Development of e-textile based RFID enabled moisture sensor for wearable technologies
Giyilebilir teknolojiler için e-tekstil tabanlı RFID işlevli nem sensörü geliştirilmesi
- Tez No: 847180
- Danışmanlar: DOÇ. DR. SENEM KURŞUN, PROF. DR. SELÇUK PAKER
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Tekstil ve Tekstil Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering, Textile and Textile Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Tekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Tekstil Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 110
Özet
Gelişen teknolojiyle birlikte e-tekstillerin kullanım alanları her geçen gün daha da yaygınlaşmaktadır. Özellikle esnek, giyilebilir, hafif, ince ve küçük elektronik yapılar, tekstil malzemeleri sayesinde farklı alanlarda rahatlıkla kullanılabilmektedir. Sağlık izleme alanlarında kullanılan kalp atış hızı, solunum hızı, terleme izleme, ıslaklık tespitinde kullanılan sensörlerin son dönemlerde tekstil tabanlı elektronik yapılardan oluşması dikkat çekmektedir. Islaklık tespiti için kullanılan birçok sensör yapısı olduğu halde genellikle bu yapıların katı, sert, büyük ve rahatsız edici olması kullanımlarındaki dezavantajlardandır. Bu sensörlerin yerine ince, esnek, kullanıcının hareketine uyumlu, konforlu tekstil tabanlı sensörlere ihtiyaç duyulmaktadır. Üriner inkontinans istem dışı idrar kaçırma olarak bilinmekle birlikte yaşlı bireylerde, özellikle de kadınlarda en sık görülen sağlık sorunlarından biridir. Uyku, öksürme, hapşırma, fiziksel efor sırasında, vücut pozisyonunun değişmesiyle veya hiçbir sebep yokken ortaya çıkabilir. Üriner inkontinans hijyen ve cilt sorunları gibi fiziksel etkilere neden olurken; utanç, kaygı, depresyon, uyku bozuklukları gibi psikolojik sorunlar da yaratmaktadır. İdrar kaçırma sorununu çözmek için davranışsal müdahale, ilaç tedavisi veya cerrahi prosedürler kullanılmaktadır. Ancak, literatürdeki çalışmalara göre tedaviler sonucunda kesin başarıya ulaşılamamaktadır. Bu nedenle, üriner inkontinans sorunu yaşayan kişiler çoğunlukla tek kullanımlık bezleri tercih etmektedir. Öte yandan, yapılan çalışmalarda dünya nüfusunun giderek yaşlandığı ve yaşlanan kişilerde üriner inkontinansın daha sık görüldüğü belirtmektedir. Yetişkin bezi kullanan yaşlı hastaların çoğunda demans ya da bilişsel bozukluk olduğu için idrar kaçırmalarını anlamakta ve bunu bakıcılarına ya da sağlık personeline bildirmekte zorluk çekmektedir. Bu nedenle bakıcıların belirli aralıklarla hastaların bezlerini kontrol etmesi gerekir. Ancak bu kontrollerle ideal zamanda bezinin değiştirilmesi mümkün değildir. Ayrıca rutin bez kontrollerinin özellikle geceleri hastaları rahatsız etmesi uykularını bölmektedir. Gereksiz rutin kontroller bakım hizmeti verenler için oldukça zahmetli olup iş yüklerini artırmaktadır. Tüm bu olumsuz durumlardan kurtulmak, yaşlı ve hasta bireylerin hem kişisel rahatlığı ve sağlığı hem de bakıcılarının iş yükünün hafifletilmesi için hasta bezi ıslandığında bakıcıyı veya sağlık personelini anında uyaran sensör ve sistemlere ihtiyaç duyulmaktadır. Bu tez, nem ve ıslaklığı algılayabilen aynı zamanda RF sinyalleri iletimini gerçekleştiren tekstil tabanlı, giyilebilir, esnek, hafif ve konforlu RFID entegre nem sensör yapılarını geliştirmeyi amaçlamaktadır. Ayrıca, bu sensörlerin oluşturulması için baskı teknikleri ve mürekkep formülasyon çalışmalarına da odaklanmaktadır. Bu tez konu bütünlüğüne dikkat edilerek sıralanmış 3 makaleden oluşmaktadır. Tez kapsamında verilen makalelerin tümü özgün olup literatüre yenilik katmaktadır. Makalelerde tez konusunun önemli ve özgün sonuçları tartışılmaktadır. Birinci makalede, ıslaklık tespiti için literatür araştırmaları sonucu tasarım kriterleri belirlenen nem