парализованной руки в первый год после инсульта. Программа состоит из домашних заданий с использованием домашней версии дополнительной программы Graded Repetitive Arm; обратной связи с помощью нового датчика на запястье, который определяет количество функциональных захватов (т. е. движений, связанных с достижением цели и захватом); и 6 сеансов в течение 3 недель с физиотерапевтом, который устанавливает целевое количество захватов (минимум 1000) на основе 3-дневного базового периода мониторинга. На каждом сеансе участник обсуждает количество ежедневных захватов со своим физиотерапевтом.

Уникальная программа для нижних конечностей включала 4-недельную удалённую программу [8] домашних упражнений «сидя-стоя», в которой стул был оснащён гибкой лентой, обёрнутой вокруг сиденья и подключённой к планшету с программными играми. С помощью приложения терапевт дистанционно следил за выполнением программы и отправлял еженедельные сообщения на главный экран участника, в которых поздравлял с достижениями и призывал к дополнительным тренировкам, если цели не были достигнуты.

Однако всего этого можно избежать, ведь наш емкостный датчик давления может предположительно выявлять у людей как постинсультное состояние так и после инсультное состояние. Пациенту достаточно зажать датчик и уже в зависимости от характеристик самого датчика, многофункциональный мультиметр (тестер) покажет некоторый результат (значение емкости), но особенность в том, что по сравнению со здоровым пациентом, у нашего пациента емкость насыщения (максимальная емкость) будет результат меньше.

Экспериментальная часть

Емкостные датчики давления имеют ряд преимуществ по сравнению с другими типами датчиков давления. Они могут иметь очень низкое энергопотребление, поскольку через сенсорный элемент не проходит постоянный ток. Ток течет только тогда, когда сигнал проходит через цепь для измерения емкости. Пассивные датчики, где внешний считыватель подает сигнал в цепь, не требуют источника питания — эти характеристики делают их идеальными для маломощных приложений, таких как удаленные или IoT-датчики. Датчики механически просты, поэтому их можно сделать прочными со стабильным выходом, что делает их пригодными для использования в суровых условиях. Емкостные датчики обычно устойчивы к временным условиям избыточного давления. Они имеют низкий гистерезис при хорошей повторяемости и не очень чувствительны к изменениям температуры. С другой стороны, емкостные датчики имеют нелинейный выход, хотя это может быть уменьшено в сенсорных устройствах. Однако это может быть достигнуто ценой большего гистерезиса. Наконец, для интерфейсной электроники требуется тщательное проектирование схемы из-за высокого выходного сопротивления датчика и для минимизации влияния паразитной емкости.

В нашей работе, материалы выбраны на основе искусственных каучуков и технического углерода, которые обладают хорошими диэлектрическими свойствами, пригодных в качестве межобкладочных слоев переменных электрических емкостей. Резиновая смесь - (-Сp- CН=CH-Сp-)n–(-Cp-CH(CN)-)m, содержала бутадиен-нитрильный каучук БНКС-28АМН (100,0 мас. ч.), вулканизующий агент – серу (1,5 мас. ч.), ускоритель вулканизации – N-циклогексил-2-бензотиазолсульфенамид (0,7 мас. ч.), активаторы вулканизации – оксид цинка (3,0 мас. ч.) и стеариновую кислоту (1,0 мас. ч.), активный наполнитель (при введении активного наполнителя в резиновую смесь образуются дополнительные связи «наполнитель–наполнитель» и «каучук-наполнитель») – технический углерод П 324 (40,0 мас. Ч) [9].

В базовую резиновую смесь вводили следующие модификаторы: политетрафторэтилен, графен и диоксид титана, а также изготавливали резину с применением активатора вулканизации вместо оксида цинка диоксида титана. Для изготовления обкладок использовали тонкие листы из нержавеющей стали. Для проведения тестов наибольшей временной стабильностью показаний емкости отличилась резина, с активатором вулканизатора из диоксида титана.

К проведению эксперимента были приглашены 20 человек (добровольцев) из группы, которые не имеют и не имели сосудистых заболеваний. Наша гипотеза заключалась в том, что поскольку инсультные состояния характеризуются потерей мелкой моторики, мы предположили, что поскольку емкость создаваемого нами конденсатора сильно коррелирует с приложенным давлением, люди с указанным заболеванием не смогут достичь определенного порога давления сжатия, которое в свою очередь приведет к конкретному показанию емкости. У людей, которые не имели сосудистые заболевания при сжатии емкость насыщения в среднем достигала до 20000-22000 пФ с первоначального значения ~ 2100 пФ. Разница объясняется в различие объёма групп мышц, отвечающие за моторику рук, однако, несмотря на данный результат, а впоследствии сравнивая его с результатом у людей, имеющих сосудистые заболевания, то данный результат показывает нам достаточно точный промежуток.

Характерный вид изменения емкости под приложенным давлением при сжатии показан на экране прибора TC1.

