Sensitivity improvement strategies and applications for flexible and wearable capacitive pressure sensors
Esnek ve giyilebilir kapasitif basınç sensörleri için hassasiyet iyileştirme stratejileri ve uygulamaları
- Tez No: 764339
- Danışmanlar: PROF. DR. HÜSNÜ EMRAH ÜNALAN, DR. ÖĞR. ÜYESİ SİMGE ÇINAR AYGÜN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Bilim ve Teknoloji, Science and Technology
- Anahtar Kelimeler: Arayüzler, Basınç sensörleri, Giyilebilir teknoloji, Nesne tanıma, İnsan-makine ilişkisi, Interfaces, Pressure sensors, Wearable technology, Object recognition, Human-machine relationship
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Giyilebilir elektronik, robotik, insan-makine arayüz cihazları ve elektronik ciltteki gelişmelere paralel olarak basınç sensörleri büyük ilgi görmüştür. Bu alanda, kapasitif basınç sensörleri, yüksek hassasiyetleri, yüksek kararlılıkları, hızlı tepki/kurtarma süreleri ve basit üretim yolları nedeniyle artan araştırma ilgisini çekmektedir. Kapasitif basınç sensörleri öne çıkan özelliklere sahip olsa da, giyilebilir teknolojide daha yaygın hale gelmeden önce daha kat edilmesi gereken uzun bir yol var. Günümüz kapasitif basınç sensörlerinin hassasiyetinin arttırılması bu alandaki en kritik önceliklerden biridir. Bu çalışmanın ilk bölümünde, kapasitif basınç sensörlerinin duyarlılıkları, kolay imalat yöntemleri ve rasyonel sensör tasarımları kullanılarak iyileştirildi. Bu bağlamda, tezin ilk kısmı, benzersiz bir monolitik tasarıma sahip, düşük maliyetli, hafif, paralel plaka kapasitif bir sensör önermektedir. Bu tasarım, sensörlerin hassasiyetlerini önemli ölçüde geliştirmesine olanak tanır. Yoğunluğu 10.78 mg/cm3 kadar düşük olan monolitik kapasitif sensör (MCS), gümüş nanotel elektrotlu ve koruyucu ince bir polidimetilsiloksan kaplamalı, ticari olarak temin edilebilen bir melamin sünger üzerinde 3-D maskeleme tekniği kullanılarak üretildi. Eşsiz tasarımına ek olarak, MCS'ler yüksek hassasiyet (1,28 kPa-1 'e kadar), hızlı tepki/kurtarma süresi (18 ms/54 ms), çok düşük basınçları algılama yeteneği (0,5 Pa), yüksek hava geçirgenliği, ultra yüksek mekanik ( 42 000 döngü) ve yıkama stabiliteleri (10 döngü) gösterdi. Ayrıca, monolitik ve klasik tasarım arasındaki deformasyon mekanizması farklılıklarını ortaya çıkarmak için sonlu eleman analizi simülasyonları yapılmıştır. Son olarak, gerçek potansiyellerini göstermek için, gerçek zamanlı vücut hareketi izleme, kelime ve yakınlık algılamada üretilen MCS'ler kullanıldı. İkinci bölümde, yüksek iyonik iletkenliğe (9.85 x 10-4 S cm-4 25 oC 'de) ve olağanüstü yapısal bütünlüğe sahip selüloz bazlı supramoleküler biyo-polimer jel geliştirilmiştir. Dielektrik katman olarak supramoleküler biyo-polimer jel kullanılarak rekor hassasiyette (1 475 000 kPa-1) bir iyontronik basınç sensörü üretildi. 3D Bode ve 3D alansal kapasitans analizlerinin kombinasyonu, iyontronik basınç sensörlerinin kayıt hassasiyeti ve algılama mekanizmasının derinlemesine incelenmesini sağladı. Sensörlerin dokunsal geri bildiriminden nesne tanıma için prototip bir akıllı eldiven üretildi ve yalnızca 8 sensörle %90'lık bir nesne sınıflandırma doğruluğu gösterildi.