sensörü sunulmuştur. Tasarlanan nem sensörü inkjet baskı yöntemi ile PEDOT:PSS iletken polimer kullanılarak poliamid tabanlı tafta etiket kumaşa basılmıştır. PEDOT:PSS polimerin inkjet baskıya uygun hale gelmesi için mürekkep karakterizasyonları yapılmıştır. Önerilen nem sensörünün performansı, oluşturulan kapalı bir kabin içerisinde değişen bağıl neme karşı sensörün direnç değerlerindeki değişim gözlenerek ölçülmüştür. PEDOT:PSS iletken polimer neme duyarlı bir yapıda olduğu için oda şartlarında ölçülen (%35 RH) bağıl nemde bile sensörde direnç değeri elde edilmiştir. Kapalı kabin içerisindeki bağıl nem %35'ten %100'e arttırıldığında sensörün direnci 17.05 ± 0.05 MΩ'dan 2.09 ± 0.06 MΩ'a düşerken, kumaş üzerindeki nem miktarı ise %4.8'den %23'e çıkmıştır. Nem sensörünün hassasiyetini belirleyen yanıt süresi ve tepki süresi sırasıyla, 42 sn ve 82 sn olarak ölçülmüştür. Üriner inkontinans tespiti için ise nem sensörü beze entegre edilmiştir. Sensör üzerine farklı miktarlarda su damlatılarak sensörün direnç değerlerindeki değişimler incelenmiştir. Sensörün oda koşullarında kuru haldeki direnç değeri 15.52 MΩ olarak ölçülürken, sensör entegre edilmiş bezin üzerine 0.1 mL ve 100 mL tuzlu su damlatıldığında elde edilen direnç değerleri sırasıyla 13.62 MΩ ve 3.81 MΩ'dur. Böylece, 0.1 mL'lik su miktarında bile nem sensöründe direnç değişimi elde edilmiş olup önerilen nem sensörünün küçük idrar sızıntılarını dahi tespit edebileceği gösterilmiştir. Ayrıca, giyilebilir nem sensörü, esnek yapısı ve kumaş üzerine düşük maliyetli basılabilirliği nedeniyle, başta idrar kaçırma ve bezlerdeki ıslaklığın tespit edilmesi olmak üzere sağlık uygulamaları için tek kullanımlık bir sensör olarak kullanılma potansiyeline sahiptir. Sunulan ilk makalede, kullanılan mürekkebin neme duyarlı bir polimer olması nedeniyle oda koşullarındaki mevcut bağıl nem altında bile nem sensörünün iki elektrodu arasında direnç elde edilebilmiştir. PEDOT:PSS polimerinin iletkenliğinin düşük olması ölçülen direnç değerlerinin yüksek olmasına neden olmaktadır. Ayrıca, kullanılan baskı tekniği incelendiğinde inkjet baskının hızlı ve kolay olması bir avantaj sağlarken kullanılan mürekkeplerin inkjet baskıya uygun hale getirilebilme zorluğu (inkjet baskı için hazır satılan mürekkepler hariç) bir dezavantaj olarak karşımıza çıkmaktadır. Birinci makalede kullanılan mürekkep, eletriksel iletkenliğinin düşük olması nedeniyle anten performansını sergileyemeyeceği düşünülerek ikinci makalede değiştirilmiştir. Öncellikle, gümüş nanopartikül içeren mürekkebin inkjet baskı tekniği ile basılması için denemeler yapılmıştır. Fakat nanopartiküllerin baskı düzelerini tıkaması nedeniyle baskı tekniği değiştirilerek tampon baskı yöntemi ile çalışmaya devam edilmiştir. İkinci makale, birinci makalede önerilen sensör yapısının UHF-RFID anten performansını incelemektedir. Bu makalede, tasarlanan sensör yapısı, poliamid bazlı tafta etiket kumaşı üzerine 1'den 5'e kadar değişen farklı baskı sayıları ile gümüş nanopartikül mürekkep kullanılarak tampon baskı yöntemiyle basılmıştır. Gümüş mürekkebin tampon baskı yönteminde kullanılabilmesi için mürekkebin karakterizasyon ve formülasyon çalışmaları yapılmıştır. Kullanılan mürekkebin nanopartikül içermesi nedeniyle sinterleme işleminin önemi araştırılmış ve makalede sunulan sonuçlara etkisi tartışılmıştır. Farklı baskı sayılarına sahip bir grup sensör numunesine sinterleme işlemi uygulanırken diğer gruba karşılaştırma yapmak amacıyla sinterleme işlemi uygulanmamıştır. Tüm numunelerin UHF-RFID anten performansı bir vektör ağ analizörü kullanılarak incelenmiştir. Sinterleme yapılmamış ve farklı baskı sayılarına sahip sensörlerin yansıma katsayısı grafiğinin yansıma katsayısı frekansı 254 MHz iken, sensörlerin