Inkjet printing technology for flexible pressure sensors

Abstract

Conductive ink has extraordinary properties. The printing of patterns with conductive inks on polymer surfaces gives them new properties and functionalities, making them ideal for several diverse application areas. These printed polymeric materials can be embedded in a system to perform a given function, e.g., to change their electrical resistivity as a response to an applied deformation. The use of printed electronics on the fabrication of flexible pressure sensors is of particular interest. Flexible Pressure Sensor (FPS) technology provides more accurate reading and contact area thanks to its ability to fold/roll, when compared to other traditionally used materials. However, they remain unsatisfactory and inaccessible to the general population. Developing a more intelligent and efficient sensor, capable of being integrated in complex environments, with improved properties, lighter and more robust, elastically deformable with quick back response, which does not sacrifice the freedom of motion, and equally important, economically attractive and suitable for mass production, is essential. Inkjet Printing Technology (IPT) has evolved in a way that ceased to be known only as a manufacturing tool in the paper and newspapers industry and it became one of the most important technologies in organic, flexible electronics and printing polymeric substrates, as well as a topic in scientific research. This technology as attracted the attention of the industrial community over the past due to a number of features, which makes a compelling argument for an interesting alternative to the conventional Printed Electronics (PE) technologies. But, there are many challenges in the use of direct printing. Most polymers are hydrophobic showing a low surface energy. Therefore, they are difficult to adhere to other materials. A new developed method for the surface treatment of polymeric substrates in order to increase their surface energies is presented. This novel surface treatment of thermoplastic polymers was applied to the inkjet printing of Thermoplastic Polyurethane (TPU) substrates with conductive inks, and significant improvements on the printability were obtained. Still, to reach the spatial geometry of the printed pattern, electrical conductivity, resolution and durability, several studies were performed and depending on the material involved, a specific know-how is required. A compromise between several criteria must be performed in order to select the proper substrate and conductive ink to get the desired sensor performance (achieve the desired sensor characteristics like resolution and bandwidth). The focus of this thesis is the development of a new generation of good performance and lower cost thin flexible pressure sensors. The applied research was focused from a materials science point of view (selectively applying commercially available and compatible materials or defining viable material alternatives), with resource to a Drop-on-Demand inkjet printer with a piezoelectric printhead to process the materials, and exploring it’s potential to be integrated into electronic applications. Three different inks with different characteristics were studied. After inkjet printing parameters definition and depending on the ink and substrate, the characterization of the printed system was conducted for pattern resolution, adhesion of the ink to the substrate, and electromechanical properties evaluation. The design, fabrication and experimental results of a FPS system and its readout electronics interface are also presented here. The developed sensing platform for postural imbalance monitoring consists of an array of flexible capacitive pressure sensors, in the millimeter range and uses a simple manufacturing process (enabling a reasonable density of sensors in the active zone). Thus, it is possible to achieve good performance results (comparable to existing solutions in the industry), with the particularity of offering an economically viable alternative, allowing its use in rehabilitation activities. The results obtained are very promising and encouraging. The developed pressure platform could be successfully inkjet printed and was fully functional.

As tintas condutoras têm propriedades extraordinárias. A impressão de padrões com tintas condutoras na superfície de polímeros atribui-lhes novas propriedades e funcionalidades, tornando-os ideais para diversas áreas de aplicação. Estas tintas impressas em substratos poliméricos podem ser incorporados num sistema para realizar uma dada função, i.e., a sua resistividade elétrica muda em resposta à deformação exercida. O uso da eletrônica impressa na fabricação de sensores de pressão flexíveis tem particular interesse. A tecnologia de sensores de pressão flexíveis permite maior precisão de leitura e maiores áreas de contato graças à sua capacidade para dobrar/enrolar, quando comparados aos materiais tradicionalmente utilizados. No entanto, estes sensores continuam a ser incipientes e inacessíveis a população em geral. Desenvolver um sensor inteligente e eficiente, capaz de integrar ambientes complexos, com propriedades, de tamanho ainda mais reduzido, leves e robustos, deformáveis e com elasticidade, com rápida resposta, e que não sacrifique a liberdade de movimentos, economicamente atrativos e adequados para produção à escala industrial é essencial. A tecnologia de impressão a Jato de Tinta evoluiu de tal forma que deixou de ser conhecida apenas como uma ferramenta de produção na indústria do papel e de jornais e, tornou-se uma das tecnologias mais importantes na eletrônica flexível e na impressão de substratos poliméricos, bem como um tópico pesquisa científico. Nos últimos anos, esta tecnologia atraiu a atenção da comunidade industrial principalmente devido a uma série de características que a torna num argumento convincente como uma alternativa interessante as tecnologias convencionais para a eletrônica impressa. No entanto, são muitos os desafios do uso de impressão direta. A maioria dos polímeros são hidrofóbicos, apresentando uma baixa energia de superficial. Por esta razão são difíceis de aderir a outros materiais. Um novo tratamento da superfície foi desenvolvido para os substratos poliméricos, a fim de aumentar as suas energias de superfície. Na superfície do substrato de termoplástico poliuretano (TPU) com o novo tratamento de superfície, tintas condutoras foram impressas e melhorias significativas na capacidade de impressão foram observados. Ainda assim, a obtenção a geometria especial da estrutura impressa, condutividade elétrica, resolução de impressão e durabilidade, exigiu estudo, e dependendo dos materiais envolvidos, um know-how específico é necessário. Será um compromisso entre vários critérios de forma a selecionar o substrato e a tinta condutora ideal para obter a performance desejada do sensor (atingir as caraterísticas desejadas do sensor como a resolução e largura de banda). O foco deste trabalho reside no desenvolvimento de uma nova geração de sensores de pressão flexíveis com bom desempenho e baixo custo. O estudo focou-se no ponto de vista da ciência dos materiais (aplicação seletiva de materiais comercialmente disponíveis e compatíveis, ou definir alternativas viáveis), utilizando uma impressora jato de tinta com sistema Drop-on-Demand com uma cabeça de impressão piezoelétrica para processar os materiais, e explorar o seu potencial para ser integrado em aplicações eletrônicas. Foram estudadas três tintas com características diferentes. Após a definição dos parâmetros de impressão a jacto de tinta de acordo com a tinta e o substrato, o sistema impresso foi caracterizado para uma avaliação da resolução de impressão, adesão da tinta ao substrato, e das propriedades eletromecânicas. O design, fabricação e resultados experimentais de um sensor de pressão flexível e sua interface eletrônica de leitura também foram aqui apresentados. O sensor de pressão flexível desenvolvido para monitorização do desequilíbrio postural consiste numa matriz de sensores capacitivos de pressão flexíveis, no intervalo milímetro, e, usa um processo de fabrico simples (permitindo uma densidade razoável de sensores na zona ativa). Assim, é possível conseguir bons resultados de desempenho (comparáveis às soluções existentes na indústria), com a particularidade de oferecer uma alternativa economicamente viável, permitindo o seu uso em atividades de reabilitação. Os primeiros resultados obtidos são muito promissores e encorajadores. A plataforma de pressão desenvolvida pode ser produzida com sucesso por impressão a jato de tinta e demonstrou ser totalmente funcional.