Table of Contents
التعريف بالملفات المرنة والنشاطية
وقد أدى انتشار الأجهزة الإلكترونية القابلة للارتداء والنظم المدمجة إلى طلب عاجل على المكونات الإلكترونية التي يمكن أن تنحني وتمتد وتتوافق مع الأسطح غير الطائرة دون التضحية بالأداء، ونشأت هذه المرشّحات النشطة التقليدية التي تُعدّل على المرشّحات الخزفية أو المواصفات القياسية لترددات الترددات العالية، وهي عوامل تُعدّل بصورة أساسية إلى حدّ من التواؤم مع الملابس الذكية، والثبات الطبية، والاختراع.
وتكمن الميزة الأساسية للمرشحات النشطة المرنة في قدرتها على الصنع على مواضع فرعية رقيقة ومزدوجة مثل البوليميد أو البوليمر السائل أو البوليوريثان البولي البولي ريتيزي، وباستبدال لوحات الدوائر المطبوعة المتينة بهذه المقاطع الفرعية، يمكن للمهندسين أن يخلقوا نماذج للمرشحات تلف حول المساكن المكشوفة، وتدمر على الجلد، أو تجسد في نسيجات.
الابتكارات الرئيسية للمواد للمرشحين النشطين المرن
ويتوقف أداء مرشح نشط مطابق على المواد المستخدمة في الآثار السلوكية، والطبقات الديموغرافية، والعناصر النشطة، وقد دفعت البحوث الأخيرة إلى تجاوز مستوى النحاس العادي على البوليميد ليشمل أجهزة التحكم الممتدة، والذريات ذات العصور المرتفعة، وشبه الموصلات التي يمكن حلها.
أجهزة السلوك الثابتة
وتفشل الاتصالات الفلزية التقليدية في ظل توترات لأن الشقوق تتسارع، ولتجاوز ذلك، وضع المهندسون عدة نُهج سلوكية قابلة للتمديد:
- Liquid metal alloys (مثلاً، الغاليوم الرحمي، إيغان) التي تظل موصلات حتى عندما تمتد أكثر من 20 في المائة، وهي مجهزة في القنوات الميكروفونية لمنع التسرب.
- Wavy or serpentine metal traces] made from copper or gold, bonded to pre-strained elastomer substomer subsrate restes, the traces buckle out of plane, providing a large compliance range.
- Nanocomposites] of silver nanowires or carbon nanotubes embedded in a rubber spec. Percolating networks maintain connectivity under strain while offering high conductivity.
ويشكل هؤلاء الموصلون الروابط المتدنية الضآلة اللازمة لموصلات التصفية وخطوط النقل، وقدرتها على الحفاظ على مقاومة مستقرة تصل إلى 50 في المائة أو أكثر من السلالة المتوترة تترجم مباشرة إلى خصائص ثابتة للمرشحين مثل التردد المقطعي وعامل الجودة.
الديليكتات المرنة والمواد الفرعية
وبالنسبة لعناصر مرشحة موزعة (مثل خطوط الميكروسيب أو أجهزة التكتل المتشابكة)، فإن الديليكتري ذات المكشوفات المنخفضة والمرنة آلياً أمر أساسي، إذ أن أشرطة بوليميد (كابتون) توفر استقراراً حرارياً ممتازاً ولكن قابليتها للتمديد محدودة، وبالنسبة للتطبيقات المتوافقة جداً، يستخدم الباحثون ما يلي:
- Liquid polymer (LCP)] - منخفض الرطوبة الاستيعاب، ثابت الديليكتري (~3.0)، ومرونة جيدة.
- Thermoplastic polyurethane (TPU)] - قابلة للتمديد حتى 20 في المائة، ولكن مع ارتفاع فقدان الديكليات؛ مناسبة لمرشحات نشطة منخفضة التردد.
- Silicon-based elastomers (PDMS)] - على نطاق واسع في أجهزة المايكرويليكية والطبية الحيوية؛ ويمكن تحميلها بجزئات البلاط الباريوم لرفع مستوى الديكلتري.
