Wearable pressure sensors based on biodegradable materials

No Thumbnail Available

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

2024-05-17

Department

Major/Subject

Kemia ja materiaalitiede

Mcode

CHEM3049

Degree programme

Kemiantekniikan kandidaattiohjelma

Language

en

Pages

23

Series

Abstract

Capacitive pressure sensors are widely used in medical applications, human motion detection, electronic skins, and human-machine interfaces. Most of the sensors are not biodegradable, so, biomaterial-based sensors are an interesting subject for research in the future. With biomaterial-based sensors, electronic waste can be reduced, and because of their biocompatibility, they can be utilized even in implants. In this bachelor’s thesis is compared the effect of different die-lectric materials on wearable capacitive pressure sensors. The thesis consisted of a literature review and an experimental part. In the literature review is discussed the structure and properties of capacitive pressure sensors, and in the experimental part was examined how the dielectric material affected the capacitance change in sensors. Capacitive pressure sensors consist of three layers, of which the outermost layers are the electrodes, and the core part is the dielectric material. The sensing mechanism of capacitive pressure sensors is based on the changes in capacitance when the distance of the electrodes changes because of external pressure. An important property for the sensors is the sensitivity, which defines the suitable applications for them. Important properties for the electrodes are flexibility and conductivity and for the dielectric material compressibility and non-conductivity. Cellulose nanofiber (CNF) sheets coated with graphite material were used as the electrode materials for the sensors. CNF sheets were prepared by pressure filtering and hot-pressing. The graphite material was prepared from graphite powder, carnauba wax, and vegetable oil. In this work was used three earlier prepared dielectric materials, that consisted of CNFs or TEMPO-oxidized CNFs (TOCNFs) and gelatin or polyvinyl alcohol (PVA). The change of capacitance was measured with an LCR meter by exposing the sensors to pressure. The pressure range of the measurements was from 0.1 to 100 kPa. The results of the changes in capacitance were compared and from there could be concluded that the most potential dielectric material for capacitive pressure sensors consisted of CNFs and PVA because of its strong linearity and the largest change in capacitance. In the future there should be done more research to find out more suitable dielectric materials for bio-based capacitive pressure sensors, and their properties could be improved.

Kapasitiivisia painesensoreita käytetään laajasti terveysteknologian sovelluksissa, ihmisen liikkeiden havainnoimisessa, elektronisen ihon sekä ihmisen ja koneiden vuorovaikutuksen tutkimisessa. Biomateriaaleista valmistettujen sensorien avulla voidaan vähentää elektroniikkajätettä, ja lisäksi ne ovat bioyhteensopivia ihmiskehon kanssa, joten niitä voidaan käyttää jopa implantteina. Tässä kandidaatintyössä vertaillaan eri dielektristen materiaalien vaikutusta sensorien suorituskykyyn. Työ sisältää kirjallisuuskatsauksen sekä kokeellisen osuuden. Kirjallisuuskatsauksessa esitellään kapasitiivisten painesensorien rakennetta ja ominaisuuksia, sekä kokeellisessa osuudessa tutkittiin sensorien dielektrisen materiaalin vaikutusta kapasitanssin muutokseen. Kapasitiiviset painesensorit koostuvat kolmesta kerroksesta, joista uloimmat ovat elektrodit, ja niiden välissä on dielektrinen materiaali. Kapasitiivisten painesensorien toimintamekanismi perustuu sensorin kapasitanssin muutoksiin, joka aiheutuu elektrodien välimatkan muutoksesta, kun sensoria altistetaan ulkoiselle paineelle. Tärkeä ominaisuus sensoreille on herkkyys, jonka avulla voidaan määrittää sille sopivat käyttösovellukset. Elektrodien tärkeitä ominaisuuksia ovat joustavuus ja sähkönjohtavuus, sekä dielektriselle materiaalille puristuvuus ja eristävyys. Kokeellisessa osuudessa valmistettujen sensorien elektrodeina käytettiin selluloosananokuitukalvoja (CNF), jotka päällystettiin grafiittimateriaalilla. CNF-kalvot valmistettiin painesuodattamalla sekä kuumapuristamalla. Grafiittimateriaali valmistettiin grafiittijauheesta, karnaubavahasta ja rypsiöljystä. Työssä käytettiin kolmea dielektristä materiaalia, jotka koostuivat CNF:ista tai TEMPO-hapetetusta CNF:ista (TOCNF) sekä gelatiinista tai polyvinyylialkoholista (PVA). Sensorien kapasitanssin muutosta tutkittiin LCR-mittarilla. Sensoreita altistettiin ulkoiselle 0,1–100 kPa suuruiselle paineelle ja kapasitanssia mitattiin samanaikaisesti. Mittaustuloksista voitiin päätellä, että potentiaalisin dielektrinen materiaali kapasitiivisissa painesensoreissa koostui CNF:sta ja PVA:sta, koska kuvaajan lineaarisuus oli vahvaa ja kapasitanssin muutos suurin kyseisen materiaalin kohdalla. Tulevaisuudessa tutkimusta tulee tehdä, jotta voidaan löytää lisää sensoreihin sopivia dielektrisiä materiaaleja ja parantaa niiden ominaisuuksia.

Description

Supervisor

Kontturi, Eero

Thesis advisor

Basarir, Fevzihan

Keywords

capacitive pressure sensor, biomaterial, electrode, dielectric material, capacitance, cellulose nanofiber

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202406254936

Collections

[kand] Kemian tekniikan korkeakoulu / CHEM