Desenvolvimento de matrizes de sensores piezoresistivos para aplicações avançadas

Maria de Fátima Ribeiro Carvalho

Desenvolvimento de matrizes de sensores

piezoresistivos para aplicações avançadas

Maria de Fátima Ribeiro Carvalho

outubro de 2014 UMinho | 201 4 Desen vol vimento de matr izes de sensor es piezor esis tiv os par a aplicações a vançadas

Universidade do Minho

Escola de Engenharia

outubro de 2014

Dissertação de Mestrado

Engenharia Mecatrónica

Trabalho efetuado sob a orientação do

Professor Doutor José Gerardo Vieira Rocha

Professor Doutor Senentxu Lanceros-Méndez

Doutor Pedro Filipe Ribeiro da Costa

Maria de Fátima Ribeiro Carvalho

Desenvolvimento de matrizes de sensores

piezoresistivos para aplicações avançadas

Universidade do Minho

iii

Agradecimentos

Ao professor Gerardo e Senentxu por toda a motivação, disponibilidade e dedicação ao longo do desenvolvimento da tese.

Ao professor Senentxu pela ajuda, atenção, conhecimentos transmitidos e me ter dado oportunidade de fazer parte do grupo Electroactive Smart Materials, o qual é constituído por pessoas fantásticas que tornaram o desenvolvimento da tese uma experiência única, concretizada num ambiente profissional e pessoal incrível. Foi um prazer conhecer todos. :) Um agradecimento especial ao Pedro Costa e ao Vítor Correia por todo o apoio e disponibilidade para ultrapassar e orientar as dúvidas que surgiram na realização da tese.

Aos meus pais e a minha irmã por todo o carinho, compreensão, e força dados não só ao longo do desenvolvimento da tese, mas em todas as jornadas da minha vida. Obrigada por tudo que fazem por mim!

Ao meu namorado, Jorge por estar presente em todas as situações, por todo o carinho, mimo, ajuda, compreensão. Acima de tudo, por ser a minha força e o que tenho de mais importante. :)

Aos meus amigos João Matos, Nuno Teixeira e Daniel Monteiro que contribuíram de formas diferentes para a concretização desta tese.

v

Resumo

A utilização de compósitos baseados em matrizes poliméricas veio introduzir novas possibilidades na análise do comportamento dos materiais. Nos últimos anos, matrizes poliméricas reforçadas com materiais condutores tornaram-se materiais fundamentais para o desenvolvimento de componentes micro e nanoeletrónicos. As tecnologias eletrónicas assumiram um papel fundamental no apoio à aquisição de competências para as mais variadas áreas.

O estudo realizado ao longo da dissertação consiste no desenvolvimento de sensores piezoresistivos baseados em compósitos poliméricos, na sua caracterização e estudo do seu desempenho. Foram desenvolvidos compósitos formados por um termoplástico elastómero (TPE, do inglês thermoplastic elastomer) estireno-butadieno-estireno (SBS, do inglês

styrene-butadiene-styrene), com a incorporação de nanotubos de carbono. A combinação destes

materiais resulta em materiais com propriedades elétricas apropriadas para serem integrados em sistemas como sensores de deformação. Baseado no princípio de que as propriedades elétricas dos compósitos mudam quando sujeitos a deformações, foi testado experimentalmente o comportamento dos materiais/sensores quando submetidos a deformações elevadas.

Os sensores piezoresistivos foram obtidos através de diferentes métodos de impressão, screen

printing e spray printing, assim como por extrusão, permitindo obter sensores de baixo custo,

com aplicações em superfícies submetidas a elevadas deformações. Os materiais extrudidos e os sensores impressos foram caracterizados mecânica e eletricamente, o que permitiu afirmar a sua viabilidade como sensores piezoresistivos.

Em simultâneo ao desenvolvimento dos materiais usados como sensores, foi desenvolvido o sistema eletrónico responsável pelo acondicionamento de sinal e leitura dos sensores. Este sistema permite fazer as leituras das medidas, sendo ainda responsável por guardar e enviar os dados medidos pelos sensores através de RF para uma plataforma exterior.

vii

Abstract

The use of composites based on polymeric matrices introduced new possibilities in the analysis of materials behavior. For the past few years, polymeric matrices reinforced with conductive materials became fundamental for the development of micro and nanoelectronic components. Electronic technologies assumed an essential role by facilitating the acquisition of skills in various fields.

The present work reports on the development of piezoresistive sensors based in polymeric composites, in their characterization and performance analysis. Composites made from TPE (thermoplastic elastomer) SBS (styrene-butadiene-styrene) with embedded carbon nanotubes were developed. The combination of these materials results in composites with electrical properties adequate to be integrated in systems as deformation sensors. From the principle that the composites electrical properties change when subjected to stress, experiments were conducted to test the behavior of the materials/sensors when subjected to high levels of stress. The piezoresistive sensors were fabricated by different methods, including extrusion and printing technologies (screen printing and spray printing). These technologies allow to obtain low cost sensors, with applications in surfaces subjected to high levels of stress. The mechanical and electrical properties of the extruded materials and printed sensors were analysed, confirming their viability as piezoresistive sensors.

