Biodegradable pressure sensors for advancing healthcare monitoring

Thumbnail Image

Files

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Kemiantekniikan korkeakoulu | Bachelor's thesis
Electronic archive copy is available locally at the Harald Herlin Learning Centre. The staff of Aalto University has access to the electronic bachelor's theses by logging into Aaltodoc with their personal Aalto user ID. Read more about the availability of the bachelor's theses.
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2024-09-20

Department

Major/Subject

Kemia ja materiaalitiede

Mcode

CHEM3049

Degree programme

Kemiantekniikan kandidaattiohjelma

Language

en

Pages

25

Series

Abstract

The capacitive pressure sensor responds to external pressure with a change in capacitance. This phenomenon can be used in health technology advancements, such as heart rate monitors, electronic skins, motion detection, and human-computer interactions. Capacitive pressure sensors made of biodegradable materials promise better biocompatibility to human skin and even internal organs. In addition to better and safer on-skin applications, biodegradable sensors reduce electronic waste in healthcare. This thesis consists of a literature review and an experimental part. First the structure and principle of the capacitive pressure sensors is discussed following some examples of different biodegradable materials. In the experimental part various materials are tested for their mechanical properties, of which two were chosen to further fabricate a capacitive pressure sensor. Capacitive pressure sensor consists of three layers; the outermost electric layer, the inner dielectric layer, and again an electric layer. The change in capacitance happens when the distance between the electric layers decrease. Due to this, the mechanical properties of the innermost dielectric material are crucial for the sensor’s functionality. The dielectric layer is expected to be flexible with low young’s modulus and elastic modulus. These moduli demonstrate how compressible the material is. Sensitivity overall is a key parameter for capacitive pressure sensors especially in healthcare monitoring since the external pressure will be very minimal. Most materials used in biodegradable pressure sensors are cellulose nanofibers, CNF and cellulose nanocrystals, CNC and biocomposites made of them. PVA (polyvinyl alcohol) is introduced as a cross-linking agent to enhance the moduli of the material. In the experimental part 36 different matrix materials with CNF were first tested with an Instron tensile tester for their elastic and young’s moduli. Two suitable materials were chosen as dielectric materials to further fabricate a pressure sensor. The sensitivity and consistency of these fabricated pressure sensors were examined with an LCR meter. Both sensors performed well and gave good results even in lower pressures. Research for the dielectric materials and fabrication of the sensors is continuing, to gain more valuable information and further advance healthcare monitoring.

Kapasitiivinen painesensori reagoi ulkoiseen paineeseen kapasitanssin muutoksella, joka aiheuttaa sähköisen signaalin. Tätä ilmiötä voidaan hyödyntää terveysteknologiassa muun muassa elektronisissa ihoissa, elinten toimintaa mittaavissa monitoreissa, liiketunnistimissa, sekä ihmisen ja tietokoneen välisessä viestinnässä. Biopohjaisista materiaaleista valmistetut sensorit mahdollistavat parhaimman yhteensopivuuden ihmisiholle ja jopa sisäelimille. Tämän lisäksi elektroniikkaroska terveydenhuollossa vähenee, kun sensorit pystyvät maatumaan. Tässä kandidaatintyössä tutkitaan erilaisia biopohjaisia materiaaleja, ja niiden soveltuvuutta painesensorien dielektrisenä materiaalina. Työ sisältää kirjallisuuskatsauksen, jossa perehdytään painesensoreiden rakenteeseen, toimintaan ja niissä käytettäviin materiaaleihin. Kirjallisuuskatsausta seuraa kokeellisen osio, jossa ensin tutkitaan erilaisia vaihtoehtoisia materiaaleja ja sitten valmistetaan ja tutkitaan näistä materiaaleista valmistettujen biopohjaisten painesensoreiden toimintaa LCR-mittarilla. Kapasitiivisella painesensorilla on kolmikerroksinen rakenne, joka koostuu uloimmista sähköä johtavista elektrodeista ja sisemmästä sähköä johtamattomasta dielektrisestä materiaalista. Kapasitanssi muuttuu, kun sähköä johtavien elektrodien välinen etäisyys pienenee ulkoisen paineen vuoksi. Tämän takia keskimmäisen materiaalin on oltava joustava, jotta paineen muutos pystytään havaitsemaan. Kapasitanssin muutoksen lisäksi sensorin tärkeä ominaisuus on herkkyys, sillä sen avulla voidaan havaita pienimpiäkin paineen muutoksia. Yleisimpiä käytettyjä materiaaleja biopohjaisissa painesensoreissa on erilaiset nanoselluloosat. Näitä nanoselluloosia saatetaan jatkaa esimerkiksi polyvinyylialkoholilla (PVA). PVA mahdollistaa ristisilloittamisen näiden biopolymeerien välillä parantaen esimerkiksi molekyyliketjujen hydrofiilisyyttä. Innovatiivisia materiaaleja vaihtelevin tuloksin on myös käytetty. Proteiineista ja jopa kasvien lehdistä on tehty dielektrisiä materiaaleja. Näissä kaikissa materiaaleissa yhteistä on toistuvat hiiliketjurakenteet. Tärkeistä dielektrisen materiaalin ominaisuuksista kertoo materiaalin kimmokerroin eli Youngin moduuli sekä elastinen kerroin. Mitä matalampi kimmokerroin on, sitä joustavampi ja parempi materiaali on sensorissa. Kokeellisessa osuudessa ensin testattiin erilaisten materiaalien ominaisuuksia vetokoelaitteistolla, joka laski materiaalien kimmokertoimet ja elastisen kertoimet. Parhaimmista materiaaleista tehtiin sensoreita, joiden suoritusta ja herkkyyttä tutkittiin LCR-mittarilla. Sensorit valmistettiin käyttämällä kahta parhainta materiaalia dielektrisenä materiaalina. Tämän dielektrisen materiaalin kummallekin puolelle aseteltiin ohut CNF kalvo. Kalvon toisella puolella oli huoneenlämmössä jähmettynyttä grafiittitahnaa ja toisella puolella kupariteippi. Grafiittitahnalla päällystetty puoli oli kosketuksissa dielektriseen materiaaliin ja toimi sensorissa elektrodina. Kupariteippeihin juotettiin kiinni sähköjohdot. Kokonaisuus kiinnitettiin yhteen teipillä. LCR-mittarilla tutkitut kahdesta materiaalista tehdyt sensorit osoittivat hyvää toistettavuutta myös matalilla paineilla. Työssä ei kuitenkaan arvioitu esimerkiksi sensorien maatumisominaisuuksia, vaan biopohjaisten dielektristen materiaalien oletettiin maatuvan aikaisempien tutkimusten perusteella. Tulevaisuudessa tuleekin tutkia koko sensorin maatumisominaisuuksia. Tutkimustyö sopivien materiaalien ja sensorien löytymiseksi jatkuu, jotta toimivien sensorien löytäminen ja jatkojalostaminen on mahdollista.

Description

Supervisor

Kontturi, Eero

Thesis advisor

Basarir, Fevzihan

Keywords

capacitive pressure sensor, pressure sensor, dielectric material, CNF, biodegradable material

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202411057002

Collections

[kand] Kemian tekniikan korkeakoulu / CHEM