ويتيح الجمع بين موصل قابل للتمديد وجهاز غذائي متوافق مع النظام الغذائي وضع مرشح نشط على رسغ، أو يدمج في أحذية واحدة، أو يُدرج في خط الخوذة دون إزالة أو سلالة قصيرة، وقد أظهرت دراسة حديثة واعدة مرشحاً منخفضاً لا يمكن تحصينه على مقياس فرعي من طراز TPU احتفظ بفارق أقل من 0.5 من دورة إدخال الـ 000 10 برميل.
المواد النانوية للمكونات النشطة
(ب) أن تكون رقائق السيليكون التقليدية صلبة، ولكن النهج الجديدة تسمح بسحبها إلى 10 إلى 20 ميكروغرام وتوضع في مجموعات مرنة، بالإضافة إلى أن [محلول النسيج المضغوط] [متعددة الأبعاد]
:: دراسات السيرك للمرشحين النشطين المرن
ويجب أن يُحسب تصميم مرشحات نشطة على المصانع الفرعية المرنة التغييرات في قيم المكونات تحت الضغط، وقد يتحول المكثفون بسبب تغيرات في سميكة الديكل؛ وقد يغير المختطفون ترددهم في الصمود الذاتي.
المعماريات المؤاتية والمتيسرة
To maintain precise cutoff frequencies and passband shape, modern flexible active filters employ tunable components] such as varactors (voltage —variable capacitor banks.
Conpedance Converters for Q Enhancement
وكثيراً ما يعاني الموصلون المرن من عوامل منخفضة الجودة (Q) بسبب طبقات المعدن الرقيقة وضوابطها الفرعية الضائعة، ويمكن للمحولين السلبيين النشطين أن يعوضوا عن هذه الخسارة بإدخال مقاومة سلبية يمكن التحكم بها في السلسلة مع الموصل، وقد استخدمت هذه التقنية في أجهزة مقايضة مرنة للزوارق من أجل أجهزة الاستشعار التي تستخدم فيها أجهزة التحلل الضوئي، مما يزيد من 5 إلى أكثر من 40 تطبيقاً بدنياً.
التفاضل الكامل والتصميمات المتوازنة
وتواجه النظم القابلة للزراعة تدخلاً كهرومغناطيسياً من الجسم البشري ومن مصادره المحيطة، وتختلف مستويات التصفيات تماماً، مثل تفاوتات في معدلات التذبذب أو الرفض المتوازن بين الاشارات والتوائم، حيث تطبع هذه الأزواج على أساس معياري مرن، وتحافظ على ارتفاع نسبة الرفض التجاري (نسبة الرفض الشامل للتغيرات) حتى عندما تتعرض للاختلالات اليسرى واليمة
التطبيقات في النظم القابلة للزراعة
وقد وجدت مرشحات نشطة مرنة ومطابقة فائدة فورية في أجهزة الرصد الصحي ذات اللبس، والمنسوجات الذكية، وعززت أجهزة الواقع، وقدرتها على تكييف الإشارات مباشرة في موقع الاستشعار تقلل من طول الكابلات وتعزز قدرة النظام على الصمود.
أنماط رصد الصحة
ويُعتمد على أجهزة رصد التضخيم المستمر، وأجهزة التجميل التابعة لوكالة الطاقة الأوروبية، وأجهزة قياس النبض، على أجهزة التصفيف ذات النزوع المنخفض، لاستخراج إشارات فيزيائية في وجود أجهزة حركية، كما أن مجموعة من أجهزة التزود بالكهرباء الكهربائية المتحركة تستخدم جهازاً ثانوياً من أجهزة التصفيق ذات القدرة العالية، ويستخدم جهازاً من أجهزة التزود بالبطاقات الكهربائية، ويُستخدم في جهازاً مُصّة المُصّة المُصّة.