Simultaneously to the development of the materials used as sensors, the electronic system responsible for the read-out and communication of the sensors signals was also developed. This system not only enables the reading of the measurements, but it is also responsible for storing and sending the data collected by the sensors through RF to an exterior platform.

ix

Índice

AGRADECIMENTOS ... III ABSTRACT ... VII ÍNDICE... IX ÍNDICE DE FIGURAS ... XII LISTA DE ABREVIATURAS E SÍMBOLOS ... XVI

CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO ... 1

1.1 Introdução ... 2

1.2 Objetivos do estudo ... 4

1.3 Estrutura da tese ... 5

CAPÍTULO 2.ESTADO DA ARTE ... 7

2.1 Sensores piezoresistivos ... 8

2.1.1 Sensores piezoresistivos baseados em matrizes poliméricas ... 11

2.2 Técnicas de processamento ... 13

2.3 Sistemas de leitura de sensores piezoresistivos ... 17

CAPÍTULO 3. MATERIAIS E PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS ... 19

3.1 Materiais ... 20

3.2 Preparação dos compósitos por extrusão ... 20

3.3 Desenvolvimento dos sensores por screen printing e spray printing ... 23

3.3.1 Desenho dos sensores ... 23

x

CAPÍTULO 4. TÉCNICAS DE CARACTERIZAÇÃO DOS COMPÓSITOS E DOS

SENSORES 29

4.1 Técnicas de caraterização dos materiais extrudidos ... 30

4.1.1 Medições da condutividade elétrica... 30

4.1.2 Medições mecânicas... 31

4.1.3 Medições eletromecânicas ... 32

4.2 Caracterização dos sensores impressos ... 33

CAPÍTULO 5. DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA DE LEITURA DOS SENSORES 37 5.1 Seleção dos componentes ... 38

5.2 Arquitetura e projeção do circuito ... 39

5.3 Estrutura do algoritmo ... 42

CAPÍTULO 6. APRESENTAÇÃO E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS ... 45

6.1 Compósitos obtidos por extrusão ... 46

6.1.1 Propriedades mecânicas ... 46

6.1.2 Propriedades elétricas ... 51

6.1.3 Propriedades eletromecânicas ... 52

6.2 Sensores impressos ... 55

6.3 Teste de validação do sistema de leitura ... 59

CAPÍTULO 7. DESENVOLVIMENTO DE UMA LUVA COM MONITORIZAÇÃO DE DEFORMAÇÃO 61 7.1 Desenvolvimento de uma luva com monitorização de deformação ... 62

CAPÍTULO 8. CONCLUSÕES E TRABALHO FUTURO ... 67

xi

8.2 Trabalho futuro ... 70

xii

Í

ndice de figuras

FIGURA 1.1 - NANOTUBOS DE CARBONO: (A) SWNT, (B) MWNT [1]. ... 3

FIGURA 2.1 - REPRESENTAÇÃO DO FENÓMENO DE PIEZORESISTIVIDADE EM COMPÓSITOS DE MATRIZ POLIMÉRICA. ... 12

FIGURA 2.2 - REPRESENTAÇÃO DE UMA EXTRUSORA PARA POLÍMEROS. ... 13

FIGURA 2.3 - ILUSTRAÇÃO DO PROCESSO DE SCREEN PRINTING. ... 14

FIGURA 2.4 - ESQUEMAS DE INKJET PRINTING: A) IMPRESSÃO CONTÍNUA; B) IMPRESSÃO DROP-ON DEMAND. ... 15

FIGURA 2.5 - IMPRESSORA INKJET DROP-ON-DEMAND. ... 16

FIGURA 3.1 - ESQUEMA DA EXTRUSORA COM AS RESPETIVAS DIMENSÕES. ... 21

FIGURA 3.2 - COMPÓSITOS CNT/SBS EXTRUDIDOS. ... 22

FIGURA 3.3 - PADRÃO DA MATRIZ DOS SENSORES PIEZORESISTIVOS. ... 23

FIGURA 3.4 - SCREEN PRINTING: (A) EQUIPAMENTO DE SCREEN PRINTING COM A TELA DE IMPRESSÃO; (B) TELA COM A MATRIZ DOS SENSORES PIEZORESISTIVOS. ... 24

FIGURA 3.5 - TINTA DE NANOPARTÍCULAS DE PRATA, HPS-021LV DA NOVACENTRIX. ... 25

FIGURA 3.6 - IMPRESSÃO DOS SENSORES POR SCREENPRINTING. ... 25

FIGURA 3.7 - IMPRESSÕES DAS MATRIZES DOS SENSORES: (A) LUVA COMERCIAL DE TECIDO; (B) SUBSTRATO POLIMÉRICO DE PEN TEONEX Q65HA. ... 26

