Geri Dön

Development of textile based temperature sensor for wearable electronics

Giyilebilir elektronikler için tekstil tabanlı sıcaklık sensörü geliştirilmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 686722
  2. Yazar: BURCU ARMAN KUZUBAŞOĞLU
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. SENEM KURŞUN BAHADIR
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Tekstil ve Tekstil Mühendisliği, Textile and Textile Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2021
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Tekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Tekstil Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 205

Özet

Esneklikleri, bükülebilirlikleri ve düzgün olmayan ve eğrisel yüzeylerle uyumlu olmaları nedeniyle esnek ve gerilebilir cihazlar dikkat çekmekte ve geniş bir uygulama alanına sahiptir. Bu alandaki artan yayın sayısı, esnek sensörlerin artan popülaritesini göstermektedir. Geleneksel rijit sensörlere kıyasla mekanik sağlamlık, biyouyumluluk, çok işlevlilik ve konfor sağlayabilmektedirler. Yeni nesil giyilebilir teknolojilere ilgi, esnek, bükülebilir ve yumuşak cihazlara olan ilgiden kaynaklanmaktadır. Esnek sıcaklık sensörlerinin, soğuk zincir sisteminde gıda lojistiğinde, itfaiyecilik görevi yapan kişilerin fizyolojik parametrelerinin izlenmesinde ve vücut ısısı ölçümü gibi alanlarda kullanımı üzerine çok çeşitli araştırmalar devam etmektedir. Tekstiller, koruyucu ve estetik işlevlerine ek olarak, çok çeşitli lifler, iplikler ve tekstil yapıları nedeniyle kullanıcıya giyilebilir elektronik uygulamaları için olağanüstü esnek ve rahat bir platform sağlar. Örneğin, kullanıcının vücut ısısını izlemek için giysilere yerleştirilen klasik termokupllar, ciddi rahatsızlıklara ve hatta cilt tahrişlerine neden olabilmekteyken, bu dezavantajdan kaçınmak için tekstil bazlı sıcaklık sensörünün kullanımı ön plana çıkmaktadır. Basılı elektronikteki yeni gelişmeler, maliyetleri önemli ölçüde azaltarak ve büyük ölçekli üretim potansiyelini artırarak verimli baskı süreçleri kullanan sensörlerin seri üretimini mümkün kılmaktadır. Alt tabaka üzerine iletken malzeme basmak için en basit ve en uygun maliyetli tekniklerden biri inkjet baskı tekniğidir. Fonksiyonel bir mürekkebin seçimindeki en önemli adım, onun akışkan özelliklerini belirlemektir. Özellikle yüzey gerilimi, viskozite ve yoğunluk, alt tabaka üzerinde mürekkebin birikmesinde önemli bir rol oynar. Bu tezde, öncelikle sıcaklık sensörleri, çalışma presinsipleri ve literatürde sıcaklık sensörleri üzerinde yapılan araştırmalar sunulmuştur. Ayrıca inkjet baskı teknikleri ve kullanımları detaylı olarak incelenmiştir. İnkjet teknolojisi ve basılabilirlikleri hakkında kapsamlı bir literatür incelemesi yapılmıştır. Karbon nanotüp (CNT) içeren mürekkeplerin geliştirilmesi için dispersiyon işleminin yapılması gerektedir. Elektriksel iletkenlik, kimyasal kararlılık ve son derece yüksek mekanik dayanım özellikleri, son yıllarda karbon yapıların dramatik gelişimine önemli katkılarda bulunmuştur. Karbon nanotüplerin hidrofobik doğası gereği, mekanik ve kimyasal