المنسوجات الذكية وأجهزة التكسيلي
ويأتي إدماج الإلكترونيات مباشرة في النسيج مطالب ميكانيكية شديدة، إذ يجب أن تكون مرشحات العمل من أجل الملابس الذكية قادرة على غسلها وغسلها وتمتد إلى ما يصل إلى 50 في المائة في الاتجاه الخفيف، وقد استخدمت أفرقة البحث في الآونة الأخيرة في ] جامعة ولاية كارولينا الشمالية - مرشحا نشطا مزودا بأجهزة قياسية ذات تردد عال في كل من الموصول.
رؤساء في الواقعات المحظورة والافتراضية
وتحتاج الرؤوس الحربية للصوت والهاب والوزن الخفيف إلى أجهزة مصممة للصوت والهابتك ومجهزة بيانات الاستشعار ويمكن تركيب أجهزة الرش العاملة المرنة مباشرة على نطاق الرأس أو داخل أكواب الأذن، مما يقلل الحاجة إلى التموين الثقيل، فعلى سبيل المثال، يمكن أن يؤدي جهاز التصفيق المطابق للضمادات المبني على طبقة من البلورات السائلة إلى إزالة 50/60 درجة حرارة من الاستقرار الافتراضي.
التطبيقات في النظم المدمجة
وبالإضافة إلى القابلات للارتداء، تُستخدم مرشحات نشطة مرنة ومتطابقة على نحو متزايد في النظم المتأصلة التي يُقيد فيها الفضاء وتكون مقاومة الاهتزاز في غاية الأهمية.
المركبات الجوية والمركبات الجوية غير المأهولة
وتستفيد الطائرات الاصطناعية والنظم الساتلية من أجهزة الاستنشاق بالوزن الخفيف، والمرشحات ذات الرش النيف، التي يمكن ربطها بالجلد الداخلي من الصمامات أو الألواح، ويمكن أن تكون أجهزة التصفيف العاملة المطابقة كمكيفات قياسية للأجهزة الاستشعارية من أجهزة التراكم، ومزودة بمقابر الكهرباء، ولأن هذه الرشقات توزع على نطاقات، فإنها لا تحتاج إلى أجهزة مضغ مجانا.
Automotive Electronics
وتحتوي المركبات الحديثة على عشرات أجهزة الاستشعار لإدارة المحركات، والتحكم في الأشعة، ومساعدة السائقين، ويقع العديد من هذه أجهزة الاستشعار في مناطق تخضع للاهتزاز، وتقلبات درجة الحرارة، وتشديد الأشعة مثل أجهزة الاستشعار ذات السرعة العجلية أو الكاميرات الداخلية. ويمكن أن تدمج أجهزة الاستنشاق العاملة + المرنة مباشرة في وحدات قياسية، بما يكفل بقاء مؤشر الارتداد والضاق على درجة مئوية.
شبكة الإنترنت للأشياء (IoT)
وكثيراً ما تحتاج أجهزة الحافة إلى العمل في مواقع غير تقليدية - داخل الأعمدة الخرسانية، أو على روبوتات المصنع أو داخل عبوة، ويمكن أن يُغطى جهاز تصفية نشط مرن ببطارية أو هوائيات من طراز Node ' stat,ving space.() وقدرة البولي في جهاز التنس النشطة تسمح بتعديل نطاقه على الذبابة استناداً إلى مستوى الترددات أو ظروف القنوات.()
التحديات في مجال الدوام والتصنيع
وعلى الرغم من التقدم الكبير، يجب التغلب على عدة عقبات قبل أن تصبح مرشحات نشطة مرنة خامية مثل نظرائها المتشددين.
الميكانيكا الميكانيكية والموثوقية
فإعادة التكتل والتمدد والتحميل الجذري يمكن أن تسبب آثاراً معدنية للكسر، وتغليب البوليمرات لإبطال مفعولها، وتباع مفاصل للكسر، وفي حين أن الموصلات المعدنية تبرز في نطاق القدرة على التمديد، فإنها تتطلب حصراً يضيف تكلفة وسماكة، ولا تزال العناصر النشطة ذاتها - خاصة - محركات الحرق - عرضة للتحولات الطويلة المدى في إطار الميكانيكي.
