Fabrication and Characterization of Conductive Foams for Piezoresistive Pressure Sensors

Abstract

As peliculas de mapeamento de pressão têm uma vasta gama de aplicações, incluindo monitorizamento de saúde e novas formas de interfaces homem-máquina. Na área de dispositivos vestíveis, o principal objetivo é desenvolver peliculas de mapeamento de pressão que sejam macias e ergonómicas, permitindo assim uma boa adaptação ao corpo humano. Além disso, é ainda esperado ter uma boa resolução para um mapeamento de pressão eficaz.Este projeto foca-se numa abordagem a esta tecnologia utilizando sensores piezorresistivos, de maneira a alcançar uma produção barata e simples para possível escalabilidade em matrizes de mapeamento de pressão. Mais especificamente, neste trabalho foi desenvolvido um método simples e de baixo custo para fabricação de uma espuma de poliuretano piezorresistiva à base de carbono. Além disso, outra estrutura híbrida foi criada combinando essa espuma e uma película condutora disponível comercialmente, o que aumenta a faixa de pressões que podem ser medidas por esta arquitetura.Durante esta dissertação, uma variedade de arquiteturas e materiais de sensores foram desenvolvidos e caracterizados em termos de seu desempenho eletromecânico, quando sujeitos a cargas quase estáticas e dinâmicas, o que levou ao desenvolvimento de uma técnica de fabricação e arquitetura de sensores preferidas. Essa arquitetura foi então usada para desenvolver sensores de pressão individuais e uma grande superfície de mapeamento de pressão macia e deformável. Além disso, são apresentadas a implementação de circuitos digitais para aquisição e processamento de sinais e o desenvolvimento de uma interface gráfica.Os cenários de uso testados incluem a monitorização de sinais fisiológicos usando transdutores de espuma individuais, bem como um exemplo de um filme de mapeamento de pressão suave composto por uma matriz de 49 sensores, incorporados em uma matriz de 7 por 7.Por fim, são apresentadas as limitações dos dispositivos piezorresistivos propostos que foram encontrados e propostas para melhorias futuras.

Pressure mapping films have a wide range of applications, including health monitoring and novel forms of human-machine interfaces. In the area of wearable devices, the main goal is to develop pressure mapping films that are soft and ergonomic, thus allowing a good adaptation to the human body. Additionally, a good resolution for quality pressure mapping is also expected.This project focuses on an approach to this technology using piezoresistive materials, for facile and low-cost production of pressure sensors that can be scaled to large-scale pressure sensing arrays. More specifically, in this work a simple and low-cost method was developed for fabrication of carbon-based piezoresistive foam based on Polyurethane polymer. In addition, another hybrid structure was created by combining this foam, and a commercially available conductive film, which enhances the range of the pressures that can be measured by this architecture. During this dissertation, a variety of sensor architectures and materials were developed and characterized in terms of their electromechanical performance, when subject to quasi-static and dynamic loading, which led to the development of a preferred fabrication technique and sensor architecture. This architecture was then used to develop both individual pressure sensors, and large deformable soft pressure-mapping surface. In addition, implementation of digital circuits for signal acquisition and processing, and the development of a graphical interface are presented. The tested use-case scenarios include the monitoring of physiological signals using individual foam transducers, as well as an example of a soft-pressure mapping film composed of an array of 49 sensors, embedded in a 7 by 7 matrix.Finally, the limitations of the proposed piezoresistive devices that were found are presented and directions for further improvement are proposed.