30706

چاپ سه‌بعدي حسگر فشار پيزومقاومتي منعطف مبتني‌بر كامپوزيت ترموپلاستيك پلي‌اورتان حاوي نانوكربن

كارشناسي ارشد

فناوري نانو - نانومواد

1399

1402/10/30

صادق صادق زاده - فريبا تاج آبادي

فناوري‌هاي نوين

ادوات الكترونيك منعطف الهام گرفته شده از پوست انسان در دهه‌هاي گذشته پتانسيل اميداركننده‌اي در پايش سلامت، رباتيك و پروتز و ساير زمينه‌ها نشان داده‌اند و تحقيقات گسترده‌اي را به خود جلب كرده‌اند. حسگرهاي فشار پيزومقاومتي يكي از جذاب‌ترين نامزدها براي توسعه پوست الكترونيك پيشرفته به دليل مكانيسم حسگري ساده، ساختار جمع‌وجور، هزينه كم، مصرف انرژي پايين و سهولت خوانش سيگنال آن هستند. از طرفي در سال‌هاي اخير توجه بسياري به توسعه مواد منعطف و چاپ سه‌بعدي آن‌ها شده است كه پيش زمينۀ بررسي اين موضوع را در قالب چاپ سه‌بعدي حسگر فشار منعطف ايجاد كرد. براي دستيابي به حسگرهاي فشار در اين پايان‌نامه از تركيب چند روش ساخت و پردازش استفاده شده است. براي ساخت يك كامپوزيت پيزومقاومتي، ساختار ديافراگمي شكلي از جنس پلي‌اورتان با استفاده از چاپ‌گر سه‌بعدي، بر روي يك بستر گرافني كه با استفاده از حكاكي ليزر سنتز شده است، در حالت مذاب نفوذ داده شد. فيلامنت‌هاي ساخته شده و فوم‌هاي گرافني سنتز شده به صورت جداگانه مورد مطالعه و آناليز‌هاي طيف سنجي رامان، تصوير برداري SEM و EDS قرار گرفتند. در نهايت رفتار الكترومكانيكي ديافراگم‌هاي ساخته شده حاوي المان كامپوزيتي فعال، با استفاده از ست‌آپ محفظه فشار كه در جريان اين پايان نامه طراحي و ساخته شد مورد بررسي قرار گرفت. آناليز‌ رامان تشكيل موفقيت آميز گرافن توسط حكاكي ليزر را تأييد كرد كه مطابق آناليز EDS ميزان كربن تشكيل شده 92 درصد وزني عناصر موجود بوده و بررسي تصاوير SEM با بزرگنمايي‌هاي مختلف تشكيل يك شبكه متخلخل از گرافن را نشان مي‌دهد. در نتيجه تست‌هاي الكترومكانيكي ديافراگم‌هاي نهايي ساخته‌شده، حسگرهاي فشار رفتار خطي خوبي در بازه 10 كيلوپاسكال تا 100 كيلوپاسكال از خود نشان دادند و به حساسيت حسگري تا kPa-1 17 براي ديافراگم 200 ميكرون با قطر 50 ميلي‌متر و الگوي گرافني مارپيچي دست يافتند. اين مقدار حساسيت در محدوده متوسط در بين ساير كارها قرار مي‌گيرد اما زمان سنتز و ساخت حسگر بسيار پايين آمده است، به نحوي كه از چندين روز به چندين ساعت تقليل پيدا كرده است كه در كاربردهايي كه حساسيت فوق بالا مدنظر نيست مزيت بسيار ويژه‌اي است.

1403/01/27

3D-Printing of Piezoresistive Pressure Sensor Based on Thermoplastic Polyurethane/Nano-Carbon Composites

1/1/1900 12:00:00 AM

Over the course of the previous decades, the concept of flexible electronics has taken inspiration from the ingenious design of human skin, showcasing remarkable potential in the realms of health monitoring, robotics, prosthetics, and numerous other fields. This has, in turn, sparked a significant amount of research in this area. In particular, piezoresistive pressure sensors have emerged as a highly attractive option for the development of advanced electronic skin, owing to their simplistic sensing mechanism, compact structure, cost-effectiveness, low power consumption. The emergence of flexible materials and their utilization in 3D printing has sparked significant interest, setting the stage for the examination of 3D printing flexible pressure sensors. The acquisition of pressure sensors in this thesis involved the use of various manufacturing and processing methods. A 3D printer was utilized to melt and penetrate a diaphragm-shaped polyurethane structure onto a graphene substrate, which was synthesized through laser engraving. Through the use of Raman spectroscopy, SEM and EDS imaging, the manufactured filaments and synthesized graphene foams were studied separately. Additionally, the pressure chamber set-up designed and built during this thesis was utilized to investigate the electromechanical behavior of the fabricated diaphragms containing the active composite element. Raman’s analysis confirmed the successful Synthesis of graphene through laser engraving, which according to EDS analysis, concentration of carbon is 92%wt, and examination of SEM images in different magnifications shows the formation of a porous network of graphene. As a result of the electromechanical tests of the final fabricated diaphragms, the pressure sensors showed good linear behavior in the range of 10 kPa to 100 kPa and achieved a sensing sensitivity of up to 17.11 kPa-1 for a 200 µm diaphragm with a diameter of 50 mm and a spiral graphene pattern. This amount of sensitivity is in the average range among other works, but the synthesis and manufacturing time of the sensor is very low, so that it has been reduced from several days to several hours, which is a very special advantage in applications where ultra-high sensitivity is not considered.

حسگر فشار منعطف , فناوري‌هاي چاپ سه‌بعدي , كامپوزيت پلي‌اورتان حاوي نانوكربن , حسگر فشار پيزومقاومتي , سنتز گرافن با القاي ليزر (LIG)

Flexible Pressure Sensors , 3D Printing Technologies , Polyurethane/Nano-Carbon Composites , Piezoresistive Pressure Sensors , Laser Induced Graphene (LIG)

Saber Esmaeilloo

Dr. Sadegh Sadeghzade