FIGURA 3.8 - IMPRESSÃO DO ELEMENTO ATIVO ATRAVÉS DA TÉCNICA SPRAY NA LUVA E NO SUBSTRATO DE PEN. ... 27

FIGURA 4.1 - MEDIÇÃO DA RESISTIVIDADE ELÉTRICA. ... 30

FIGURA 4.2 - COMPÓSITO COM ELÉTRODOS DE PRATA. ... 31

FIGURA 4.3 - ENSAIO MECÂNICO DA ROTURA, MÁQUINA UNIVERSAL SHIMADZU AG-IS. ... 31

FIGURA 4.4 - ENSAIOS ELETROMECÂNICOS. ... 33

FIGURA 4.5 - TESTE QUATRO PONTAS REALIZADO PARA A AVALIAÇÃO ELETROMECÂNICA DOS SENSORES PIEZORESISTIVOS. ... 34

FIGURA 4.6 - MATRIZES DOS SENSORES PIEZORESISTIVOS, 1 E 2% DE NANOTUBOS DE CARBONO. ... 34

FIGURA 4. 7 - REPRESENTAÇÃO MÉTODO QUATRO PONTAS, D CORRESPONDE À ESPESSURA DA AMOSTRA, A É A DISTÂNCIA ENTRE OS DOIS PONTOS DE FLEXÃO E Z É O DESLOCAMENTO VERTICAL DO PISTÃO [95]. ... 35

FIGURA 5.1 - ESQUEMA DO CIRCUITO DE INTERFACE. ... 38

xiii

FIGURA 5.3 - CIRCUITO IMPRESSO, PCB. ... 41 FIGURA 5.4 - ALGORITMO RESPONSÁVEL PELAS LEITURAS DOS SENSORES PIEZORESISTIVOS. ... 42

FIGURA 6.1 - CURVAS DE TENSÃO-DEFORMAÇÃO PARA SBS PURO E, COMPÓSITOS COM 4, 6, 8 E 10% DE CNT, ESTIRADOS À VELOCIDADE DE 5MM/MIN. ... 47 FIGURA 6.2 - VARIAÇÃO DO MÓDULO DE ELASTICIDADE EM FUNÇÃO DOS NANOTUBOS DE CARBONO

PRESENTES NOS COMPÓSITOS. ... 47 FIGURA 6.3 - HISTERESE PARA ENSAIO EXPERIMENTAL TENSÃO-DEFORMAÇÃO COM SBS C401, 10

CICLOS PARA 5%, 10%, 20% E 50% DE DEFORMAÇÃO ÀS VELOCIDADES DE 5MM/MIN. ... 48 FIGURA 6.4 - HISTERESE PARA ENSAIO EXPERIMENTAL TENSÃO-DEFORMAÇÃO PARA COMPÓSITOS SBS

C401 COM 8% DE CNT, 10 CICLOS PARA 5%, 10%, 20% E 50% DE DEFORMAÇÃO À VELOCIDADE DE 2, 5, 10, 20 E 50MM/MIN. ... 49 FIGURA 6.5 - ENERGIA DISSIPADA PARA MATRIZES DE SBS PURAS E MATRIZES DE SBS COM ADIÇÃO DE

NANOTUBOS DE CARBONO PARA DIFERENTES DEFORMAÇÕES ÀS VELOCIDADES DE 5, 10, 20, 50MM/MIN. ... 50 FIGURA 6.6 - ENERGIA DISSIPADA PARA COMPÓSITOS COM 8% DE CNT A DIFERENTES VELOCIDADES, 2,

5, 10, 20, 50MM/MIN. ... 50 FIGURA 6.7 - CURVAS DE CORRENTE-TENSÃO PARA COMPÓSITOS COM 6, 8 E 10% DE CNT. ... 51 FIGURA 6.8 - LOG DA CONDUTIVIDADE ELÉTRICA PARA COMPÓSITOS COM DIFERENTES PERCENTAGENS

DE CNT. ... 52 FIGURA 6.9 - MEDIÇÕES ELETROMECÂNICAS PARA DEFORMAÇÃO UNIAXIAL PARA A MATRIZ

ELASTOMÉRICA SBS C401 COM 8% DE CNT. ... 53

FIGURA 6. 10 - ΔR/R0 VS ΔL/L0 E AJUSTE LINEAR CORRESPONDENTE PARA A DETERMINAÇÃO DO GF PARA

A MATRIZ ELASTOMÉRICA SBS C401 COM 8% DE CNT A DIFERENTES DEFORMAÇÕES E

VELOCIDADES. ... 53 FIGURA 6.11 - VALORES DO GAUGE FACTOR PARA DIFERENTES DEFORMAÇÕES E VELOCIDADES DE 2 E 5

MM/MIN. ... 54 FIGURA 6. 12 - - GAUGE FACTOR EM FUNÇÃO DA VELOCIDADE, ATÉ 50MM/MIN PARA AS

DEFORMAÇÕES DE 5, 10 E 20% ... 55 FIGURA 6. 13 - MEDIÇÕES ELETROMECÂNICAS PARA O TESTE 4-PONTAS: (A) SENSOR EM SUBSTRATO

FLEXÍVEL COM 1% DE CNT À VELOCIDADE 10MM/MIN E 4% DE DEFORMAÇÃO; (B) SENSOR EM SUBSTRATO FLEXÍVEL COM 2% DE CNT À VELOCIDADE DE 10MM/MIN E 4% DE DEFORMAÇÃO; (C) SENSOR EM SUBSTRATO RÍGIDO COM 1% DE CNT, À VELOCIDADE 10MM/MIN E 2% DE