sinterleme sonrası yansıma katsayısı grafiğinin çökme noktası 943 MHz olmuştur. Ölçümler, sinterleme işleminin giyilebilir sensörlerin anten performansları üzerinde önemli bir etkiye sahip olduğunu göstermektedir ve sinterlenmiş giyilebilir ve tekstil tabanlı sensör örneklerinin kısa mesafede kablosuz olarak veri aktarımına olanak sağladığı sonucuna varılmıştır. Ayrıca empedans ölçüm sonuçlarına göre en iyi performansa sahip olan giyilebilir sensöre bükülme ve kazanç ölçümleri uygulanmıştır. Bu nedenle, anten performansına sahip bu UHF-RFID özellikli giyilebilir sensörler, RFID ve giyilebilir teknolojiler için pasif etkileşimli sensör mimarisi ağı oluşturmak için iyi bir seçenek olabilir. Birinci ve ikinci makalelerde sunulan nem sensörü tasarımları aynı olup, üretim yöntemi ve sensörleri basmak için kullanılan mürekkepler farklılık göstermekteydi. Nem sensörü tasarımının gümüş mürekkep ile basılması ve dolayısıyla iletkenliğinin daha fazla olması sensör yapısının anten işlevi görüp göremeyeceği konusunun araştırılmasına olanak sağlamıştır. İkinci makalede, sunulan yapının anten işlevi göstermesi hakkında detaylı incelemeler yapılmıştır. Ancak, birinci ve ikinci makalede önerilen yapıların kablosuz olarak ıslaklığı tespit edebilmesi ile ilgili bir araştırma yapılmamıştır. Üçüncü makalede, bu eksiklik giderilerek tez konusu ile örtüşecek şekilde kablosuz ıslaklık tespitine yönelik incelemeler yapılmıştır. Son olarak, üçüncü makalede, birinci ve ikinci makalelerde kullanılan sensör tasarımı değiştirilerek hem sensör hem de anten işlevi gören RFID sensör tasarımı yapılmıştır. Önerilen yapı CST programı kullanılarak Avrupa bandına göre 867 MHz'de çalışması hedeflenerek tasarlanmıştır. RFID sensör, ikinci makalede olduğu gibi gümüş nanopartikül mürekkep kullanılarak tampon baskı yöntemi ile poliamid bazlı tafta etiket kumaşa basılmıştır. RFID sensör için 3 baskı sayısı kullanılmıştır. Çalışmada nanopartikül içeren mürekkep kullanıldığından numune, baskı işleminden sonra 150°C'de 30 dakika boyunca etüv kullanılarak sinterlenmiştir. RFID sensörün hedeflenen frekansta çalışması için yapıya çip entegre edilmiştir. RFID sensör, gerçek kullanım ortamı göz önünde bulundurularak beze entegre edilmiştir. Önerilen sensörün uygulanabilirliğini test etmek ve doğrulamak için yakın alan bölgesinde ve daha uzak mesafelerinde daha gerçekçi çevre koşullarını taklit eden iki farklı tipte Alınan Sinyal Gücü Göstergesi (RSSI) ölçüm kurulumu gerçekleştirilmiştir. RFID sensör entegreli bebek bezi üzerine farklı solüsyonlar damlatılarak yakın alan RSSI ölçümlerinde farklı ıslatma koşullarının değerlendirilmesi için su, tuzlu su ve yapay idrar solüsyonları kullanılmıştır. Önerilen ıslaklık algılama sensörünün ıslak ve kuru durumları arasında en az 17 dBm'lik bir sinyal farkı tespit edilmiştir. Önerilen RFID sensörünün performansı, ikili ıslaklık durumlarının güvenilir bir şekilde belirlenmesi için maksimum okuma mesafesinin 50 cm olduğu pratik sonucu ile 32 cm, 40 cm ve 50 cm'lik farklı okuma mesafeleri kullanılarak değerlendirilmiştir. Ayrıca, RFID ıslaklık sensörünün farklı bükülme ve deformasyon koşullarına karşı performansı neredeyse sağlamdır. Önerilen sensör yapısının, uzaktan sağlık izleme sistemlerinde idrar kaçırma gibi durumlarda ıslaklık durumlarının güvenilir bir şekilde tespit edilmesini kolaylaştırmak için hasta bezlerine entegre edilebileceği sonucuna varılmıştır. Özetle, tez kapsamında sunulan üç makale de ayrı ayrı literatüre katkı sunmaktadır. Makaleler tez konusunun ve çalışmaların sonucunda elde edilen çıktıların, özgün ve yenilikçi olduğunu ortaya koymaktadır. Tez konusunun güncel ve kişisel sağlık izleme ile ilgili olması çalışmanın sonuçlarını herkes için önemli hale getirmektedir. Makalelerde sunulan sonuçlar, geliştirilen sensör ve sistemler günümüzde yaşanan idrar kaçırma-ıslaklık tespiti sorununun çözümü için oldukça önemlidir. Ayrıca, bu tezin sonuçlarının araştırmacılara yol göstereceği düşünülmektedir.
