Development of capacitive-based soft pressure sensor arrays for e-textiles applications
E-tekstil uygulamaları için kapasitif tabanlı yumuşak basınç sensörü dizilerinin geliştirilmesi
- Tez No: 953212
- Danışmanlar: DOÇ. DR. ÖZGÜR ATALAY
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Tekstil ve Tekstil Mühendisliği, Textile and Textile Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Tekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 71
Özet
Tekstil, insanlığın geliştirdiği tarihi binlerce yıl öncesine dayanan ilk malzemelerden biridir. Tekstil materyalleri, verilmek istenen sanatsal veya maddiyat içerikli mesajları iletmek ve insanları çevresel doğa şartlarından korumak için kullanılmıştır. Ancak günümüz toplumu, akıllı sistemlerle donatılmış bütünleşik bir dünya kurmak amacıyla son zamanlarda tekstil biliminde büyük buluşlara imza atmıştır. Yumuşak basınç sensörleri, insan hareketi tanıma, nesne algılama ve insan-bilgisayar etkileşimi dahil olmak üzere geniş uygulama yelpazesi nedeniyle son on yılda birçok bilimsel araştırmaya konu olmuştur. Bu araştırmalar ve ortaya çıkarılan ürünler içerisinde, tekstil tabanlı sensörler, esneklik, hafiflik ve nefes alabilirlik yetenekleri sunan ve bu sayede akıllı cihazlar için mükemmel bir seçenek haline gelmiş son teknoloji ürünlerdir. Giyilebilir sensörlerin dünya pazarındaki payı, 2020 yılı için 660 milyon dolar seviyesinde olmakla beraber 2028 yılına kadar bu pazarın yıllık bileşik %29 büyüme oranı ile birlikte 5 milyar dolar seviyesini geçmesi beklenmektedir. Akademik ve sektörel alanlarda yapılan çalışmalar sonucu bir takım basınç ve hareket algılayıcı sensörler piyasada kendilerine yer bulabilmişlerdir, lakin bu sensörlerin üretimleri esnasında oluşan zorluklar ve zaman kaybı nedeniyle seri üretimleri ve son kullanıcıya ulaşmaları oldukça kısıtlıdır, bu husus ürün fiyatlandırılmasında da olumsuz etki yaratmaktadır. Sorun teşkil eden diğer bir konu ise, piyasada bulunan ve akademik araştırmalara konu olan sensörlerin üretimleri esnasında çalışma aralıklarının ve hassasiyetlerinin kullanım alanlarına göre farklılık gösterecek şekilde ölçeklendirilememesidir. Bu doğrultudan yola çıkarak, geniş çalışma aralıklı ve yüksek hassasiyete sahip kapasitif basınç sensörlerinin zahmetsiz, seri ve ölçeklendirilebilir şekilde üretilmesi için yapılan çalışmalar bu teze konu olmuş, geliştirilen üretim tekniği sayesinde sensör özelliklerinin manipüle edilerek farklı kullanım alanlarına uyumluluğunu sağlamak amaçlanmıştır. Temel olarak çalışma mekanizmasına göre piezoresistif, piezoelektrik, kapasitif ve diğer hibrit cihazlar olmak üzere basınç sensörlerinin sınıflandırılması mümkündür. Bunlar içerisinde kapasitif sensörlerin çalışma mekanizması kapasitans esasına dayanmaktadır. Kapasitif tabanlı sensörlerin, yüksek basınç hassasiyeti, düşük enerji tüketimi ve sensör tasarımı anlamında üreticiye esneklik sunması gibi öne çıkan özellikleri kullanım alanları ve araştırma sahasını genişletmiştir. Kapasitans bir devrenin elektrik yükleri biçiminde enerjiyi depolama ve toplama yeteneğidir. Uygulanan basınç neticesinde ortaya çıkan kuvvetin, sensör devresinde toplanan enerjiye etkisi kapasitans değişimi olarak nitelendirilir. Üretim kolaylığı ve sürdürülebilirliği açısından paralel plaka düzenli kapasitif sensörler en yaygın olarak kullanılan ve üzerine geliştirmeler yapılan sensör sistemleridir. Kapasitif basınç sensörleri, alt ve üst kısımda olmak üzere elektrot olarak adlandırılan paralel yerleştirilmiş iletken materyaller ve bu iletken katmanların dielektrik olarak tanımlanmış izolasyon malzemesi ile birbirleriden ayrılması ile oluşmaktadır. Kapasitif sensöre bir doğru akım voltajı verildiğinde, yalıtkan dielektrik tabaka akımın iletken katmanların arasından akmasını engellediğinden, iki elektrot üzerinde zıt kutuplar oluşmaktadır. Uygulanan kuvvet sonucu dielektrik materyalin elektrik geçirgenliği artmakta ve elektrotlar arası mesafe azalmaktadır, bu sayede gerçekleşen kapasitans değişimi ölçülebilmekte ve sensör üzerine gelen basıncın miktari tespit edilebilmektedir. Bu tez çalışması dahilinde üretilen tekstil tabanlı kapasitif basınç sensörlerin elektrotları gümüş