Electromechanical characterization of deformable inkjet printed strain sensors and strain sensor arrays

The field of flexible and stretchable electronics, mostly made of printed electronics, has recently grown due to its versatility and mechanical compliance, which enable completely new employments, especially in the biomedical field. Indeed, transplantable, conformable and sensitive electronic devices are of major interest for human body applications, and being inkjet printing a suitable technique for the low-cost manufacturing of such systems, it has been chosen for the development of strain sensors for biomedical purposes. In this context, the present project was devoted to the electromechanical characterization of deformable strain sensors and sensor arrays, developed by inkjet printing a piezoresistive nanomaterial, namely carbon nanotubes (CNTs), onto a thin polymeric (Polyethylene terephthalate, PET) substrate. In-situ mechanical testing was employed for this purpose using two in-house developed micro (uniaxial and biaxial) tensile machines coupled with two microscopes (confocal laser scanning microscope and stereomicroscope respectively) for the sample optical observation during stretching, and a multimeter was simultaneously used for the electrical measurements. Mechanical gripping, electrical set-up and testing procedures were optimized in both single and patch case, in compliance to the specific sample requirements. During the project, it was decided to use a protective layer for the sensing area, to avoid any external interference on the device strain sensing activity. Thin polymeric layers were thus inkjet printed (PEDOT:PSS) or spin coated (PMMA, EVA) onto the sensing area or, in the case of spin coating, on the entire device, and the electromechanical response of such layered system was investigated. A methodology for strain evaluation from optical images was also developed and applied in single sensors testing. All experiments proved CNTs strain sensing ability and led to the arrangement of a suitable device architecture able to detect strain gradients on a surface. Although this topic requires further study and improvement, results confirmed the expected advantage of using inkjet printing for the manufacturing of stretchable strain sensors.

Il campo dell’elettronica flessibile e deformabile, in cui l’elettronica stampata riveste un ruolo dominante, ha recentemente subito una forte crescita grazie alla sua versatilità e alla flessibilità meccanica dei suoi dispositivi, che possono dunque essere impiegati in nuovi contesti, specialmente nel settore biomedicale. Infatti, la progettazione e caratterizzazione di dispositivi elettronici impiantabili, flessibili, adattabili e sensibili è di grande interesse per lo sviluppo di applicazioni che coinvolgono il corpo umano, e poiché la stampa a getto di inchiostro è una tecnica di deposizione economica adatta per la realizzazione di tali sistemi, quest'ultima è stata scelta per lo sviluppo di sensori di deformazione per applicazioni in ambito biomedico. Il presente lavoro di tesi, che si inquadra in questo contesto scientifico-tecnologico, è stato volto alla caratterizzazione elettromeccanica di dispositivi deformabili quali sensori di deformazione singoli o disposti in array, ottenuti stampando un nanomateriale piezoresistivo (nanotubi di carbonio, CNTs) su un sottile substrato polimerico (polietilentereftalato, PET). Per far ciò, sono stati svolti degli esperimenti in-situ impiegando due diverse macchine di micro-trazione (uniassiale e biassiale) sviluppate in laboratorio, accoppiate con due microscopi (rispettivamente uno confocale a scansione laser e uno stereomicroscopio) per l’osservazione del campione durante il test; la contemporanea misura della resistenza elettrica dei sensori è stata effettuata utilizzando un multimetro. L'afferraggio del campione, il set-up elettrico e le procedure sperimentali sono state ottimizzate sia per i sensori singoli che per gli array, in base alle specifiche esigenze dei campioni. Durante la sperimentazione è emersa la necessità di applicare uno strato protettivo sull'area sensibile, per limitare l’influenza di fattori esterni sull'attività di misura del sistema. Strati polimerici sottili sono dunque stati stampati (PEDOT:PSS) o depositati tramite spin coating (PMMA ed EVA) sull'area di CNTs, o nel caso dello spin coating, sull'intera area del sensore; la risposta dei sistemi stratificati così ottenuti è stata poi registrata ed analizzata. È stata inoltre sviluppata e applicata una tecnica per la stima della deformazione dei sensori singoli da immagini ottiche. Tutti gli esperimenti hanno dimostrato l’abilità dei CNTs di rilevare la deformazione alla piccola scala, e hanno condotto alla progettazione di geometrie di array di sensori adatte alla localizzazione e misura di gradienti di deformazione su una superficie. Sebbene questo ambito richieda ulteriore studio, i risultati hanno confermato l’atteso vantaggio di utilizzare la stampa a getto d’inchiostro per la realizzazione di dispositivi deformabili per la misura della deformazione.