Özet (Çeviri)
The applications of e-textiles are progressively expanding with the advancements in technology on a daily basis. Particularly versatile, wearable, flexible, light, thin and small electronic structures can be seamlessly employed across diverse domains, owing to the incorporation of textile materials. It is noteworthy that the sensors used in heart rate, respiratory rate monitoring, sweat and wetness detection used in health monitoring areas have recently consisted of textile-based electronic structures. Although there are many sensor structures used for wetness detection, the disadvantages of their usage are that these structures are generally rigid, hard, large and uncomfortable. Instead of these sensors, thin, flexible, light, textile-based sensors that are compatible with the user's movement are needed. On the other hand, studies indicate that the world population is gradually aging and urinary incontinence is becoming more common health problem in aging people. For these reasons, structures that detect urinary incontinence on time are needed for sick elderly individuals in terms of both personal comfort and health of users, and to alleviate the workload of their caregivers. This thesis aims to develop a textile-based, wearable, flexible, lightweight and comfortable RFID enabled moisture sensor structures that detects moisture and wetness while transmitting RF signals. Furthermore, the objective lies on printing techniques and ink formulations for crafting these sensors. This thesis consists of three articles, arranged by paying attention to the integrity of the scope. All of the articles given within the scope of the thesis are original and add innovation to the literature. In the articles, important and unique results of the thesis topic are discussed. In the first article, the design of a humidity sensor for wetness detection with respect to design criteria found in the literature research, was presented. The designed humidity sensor was printed on a polyamide-based taffeta label fabric using PEDOT:PSS conductive polymer by inkjet printing method. Ink characterizations were carried out to make PEDOT:PSS polymer suitable for inkjet printing. Sensor performance was measured in a closed humidity chamber where the relative humidity is controlled by an automatic humidifier against change in electrical resistance values of the sensor. Response and recovery times, sensitivity and repeatability of the sensor sensor were also measured. The humidity sensor was integrated onto the diaper to detect urinary incontinence. The variations in electrical resistance values of the sensor were analyzed by exposing it to varying quantities of an urine-like water solution, applied to the sensor integrated onto the diaper. The second article examines the UHF-RFID antenna performance of the proposed sensor structure. The sensor structure designed in this article was printed on polyamide-based taffeta label fabric using silver nanoparticle ink by pad printing method with different print passes. The importance of the sintering process was investigated and its effect on the results presented in the article was discussed. While the sintering process was applied to one group of sensor samples, the sintering process was not applied to the other group for comparison. UHF-RFID antenna performance of all samples was examined using a vector network analyzer. In addition to impedance measurements, gain and bending measurements of the textile antennas were carried out in