Silver-based Soft Electronic Systems: Materials and Fabrication Methods

Abstract

Este trabalho incide sobre sistemas eletrónicos extensíveis (\textit{Stretchable}) fabricados com compostos condutores constituídos por micropartículas/microflocos de prata dispersos numa matriz de Polidimetilsiloxano.Num primeiro passo, vários tipos de compostos baseados em prata serão testados e comparados. Isto inclui partículas com diferentes geometrias, nomeadamente micropartículas e microflocos de prata, bem como micropartículas de níquel e ferrite revestidas com prata. Do composto resultante, designado AgPDMS, espera-se que seja um bom condutor e, mais, que mantenha esta característica mesmo quando elongado. O limiar de percolação para cada um destes tipos de partículas será obtido experimentalmente, e a estabilidade das propriedades elétricas do tipo de partícula selecionado será avaliada. De seguida, três métodos de padronização serão avaliados, nomeadamente impressão por \textit{stencil}, serigrafia e moldagem. O objetivo seguinte será reduzir a área dos circuitos desenvolvidos, quer reduzindo a dimensão dos elementos do circuito quer fabricando circuitos com várias camadas. Para fabricar circuitos de várias camadas será usado um método baseado em ablação com laser para criar vias que ligam electricamente camadas adjacentes. Em seguida, métodos para integrar componentes rígidas em circuitos extensíveis serão testados. Será ainda realizada caracterização eletromecânica de amostras fabricadas usando os materias e métodos selecionados no decorrer deste trabalho.Para terminar, serão apresentados dois sistemas electrónicos extensíveis fabricados no ISR, como prova de conceito. O primeiro é um \textit{touchpad} capacitivo extensível, e o segundo um sensor ECG sem fios extensível.

This work focuses on stretchable electronics systems, composed of silver-based conductive composites as the conductive material and Polydimethylsiloxane (PDMS) as the stretchable substrate material.First, as a filler for PDMS-based conductive composites, various types of silver particles will be evaluated. This includes silver particles and silver flakes with different geometries, as well as silver-coated nickel/ferrite particles. The resulting composite, called AgPDMS, should be conductive and also tolerate strain without losing conductivity. The percolation threshold for each of these particle types is obtained experimentally, and the stability over time of conductivity for the selected particle type is evaluated. After this, three patterning methods are evaluated, namely stencil printing, screen printing and moulding.The second goal of this work is to reduce the circuit footprint by both reducing feature dimensions and fabricating multilayer AgPDMS stretchable circuits. To fabricate multilayer circuits, a method based on laser ablation is used for creating vias between layers.After this, methods for integrating flexible and rigid components into soft circuits will be assessed.Thorough electromechanical characterisation of samples fabricated using the selected materials and methods will be performed.To conclude, two stretchable electronics systems fabricated at ISR will be presented as proof-of-concept. This includes a multilayer capacitive stretchable touchpad and an ECG sensor.