Processo de construção do dispositivo sensor

Deseja-se calcular alguns valores referentes ao piezoresistor, logo, a área da seção transversal será dada por , sendo, ,a largura do desenho e, ,

a espessura da pintura em relação ao substrato. Como a espessura do grafite depositado no substrato flexível se trata de um comprimento muito pequeno, podendo até ser da ordem de nanômetros, se mostra uma medida muito complexa de se obter, e impossível de aferir com o paquímetro, assim, a Equação 33 pode ser reescrita para se obter matematicamente o valor da espessura, , do filme de grafite depositado.

Portanto, a medida da espessura, , é dada por:

(

)

A Tabela 4 mostra os principais parâmetros obtidos para os elementos sensores projetados.

Tabela 4: Medidas do projeto do piezoresistor

Características do piezoresistor de grafite Medidas do projeto do piezoresistor

Comprimento (L) 0,005 m

Largura (w) 0,001 m

Área da seção transversal (A) 5,08E-12 m²

Resistência média (R) 13,419199 k

Espessura média (t) 5,08E-09 m

Fonte: Próprio autor

Esses dados foram obtidos experimentalmente e através de cálculos matemáticos, também é importante ressaltar que a medida da resistência média é referente à média dos valores obtidos dos piezoresistores depositados em substrato de papel A4 com posicionamento longitudinal.

Buscando-se resultados mais precisos e confiáveis, alguns cuidados devem ser seguidos, como a utilização de luvas, a esterilização de todos os materiais que serão usados no processo, sempre que forem manipulados os piezoresistores, além, de controlar a temperatura ambiente.

Dentre os materiais e equipamentos utilizados para a construção das amostras dos elementos sensores, destacam-se: folha de papel A4 (Copimax),

folha de papel vegetal A4 (Canson), chapas A4 de polipropileno (Plaspiral), cilindro de grafite comercial tipo 2B (Faber Castell), lapiseira, tesoura, fita adesiva (durex), paquímetro 0,01 mm (Mitutoyo), micrômetro 0,01 mm (Mitutoyo), bancada experimental, pinças, luvas, fios de cobre, garras de jacaré e um dado (peça de jogo).

Foram desenvolvidas 90 (noventa) amostras para o experimento e análise dos comportamentos dos piezoresistores, sendo 45 elaborados com posicionamento longitudinal e 45 com posicionamento transversal, onde 30 amostras com substrato flexivem em papel A4, 30 em substrato papel vegetal e 30 em substrato polipropileno.

Destaca-se a seguir as etapas do processo de construção dos dispositivos sensores:

 1ª Etapa

A Tabela 5 mostra as principais características dos substratos utilizados nesta dissertação.

Tabela 5: Características do substrato flexível

Substrato Flexível Gramatura Marca Formato da Folha

Papel A4 75 g/m² Copimax 210 x 297 mm

Papel Vegetal 60 g/m² Canson 210 x 297 mm

Polipropileno 526,5 g/m² Plaspiral 210 x 297 mm

Fonte: Próprio autor

A medida do substrato polipropileno não continha suas especificações na embalagem, assim, buscou-se junto a literatura uma fórmula para obter seu valor, logo, segundo o site [61], pode-se calcular a gramatura multiplicando a espessura pela densidade vezes mil.

A Figura 22 ilustra os três substratos flexiveis com o qual se desenvolverá as pesquisas desta dissertação, sendo papel , papel vegetal e polipropileno, em formato A4.

Figura 22: Substrato flexível

Fonte: [62]

 2ª Etapa

A Figura 23 ilustra as medidas do comprimento da barra de grafite. Esta medida auxilia na determinação da área da seção transversal, resistência, resistividade, comprimento e diâmetro do cilindro de grafite.

Figura 23: Comprimento do cilindro de grafite

Fonte: [13]

Com a utilização da bancada experimental, ilustrada na Figura 24, conseguiu-se mensurar o valor da resistência média da barra de grafite.

Figura 24: Resistência média do cilindro de grafite

Fonte: [13]

Com o uso do micrômetro calculou-se o diâmetro do cilindro de grafite, um resultado importante para que fosse calculada a área da seção reta, também chamada de seção transversal.