nanopartiküller (AgNPs) ve %78 poliamid %22 elastan içeriğinden oluşan -30 ile +90 derece çalışma aralığına sahip iletken örme kumaşlardan, dielektrik katmanları ise termoplastik poliüretan (TPU) malzemeden oluşmaktadır. Sensörlerde kullanılan termoplastik poliüretanın elektrik yalıtkanlığının yanısıra diğer önemli bir özelliği ise başlangıç boyutunun yaklaşık %500 kadarına kadar çıkabilen esneklik özelliğidir. Çalışmalar kapsamında üretilen kapasitif sensör katmanlarının birbirleriyle olan ara bağlantısı ise ısıtıldığında eriyip materyalleri birbirine yapıştırabilen çift taraflı film ile sağlanmıştır. Kapasitif tabanlı basınç sensörleri üzerine yapılan çalışmalar bize göstermektedir ki, dielektrik katmanlarda oluşturulmaya çalışılan boşluklar uygulanan kuvvet ile birlikte kolayca deforme olabilmekte böylelikle sensör hassasiyeti ve sensörlerin tepki verme süreleri üzerinde olumlu bir takım etkilere sahip olmaktadırlar. Bu doğrultudan yola çıkarak sensör dizilerinin içerisinde hava boşlukları oluşturmak amacıyla çift taraflı eriyebilir filmler modifiye edilmiş ve akrilik pleksiglas levhalardan baskı plakaları tasarlanmıştır. Üretim aşamasında iletken kumaşlar lazer kesim cihazında sensör dizileri halinde farklı boyutlarda kesilmiş, eriyebilir katman ise elektrotların ve dielektrik malzemenin arasında olacak şekilde konumlandırılmıştır. Sonrasında ise katmanların tamamı baskı plakası üzerine titizlikle yerleştirilmiştir. Tasarlanan baskı plakası üzerine yerleştirilmiş olan katmanlara, sıcak basınç makinesi yardımı ile ısı ve baskı uygulanmış böylelikle çift taraflı film eritilmiş, dielektrik materyal ve elektrotlar arasında hava boşluğu oluşacak şekilde sensörlerin üretilmesi gerçekleştirilmiştir. Basınç sensörlerinin özelliklerinin kullanım alanlarına göre modifiye edilebilmesi için, dielektrik katmanların ve sensör dizisi hücre boyutlarının hassasiyet ve çalışma aralığı üzerindeki etkisini anlamak önemlidir. Bu amaçla, basınç sensörlerinin çalışma aralığına olan etkisi farklı miktardaki TPU katmanlarının (1, 2 ve 3 katman) eklenmesi ile incelenmiş olup aynı zamanda hücre içerisinde oluşturulan hava boşluklarının sensör özelliklerine olan etkisini gözlemlemek için iki farklı hücre boyutuna (10 ve 15 mm kenar uzunluğu) sahip sensörler üretilmiştir. Üretim tekniğinin sensör tasarımları üzerine olan ölçeklendirilebilirliğinin gözlemlenebilmesi açısından 18 adet farklı boyutlarda elektrot yüzey alanlarına, dielektrik (TPU) katmana ve hava boşluğu miktarına sahip tekil sensör hücreleri üretilmiştir. Bu üretilen sensör hücreleri enine kesilerek mikroskop altında incelenmiş, istenilen düzeyde hava boşluğunun oluşup oluşmadığına bakılmıştır. Kapasitif sensör hassasiyeti üzerinde büyük öneme sahip olan bu hava boşluklarının, üretim tekniğinin ölçeklendirilebilirliği sayesinde istenilen konumda istenilen miktarda oluşumunun mümkün olduğu sonucuna varılmıştır. Bu gözlem sonucunda geliştirilen üretim metodunun sensör hücrelerinin çeşitlendirilebilmesi açısından kritik öneme sahip olduğu ve farklı uygulama alanlarına özel olarak tasarımları mümkün kıldığı sonucuna varılmıştır. Sensör hassasiyeti, çalışma aralığı, tepki süresi ve sensör dayanıklılığı kullanım alanlarının genişliği açısından üzerinde durulması gereken önemli sensör parametreleridir. Yapılan karakterizasyon çalışmaları sonucunda, ekstra TPU katmanları eklemenin sensörlerin çalışma aralığını arttırdığı ve daha yüksek hava boşluğu (AG) / hücre boyutu (CS) oranına sahip sensör dizilerinin daha yüksek hassasiyet özelliğine sahip olduğu gözlemlenmiştir. Üretilen sensörlerin 140 milisaniye gibi çok hızlı tepkime sürelerine sahip olduğu belirlenmiştir. Dahası sensörlerin elektriksel performansının 1000 kez kullanm sonrasında %6 değişim gösterdiğini saptanmış ve üretilen basınç sensörünün performansının uzun süreli kullanım için uygun olduğu tespit edilmiştir. Bütün bu sonuçlar açıkça bize göstermektedir ki gerek rehabilitasyon gerekse eğlence uygulamaları alanlarında kullanılmak üzere üretilen bu sensörler piyasada rekabet edebilecek hassasiyete ve dayanıklılığa sahiptir. Geliştirilen bu teknik sayesinde, üretilen sensörlerin elektrot ve dielektrik katmanları arasında hava boşlukları başarıyla oluşturulmuş ve böylece 1 kPa'dan küçük basınçların sensör tarafından algılanabilmesi sağlanmıştır. Dielektrik katmanların sayısı artırılarak sensörlerin çalışma aralığı 1000 kPa basınca kadar genişletilebilmiştir. Son olarak, geliştirilen üretim tekniği ile çeşitli uygulamalara yönelik parmak hareketlerinin takip edilmesine olanak sağlayan dokunmatik yüzeyler, üzerine yerleştirilen cisimlerin konumlarını, şekillerini ve ağırlıklarını algılayabilen basınç matı ve çocukların eğlenirken matematik becerilerini geliştirebileceği oyun platformları tasarlanmıştır.
