Nanokompozit tabanlı esnek dokunsal sensörler
Nanocomposite-based flexible tactile sensors
Yazar: YETER ŞEKERTEKİN
Danışman: DOÇ. DR. DİNÇER GÖKCEN
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Esnek elektronik cihazların geleneksel elektronik dünyasında daha fazla yer bulmaya başlamasıyla, akıllı cihazların ve insan–makine arasında daha fazla etkileşim gerektiren uygulamaların birçok alanda kullanımı önemli ölçüde artmıştır. Dışardan gelen mekanik bir etkiyi elektrik sinyallerine dönüştürme işleviyle esnek elektroniğin önemli bir temel taşı olan dokunsal sensörler, elektrofizyolojik sinyallerin takip edilerek hastalık teşhis ve tedavisinin sağlandığı ve protez cihazların işlevlerinin artırıldığı sağlık sektörü başta olmak üzere, ticari veya eğitim amaçlı geliştirilen robotik sistemlerde, sanal ve artırılmış gerçeklik uygulamalarında, yeni nesil dokunmatik ekranların geliştirilmesinde ve yapay zekanın entegre edildiği çeşitli uygulamalarda en temel bileşendir. Bu sebeple, yapılacak geliştirmeler ve iyileştirmeler, esnek dokunsal sensörleri kullanma potansiyeli olan cihaz ve uygulamalarda etkinliği ve performansı doğrudan etkilediği için çok önemli bir yere sahiptir. Esnek dokunsal sensörlerin üretilmesinde kullanılan malzemelerin çeşitliliği, sensörlerin farklı üretim metotları ve çalışma mekanizmaları bu alanda çok geniş bir araştırma yelpazesi sunmaktadır. 
Bu tez çalışmasında, sensörlerin algılayıcı tabakalarında polimer ve iletken dolgu maddelerinden oluşan polimer nanokompozitler kullanılarak esnek alt tabakalar üzerinde üretim yapılmıştır. Özellikle biyo uyumlu olmaları ve kullanım kolaylığına sahip olmaları sebebiyle polimer olarak polivinil alkol (PVA) ve sodyum aljinat (SA) tercih edilmiştir. Kullanılan iletken dolgu maddeleri arasında ise karbon siyahı (CB), karbon nanotüpler (CNT'ler), grafen nanoplateletler (GnP'ler) ve gümüş nanoparçacıklar (Ag NP'ler) yer almaktadır. Her bir nanokompozit, bir polimerden ve bir dolgu maddesinden oluşacak şekilde farklı nanokompozit üretimleri yapılmış, nanokompozitler karakterize edilmiş ve farklı sensör tasarımlarıyla nanokompozit tabanlı sensörler üretmek amacıyla kullanılmıştır. Elde edilen esnek dokunsal sensörler; PVA–CB, PVA–CNT, PVA–GnP, PVA–Ag NP, SA–CB ve SA–CNT nanokompozitlerine dayalıdır. Kâğıt, eriyik üflemeli ve pamuk kumaşlar üzerinde serigrafi yöntemiyle üretilen dokunsal sensörlere ek olarak, herhangi bir alt tabaka kullanılmadan üretilen sensörler de bulunmaktadır. Üretilen sensörler, farklı basınç değerleri altında elektromekanik ölçümleri alınarak test edilmiştir. Bu testlerde sensörlerin piezorezistif, kapasitif, empedans ve faz açısı özellikleri ve tepki–toparlanma süreleri incelenmiştir. Aynı tasarımla üretilen PVA–fCNT, PVA–GnP ve PVA–Ag NP nanokompozit tabanlı sensörlerde, uygulanan kuvvete karşı faz açısı değişiminin dokunma algılamada kullanılabileceği gösterilmiş ve PVA–Ag NP nanokompozit tabanlı sensör bir eldivene monte edilerek dolu bir şişeyi tutmak ve kaldırmak adımlarından oluşan bir uygulamada, bir empedans analizörü devresi üzerinden alınan ölçümlerle test edilmiştir. SA–CB nanokompozit tabanlı sensör üzerinden, kuvvet uygulanan noktanın ve kuvvetin büyüklüğünün tayin edilmesi konsepti gösterilmiştir. Ayrıca, herhangi bir alt tabaka olmadan üretilen sensörlerin ise belirli frekans aralıklarında frekans cevapları incelenerek eşdeğer devreleri oluşturulmuştur.
