Diseño, fabricación y caracterización de sensores piezoresistivos basados en grafito para la captura del movimiento del cuerpo humano.

Abstract

[ES] El objetivo principal de esta investigación es desarrollar y determinar un proceso de fabricación de bajo coste de sensores basados en grafito para su aplicación en la captura del movimiento del cuerpo humano siendo integrados en prendas textiles y el diseño de una piel electrónica que pueda simular el sentido del tacto. Se centra de manera primordial en dos aspectos cruciales: la accesibilidad y la aplicabilidad de la tecnología. Para ello, se ha priorizado el uso de componentes de fácil adquisición y materiales biocompatibles en todas las etapas del proceso. Bajo la premisa de una fabricación de bajo coste, el proceso de fabricación consiste en una sencilla transferencia y exfoliación de una pasta de grafito, la formulación de la cual también ha sido objeto de estudio en el presente trabajo, sobre sustratos poliméricos, obteniéndose de esta forma unas láminas flexibles, con el grafito adherido y dispersado sobre ellas. Estos sensores así fabricados exhiben una alta sensibilidad al tacto, una buena respuesta en frecuencia y una alta durabilidad. Para caracterizar su respuesta, así como la estabilidad y reproducibilidad del método de fabricación, se ha desarrollado un método ad hoc que pretende recrear la interacción del sensor con un dedo humano, el cual es mostrado con detalle. Estos ensayos que conforman este método ad hoc pasan por un ensayo a compresión parametrizado de 0 N a 30 N, un análisis de la señal bajo cargas constantes, los cálculos del error de histéresis, la respuesta en frecuencia y el factor de galga, y el análisis de fatiga a flexión llegando a más de 100.000 ciclos en un recorrido de 0¿ a 100 ¿. Así mismo, se ha analizado la estructura de los sensores mediante microscopía electrónica de emisión de campo (FESEM) y microscopía óptica. Para finalizar se han realizado dos prototipos abordando cada uno de los objetivos. El resultado presentado es una lámina de grafito que no supera los 70 µm que conforma un sensor de alta sensibilidad, con el cual se llegaron a detectar presiones de 0,05 N, estable con desviaciones menores a un 5% en largos tiempos de reposo, mayor a 25 minutos, fácilmente integrable y con múltiples posibilidades de aplicación, como por ejemplo en prótesis inteligentes, en sistemas de captura del movimiento del cuerpo humano y hasta incluso para su uso como piel sintética.

[CA] L'objectiu principal d'esta investigació és desenvolupar i determinar un procés de fabricació de baix cost de sensors basats en grafit per a la seua aplicació en la captura del moviment del cos humà sent integrats en peces tèxtils i el disseny d'una pell electrònica que puga simular el sentit del tacte. Es centra de manera primordial en dos aspectes crucials: l'accessibilitat i l'aplicabilitat de la tecnologia. Per a això, s'ha prioritzat l'ús de components d'adquisició fàcil i materials biocompatibles en totes les etapes del procés. Baix la premissa d'una fabricació de baix cost, el procés de fabricació consistix en una senzilla transferència i exfoliació d'una pasta de grafit, la formulació de la qual també ha sigut objecte d'estudi en el present treball, sobre substrats polimèrics, obtenint-se d'esta forma unes làmines flexibles, amb el grafit adherit i dispersat sobre elles. Estos sensors així fabricats exhibeixen una alta sensibilitat al tacte, una bona resposta en freqüència i una alta durabilitat. Per a caracteritzar la seua resposta, així com l'estabilitat i reproducibilitat del mètode de fabricació, s'ha desenvolupat un mètode ad hoc que pretén recrear la interacció del sensor amb un dit humà, el qual és mostrat amb detall. Estos assajos que conformen este mètode ad hoc passen per un assaig a compressió parametritzat de 0 N a 30 N, una anàlisi de la senyal sota càrregues constants, els càlculs de l'error d'histèresi, la resposta en freqüència i el factor de galga, i l'anàlisi de fatiga a flexió arribant a més de 100.000 cicles en un recorregut de 0¿ a 100¿. Així mateix, s'ha analitzat l'estructura dels sensors mitjançant microscòpia electrònica d'emissió de camp (FESEM) i microscòpia òptica. Per a finalitzar s'han realitzat dos prototips abordant cadascun dels objectius. El resultat presentat és una làmina de grafit que no supera els 70 µm que conforma un sensor d'alta sensibilitat, amb el qual es van arribar a detectar pressions de 0,05 N, estables amb desviacions menors al 5% en llargs temps de repòs, majors a 25 minuts, fàcilment integrable i amb múltiples possibilitats d'aplicació, com ara en pròtesis intel·ligents, en sistemes de captura del moviment del cos humà i fins i tot per al seu ús com a pell sintètica.

[EN] The main goal of this research is to develop and determine a low-cost manufacturing process for graphite-based sensors, intended for application in capturing human body motion when integrated into textile garments, and for designing electronic skin capable of simulating the sense of touch. It primarily focuses on two crucial aspects: accessibility and applicability of the technology. To achieve this, the use of easily obtainable components and biocompatible materials has been prioritized throughout the entire process. Under the premise of low-cost manufacturing, the fabrication process involves a straightforward transfer and exfoliation of a graphite paste, the formulation of which has also been studied in this work, onto polymeric substrates. This results in flexible sheets with graphite adhered and dispersed on them. The sensors thus manufactured exhibit high touch sensitivity, a good frequency response, and high durability. To characterize their response, as well as the stability and reproducibility of the manufacturing method, a custom method has been developed to simulate the sensor's interaction with a human finger, which is detailed in the following. The tests comprising this ad hoc method include a parameterized compression test from 0 N to 30 N, signal analysis under constant loads, hysteresis error calculations, frequency response, gauge factor analysis, and fatigue analysis through bending for over 100,000 cycles in a range of 0¿ to 100¿. Additionally, the sensor structure has been analyzed using Field Emission Scanning Electron Microscopy (FESEM) and optical microscopy. To conclude, two prototypes addressing each of the objectives have been developed. The presented result is a graphite sheet not exceeding 70 µm, forming a highly sensitive sensor capable of detecting pressures as low as 0.05 N, stable with deviations of less than 5% over extended resting periods exceeding 25 minutes, easily integrable, and with multiple potential applications, such as in smart prosthetics, human body motion capture systems, and even for use as synthetic skin.