yöntemlerin bir kombinasyonu kullanılarak dispersiyon yapılabilmektedir. Nanotüpleri dağıtmak için ultrasonikasyonun yanısıra kovalent olmayan değişiklikler ve kovalent değişiklikler dahil olmak üzere çok sayıda yöntem kullanılmıştır. CNT mürekkep formülasyonlarında çeşitli karbon nanotüplerin kullanımı incelenmiştir. Uygun bir değerlendirme yöntemi ile CNT, PEDOT:PSS ve CNT/PEDOT:PSS içeren iletken mürekkep formülasyonlarının geliştirilmesi incelenmiştir. Ayrıca, baskı işlemlerinin gerçekleşmesi için iletken mürekkeplerde kullanılan kritik katkı maddelerinin yanı sıra fonksiyonel malzemelerin özellikleri de önem arz etmektedir. Malzemelerin fiziksel, morfolojik, yapısal ve elektriksel karakterizasyonları (UV-Vis, FTIR, optik profilometre, SEM, AFM, optik mikroskop, multimetre vs.) yapılmıştır. Baskı kalitesi ile ilgili olarak, kullanılacak tekstil malzemesi baskı işlemi sırasında düz bir yüzey ve iyi bir homojenlik sağlamalıdır. Sıcaklık ölçümü için iletken malzeme sensörleri oluşturmak amacıyla, mürekkep israfını azaltmanın yanı sıra düşük maliyetli ve basit bir baskı tekniği olan inkjet baskı işlemi kullanılmıştır. Araştırma laboratuvarımızda sıcaklığa duyarlı CNT, PEDOT: PSS ve CNT/PEDOT kompozit mürekkeplerinin her biri için kapsamlı bir değerlendirme yapılmıştır. Tipik olarak baskı malzemesinin yüzeyi boyunca düşük kusur noktaları ile karakterize edilen, yüksek kaliteli mürekkep püskürtmeli baskılı sensörler üretmek için uygun mürekkep formülasyonları geliştirilmiştir. Sensör üretim süreci daha sonra gümüş iplik ve gümüş esaslı iletken yapıştırıcı dahil edilerek tamamlanmakta olup, ardından bir yüzey kaplama işlemi ile sonlandırılmıştır. Çok sayıda baskı geçişi kullanıldığında karbon nanotüp baskı kalitesinin yanı sıra üretilen numunelerin renk özelliklerini belirlemek için spektrofotometre çalışmaları da yapılmıştır. CNT tabanlı, PEDOT:PSS tabanlı ve CNT/PEDOT:PSS kompozit tabanlı sensörlerin özellikleri, sıcaklık algılama performanslarını incelemek üzere karşılaştırılmıştır. Böylelikle, baskı yüzeyi özelliklerini ve algılama özelliklerini etkileyen uygun fiziksel ve kimyasal özelliklere sahip uygun mürekkep formülasyonları, morfolojileri ve baskı parametreleri açısından analiz edilerek başarıyla geliştirilmiştir. Basılı sıcaklık sensörlerinin 25°C ile 50°C arasında değişen bir sıcaklık aralığına tabi tutularak düzgün çalışıp çalışmadığı belirlenmiştir. Ayrıca, sensörün olumsuz koşullar altında güvenilirliğini ve dayanıklılığını araştırmak için bükülmeye, katlanmaya, neme, sürtünmeye, yıkamaya, ışığa ve insan terine karşı dayanıklılık gibi performans testleri bazı karakterizasyon metodolojileri yardımıyla gerçekleştirilmiştir. Sensörün gerçek zamanlı performans testleri, manken ve eldivenli insan eli üzerinde gerçeklenerek rapor edilmiştir. Sonuç olarak, kavram kanıtı araştırmamız sırasında, yeni tasarlanmış sıcaklık sensörümüz, sıcaklık izleme için bir mankenin vücuduna ve insan vücudunda eldivenli bir el üzerinde yerleştirilmiştir. Geliştirilmiş giyilebilir sensörümüz, son derece hassas sıcaklık izleme sağlamaktadır. Son olarak, tez çalışmasında