Özet (Çeviri)
Pressure sensors have attracted great interest in parallel with developments in wearable electronics, robotics, human-machine interface devices, and electronic skin. In this field, capacitive pressure sensors are gaining increasing research attention due to their high sensitivity, high stability, fast response/recovery times, and simple manufacturing routes. While capacitive pressure sensors have prominent features, there is still a long way to go before they become more common in wearable technology. Increasing the sensitivity of today's capacitive pressure sensors is one of the most critical priorities in this field. In the first chapter of this work, sensitivities of the capacitive pressure sensors were improved by employing facile fabrication methods and rational sensor designs. In that regard, the first part of the thesis proposes a low-cost, lightweight, parallel plate capacitive sensor with a unique monolithic design. This design allows the sensors to significantly improve their sensitivity. The monolithic capacitive sensor (MCS) with a density of as low as 10.78 mg/cm3 was fabricated using 3-D masking technique on a commercially available melamine sponge with silver nanowire electrodes and a protective thin layer of polydimethylsiloxane coating. In addition to its unique design, the MCSs showed high sensitivity (up to 1.28 kPa-1), fast response/recovery time (18 ms/54 ms), very low-pressure sensing ability (0.5 Pa) with ultra-high mechanical (42 000 cycles) and washing stabilities (10 cycles) along with high air permeability. Moreover, finite element analysis simulations were conducted to reveal deformation mechanism differences between the monolithic and classical design. Finally, in order to demonstrate their true potential, fabricated MCSs were utilized in real-time body motion monitoring, word and proximity detection. In the second part, a cellulose-based supramolecular bio-polymer gel that possesses high ionic conductivity (9.85 x 10-4 S cm-4 at 25 oC) and exceptional structural integrity was developed. An iontronic pressure sensor was fabricated with record sensitivity (1 475 000 kPa-1) using the supramolecular bio-polymer gel as a dielectric layer. The combination of in-situ 3D Bode and 3D areal capacitance analyses allowed a deep understanding of the record sensitivity and detection mechanism of the iontronic pressure sensors. A prototype smart glove was fabricated for object recognition from the tactile feedback of the sensors and an object classification accuracy of 90% is demonstrated with only 8 sensors.
Benzer Tezler
- Envanter tahsisinde arz ve talebin dengelenmesindeki farklı stratejilere yönelik stokastik model yaklaşımı
Stochastic model approach to different strategies for balancing supply and demand in iventory allocation
FURKAN KEMAL DİNÇER
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Mühendislik BilimleriSakarya ÜniversitesiEndüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SAFİYE SENCER
- Yapısal titreşimlerin azaltılmasına yönelik yarı-aktif piston mekanizmalı ayarlı sıvı sütun sönümleyicinin geliştirilmesi ve deprem performansının incelenmesi
Development of a semi-active piston tuned liquid column damper for structural vibration mitigation and investigation of seismic performance
MUHAMMET BURHAN NAVDAR
Doktora
Türkçe
2026
İnşaat MühendisliğiSakarya Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ERKAN ÇELEBİ
- Lityum iyon sonrası batarya sistemleri için katı elektrolitlerin geliştirilmesi
Development of solid electrolytes for post-lithium-ion battery systems
MUSTAFA ÇELİK
Doktora
Türkçe
2026
EnerjiSakarya ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TUĞRUL ÇETİNKAYA
- Türkiye'de kurulu güç dağılımı dengelemesiyle rüzgardan enerji üretiminin üniformlaştırılması
Uniformizing energy production from wind through installed capacity balancing in Turkey
CANSU ŞİMAL BAĞLI
Yüksek Lisans
Türkçe
2026
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiEnerji Bilimi ve Teknolojileri Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BURAK BARUTÇU
- Türkiye enerji piyasasının makine öğrenmesi uygulamasıyla düşük-karbon salımına geçişte ajan temelli modellenmesi
Turkish energy market agent-based modeling for low-carbon transition with machine learning application
BURAK GÖKÇE
Doktora
Türkçe
2026
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiEnerji Bilimi ve Teknolojileri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÜLGÜN KAYAKUTLU