Desenvolvimento de matrizes de sensores piezoresistivos para aplicações avançadas

Abstract

A utilização de compósitos baseados em matrizes poliméricas veio introduzir novas possibilidades na análise do comportamento dos materiais. Nos últimos anos, matrizes poliméricas reforçadas com materiais condutores tornaram-se materiais fundamentais para o desenvolvimento de componentes micro e nanoeletrónicos. As tecnologias eletrónicas assumiram um papel fundamental no apoio à aquisição de competências para as mais variadas áreas. O estudo realizado ao longo da dissertação consiste no desenvolvimento de sensores piezoresistivos baseados em compósitos poliméricos, na sua caracterização e estudo do seu desempenho. Foram desenvolvidos compósitos formados por um termoplástico elastómero (TPE, do inglês thermoplastic elastomer) estireno-butadieno-estireno (SBS, do inglês styrenebutadiene- styrene), com a incorporação de nanotubos de carbono. A combinação destes materiais resulta em materiais com propriedades elétricas apropriadas para serem integrados em sistemas como sensores de deformação. Baseado no princípio de que as propriedades elétricas dos compósitos mudam quando sujeitos a deformações, foi testado experimentalmente o comportamento dos materiais/sensores quando submetidos a deformações elevadas. Os sensores piezoresistivos foram obtidos através de diferentes métodos de impressão, screen printing e spray printing, assim como por extrusão, permitindo obter sensores de baixo custo, com aplicações em superfícies submetidas a elevadas deformações. Os materiais extrudidos e os sensores impressos foram caracterizados mecânica e eletricamente, o que permitiu afirmar a sua viabilidade como sensores piezoresistivos. Em simultâneo ao desenvolvimento dos materiais usados como sensores, foi desenvolvido o sistema eletrónico responsável pelo acondicionamento de sinal e leitura dos sensores. Este sistema permite fazer as leituras das medidas, sendo ainda responsável por guardar e enviar os dados medidos pelos sensores através de RF para uma plataforma exterior. Os sensores foram aplicados numa luva como prova de conceito.

The use of composites based on polymeric matrices introduced new possibilities in the analysis of materials behavior. For the past few years, polymeric matrices reinforced with conductive materials became fundamental for the development of micro and nanoelectronic components. Electronic technologies assumed an essential role by facilitating the acquisition of skills in various fields. The present work reports on the development of piezoresistive sensors based in polymeric composites, in their characterization and performance analysis. Composites made from TPE (thermoplastic elastomer) SBS (styrene-butadiene-styrene) with embedded carbon nanotubes were developed. The combination of these materials results in composites with electrical properties adequate to be integrated in systems as deformation sensors. From the principle that the composites electrical properties change when subjected to stress, experiments were conducted to test the behavior of the materials/sensors when subjected to high levels of stress. The piezoresistive sensors were fabricated by different methods, including extrusion and printing technologies (screen printing and spray printing). These technologies allow to obtain low cost sensors, with applications in surfaces subjected to high levels of stress. The mechanical and electrical properties of the extruded materials and printed sensors were analysed, confirming their viability as piezoresistive sensors. Simultaneously to the development of the materials used as sensors, the electronic system responsible for the read-out and communication of the sensors signals was also developed. This system not only enables the reading of the measurements, but it is also responsible for storing and sending the data collected by the sensors through RF to an exterior platform. The sensors were applied to a glove as a proof of concept.