Soft, Conformal, and Printed Pressure Mapping Films and E-Textiles

Abstract

Os filmes de mapeamento de pressão têm uma ampla gama de aplicações em monotorização nas áreas de saúde, análise de marcha humana, biomonitorização vestível e interfaces homem-máquina. No campo da computação vestível, deseja-se desenvolver filmes de mapeamento de pressão que sejam macios e adaptáveis à forma do corpo humano. Espera-se que esses filmes integrem um grande número de sensores numa área fixa do filme, para fornecer a resolução de mapeamento de pressão desejada. Embora filmes de mapeamento de pressão flexíveis e dobráveis ​tenham sido demonstrados, tem sido um desafio produzir uma versão flexível e extensível destes dispositivos devido às limitações nas tecnologias necessárias que estão diponíveis, como condutores extensíveis eficientes, e métodos para padronizá-los. Esta dissertação baseia-se nos avanços anteriores do laboratório Soft and Printed Microelectronics (SPM) no Instituto de Sistemas e Robótica da Universidade de Coimbra no desenvolvimento de electrónica extensível impressa, e abre um passo importante para a fabricação escalável e de baixo custo de materiais macios, finos e filmes de mapeamento de pressão conformáveis e electrónica baseada em têxteis.O método proposto neste trabalho é baseado na fabricação de circuitos multicamadas e extensíveis, que, por si, são baseados na impressão digital de uma tinta extensível, e na constituição de sensores de pressão capacitivos. A dissertação está focada em 3 aspectos principais: primeiro - a seleção de materiais e geometria do sensor que permite a fabricação de uma única célula capacitiva com a alcance de medição de pressão e sensibilidade necessárias. Esforços extensivos de caracterização foram feitos para inspecionar os vários projetos de sensores de detecção de pressão para documentar seu comportamento em termos de sensibilidade e alcance do sensor. Segundo - o desenvolvimento de técnicas para a fabricação rápida de filmes de sensores de pressão com base numa malha de sensores capacitivos, usando técnicas de fabricação digital automatizadas. E terceiro - desenvolvimento de circuitos digitais para aquisição, processamento e transmissão de dados para uma interface gráfica. Após a realização destes três pontos, a malha des sensores capacitivos resultante é caracterizada e calibrada para estimar a pressão que lhe é aplicada. Finalmente, combinando esses 3 elementos, demonstro exemplos de aplicações: um e-têxtil de mapeamento de pressão para aplicações ortopédicas e um índice inteligente de mapeamento de pressão vestível, embedido numa luva para determinação de textura de superfícies. Seguindo a linha de sucesso dessas aplicações, uma luva completa de mapeamento de pressão e uma palmilha pedométrica de 144 sensores foram projetadas e fabricadas como possibilidades para projetos futuros, a partir dos resultados desenvolvidos ao longo desta dissertação.

Pressure mapping films have a wide range of applications in health monitoring, human gait analysis, wearable bio-monitoring, and human-machine interfaces. In the field of wearable computing, it is desired to develop pressure mapping films that are soft and conformable to the body. These films are expected to integrate a high number of sensing nodes in a fixed area of film, to provide the desired pressure mapping resolution. While flexible and bendable pressure mapping films have been demonstrated, it has been challenging to make a soft and stretchable version of those due to the limitations in the required enabling technologies, such as reliable stretchable conductors and methods for patterning them. This dissertation builds over the previous advances of Soft and Printed Microelectronics Laboratory in the Institute of Systems and Robotics of the University of Coimbra on the development of printed stretchable electronics and paves an important step towards low-cost and scalable fabrication of soft, thin, and conformable pressure mapping films and textile-based electronics.The proposed method in this work is based on the fabrication of multi-layered and stretchable circuits based on digital printing of a stretchable ink, and the constitution of capacitive pressure sensing nodes. The dissertation is focused on 3 aspects: first - the selection of materials and sensor geometry that allows fabrication of a single capacitive cell with the required pressure measurement range and sensitivity. Extensive characterization efforts were made to inspect the various design of sensing cells against the applied pressure to document their behavior in terms of sensor sensitivity and range. Second - the development of techniques for rapid fabrication of pressure sensing films based on a mesh of capacitive sensing nodes, using automated digital fabrication techniques. And third - development of digital circuits for data acquisition, processing, and transmission to a Grafical User Interface (GUI). After performing these three points, the resulting capacitive sensor mesh is characterized and calibrated to estimate the pressure applied to it. Finally, by a combination of these 3 elements, I demonstrate examples of applications: a pressure mapping e-textile for orthopedic applications, and a wearable pressure mapping smart index on a glove for surface texture determination. Following the line of success from these applications, a pressure mapping glove and a 144 sensor pedometric insole was designed and fabricated as possibilities for future projects, using the results developed during this dissertation.