DEFORMAÇÃO; (D) SENSOR EM SUBSTRATO RÍGIDO COM 2% DE CNT, À VELOCIDADE 10MM/MIN E 2% DE DEFORMAÇÃO. ... 56 FIGURA 6.14 - ΔR/R0 VS ΔL/L0 PARA A DETERMINAÇÃO DO GF DOS SENSORES PIEZORESISTIVOS. ... 57

xiv

FIGURA 6.15 - VALORES DO GAUGE FACTOR PARA OS DIFERENTES SENSORES: (A) SENSOR EM

SUBSTRATO FLEXÍVEL COM 1% DE CNT; (B) SENSOR EM SUBSTRATO FLEXÍVEL COM 2% DE CNT; (C) SENSOR EM SUBSTRATO RÍGIDO COM 1 E 2% DE CNT. ... 58 FIGURA 6.16 - (A) SENSOR CONECTADO AO CIRCUITO DE LEITURA; (B) PLATAFORMA COM

APRESENTAÇÃO DOS VALORES DA TENSÃO ELÉTRICA MEDIDOS NO SENSOR. ... 59 FIGURA 6. 17 - VARIAÇÃO DA TENSÃO ELÉTRICA COM O TEMPO, QUANDO O SENSOR ESTÁ A SER

DEFORMADO, DADOS MEDIDOS ATRAVÉS DO CIRCUITO DE LEITURA. ... 60

FIGURA 7.1 - LUVA COM SENSORES PIEZORESISTIVOS E CIRCUITO RESPONSÁVEL PELA LEITURA DOS SENSORES... 62 FIGURA 7.2 - LUVA COM COMPÓSITO DE SBS C401 E 8% DE CNT. SISTEMA DE LEITURA E PLATAFORMA

DE VISUALIZAÇÃO DOS DADOS. ... 63 FIGURA 7. 3 - DADOS REFERENTES À TENSÃO ELÉTRICA DE QUATRO SENSORES (COMPÓSITOS

EXTRUDIDOS, SBB C401 E 8% DE CNT) QUANDO TODOS OS DEDOS ESTÃO EM MOVIMENTO. ... 64 FIGURA 7.4 - (A) SIMULAÇÃO DO PROTÓTIPO DA LUVA MONITORIZADA COM OS SENSORES

PIEZORESISTIVOS IMPRESSOS, (B) LUVA COM MATRIZ DE SENSORES PIEZORESISTIVOS IMPRESSA NUM DEDO. ... 65

FIGURA 8.1 - SIMULAÇÃO DE PROTÓTIPO DE UM COLETE DE TAEKWONDO MONITORIZADO COM SENSORES PIEZORESISTIVOS PARA MEDIR A FORÇA DOS IMPACTOS. ... 70

xv

Índice de tabelas

TABELA 2.1 - VALORES DO GAUGE FACTOR PARA OS PRINCIPAIS MATERIAIS USADOS NA CONSTRUÇÃO

DE SENSORES DE PRESSÃO [30]. ... 9

TABELA 2.2 – EXEMPLOS DE SENSORES PIEZORESISTIVOS. ... 10

TABELA 3.1 – TEMPERATURAS AO LONGO DA EXTRUSORA. ... 21

TABELA 3.2 - CARACTERÍSTICAS DOS NANOTUBOS NC7000 DA NANOCYL’S UTILIZADOS [93]... 22

TABELA 4.1 - DIÂMETRO DOS COMPÓSITOS E DISTÂNCIA ENTRE GARRAS. ... 32

xvi

Lista de abreviaturas e símbolos

Ø – diâmetro

µC – microcontrolador 4-point-bending – 4 pontas

A

ADC – Conversor analógico – digital A – área A – ampere C CNT – Carbon nanotubes CNF – Carbon nanofibers C – graus Celsius G GF – Gauge Factor GPa – Gigapascal g – grama H Hz – Hertz I I – corrente elétrica J J – Joule K kHz – kilohertz L l – comprimento M

MEMS – Microelectromechanical systems MWNTs – multi-walled nanotubes Mux – multiplexer m – metro ml – mililitros min – minutos mm – milímetros N

