Технология сенсорного экрана, используемая в миллиардах смартфонов и планшетов, также может быть использована в качестве мощного сенсора без необходимости каких-либо модификаций.
Исследователи из Кембриджского университета продемонстрировали, как типичный сенсорный экран можно использовать для идентификации распространенных ионных загрязнений в почве или питьевой воде, сбрасывая образцы жидкости на экран. Чувствительность сенсорного сенсора сравнима с типичным лабораторным оборудованием, что делает его полезным в условиях низких ресурсов.
Исследователи говорят, что их доказательство концепции однажды может быть расширено для широкого спектра сенсорных приложений, в том числе для биосенсинга или медицинской диагностики прямо с телефона в вашем кармане. Результаты представлены в журнале Sensors and Actuators B.
Технология сенсорного экрана широко распространена в нашей повседневной жизни: экран обычного смартфона покрыт сеткой электродов, и когда палец нарушает локальное электрическое поле этих электродов, телефон интерпретирует сигнал.
Другие команды использовали вычислительную мощность смартфона для сенсорных приложений, но они полагались на камеру или периферийные устройства или требовали значительных изменений экрана.
«Мы хотели знать, можем ли мы взаимодействовать с технологией по-другому, без необходимости фундаментально менять экран, — говорит доктор Ронан Дейли (Ronan Daly) из Кембриджского института производства, который возглавлял исследование. — Вместо того, чтобы интерпретировать сигнал с вашего пальца, мы хотели получить сенсорный экран для чтения электролитов, поскольку эти ионы также взаимодействуют с электрическими полями».
Исследователи начали с компьютерного моделирования, а затем проверили свои симуляции с помощью автономного сенсорного экрана, предоставленного двумя британскими производителями, аналогичного тем, которые используются в телефонах и планшетах.
Исследователи капали различные жидкости на экран, чтобы измерить изменение емкости, и записывали измерения с каждой капли с помощью стандартного программного обеспечения для тестирования сенсорного экрана. Ионы в жидкостях взаимодействуют с электрическими полями экрана по-разному в зависимости от концентрации ионов и их заряда.
«Наши расчеты показали, где электрическое поле взаимодействует с каплей жидкости. В наших экспериментах мы затем обнаружили линейный тренд для диапазона электролитов, измеренных на сенсорном экране, — сказал первый автор Себастьян Хорстман (Sebastian Horstmann), кандидат наук в IfM. — Датчик насыщается при концентрации аниона около 500 мкмоль, что может быть коррелировано с проводимостью, измеренной рядом. Это окно обнаружения идеально для того чтобы ощутить ионное загрязнение в питьевой воде».
Одним из первых применений этой технологии могло бы стать обнаружение загрязнения питьевой воды мышьяком. Мышьяк является еще одним распространенным загрязнителем, обнаруженным в подземных водах во многих частях мира, но большинство муниципальных систем водоснабжения отсеивают его и фильтруют, прежде чем он попадает в бытовой кран. Однако в тех частях мира, где нет водоочистных сооружений, загрязнение мышьяком является серьезной проблемой.
«Теоретически можно капнуть одну каплю воды на телефон, прежде чем пить, чтобы убедиться, что она безопасна», — добавил г-н Дейли.
В настоящее время чувствительность экранов телефонов и планшетов настроена на пальцы, но исследователи говорят, что чувствительность может быть изменена в определенной части экрана путем изменения конструкции электрода, чтобы быть оптимизированной для восприятия.
«Программное обеспечение телефона должно было бы взаимодействовать с этой частью экрана, чтобы обеспечить оптимальное электрическое поле и быть более чувствительным к целевому иону, но это достижимо, — объясняет профессор Лиза Холл (Lisa Hall) из Кембриджского отделения химического машиностроения и биотехнологии, которая возглавляла исследование. — Мы стремимся сделать гораздо больше — это только первый шаг».
В то время как теперь можно обнаружить ионы с помощью сенсорного экрана, исследователи надеются продолжить развитие технологии, чтобы она могла обнаруживать широкий спектр молекул. Это может открыть огромный спектр потенциальных приложений для здоровья.
«Например, если бы мы могли получить чувствительность до такой степени, чтобы сенсорный экран мог обнаруживать тяжелые металлы, его можно было бы использовать для проверки таких вещей, как свинец в питьевой воде. Мы также надеемся в будущем поставить датчики для домашнего мониторинга здоровья», — надеется г-н Дейли.
«Это отправная точка для более широкого изучения использования сенсорного зондирования в мобильных технологиях и создания инструментов, доступных каждому, позволяющих быстро измерять и передавать данные», — добавляет г-жа Холл.
Источник: https://www.sciencedaily.com/releases/2021/07/210722131354.htm
Материалы предоставлены Кембриджским университетом.
Ссылка на журнал:
- Себастьян Хорстман, Касси Дж. Хендерсон, Элизабет А. Х. Холл, Ронан Дейли. Емкостное сенсорное зондирование — это мера проводимости электролита. Датчики и исполнительные механизмы B: Chemical, 2021; 345: 130318 DOI: 10.1016/j.snb.2021.130318