(а) (b)

Рисунок 2 Первоначальная емкость от датчика (a) и емкость насыщения при сжатии пальцами (b)

У людей, имеющие сосудистые заболевания, например, как инсультные заболевания или предынсультные признаки, результат другой. Он уже варьируется от 13000 до 17000 ПФ. Данная разница объясняется в разной степени осложнений болезней, ведь не стоит забывать, что каждый организм по своему уникален. У тех кто имеет низкий результат в данном диапазоне тяжелые осложнения после сосудистых заболеваний, пока у тех кто имеет высокий результат осложнения не особо сильны или же, что нам так необходимо возможно предынсультное состояние, о котором пациент скорее всего не догадывается, что означает возможность заблаговременно решить данную проблему. Во время сбора информации у людей, не имеющих сосудистые заболевания, был проведен эксперимент с добровольцем, у которого был результат ~ 17000 пФ. Заранее нам не было известно, что ранее этот человек несколько лет назад перенес инсульт и проходит реабилитацию. На данный момент статистика была проведена на 2 группах людей: как на не имеющих сосудистые заболевания, так и противоположно аналогично. Таким образом, можно смотреть динамику восстановления, и вероятно прогнозировать. В будущем можно будет создать систему, которая, на основе машинного обучения сможет благодаря данному методу определять динамику восстановления болезни.

Выводы

Емкостные датчики давления представляют собой важный инструмент для диагностики и мониторинга восстановления постинсультного состояния.

Емкостные датчики основаны на изменении ёмкости между электродами в результате изменения давления. Это позволяет эффективно измерять минимальные изменения давления, что критично в реабилитации пациентов после инсульта. Эти датчики могут использоваться для ранней диагностики осложнений, таких как отёки или изменения в кровообращении, которые могут негативно повлиять на восстановление пациента. Непрерывный мониторинг давления в различных точках тела пациента может предоставить информацию о динамике его состояния и эффективности выбранной терапии. Это позволяет нам корректировать лечение в реальном времени.

Емкостные датчики давления имеют высокую чувствительность и неинвазивный характер. Это делает их удобными и безопасными для использования у пациентов, что особенно важно в реабилитационной практике. Важно, чтобы эти датчики интегрировались с другими реабилитационными системами и устройствами, обеспечивая комплексный подход к восстановлению пациента и сбору данных.

Эффективное использование емкостных датчиков может способствовать более быстрому восстановлению постинсультных пациентов и, как следствие, повышению качества их жизни. Данные, полученные от емкостных датчиков, могут быть использованы в научных исследованиях для изучения постинсультного состояния, его динамики и возможных терапевтических подходов. Продолжение исследований в этой области может привести к созданию более точных и чувствительных датчиков, что откроет новые горизонты в диагностике и реабилитации пациентов. В целом, емкостные датчики давления представляют собой многообещающее направление в области диагностики и мониторинга здоровья постинсультных пациентов, способствуя более эффективной реабилитации и улучшению результатов лечения.

Авторы выражают благодарность научному руководителю Смирнову А.В. за помощь в выборе темы научного исследования и консультации.

Списоклитературы

1. Abhay Singh Thakur, Vinit Srivatava, Hyeong Kwang Benno Park, Imen Kebaili, Imed Boukhris, Yun Hwan Joo, Tae Hyun Sung, Anuruddh Kumar & Rahul Vaish, Calligraphic interdigitated capacitive sensors for green electronics, Published: 08 July 2024

2. Wandee Petchmaneelumka , Phirapong Phankamnerd , Apinai Rerkratn , Vanchai Riewruja. Capacitive sensor readout circuit based on sample and hold method. Energy Reports Volume 8, Supplement 1, April 2022, Pages 1012-1018

3. Abhay Singh Thakur, Vinit Srivatava, Hyeong Kwang Benno Park, Imen Kebaili, Imed Boukhris, Yun Hwan Joo, Tae Hyun Sung, Anuruddh Kumar & Rahul Vaish, Calligraphic interdigitated capacitive sensors for green electronics, Published: 08 July 2024

4. Mirza S. Sarwar, Ryusuke Ishizaki, Kieran Morton, Claire Preston, Tan Nguyen, Xu Fan, Bertille Dupont, Leanna Hogarth, Takahide Yoshiike, Ruixin Qiu, Yiting Wu, Shahriar Mirabbasi & John D. W. Madden, Touch, press and stroke: a soft capacitive sensor skin Scientific Reports volume 13, Article number: 17390 (2023)

5. Eng, J. J., & Pastva, A. M. (2022). Advances in Remote Monitoring for Stroke Recovery Stroke, 53(8), 2658–2661

6. Eng, J. J., & Pastva, A. M. (2022). Advances in Remote Monitoring for Stroke Recovery Stroke, 53(8), 2658–2661

7. Simpson LA, Barclay R, Bayley MT, Dukelow SP, MacIntosh BJ, MacKay-Lyons M, Menon C, Mortenson WB, Peng TH, Pollock CL, Pooyania S, Teasell R, Yang CL, Yao J, Eng JJ. Virtual Arm Boot Camp (V-ABC): study protocol for a mixed-methods study to increase upper limb recovery after stroke with an intensive program coupled with a grasp count device. Trials. 2022 Mar 11;23(1):207

8. Lu Zhang, Ying Ge 1, Wowa Zhao, Xuan Shu, Lin Kang, Qiumei Wang, Ying Liu. A 4-Week Mobile App–Based Telerehabilitation Program vs Conventional In-Person Rehabilitation in Older Adults With Sarcopenia: Randomized Controlled Trial. J Med Internet Res. 2025 Jan 24;27:e67846

9. Смирнов А.В., Терентьев А.А., Баласанян С.А., Егоров Е.Н., Кольцов Н.И., Васильев С.А. Исследование электрических свойств эластомеров на основе бутадиен-нитрильного и бутадиен-метилстирольного каучуков с техническим углеродом для межобкладочного материала гибких переменных емкостей. Сборник трудов 16-я Международной конференции «Углерод: фундаментальные проблемы науки, материаловедение, технология», CFPMST 2024. С. 251-252