Development of a deformable glucose sensor : from electroless deposition of nickel phosphorus electrodes to electrochemical and electromechanical characterization

Diabetes mellitus is one of the most common chronic diseases in the world (8.5 % of the world population) and current projections estimate an increase in prevalence over the coming years, especially in developing countries. The management of diabetes mellitus requires frequent monitoring of blood glucose levels, using a small blood sample that is obtained through a finger prick. The traditional methods of self-testing are painful, invasive, and are associated a non negligible risk of infection for the patient. Over the last years the technological development and market demand have led toward wearable non-invasive devices that offer considerable promise for continuous monitoring of a user’s health. Deformable electronics is a promising solution for wearable non-invasive glucose monitoring. In this thesis, a preliminary study on fabrication and characterization of flexible electrochemical glucose sensors is proposed. A Nickel Phosphorus (NiP) amperometric sensor on Polyethylene terephthalate (PET) substrate is proposed. A thin layer ( ∼166 nm ) of NiP was deposited by electroless technique directly onto the polymer substrate (PET, 23 μm). NiP electroless plating has proved to be low cost, simple and versatile fabrication technique. A selective NiP deposition was realized thanks to the combination of eletroless plating and shielding masks. A NiP pattern with three electrodes, working, reference and counter, has been plated onto the same polymer substrate. Elemental and electrochemical analysis were carried on the deformable sensor. The electrochemical behavior of the sensors was in agreement with the literature value, with anodic peak at 0.54V vs Ag/AgCl. Amperometric and voltammometric response of glucose was characterized. The sensor did show a good sensitivity, comparable to the literature, but shows a negligible amperometric response to glucose. The influence of mechanical stress (bending) on the electrochemical response and on the glucose sensing performance of the PET/NiP sensor was examined. Bending the PET/NiP electrode to small radii of curvature (up to 5 mm) has not effect upon the electrochemical behaviour, but noteworthy it leads to an enhanced sensitivity. A preliminary electromechanical study on NiP electrode was carried out with the idea to develop a stretchable sensor. To continue on this path a pilot electromechanical study on different shapes of Aluminium (Al) on Polyimide (PI) interconnects was carried out in order to define the optimum shape of interconnects. The results did confirm the expected advantage of using an optimized meander shape to develop a stretchable sensor.

Il diabete mellito è una delle patologie croniche più diffuse nel mondo (8.5% della popolazione mondiali) e le previsioni stimano un aumento della prevalenza per i prossimi anni, soprattutto nei paesi in via di sviluppo. Il controllo della patologia, che ne previene le complicanze, avviene tramite frequenti misure della concentrazione di glucosio nel sangue. I tradizionali metodi di self-testing risultano dolorosi, invasivi e a rischio di infezione per il paziente, poiché necessitano di un campione di sangue capillare, prelevato tramite un pungidito. Negli ultimi anni lo sviluppo tecnologico e l’incremento della domanda ha indirizzato la ricerca verso sistemi in grado di monitorare la concentrazione di glucosio in modo continuo e in modo non invasivo. L’elettronica deformabile fornisce un’alternativa non invasiva di sistema di monitoraggio wearable: il sensore deve adattarsi alla geometria del corpo umano, accomodando le deformazione della pelle e mantenendo inalterata la funzionalità. In questo lavoro di tesi viene presentano uno studio preliminare sulla realizzazione e caratterizzazione di un sensore elettrochimico di glucosio flessibile. Specificatamente si propone la realizzazione di un sensore amperometrico non-enzimatico (NEG) di Nickel-Fosforo (NiP) su substrato polimerico flessibile di polietilene tereftalato (PET). L’elettrodo è stato realizzato deponendo un sottile strato (∼166 nm) di NiP, mediante la tecnica electroless, direttamente sul substrato polimerico (PET, 23μm). Il metodo di fabbricazione si è rivelato versatile, semplice e poco costoso. Si e` dimostrata la possibilità di realizzare una metallizzazione selettiva del substrato polimerico tramite la combinazione della deposizione electroless con maschere adesive. Si è realizzato così un pattern di tre elettrodi di NiP: elettrodo di working, reference e counter. La superficie deposta è stata caratterizzata tramite analisi elementare ed elettrochimica. La risposta elettrochimica è conforme alla letteratura con picchi di ossidazione a 0.54 V vs Ag/AgCl. Il sensore ha dimostrato una buona sensitività, paragonabile a quella riportata in letteratura, sebbene non mostri un’ apprezzabile risposta amperometrica al glucosio. E’ stato eseguito uno studio sul comportamento del sensore a flessione. La resistenza, la sua risposta elettrochimica e la risposta al glucosio sono state analizzate per tre diverse curvature. La flessione, anche per piccoli raggi di curvatura (5 mm), ha minimi effetti sulla risposta elettrochimica del sensore. Si osserva, invece, un incremento di sensitività all’aumentare della curvatura. E’ stato eseguito uno studio elettromeccanico preliminare sul comportamento del sensore NiP a trazione con l’obiettivo di poter sviluppare un sensore non solo flessibile, ma anche deformabile nel piano. Nel perseguire tale obiettivo è stato eseguito uno studio elettromeccanico pilota su differenti geometrie di interconnessioni di alluminio (Al) su poliimmide (PI). Lo studio ha dimostrato come la geometria dell’interconnessione abbia un ruolo significativo sulla variazione di resistenza a trazione.