الدقة في الخصائص المميزة للملفات وقابليتها للاستمرار
ولا يمكن لمرشحات مرنة أن تضاهي استقرار درجة الحرارة في المكونات القائمة على السيراميك، كما أن ثابت الديليكتري للذرات يتغير بالرطوبة ودرجات الحرارة، مما يتسبب في انجراف تردد المرشّح، وتساعد دوائر التعويض النشطة على زيادة استهلاك الطاقة وتعقيدها، وبالإضافة إلى ذلك، فإن تسامح المكونات المطبوعة أعلى حاليا من تلك التي تستخدمها أجهزة قياسية ذات مستوى سطحي، مما يجعل إنتاجها أقل بالنسبة للسلاسل العالية الدقة.
عمليات التصنيع القابلة للتوسع
ولا تزال معظم مرشحات العمل المرنة مجهزة باستخدام أساليب المختبرات: الترميز، أو التصوير الضوئي على الدعم المرن، أو التجميع اليدوي للرقائق المخففة، والانتقال إلى التصنيع العالي يتطلب الطباعة المتدفقة، والتجهيزات المتحركة على الأفلام، والأشعة السينية الآلية، والقطع الليزرية، وتضع شركات مثل علم البربر ودوبوتات الكيمياء المطبوعة، ولكن الماضلاعين الفضية المتين.
الاتجاهات المستقبلية
وفي المستقبل، تعد عدة طرق بحثية مثيرة بجلب مرشحات نشطة مرنة إلى الإلكترونيات الرئيسية.
مواد ذاتية الصلاحية وإعادة الثقة
ويضم الباحثون كميات صغيرة من المثقفات والحفازات إلى المناطق الفرعية من الفلزات، وعندما تكسر الكبسولات، تُطلق الأحاديث التي تُعدّل وتعيد تشغيل الموصل، وقد تُثبت هذه الموصلات ذاتية الدفع من أجل الدوائر ذات التردد المنخفض؛ ويمكن أن تؤدي استخدامها إلى تكييف تدريجي كبير مع عوامل التقلبات الفعالة.
AI —Optimized Tuning and Calibration
ويمكن استخدام خوارزميات التعلم الماكنة للتنبؤ بتحول تردد مرشح على أساس الإجهاد ودرجة الحرارة وأجهزة استشعار الرطوبة المدمجة على نفس الدرجة من الركاز المرن، ويمكن للمرشح النشط، عن طريق استخلاص منحنى معايير، أن يعدل حجمه التراكمي أو الوزن الرقمي ليبقي استجابته ضمن المواصفات المحددة، حيث أظهر العمل المبكر من F في معهد ماساتشويشا للتكنولوجيا
3D Printing of Complete Active Filter Systems
فالصناعة المضافة توفر مساراً للرسم السريع والتكييف، ويمكن للطباعة المتعددة الأطنان ذات المقياس 3D أن تُرسِل آثاراً سلوكية، وطبقات غذائية، بل وتُجمع رقائق نشطة في مسار واحد، ويمكن تصميم مرشح نشط مطبع بجهاز مرن يُعد هيكلاً يُزيد مرونة في الوقت الذي يقدم فيه الدعم الميكانيكي للمكونات الحرجة، على الرغم من أن هذه التكنولوجيا لا تزال غير ناضجة، فإن من الممكن أن يكون لها أن تُها.
خاتمة
إن تصميمات مرشحات نشطة مرنة ومتطابقة تمثل تحولاً في النموذج الذي يتم فيه إدماج الإلكترونيات في بيئتنا اليومية، ومن خلال زيادة المواد التي تُستخدم مثل أجهزة التحكم بالمعادن السائلة، وأجهزة الديكلية القابلة للتمديد، وأجهزة التصويب ذاتية الصبغة، يمكن للمهندسين أن يخلقوا مرشحات ذاتية، وتتماشوا دون التضحية بالأداء الكهربائي.