Polymer based sensors fabricated by printing technologies

Abstract

Sensores podem ser encontrados em diversos objetos do cotidiano tais como como telemóveis, equipamentos de cozinha, ecrãs tácteis, teclados, brinquedos e outras inúmeras aplicações. Desde o aparecimento do primeiro sensor em 1860, a tecnologia de sensores cresceu exponencialmente devido aos avanços realizados na ciência e engenharia de materiais, sendo capazes de serem duráveis, leves, finos, flexíveis, baratos e rápidos de produzir. Nas últimas décadas inumeros desenvolvimentos têm sido alcançados na formulação de tintas, tipos de substratos e técnicas de impressão, e atualmente os sensores flexíveis e impressos são aplicados em várias áreas tais como aeroespacial e automóvel, robótica, biomédica, eletrónica de consumo, embalagem e retalho, com uma fatia de mercado de US$ 3,6 mil milhões em 2018. Esta tese centra-se no desenvolvimento de tintas eletroativas para produzir sensores impressos em substratos poliméricos, nomeadamente tintas piezoresistivas, magnetoeléctricas e piezoeléctricas. Estas tintas foram desenvolvidas para as tecnologias de impressão por serigrafia e por spray, que são as técnicas mais utilizadas pela a indústria. A tinta piezoresistiva foi baseada no elastómero termoplástico estireno-etileno/butileno-estireno (SEBS), como matriz polimérica, e em nanotubos de carbono de paredes múltiplas (MWCNT) como “fillers” condutores, utilizando a técnica de impressão por doctor blade. Foram utilizados três solventes amigos do ambiente e as suas propriedades foram avaliadas, revelando uma boa reprodutibilidade e uma boa resposta da sensibilidade, ideal para a produção de sensores de pressão. Compósitos magnetoelétricos (ME) à base de poli(fluoreto de vinilideno-co-trifluoretileno)/ferrite de cobalto (P(VDF-TrFE)/CoFe2O4) foram impressos por spray e uma elevada resposta ME foi obtida, demonstrando assim a adequação dos materiais desenvolvidos para a produção de sensores a baixo custo e de grande escala de produção. Uma tinta piezoelétrica, baseada em poli(fluoreto de vinilideno-co-trifluoroetileno), (PVDF-TrFE), foi desenvolvida utilizando um solvente amigo do ambiente, e impressa através de três técnicas de impressão: doctor blade, spray e serigrafia, sendo posteriormente avaliadas as suas propriedades. Os filmes de PVDF-TrFE foram aplicados no desenvolvimento de uma tela táctil que permitiu a detecção da pressão e libertação dos toques exercidos. Finalmente, outro protótipo impresso foi desenvolvido, constituído por uma matriz capacitiva, e juntamente com uma eletrónica de leitura capacitiva foi obtido um touchpad capacitivo capaz de detectar vários toques em simultaneo e de identificar objetos previamente marcados. Em conclusão, foi demonstrada a possibilidade de fabricar sensores totalmente impressos utilizando diferentes tintas eletroativas e diversas técnicas de impressão. Dois protótipos totalmente funcionais foram desenvolvidos e testados, capazes de medir o toque/força e reconhecer objetos previamente marcados.

Sensors can be found in everyday objects such as mobile phones, kitchen appliances, touchscreens, keyboards, toys and other applications. Since the development of the first sensor in 1860, the sensor technology has grown almost exponentially due to advances in materials science and engineering, being able to be durable, light, thin, flexible, cheap and fast to produce. In the last decades developments have been achieved in terms of ink formulation, substrate materials and printing techniques, and nowadays, flexible and printed sensors are used in many areas including aerospace and automotive, robotics, biomedical, consumer electronics, packaging and retail, with a market share of $3.6 billion in 2018. This thesis focus on the development of electroactive inks to produce printed sensors on polymeric substrates, namely piezoresistive, magnetoelectric and piezoelectric inks. These inks were developed for screen printing and spray printing technologies, which are the most used techniques in the industry. The piezoresistive ink was based on the thermoplastic elastomer styrene‐ethylene/butylene‐styrene (SEBS) as polymer matrix, and multi-walled carbon nanotubes (MWCNT) as conductive fillers, and printed by doctor blade. Three environmental friendly solvents were used and the proprieties evaluated, showing a good reproducibility and sensibility to produce pressure sensors. Magnetoelectric (ME) composites based on poly(vinylidene fluoride-co-trifluoroethylene)/cobalt ferrite (P(VDF-TrFE)/CoFe2O4) were printed by spray and a high ME response was obtained, demonstrating the suitability of the developed materials for large-scale and cost effective sensor production to be used in a wide range of applications. A piezoelectric ink, based on poly(vinylidene fluoride-co-trifluoroethylene), (PVDF-TrFE), was developed using an environmentally friendly solvent N,N0-dimethylpropyleneurea (DMPU). Three printing techniques were used: doctor blade, spray printing and screen printing, and the proprieties of the inks were evaluated. The PVDF-TrFE films were applied in the development of a touch screen which allowed the detection of both touch and release events, revealing as a good candidate for a new generation of touch panels with a low environmental impact. Finally, another printing prototype was developed capable of detecting touch and marked objects. This flexible screen printed sensor consisted on a capacitive matrix based on silver ink with diamond shape, and a polyethylene terephthalate (PET) substrate. Coupled with conventional capacitive reading electronics, a high functional capacitive touchpad with a resolution of 36 points/mm was obtained, capable of detecting several touches simultaneously and to identify marked objects. In conclusion, it was demonstrated the possibility of fabricating complete printed sensors with different electroactive inks, using several printing techniques. Two fully functional prototypes were developed and tested, capable of measuring the touch/force and recognizing marked objects.