çeşitli sıcaklık ve nem koşullarında giyilebilir sensörlerin modellenmesi için yapay zekaya dayalı uygulama yapılmıştır. Son yıllarda, yapay zekâ alanı, yapay zekanın çok çeşitli araştırma alanlarında uygulanabilmesi nedeniyle farklı disiplinlerdeki araştırmacılar tarafından büyük ilgi görmektedir. Yapay sinir ağları (YSA), biyolojik sinir ağlarının organizasyonu ve/veya işlevsel özelliğinden esinlenen bir modeldir. Yapay sinir ağları, çeşitli sıcaklık ve nem koşullarında giyilebilir sensörleri modellemek için kullanılmıştır. Elektrik direnci bir ağ çıkış değişkeni iken nem ve sıcaklık ağ giriş değişkenleridir. Elde edilen çıktıların hedef değerlerle tutarlılığını anlamak için YSA modelinin tahmin performansını analizi gerçekleştirilmiştir. Oluşturulan modelinin çıktısı, ortalama kare hata ve regresyon parametreleri kullanılarak değerlendirilmiştir. Sıcaklık, nem ve elektriksel direnç arasındaki ilişki YSA kullanılarak elde edilmiştir. Sonuç olarak, geliştirilen YSA modeli nem ve sıcaklık açısından sensörün elektriksel direnç değerini yeterli doğrulukla tahmin etme yeteneğine sahiptir. Bunun yanında, geliştirilen YSA modeli ile deneysel süreç de kısaltılabilecektir. Bu yenilikçi giyilebilir sıcaklık sensörü geliştirme sürecinin, akıllı giyilebilir teknolojilerin geliştirilmesine yardımcı olması beklenmektedir. İyi mekanik özelliklere ve mükemmel algılama performansına sahip geliştirilen bu sıcaklık sensörünün, tekstil ürünleri açısından faydalı olacağı öngörülmektedir. Ayrıca, geliştirilen bu sensör, endüstriyel üretimde giyilebilir akıllı sistemlere doğrudan dahil edilebilme olanağı da sunmaktadır. Standartlaştırılmış ve tutarlı üretim tekniği eksikliğine ek olarak, giyilebilir e-tekstil sensörlerinin geliştirilmesi ve uygulanması için kullanılabilecek düzenli ve karşılaştırılabilir testler maalesef henüz bulunmamaktadır. Dolayısıyla bu çalışma, özellikle giyilebilir e-tekstil sensörlerin geliştirme aşamalarının önünü açacak ve bu alanda sanayileşmeye katkı sağlayacaktır. Sonuç olarak, geliştirilen tekstil tabanlı sensör, insan vücut sıcaklığının izlenmesi için rijit cihaz bileşenleri yerine bir çözüm olabilir ve sensör çeşitli giysi tiplerine yapıştırılarak kullanıcının konforunu da etkilemeden doğrudan kullanılabilir. Yüksek doğrulukla geliştirilen sensör ile özellikle vücut sıcaklığının sürekli takibi gereken riskli durumlarda kişinin konforunu koruyabilecektir. Bu önerinin sağlam gelişimi, akıllı giyilebilir sistemlerin yaygın olarak kabul edilmesini kesinlikle teşvik edecektir.Tekstil platformunun kullanımı, yumuşaklık, yüksek yüzey alanı, hafiflik ve iyi esneklik gibi birçok tercih edilen özellik sağladığından geliştirilen tekstil bazlı sıcaklık sensörü giyilebilir sağlık uygulamalarında kullanım için güçlü bir potansiyel ortaya koymaktadır. Bu doğrultuda tezde, inkjet baskı kullanılarak oluşturulan giyilebilir tekstil tabanlı sıcaklık sensörleri için yeni bir konsept ortaya konmuştur. Bunların sonucu olarak, tez çalışmasında geliştirilen sensör giyilebilir sağlık ve biyomedikal uygulamalarında kullanım için güçlü bir potansiyel göstermektedir.