NEMS – nano electromechanical systems N – Newton

O

OPAMP – Amplificador operacional

P

xvii Pa – Pascal

R

RF – Radiofrequência

RFID – Radio-Frequency iDentification R – Resistência elétrica

R0 – Resistência elétrica inicial

rpm – rotação por minuto

S

SBS – Styrene-butadiene-styrene SWNTs – single-walled nanotubes SPI – Serial peripheral interface

T

TPEs – termoplásticos elastómeros

U

USB – Universal serial bus

Grego Δ - Variação δ – Tensão mecânica ε - Deformação mecânica ρ – Resistividade elétrica σ – Condutividade elétrica υ- Relação de Poisson Ω- Ohm

1

CAPÍTULO 1. Introdução

O capítulo da introdução consiste numa descrição resumida dos materiais usados para o desenvolvimento dos compósitos e numa pequena síntese sobre a importância dos sistemas de leitura nos sensores.

Introdução

2

1.1 Introdução

Nos últimos anos temos assistido a um grande interesse na inovação e evolução da eletrónica flexível e nanoeletrónica. Os componentes desenvolvidos através da micro e nanoeletrónica têm permitido desenvolver sensores para melhores e mais eficientes medições em várias áreas e aplicações.

Para todas as aplicações, os sensores requerem boa exatidão e precisão nas medições, sensibilidade, reprodutibilidade e estabilidade. Neste sentido, várias abordagens têm sido realizadas a fim de preencher todos os requisitos pretendidos dos sensores. Uma opção que se tem mostrado fiável e alvo de investigação é o desenvolvimento de sensores através de compósitos de matrizes poliméricas.

Os polímeros têm-se mostrado importantes e amplamente usados na indústria eletrónica devido às suas propriedades. As matrizes poliméricas podem ser classificadas quanto ao comportamento mecânico, como, elastoméricas, termoendurecíveis e termoplásticas [2].

Os termoplásticos elastoméricos, TPEs, têm vindo a substituir os tradicionais elastómeros devido às suas propriedades mecânicas, alta processabilidade e baixo custo. Numa gama cada vez mais alargada de aplicações (p.e., nas indústrias automóvel, militar, desporto, componentes médicos, eletrónica, construção civil, etc.) as exigências aumentam, assim como a necessidade de materiais compósitos tendo propriedades específicas melhoradas ou mesmo novas propriedades. A mistura de um polímero com um outro material dá origem a um compósito polimérico, tendo este propriedades resultantes da combinação das propriedades de ambos os materiais [3]. A matriz polimérica utilizada ao longo deste trabalho é o TPE, estireno-butadieno-estireno (SBS), e o material de reforço são os nanotubos de carbono (CNT). A incorporação dos CNT torna o compósito um material com propriedades piezoresistivas, podendo ser integrado em sistemas como sensores de deformação ou força [4].

Como matriz de polímero, o elastómero tri-bloco de estireno-butadieno-estireno é amplamente estudado e utilizado na indústria devido ao seu elevado alongamento à rutura, resistência à abrasão e durabilidade [5-7]. O copolímero SBS pode ser composto por diferentes proporções de estireno e butadieno, que influenciam as propriedades mecânicas, elétricas e térmicas. Normalmente, o butadieno é o componente em maior quantidade, e o teor de estireno pode ser até 50% [7].

Capítulo 1.

3 O uso de nanotubos de carbono (CNTs), torna os compósitos com propriedades elétricas e mecânicas superiores quando comparado a outros alótropos de carbono, como nanofibras (CNF) ou negro de fumo [7, 8]. Foram originalmente descobertos como um produto secundário, obtido na formação de fulerenos. Hoje em dia são considerados como potenciais materiais de base para os aparelhos eletrónicos e mecânicos do futuro [9]. Têm mostrado ser uma grande promessa na área de sistemas nano eletromecânicos (NEMS, do inglês nano electromechanical

systems). Existem dois tipos de nanotubos de carbono: nanotubos de parede única (SWNTs),

ilustrados na figura 1.1 (a) e nanotubos de paredes múltiplas (MWNTs), representados na figura 1.1 (b).

Estes dois tipos de nanotubos de carbono diferem no arranjo dos cilindros de grafeno. Enquanto os nanotubos de carbono de parede simples têm apenas uma camada cilíndrica de grafeno, os MWNTs podem ter diversas camadas [10]. Os nanotubos de carbono utilizados para o desenvolvimento dos sensores piezoresistivos neste trabalho são MWNTs. Este material tem sido explorado para o desenvolvimento de nanocompósitos de matriz polimérica por serem considerados materiais ideais para compósitos multifuncionais quer em termos de propriedades mecânicas [11], condutividade elétrica [12], propriedades eletrotérmicas [13], deformação ou de deteção de tensão [14, 15]. Estas propriedades tornam-no de elevada importância nas aplicações de desenvolvimento de componentes estruturais e eletrónicos [7, 15].

