Printed Stretchable Self-Tuning NFC Systems for Wearables
- Reference number
- FID20-0052
- Project leader
- Herlogsson, Lars
- Start and end dates
- 220601-270531
- Amount granted
- 2 500 000 SEK
- Administrative organization
- RISE Research Institutes of Sweden AB, Borås
- Research area
- Life Science Technology
Summary
Near-field communication (NFC) is a widespread wireless communication technology that is attractive for wearables and biomedical applications. Due to its limited range (up to tens of centimeters) which prevents eavesdropping and allows for wireless energy transfer, NFC enables simplistic and safe battery-free solutions. However, stretchable tags are required for such applications but they suffer from a fundamental issue, as the inductance of the antenna changes when stretched. This leads to a shift in the resonant frequency of the NFC tag, with resulting decrease in communication distance and eventually loss of communication. Here, we aim at addressing this fundamental challenge by developing printed stretchable self-tuning NFC Tags for wearables and biomedical implants. The key concept is the development of printed capacitors with inverse strain-capacitance relationship that can be used to compensate for the change in antenna inductance during stretching, and thereby maintain the resonant frequency of the NFC tag even under major stretching. Stretchable antennas will be studied in detail and novel capacitors will be developed. Based on this unique technology, we develop two applications: wearable printed NFC tags for on-skin applications and integration in clothing, and implantable battery-free NFC nerve stimulators for nerve regeneration. The project is expected to generate new know-how and technical solutions for stretchable electronics for wearables.
Popular science description
Närfältskommunikation (NFC) är en vida använd teknologi som möjliggör trådlös kommunikation inom en rad olika områden, till exempel för kroppsnära sensorer och sakernas internet. Tryckta NFC kretsar som fungerar vid 13.56 MHz är attraktiva för kroppsnära elektronik och biomedicinska implantat eftersom de är svåra at avlyssna samt tillåter trådlös energiöverföring. Detta möjliggör batteri-fria system, vilket är en fördel då batterier utgör en potentiell säkerhetsrisk och måste därför paketeras i kraftiga och stora inneslutningar. Ett batteri-fritt NFC system består av ett mikrochip, en antennspole samt en kondensator. Kondensatorn måste anpassas efter spolens induktans för att NFC kretsen ska få rätt resonansfrekvens. Nuvarande flexibla NFC etiketter kan böjas en del och ger därmed en viss konformabilitet. För kroppsnära och implanterbar elektronik är detta dock oftast inte tillräckligt, då systemen behöver vara mjuka och töjbara för att omärkbart kunna följa med kroppens rörelser. Töjbara NFC system är behäftade med ett fundamentalt problem: om antennens geometri ändras vid töjning så ändras även antennens induktans. Detta leder till att resonansfrekvensen ändras, vilket leder till minskat läsavstånd eller helt avbruten kommunikation. I detta projekt ämnar vi lösa detta fundamentala problem genom att utveckla tryckta töjbara NFC-kretsar med självanpassad resonansfrekvens. Nyckelkonceptet utgörs av utvecklandet av tryckta kondensatorer vars kapacitans skalar omvänt mot töjning. Sådana kondensatorer kan användas för att kompensera för antennspolens ökade induktans vid töjning och därmed stabilisera kretsens resonansfrekvens. Vi utvecklar två tillämpningar baserat på denna unika teknologi: kroppsnära NFC kretsar för tillämpningar på hud eller i kläder, samt batteri-fria töjbara NFC nervstimulatorer för att påskynda läkning vid nervskador. Projektet sker i samarbete mellan forskare på RISE, Laboratoriet för Organisk Elektronik på Linköpings universitet, samt kliniska forskare på Linköpings universitetssjukhus.