Özet (Çeviri)

Due to their compressibility, bendability, and compatibility with irregular and curvilinear surfaces, flexible and stretchable devices are attracting attention and have a wide range of applications. The increasing number of publications in this field demonstrates the growing popularity of flexible sensors. Flexible sensors provide mechanical robustness, biocompatibility, multifunctionality, and comfort when compared to conventional rigid sensors. For this reason, next-generation wearable technologies are expected to be driven by interest in flexible, stretchable, and soft devices. Textiles, in addition to their protective and aesthetic functions, provide an exceptional flexible platform for providing sensing functions and comfort to the wearer with diverse range of fibers, yarns, and fabric structures. New developments in printed electronics enable mass production of sensors using efficient printing processes by considerably minimizing costs and enhancing the potential of large-scale production. In this thesis, at first, the capabilities of temperature sensors, their sensing method, and previous research that has been conducted on them are presented. Additionally, the techniques and uses of inkjet printing are examined in detail. A comprehensive explanation of inkjet printing technology and printing challenges are issued. Dispersion is required for the development of inks that include carbon nanotubes. Due to the hydrophobic nature of carbon nanotubes, they must be distributed using a combination of mechanical and chemical methods. Numerous methods, including ultrasonication, non-covalent and covalent alterations, were used to disperse nanotubes. The use of various types of carbon nanotubes in CNT ink formulations is also studied. The development of conductive inks formulations containing CNT, PEDOT:PSS and CNT/PEDOT:PSS with a proper evaluation guideline is studied. Moreover, the concepts and properties of functional materials, as well as the critical additives used during the printing process that can have a significant influence on the printing process of conductive inks are discussed. The physical, structural, morphological, and electrical properties of the materials are investigated using various techniques (UV-Vis, FTIR, optical profilometer, SEM, AFM, optic microscope, multimeter, etc.). With relevant to print quality, the textile basis material should be dependable, maintaining a level surface and good uniformity during the printing process. In order to create conductive material sensors for temperature measurement, the inkjet printing process was used, which has the advantage of reducing ink waste while also being a low-cost and simple method. Following the procurement of CNT-based inkjet suitable dispersion, a PEDOT:PSS/CNT composite ink and a PEDOT:PSS inkjet appropriate dispersion are manufactured for temperature sensing. Appropriate ink formulations have been developed to produce high-quality inkjet-printed sensors, which are typically characterized by low imperfection points throughout the surface of the printing material. The sensor manufacturing process is then completed by including silver yarn, followed by the application of silver based conductive glue and an encapsulating operation. Spectrophotometer studies were conducted to determine the qualities of carbon nanotube printing when many print passes are used, as well as the color characteristics of the produced specimens. The properties of CNT based, PEDOT:PSS based and CNT/PEDOT:PSS composite based sensors are compared to investigate their temperature sensing performance. Hence, proper ink formulations with appropriate physical and chemical properties that typically affects homogeneous printing surface characteristics and sensing properties, were successfully developed by analysing their morphologies and printing parameters. It was determined whether the printed temperature sensors performed properly by subjecting them to a temperature range ranging from 25 to 50 degrees Celsius. Furthermore, wear and performance tests, such as durability against bending, folding, humidity, rubbing, washing, light, and human sweat, were carried out with the help of some characterization methodologies in order to investigate the sensor's reliability and durability under unfavorable situations. The sensor real time measurement using of a mannequin and human gloved hand are reported with discussions. As a result, during our proof-of-concept inquiry, our newly designed temperature sensor was placed to a mannequin's skin and human body on a gloved hand for temperature monitoring. Our developed wearable sensor provides highly accurate temperature monitoring. Lastly, the application based on artificial intelligence for the modeling of wearable sensors in various temperature and humidity conditions is described. Artificial neural networks (ANN) are used to model wearable sensors in various temperature and humidity conditions. The relationship between temperature, humidity, and electrical resistance is presented with the use of ANN. This innovative wearable temperature sensor development process is expected to aid development of smart wearable technologies. The developed sensor with its good mechanical properties and excellent sensing performance is believed to be useful for use in the textile products. Moreover, this developed sensor also offers the opportunity to be directly included in wearable smart systems in industrial production. In addition to the lack of standardized and consistent manufacturing techniques, there are unfortunately not yet any regular and comparable tests that can be used for the development and implementation of wearable e-textile sensors. Hence, this study will pave a way for development phases and implemenation of wearable e-textile sensors, in particular, contribute to industrialization in this area. To conclude, the developed textile-based sensor might be a solution instead of rigid device components for human body temperature monitoring and it can be directly utilized by sticking the sensor on various garment types while maintaining the user's comfort. Hence, it reveals a strong potential for use in wearable healthcare and biomedical applications.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    636717

    Laser induced graphene based flexible gas sensor for wearable electronics

    Giyilebilir elektronikler için lazer kaynaklı grafen bazlı esnek gaz sensörü

    MEHMET MERT BÜYÜKTURGAY

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2020

    Savunma ve Savunma Teknolojileriİstanbul Teknik Üniversitesi

    Savunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ NURİ SOLAK

  2. Tez No

    673080

    Eldeki kas hastalıklarının tedavisi için tekstil tabanlı yumuşak aktüatör geliştirilmesi

    Development of textile-based soft actuator for the treatment of muscle diseases at hand

    ELİF DEDE

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    Polimer Bilim ve TeknolojisiMarmara Üniversitesi

    Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. EMİNE DİLARA KOÇAK

    DR. ÖĞR. ÜYESİ ASLI TUNÇAY ATALAY

  3. Tez No

    350504

    Farklı iletken ipliklerin farklı kumaş yapıları altında sıcaklık davranışlarının incelenmesi

    Examination of the heat manner of different conductive yarns with different fabric types

    HANDE SEZGİN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2012

    Tekstil ve Tekstil Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Tekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. FATMA KALAOĞLU

    YRD. DOÇ. DR. ERHAN BÖKE

  4. Tez No

    640506

    Giyilebilir elektronikler için iletken iplik ve kumaş üretimi üzerine bir araştırma

    A study on production of conductive yarn and fabric for wearable electronics

    ÖZGÜ ÖZEN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2020

    Tekstil ve Tekstil MühendisliğiSüleyman Demirel Üniversitesi

    Tekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. DEMET YILMAZ

  5. Tez No

    541862

    Giyilebilir elektronik uygulamalara yönelik yüksek sıcaklıklara dayanıklı veri iletim kalitesi yüksek e-tekstil yapılarının geliştirilmesi

    Development of high-temperature resistant e-textile structures with high data transfer quality for wearable electronic applications

    ERCAN KARABULUT

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Tekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. SENEM KURŞUN BAHADIR

Geri Dön