Digitally Printed Hybrid Stretchable Circuits for Wearable Bioelectronics

Abstract

The field of soft and stretchable electronics has received an increasing attention during the last few years. This is due to their increasing application in wearable and implantable bioelectronics for health/performance monitoring, smart garments, and e-skins for various applications in robotics, entertainment, and human machine interfaces. Among the materials that are used for fabrication of soft and stretchable circuits, Eutectic Gallium Indium (EGaIn) Liquid Metal (LM) is the most promising conductor, as it combines high electrical conductivity, low electromechanical coupling and hysteresis, when subject to mechanical strain, and self-healing properties. However, currently fabrication of liquid metal based circuits is challenging, due to the underlying problems on patterning of liquid metals, which often requires preparation of stencils and molds. Moreover, integration of solid-state microchips into soft-matter, and stretchable printed electronics has been the biggest challenge against their scalable fabrication. This dissertation tackles both problems. For the first problem, I demonstrate for the first time, sinter-free direct digital printing of multi-layer stretchable circuits, thanks to the introduction of a bi-phasic ternary Ag-EGaIn ink that demonstrates high electrical conductivity (7.02x105 S m-1), extreme stretchability (max. strain >1000%), and low electromechanical gauge factor (GF). In addition to digital printing, I as well demonstrate laser patterning of stretchable circuits using this material. For the second problem I demonstrated Pol-Gel, a simple technique for self-soldering, self-encapsulation, and self-healing, that allows low cost, scalable, and rapid fabrication of hybrid microchip-integrated ultra-stretchable circuits. This is performed by triggering a Polymer-Gel transition in physically cross-linked block copolymers that are present in the ink, by exposing the circuits to the solvent vapor. This results in maximum strain tolerance of >500% for chip-integrated soft circuits, which is 5x higher than the previous works. In addition, the elimination of the thermal sintering of the ink, and thermal soldering process for microchip integration opens the doors for the utilization of a wide range of heat-sensitive substrates that were not possible before. Finally, using the above materials and fabrication techniques, I demonstrate condensed soft-matter patches with integrated sensors, processors, and wireless communication, and multi-electrode e-textile for applications in wearable bioelectronics. This includes examples in Electrical Impedance Tomography (EIT) for lung and bladder monitoring, Functional Electrical Stimulation (FES), and a multi-sensorial wireless skin patch for monitoring the body motions.

A área da eletrónica flexível e elástica tem suscitado uma atenção crescente, nos últimos anos. Isso deve-se sobretudo ao aumento do uso de dispositivos bioeletrónicos "vestíveis" e implantáveis, na monitorização da saúde/performance, em roupas inteligentes, "peles" inteligentes, assim como em várias aplicações robóticas de entretenimento e interfaces homem-máquina. No conjunto dos materiais usados na fabricação de circuitos maleáveis e elásticos, o Eutéctico Gálio Índio (EGaIn), metal líquido (LM), é o condutor mais promissor, uma vez que combina uma elevada condutividade com uma baixa histerese e acoplamento eletromecânico (quando sujeito a deformações mecânicas) e propriedades de autorreparação. Contudo, atualmente a fabricação de circuitos baseados em metais líquidos ainda é um desafio, sobretudo devido aos problemas subjacentes à impressão de metais líquidos, que usualmente requerem a preparação de stencils e moldes. Adicionalmente, a integração de chips convencionais, em circuitos maleáveis e elásticos tem sido um dos maiores obstáculos à escalabilidade da fabricação. Esta dissertação aborda ambos os problemas: acerca do primeiro problema eu demonstro, pela primeira vez, a impressão digital direta de circuitos elásticos multicamadas, sem a necessidade de sinterização graças à introdução de uma tinta ternária Ag-EGaIn bifásica, que apresenta elevada condutividade elétrica (7.02x105 S m-1), extrema extensibilidade (deformação máxima >1000%) e baixo fator de medida (gauge factor) eletromecânico. Além disso, realizo ainda a fabricação laser de circuitos elásticos, usando esse material. Em relação ao segundo problema, eu introduzi o Pol-Gel, uma técnica simples de auto-soldadura, auto-encapsulamento e auto-reparação, que permite a fabricação rápida, escalável e de baixo custo, de circuitos híbridos ultra elásticos, integrando microchips. Isto ocorre devido ao despoletar de uma transição Polímero-Gel nos copolímeros reticulados, que estão presentes na tinta, quando expostos a vapores do solvente. O resultado é em uma tolerância >500% máxima de deformação para circuitos elásticos integrando microchips, que é 5x maior do que em trabalhos anteriores. Além disso, a eliminação da sinterização térmica da tinta e o processo de solda por calor na integração de microchips abre as portas à utilização de uma ampla gama de substratos termo-sensíveis, que antes não eram viáveis. Finalmente, usando os materiais e técnicas de fabricação acima referidos, demonstro circuitos compostos por matéria maleável integrando sensores, processadores e comunicação sem fios e e-têxteis, com vários elétrodos, para aplicações em bioeletrónica “vestível”, incluído exemplos como a Tomografia de Impedância Elétrica (EIT), para monitorização de pulmão e bexiga, Estimulação Elétrica Funcional (FES) e um circuito adesivo (semelhante à pele), sem fios, contendo múltiplos sensores que permitem a monitorização dos movimentos do corpo.