Atualmente existem diversas técnicas de processamento e desenvolvimento de sensores de pressão e deformação, tendo como base matrizes poliméricas, tais como extrusão, screen

(a) (b)

Introdução

4

printing, spray printing, etc. Estes métodos permitem aplicar as camadas específicas do sensor

de forma reproduzível e com um custo efetivamente mais baixo [16].

O rápido desenvolvimento da microeletrónica, micromecânica, ótica integrada, e outras tecnologias permitiram a miniaturização dos sensores e a integração física de várias funções e elementos de processamento de sinal para o mesmo substrato. As melhorias desta tecnologia têm incidido no tamanho dos componentes eletrónicos, capacidade de processamento e consumo de energia, a fim de satisfazer as necessidades cada vez mais exigentes. A evolução dos sensores exige em simultâneo a evolução de sistemas de acondicionamento de sinal [17]. A integração de unidades de acondicionamento de sinal com sensores pode ser realizada através de formas diferentes, tais como: inclusão dos componentes num chip, sistemas capazes de abranger amplificação e conversão do sinal e, quando se trata de tecnologia de sensores inteligentes, é feita a incorporação de um microprocessador e memória para executar diferentes funções ao nível do sensor [18].

1.2 Objetivos do estudo

Este trabalho tem como principal objetivo o desenvolvimento de sensores piezoresistivos baseados em matrizes poliméricas, para aplicações com superfícies sujeitas a elevadas deformações, assim como o desenvolvimento da interface eletrónica dos sensores.

Os principais objetivos do trabalho são assim:

 Desenvolver compósitos CNT/SBS para aplicações de sensores de pressão e deformação;

 Desenvolver sensores piezoresistivos através de diferentes métodos de processamento, extrusão, screen printing e spray printing;

 Caraterização mecânica, eletromecânica e elétrica dos materiais;

 Estudo e caracterização dos sensores;

 Projetar um circuito de leitura para os sensores;

 Desenvolver e implementar a interface do circuito eletrónico dos sensores piezoresistivos;

Capítulo 1.

5 1.3 Estrutura da tese

A presente tese está dividida em 8 capítulos.

O capítulo 1 baseia-se numa pequena descrição das características dos materiais que são usados para o desenvolvimento dos sensores piezoresistivos, e dos sistemas de acondicionamento de sinal e leitura que os sensores necessitam para registo e leitura dos dados. No capítulo 2 é apresentado o estado da arte, onde é descrito o fenómeno da piezoresistividade, exemplos de sensores piezoresistivos e em que consistem sensores piezoresistivos baseados em matrizes poliméricas. É feita referência à importância do desenvolvimento de sistemas de leitura para obtenção dos dados medidos pelos sensores e como a sua evolução tem que ocorrer em simultâneo ao desenvolvimento de novos sensores.

O capítulo 3 descreve o desenvolvimento de compósitos de CNT/SBS através do processo mecânico extrusão, e das técnicas de impressão screen printing e spray printing.

O capítulo 4 é referente à descrição das técnicas de caracterização dos compósitos CNT/SBS e dos sensores impressos. Os compósitos extrudidos foram sujeitos a testes de deformação uniaxial e os sensores impressos a testes de 4-pontas, entre outros.

No capítulo 5 é feita a projeção e descrição do desenvolvimento do circuito eletrónico responsável pela leitura das medidas dos sensores.

Os resultados dos testes realizados aos compósitos e sensores são apresentados no capítulo 6, juntamente com uma discussão desses mesmos resultados.

O capítulo 7 consiste na descrição do desenvolvimento da uma luva com monitorização de deformação, usada como prova de conceito.

Por fim, no capítulo 8 são apresentadas as conclusões tiradas ao longo do trabalho e possíveis trabalhos futuros.

Introdução

7

CAPÍTULO 2.

Estado da arte

As caraterísticas mais relevantes dos sensores piezoresistivos serão descritas neste capítulo. São dados exemplos de sensores piezoresistivos e de materiais usados para a sua construção. Apresenta-se um resumo sobre o fenómeno da piezoresistividade em sensores baseados em matrizes poliméricas e os materiais que podem entrar na sua constituição. Por último, é feita uma descrição sobre algumas das possíveis técnicas de processamento dos sensores e em que consiste um circuito de acondicionamento de sinal e leitura de sensores.

Estado da arte

8

2.1 Sensores piezoresistivos

O fenómeno da piezoresistividade consiste na alteração da resistência de um material quando sobre ele é aplicada uma determinada tensão mecânica [19]. O efeito piezoresistivo foi descoberto por Lord Kelvin, em 1856 quando percebeu que um sensor elétrico pode mudar a sua resistência elétrica sempre que experimenta uma tensão e/ou deformação externa [20]. A piezoresistividade pode ser exibida, através de diferentes mecanismos, em metais, semicondutores e materiais compósitos [21]. A deformação mecânica aplicada num condutor que preenche o compósito irá alterar a distância média entre as partículas e, por conseguinte, alterar a resistividade elétrica do material [22]. Hoje em dia, o efeito piezoresistivo é utilizado no campo dos MEMS (do inglês, microelectromechanical systems) para uma ampla variedade de

aplicações, incluindo acelerómetros [23], sensores de pressão [24], sensores de velocidade de rotação do giroscópio [25], sensores táteis [26], sensores de fluxo [27], sensores para monitorizar a integridade estrutural de elementos mecânicos, e sensores químicos / biológicos [20], aplicações que exigem materiais compatíveis (como por exemplo, peles artificiais e próteses) [28].

