A multi parametric measurement and control system, implemented on flexible substrates with printing technologies
Authors: Μπαρμπάκος Δημήτριος 
Published: November 2021

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή, μια σειρά από υλικά αξιολογήθηκαν ως προς την δυνατότητά τους να χρησιμοποιηθούν για την ανάπτυξη ηλεκτρονικών διατάξεων με την τεχνολογία εκτύπωσης inkjet. Δυο μελάνια βασισμένα σε νανοσωματίδια αργύρου με διαφορετικές τεχνικές σύντηξης (θερμικά και χημικά), ένα αγώγιμο πολυμερές (poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate (PEDOT:PSS)), μια γραφενική διασπορά σταθεροποιημένη με αιθυλοκυτταρίνη σε κυκλοεξανόνη – terpineol και μια υδατική διασπορά μειωμένου οξειδίου του γραφενίου (f-rGO), χρησιμοποιήθηκαν για την ανάπτυξη αισθητήρων υγρασίας, θερμοκρασίας και μηχανικής κάμψης σε υποστρώματα χαρτιού και πολυιμιδίου. Επίσης, αξιολογήθηκαν τεχνικές ηλεκτρικής και μηχανικής διασύνδεσης δομών χαλκού σε πολυιμίδιο, οι οποίες συνενώθηκαν ηλεκτρικά και μηχανικά με εκτυπωμένες διατάξεις γραφενίου και νανοσωματιδίων αργύρου μέσω εμπορικών διασυνδέσεων, καθώς και μέσω απευθείας επιτύπωσης. Πραγματοποιήθηκε ενδελεχής βιβλιογραφική έρευνα με σκοπό την ανάδειξη συνδυασμών εκτυπώσιμων υλικών – υποστρωμάτων, κατάλληλων να υποστηρίξουν την μαζική, οικονομική κι επαναλήψιμη ανάπτυξη αισθητήρων μέσω inkjet. Δυο αισθητήρες υγρασίας με μετρούμενη έξοδο την ηλεκτρική αντίσταση αναπτύχθηκαν σε υπόστρωμα χαρτιού· ο πρώτος ήταν βασισμένος σε ηλεκτρόδια νανοσωματιδίων αργύρου ενώ ο δεύτερος σε PEDOT:PSS. Με την εφαρμογή αυτή, επιδείχθηκε η δυνατότητα χρήσης του υποστρώματος χαρτιού σαν ενεργό υλικό για μέτρηση σχετικής υγρασίας. Οι συσκευές παρουσίασαν μεταβολή στην τιμή της αντίστασης κατά μια τάξη μεγέθους ανά 10 %rH στο εύρος τιμών 0 ως 30 %rH και μεταβολή μιας τάξης μεγέθους στην αντίσταση ανά 20 %rH στο εύρος 30 – 90 %rH. Αισθητήρες θερμοκρασίας βασισμένοι σε νανοσωματίδια αργύρου και PEDOT:PSS σε χαρτί, και γραφένιο και f-rGO σε υπόστρωμα πολυιμιδίου αναπτύχθηκαν κι αξιολογήθηκαν σχετικά με τα ηλεκτρικά τους χαρακτηριστικά και τον θερμικό συντελεστή αντίστασής τους (TCR). Οι συντελεστές εξήχθησαν ως 9.389×10-4 oC-1, -0.0139 oC-1, -1.94x10-3 oC-1 και -1.64x10-2 oC-1 αντίστοιχα. Οι αισθητήρες βασισμένοι σε γραφενικά υλικά εμφάνισαν αντοχή στη θερμική καταπόνηση και μέσους χρόνους απόκρισης 2.47 s (γραφένιο) και 2.94 s (f-rGO). Επίσης, μελετήθηκαν αισθητήρες μηχανικής κάμψης από νανοσωματίδια αργύρου και PEDOT:PSS σε υπόστρωμα χαρτιού, με στόχο την ανάπτυξη μιας ολοκληρωμένης πλατφόρμας αισθητήρων, σε συνδυασμό με τους προαναφερθέντες αισθητήρες. Οι συντελεστές gauge (Gauge Factor) των συσκευών αυτών εξήχθησαν ως GFAgTensile = 0.4259 και GFPEDOT:PSSTensile = 0.1422 για παραμόρφωση μέσω εφελκυσμού. Για συμπιεστική παραμόρφωση οι παραπάνω συντελεστές διαμορφώθηκαν ως GFAgCompress = -0.1572 και PEDOT:PSS GFPEDOT:PSSCompress = 0.1448. Επίσης, πειράματα επαναλαμβανόμενης μηχανικής κάμψης 1000 κύκλων πραγματοποιήθηκαν χρησιμοποιώντας ένα XY stage ακριβείας. Τα αισθητήρια βασισμένα σε νανοσωματίδια αργύρου εμφάνισαν υψηλότερη μηχανική αντοχή. Μελετήθηκαν επίσης θερμικοί αισθητήρες ροής σε δυο διαστάσεις μέσω δυο προσεγγίσεων κατασκευής. Αρχικά χρησιμοποιώντας εμπορικά στοιχεία SMT πλατίνας σε επιχαλκωμένο υπόστρωμα πολυιμιδίου ως αισθητήρες και μικροθερμαντήρες με σκοπό την ανίχνευση του διανύσματος της ροής (πλάτος και γωνία). Για το πλάτος της ροής, δυο διαφορετικοί τρόποι λειτουργίας του μικροθερμαντήρα αξιολογήθηκαν, αυτός του σταθερού ρεύματος κι αυτός της σταθερής θερμοκρασίας. Ακολούθησε μεταφορά της τεχνολογίας σε μια πλήρως εκτυπωμένη διάταξη, με στοιχεία ενεργού άνθρακα – τιτανικού βαρίου (BaTiO3) σε υπόστρωμα PET. Αντίστοιχα, οι συσκευές αυτές μετρήθηκαν ως προς την ικανότητά τους να ανιχνεύσουν ροές αέρα σε δυο διαστάσεις. Επίσης, μελετήθηκε η υποβοήθηση λήψης αποφάσεως σχετικά με την κατεύθυνση της ροής μέσω νευρωνικού δικτύου εκπαιδευμένου με διαφορετικά σύνολα μετρήσεων. Οι δυο διατάξεις ήταν ικανές να μετρήσουν ροές στο εύρος 0 ως 25 SLPM, ενώ η μέθοδος λειτουργίας σταθερής θερμοκρασίας ήταν εμφανώς πιο ευαίσθητη στην ανίχνευση του πλάτους ροής (12.6 mW/(m/s) σε σχέση με -2.80 mW/(m/s) στον τρόπο λειτουργίας σταθερού ρεύματος). Εκτιμήθηκαν τέλος διαφορετικοί τρόποι ηλεκτρικής διασύνδεσης εκτυπωμένων μέσω inkjet δομών και παραδοσιακών δομών χαλκού σε εύκαμπτο υπόστρωμα πολυμιδίου. Ανάλογα με την εφαρμογή, κρίθηκαν αξιοποιήσιμες δυο εμπορικές λύσεις (Amphenol FPC & Clincher). Επίσης, η επιτύπωση δομών χαλκού με αγώγιμα υλικά φάνηκε να λειτουργεί αξιόπιστα, όμως σύμφωνα με μετρήσεις και προσομοίωση με μέθοδο πεπερασμένων στοιχείων, η τοποθέτηση των ηλεκτρικών επαφών παίζει σημαντικό ρόλο στη διαμόρφωση του ηλεκτρικού πεδίου και της πυκνότητας ρεύματος.