Elde edilen veriler, polimer nanokompozit tabanlı esnek dokunsal sensörlerin algılama işlevini etkin bir şekilde yerine getirdiğini göstermektedir. Ayrıca, farklı tasarımlarda sensörlerin analizi için empedans ölçümlerinin alınması, aynı anda sensörün hem kapasitif hem de piezorezistif özelliklerini değerlendirme imkânı tanımıştır. Farklı frekans aralıklarında sensörlerin farklı çalışma mekanizmalarına sahip olabileceği ve buna bağlı olarak eşdeğer devrelerinin oluşturulabileceği gösterilmiştir. Direnç ve kapasitans değişiminin dokunmayı algılamada kullanılabilmesi gibi, tasarıma bağlı olarak faz açısı değişiminin de aynı amaçla kullanılabileceği gösterilmiştir.

Abstract:
The use of smart devices and applications that require more interaction between human and machine has increased significantly in many areas since flexible electronic devices starting to find more place in the traditional electronics world. Tactile sensors, which are an important part of flexible electronics with the function of converting an external mechanical effect into electrical signals, are used especially in the biomedical field to diagnose and treat diseases by monitoring electrophysiological signals and to increase the functionality of prosthetic devices. Besides, tactile sensors are the most fundemental component in robotic systems developed for commercial or educational purposes and in the development of next–generation touch screens as well as in various applications where artificial intelligence is integrated. For this reason, the developments and improvements have a very important place as they directly affect the efficiency and performance of devices and applications that have the potential to use flexible tactile sensors. The variety of materials used in the production of flexible tactile sensors, different production methods and working mechanisms of the sensors offer a wide range of research opportunities.
In this thesis, polymer nanocomposites consisting of polymer and conductive fillers were used in the sensing layers of sensors that are fabricated on flexible substrates. Polyvinyl alcohol (PVA) and sodium alginate (SA) were preferred as polymers, especially because they are biocompatible and easy to use. Carbon black (CB), carbon nanotubes (CNTs), graphene nanoplatelets (GnPs) and silver nanoparticles (Ag NPs) were used as conductive fillers. Different nanocomposites were produced so that each nanocomposite consists of a polymer and a filler, the nanocomposites were characterized and used to produce nanocomposites–based sensors with different sensor designs. The obtained flexible tactile sensors are based on PVA–CB, PVA–CNT, PVA–GnP, PVA–Ag NP, SA–CB and SA–CNT nanocomposites. In addition to tactile sensors produced by screen–printing on paper, melt–blown and cotton fabrics, there are also sensors produced without using any substrate. Produced sensors were tested via electromechanical measurements under different pressure values. PVA–fCNT, PVA–GnP and PVA–Ag NP nanocomposites–based sensors fabricated with the same structural design have shown that the phase angle change versus applied force can be used in touch sensing. Also, the PVA–Ag NP nanocomposite–based sensor mounted on a glove was tested in an application consisting of holding and lifting a full bottle, with measurements taken over an impedance analyzer circuit. The concept of determining the point where force is applied and the magnitude of the force are demonstrated using the SA–CB nanocomposite–based sensor. In addition, the frequency responses of the sensors produced without any substrate were examined in certain frequency ranges and their equivalent circuits were created.
The obtained data show that polymer nanocomposite–based flexible tactile sensors perform the sensing function effectively. In addition, taking impedance measurements for the analysis of sensors in different designs gave the opportunity to evaluate both the capacitive and piezoresistive properties of the sensor at the same time. It has been shown that sensors in different frequency ranges can have different operating mechanisms and equivalent circuits can be determined accordingly. It has been demonstrated that the change in resistance and capacitance can be used for touch sensing, as is usually the case, and depending on the design, the phase angle change can be used for the same purpose.