A sensibilidade de um sensor piezoresistivo (equação 2.1) pode ser representado pelo Gauge

Factor (GF), o qual representa a alteração relativa na resistência elétrica, devido à deformação

mecânica: 𝐺𝐹 = ∆𝑅 𝑅0 ⁄ ∆𝐿 𝐿0 ⁄ = ∆𝑅 𝑅0 ⁄ 𝜀 _{(eq. 2.1)}

onde, R0 é a resistência do material antes da deformação, ΔR é a variação da resistência

provocada pela deformação e o termo ΔL/L corresponde à deformação unitária aplicada, que se representa por ε e, é adimensional [19, 29].

Na literatura são dados alguns valores do Gauge Factor para os diferentes tipos de materiais usados na construção de sensores, alguns desses valores estão representados na tabela 2.1.

Capítulo 2.

9 Tabela 2.1 - Valores do Gauge Factor para os principais materiais usados na construção de sensores de pressão [30].

Material do sensor Gauge Factor

Strain gauge em folha de

metal

2-5

Filme fino de metal 2

Silício cristalino ± 50 – 150

Filme fino de silício cristalino ± 15

Polímero (SBS) 18

Atualmente existem vários sensores piezoresistivos, sendo estes amplamente usados em medições de força, pressão e inércia. Uma força externa provoca uma deformação no sensor e a sua resistividade varia de forma proporcional à tensão mecânica aplicada. Quando é usada uma ponte de Wheatstone ou outro circuito de acondicionamento, a mudança na resistência é convertida numa saída em tensão elétrica. Na tabela 2.2 são apresentados e descritos resumidamente alguns tipos de sensores piezoresistivos.

Estado da arte

10

Tabela 2.2 – Exemplos de sensores piezoresistivos. Sensores

piezoresistivos

Descrição Figura

Sensores

Cantilever

São vigas constituídas por extremidades, uma fixa e outra livre. Normalmente usados como sensores de força e deslocamento. Geralmente fabricados a partir de silício, nitreto de silício ou polímeros. Têm atraído muito a atenção dos investigadores na última década, devido ao seu potencial como plataforma de sensor altamente sensível [31, 32].

Strain Gauges Extensómetros são usados para medir a tensão. Quando deformados provocam uma mudança na resistência elétrica. Essa alteração elétrica relacionada com a tensão é conhecida como

Gauge Factor [33]. Sensores de

pressão

São dos sensores mais desenvolvidos. Os materiais mais usados para a sua construção são silício e diamante. Existem vários mecanismos e princípios de transdução para estes sensores [34], sendo um deles o efeito piezoresistivo.

Capítulo 2.

11 Sensores de

inércia

- Acelerómetros: tipicamente constituídos por uma massa de reação suspensa por uma estrutura estacionária, que é unida a um componente piezoresistivo. A força exercida pela massa faz variar a resistência, sendo detetada por uma ponte de Wheatstone [35]; Amplamente usados na indústria automóvel (deteção de colisão e controlo de estabilidade), biomédica (monitorização), eletrónica (telemóveis, computadores), robótica, aplicações militares, etc [34].

- Giroscópios: medem a velocidade de rotação, velocidade angular. A maioria são baseados em vibração. Possuem sensores piezoresistivos que detetam a aceleração e a vibração.

- Sensor de tensão de cisalhamento: sensores capazes de medir gradientes de velocidade na subcamada de um corpo [36].

2.1.1 Sensores piezoresistivos baseados em matrizes poliméricas

No nosso quotidiano estamos rodeados por polímeros, que são aplicados em diversos objetos como espumas, tintas, vitrais, pneus, roupas, embalagens, etc. Um polímero é uma substância macromolecular constituída por unidades estruturais repetitivas, unidas entre si por ligações covalentes [37]. Os polímeros com as suas vantajosas propriedades, tais como: baixa densidade, boas propriedades mecânicas, resistência à corrosão, etc., podem ser associados a outros constituintes, formando compósitos poliméricos. Um compósito é um material estrutural

Estado da arte

12

que consiste na combinação de dois ou mais constituintes [38], cujo comportamento mecânico e outras propriedades são concebidas para serem superiores às dos materiais integrantes quando atuam de forma independente. Os compósitos apresentam fases, uma é normalmente descontínua chamada de reforço, enquanto a fase contínua é chamada matriz. As propriedades de um material compósito dependem das propriedades dos constituintes, geometria, distribuição das fases, processamento, entre outros fatores [39]. Devido às propriedades que oferecem, os compósitos poliméricos são uma parte essencial dos materiais usados atualmente para o desenvolvimento de sensores e transdutores [38].