Özet (Çeviri)
The development of textiles dates back thousands of years as one of the humanity's first material inventions. Textiles have been used to convey messages in artistic or materialistic ways, as well as to protect people from the surroundings. However, today's society has undergone drastic changes recently with the intention of establishing a more intelligent and comfortable world. Soft pressure sensors have attracted a lot of attention in the recent decade owing to their wide range of applications, including human motion recognition, object detection, and human–computer interaction. In this situation, textile-based sensors are a cutting-edge technology that offers sensing capabilities along with flexibility, light weight, and breathability, making them the perfect option for smart gadgets. Due to the difficult and time-consuming methods involved, their large-scale production and availability to end users are limited. Another important drawback is the sensors' lack of scalability in terms of working range, sensitivity and durability making them challenging to utilize in a variety of applications. Therefore, a laborless, rapid, and scalable manufacturing technique for capacitive-based soft pressure sensors with high sensitivity and working range that meet market demands and end-user expectations is proposed in this thesis. The developed manufacturing method enables manipulation of sensor properties by varying production parameters based on specific application needs. The proposed sensor's electrode is made of conductive knit fabric that containing silver nanoparticles (AgNPs), and the dielectric layers are made of thermoplastic polyurethane (TPU) sheets. As a result of the novel approach, it is possible to generate scalable air gaps between electrodes and dielectric layers to capture low pressures of less than 1 kPa. The usage of multi-layer TPU sheets also increases the working range of sensors up to 1000 kPa. The proposed technology is used to create several sensor mats for various purposes, including improved gesture and shape recognition, as well as interactive gaming mats for children.
Benzer Tezler
- Textile-based soft robotics for active assistance and rehabilitation
Aktif destek ve rehabilitasyon için tekstil tabanlı yumuşak robotikler
AYŞE FEYZA YILMAZ
Doktora
İngilizce
2024
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiTekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ÖZGÜR ATALAY
PROF. DR. FATMA KALAOĞLU
- Development of stretchable conductive hybrid yarn for e-textiles soft sensors applications
Gerilebilir iletken hibrit iplik geliştirilmesi e-tekstil yumuşak sensör uygulamaları için
IBRAHIM ADEL KHAMIS AHMED
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Tekstil ve Tekstil Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiTekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ÖZGÜR ATALAY
- İzmir deniz bostanlısı arazi ve laboratuvar ve yükleme deneyleri gözönüne alınarak kazıkların taşıma gücü tayini
The Determination of the bearing capacity of piles at Izmir Deniz bostanlısı considering the in-situ laboratory testing
SEMİH YENİŞAR
- Development of mathematical models for predicting the capacity of waste-based sustainable green structural elements for new-generation rapid construction techniques
Yeni nesil hızlı inşaat teknikleri için atık bazlı sürdürülebilir yeşil yapı elemanlarının kapasitesini tahmin etmeye yönelik matematiksel modellerin geliştirilmesi
ÖZNUR KOCAER KUL
Doktora
İngilizce
2024
İnşaat MühendisliğiHacettepe Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ALPER ALDEMİR