Figura 25: Diâmetro do cilindro de grafite

Fonte: [13]

 3ª Etapa

Nesta fase, iniciou-se a construção do dispositivo sensor, onde se buscou aprimorar a técnica de deposição do grafite no substrato, pensou-se inicialmente em confeccionar um molde, objetivando-se construir piezoresistores iguais,

independente da quantidade. Assim, criou-se um molde em papel cartão, mais espesso, porém, com o uso contínuo se mostrou inadequado, incapaz de reproduzir a mesma forma para todos os elementos sensores. Depois foi utilizado PVC, um material mais resistente e que não se deteriora com o uso contínuo. Com este novo procedimento os resultados de deposição foram melhores, conforme ilustra a Figura 26.

Figura 26: Moldes em PVC para confecção do elemento sensor

Fonte: [13]

Com o molde desenvolvido, usou-se o método da viga engastada, de maneira simples o filme de grafite é depositado manualmente no substrato flexível.

A Figura 27 mostra a utilização do molde de PVC na construção dos piezoresistores sobre o substrato, para este fim o grafite é depositado com o uso de uma lapiseira comum, sendo que alguns cuidados foram tomados para que se mantivessem as medidas para todos os elementos sensores, como por exemplo, a mesma pessoa fez o corte do modelo da viga engastada, com auxílio de um estilete. A deposição do grafite, também seguiu o mesmo padrão, sempre no mesmo sentido e 50 passadas de grafite em todos os piezoresistores, para que a pressão exercida na deposição fosse sempre a mesma para todos, além do uso de luvas para evitar possível contaminação.

Figura 27: Confecção dos elementos sensores

Fonte: [13]

A Figura 28 mostra a deposição do grafite sobre substrato de papel.

Figura 28: Deposição do grafite

Fonte: [13]

A Figura 29 mostra o piezoresistor com o filme de grafite, posicionamento longitudinal, podendo-se observar também, o processo de fixação dos fios de cobre no filme de grafite, isto ocorre com o auxílio de fita adesiva, durex.

Figura 29: Piezoresistor e fixação de fios de cobre

A Figura 30 ilustra o piezoresistor pronto para ser conectado a bancada experimental para que seja realizada a medição da resistência, neste processo o aparelho realiza 10 medições para cada piezoresistor, determinando-se e mostrando o valor médio.

Figura 30: Dispositivo sensor Longitudinal

Fonte: [13]

O grafite utilizado para marcar o modelo da viga engastada não foi o mesmo usado nos piezoresistores, o grafite dos elementos sensores é o comercial 2B.

Foram confeccionadas 30 amostras para cada substrato, com posicionamento 15 longitudinal e 15 transversal. Cada uma dessas etapas foi repetida para os piezoresistores transversais, seguindo a mesma técnica e os cálculos feitos a partir das médias das resistências para todas as amostras antes e após o recozimento térmico.

 4ª Etapa

A Figura 31 mostra o elemento sensor pronto para o experimento conectado à bancada experimental.

Figura 31: Piezoresistor submetido à tensão mecânica conectado à bancada experimental

Fonte: [13]

Com os dados obtidos no experimento mostrado na Figura 31, é possível fazer o cálculo da resistividade, espessura e área da seção reta do cilindro de grafite e medir a resistência dos elementos sensores anteriormente projetados.

3.3.2.1 Técnica de deposição do material

Existe uma infinidade de técnicas para o processamento, deposição e impressão de materiais em dispositivos sensores de pressão, sendo as mais utilizadas a extrusão, Screen printing, Spin Coating, Sputtering e GoP. Estas técnicas de processamento, deposição e impressão podem sofrer variações conforme o equipamento, tipo de material e finalidade almejada ao elemento sensor [41].

Esta dissertação é parte de uma pesquisa que já vem a alguns anos sendo realizada pelo grupo de pesquisa SIMMER na UNIJUÍ, razão pela qual busca-se a consolidação dos resultados, então optou-se por dar sequência à pesquisa nos mesmos moldes que vem sendo realizada, então, dar-se-á ênfase a técnica GoP.

Figura 32: Representação do método GoP

Fonte: Próprio autor

Através da esfoliação mecânica em substrato flexível, o método GoP, ou originalmente, Graphite on Paper, consiste na deposição do grafite, ou seja, manualmente o grafite, com auxílio de uma lapiseira é depositado passando o grafite no substrato, tendo o cuidado de sempre seguir o mesmo sentido e a pressão aplicada o mais semelhante possível para todas as amostras.

O método GoP é um método simples e de baixo custo, a qual permite, através da deposição de grafite em papel, construir elementos sensores, através do efeito piezoresistivo, capaz de detectar pequenas deformações [4, 41].