order to show the antennas' flexibility. It has been determined that the sensor samples exposed to the sintering process operate as antennas. Finally, the third article encompassed the execution of an RFID sensor design capable of serving dual roles as both a sensor and an antenna. The proposed structure was designed using the CST Studio program, aiming to operate at 867 MHz according to European band. The RFID sensor was printed on polyamide-based taffeta label fabric by pad printing method using silver nanoparticle ink. A chip was integrated onto the structure so that the RFID sensor operates at the targeted frequency. The RFID sensor was integrated onto the diaper considering the real usage environment. RSSI measurements were made using both near-field RSSI measurement setup and highly antenna arrays. Additionally, the strength of the proposed structure was investigated by applying bending simulation and deformation tests. RSSI changes of the structure were examined by dropping distilled water, salt water and artificial urine solutions to simulate urinary incontinence. In addition, the maximum reliable reading range was determined by changing the distances between the RFID sensor and the reader antenna. In summary, all three articles presented within the scope of the thesis contribute to the literature separately. The articles reveal that the thesis topic and the results obtained as a result of the studies are original and innovative. The fact that the thesis topic is up-to-date and coupled with its relevance to personal health monitoring makes the results of the study important for everyone. The outcomes delineated in the articles and the devised sensors carry profound significance in addressing the contemporary issue of urinary incontinence-wetness detection. Moreover, it is anticipated that the findings of this thesis will serve as a guiding source for researchers in this field.
Benzer Tezler
- Elektronik devre içermeyen tekstil bazlı radyo frekans ile tanımlama (RFID-etiket) ürün tasarımı ve geliştirilmesi
Textile based radio frequency identification (RFID-tags) product design and development without an electronic circuit
MÜJGAN NAYCI DUMAN
Doktora
Türkçe
2023
Tekstil ve Tekstil MühendisliğiMarmara ÜniversitesiTekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İSMAİL USTA
- Elektronik tekstil tabanlı romatoid artrit rehabilitasyon eldiveni geliştirilmesi
Development of a e-textile rheumotoid arthritis glove for rehabilitation
NEŞE TOPCUOĞLU GÜRAY
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Endüstri Ürünleri Tasarımıİstanbul Teknik ÜniversitesiTekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. GÖZDE GÖNCÜ BERK
- Design and development of e-textile supported STEAM-based activities for the professional development of middle school science teachers
Ortaokul fen bı̇lgı̇sı̇ öğretmenlerı̇nı̇n meslekı̇ gelı̇şı̇mı̇ ı̇çı̇n e-tekstı̇l desteklı̇ STEAM etkı̇nlı̇klerı̇n tasarımı ve gelı̇ştı̇rı̇lmesı
MUSTAFA ŞAT
Doktora
İngilizce
2023
Bilim ve TeknolojiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiBilgisayar ve Öğretim Teknolojileri Eğitimi Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ GÖKNUR KAPLAN
PROF. DR. KÜRŞAT ÇAĞILTAY
- Development of textile based temperature sensor for wearable electronics
Giyilebilir elektronikler için tekstil tabanlı sıcaklık sensörü geliştirilmesi
BURCU ARMAN KUZUBAŞOĞLU
Doktora
İngilizce
2021
Tekstil ve Tekstil Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiTekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SENEM KURŞUN BAHADIR
- 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
2018
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiTekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SENEM KURŞUN BAHADIR