Têm sido realizados vários estudos sobre a piezoresistividade em compósitos de matriz polimérica isoladora com materiais condutores elétricos como reforço [40]. Sensores piezoresistivos de matriz polimérica baseiam o seu funcionamento em que a tensão mecânica aplicada varia a distância entre as partículas do material de reforço, afetando assim a resistividade elétrica. A tensão exercida aumenta a distância entre as unidades do compósito, aumentando desta forma a resistividade. Este fenómeno está representado na figura 2.1.

Figura 2.1 - Representação do fenómeno de piezoresistividade em compósitos de matriz polimérica.

Existem vários sensores piezoresistivos de matriz polimérica, os mais comuns contém fibras de carbono contínuas, negro de fumo [41], partículas de metal [42], fibras de carbono, materiais compósitos de matriz de cimento com fibras de carbono [43], e compósitos de matriz cerâmica contendo carboneto de silício [44].

Vários estudos têm destacado os benefícios da utilização de nanopartículas, incluindo os nanotubos de carbono, dispersos numa matriz polimérica para fabricar materiais multifuncionais. Esses nanocompósitos podem possuir melhores propriedades mecânicas, elétricas e/ou térmicas, e têm aplicações como sensores, atuadores, elétrodos, materiais estruturais, etc. [21].

Capítulo 2.

13 O efeito piezoresistivo num compósito de matriz polimérica, é particularmente atraente, uma vez que o material estrutural torna-se um material que deteta a sua própria tensão mecânica ou deformação sem a necessidade de sensores de deformação incorporados ou ligados. Dessa forma acarretam várias vantagens, entre as quais, custo mais baixo, maior durabilidade, maior volume de deteção (toda a estrutura é capaz de detetar) e ausência de degradação das propriedades mecânicas [45].

Os sensores piezoresistivos de matriz polimérica são usados, por exemplo atualmente, como sensores de pressão para componentes de aeronaves e automóveis, sensores para estruturas civis (como detetar vibrações em pontes) [40], sensores de peso em movimento de rodovias (peso de veículos), aplicações biomédicas [46], aplicações no desporto [47], etc.

2.2 Técnicas de processamento

Atualmente existem várias técnicas de processamento e impressão, que são usadas para o desenvolvimento de sensores de pressão e outros componentes eletrónicos, tais como:

Extrusão, é um processo no qual o material polimérico é aquecido até fundir e forçado para fora

da extrusora através de uma matriz, adquirindo a forma da matriz [48], como representado na figura 2.2.

Estado da arte

14

Figura 2.3 - Ilustração do processo de screen printing.

Screen printing, ilustrado na figura 2.3, é uma tecnologia industrial tradicional, existente desde o

início da década de 70 [49].

O equipamento de screen printing é constituído por uma tela de tecido (que possui diferentes espessuras e densidades), um rodo e tintas. Para produzir um padrão, é pressionada uma lâmina de limpeza através do rodo que força a tela, colocando-a em contacto com o substrato. Desta forma, a tinta é ejetada através das áreas expostas da tela sobre o substrato e forma-se o padrão desejado [50]. Os materiais mais comummente usados nesta tecnologia são poliéster e aço inoxidável [51].

São considerados três métodos de screen printing diferentes: cama plana, cilindro e rotativo [52]. Cama plana é o método de impressão de tela mais simples e comum, descrito anteriormente.

Screen printing por cilindro é bastante semelhante ao método de cama plana, exceto que o

padrão é depositado através da rotação do substrato enquanto este está ligado ao rolo da tela. Na tela giratória, a tinta e rodo são rodados dentro da tela onde o cilindro de impressão produz pressão no substrato [53]. O método de tela rotativa permite uma capacidade de processamento muito maior do que a tela plana.

Vários métodos RFID (do inglês, Radio-Frequency iDentification) e antenas flexíveis foram protótipos de sucesso fabricados por esta técnica [54]. No entanto, há alguns problemas associados, incluindo o controlo limitado sobre a espessura, número de passagens e, resolução dos padrões impressos [55]. Relatórios recentes têm demonstrado que o screen printing de materiais para dispositivos nanoeletrónicos são possíveis e viáveis [16, 56].

Capítulo 2.

15 Figura 2.4 - Esquemas de Inkjet printing: a) Impressão contínua; b) Impressão drop-on demand.

Esta técnica é muito simples e exequível em comparação com outros métodos mais caros. É menos demorada, garante máxima utilidade dos materiais, oferece um método adequado para a preparação de filmes com grandes substratos de área e é menos poluente devido ao facto de ser um processo aditivo, ou seja, a máscara é aplicada diretamente sobre o substrato e a tinta condutora administrada e termicamente tratada [57].

Inkjet printing, é um tipo de impressão que cria uma imagem digital através de gotículas de

tinta ejetadas sobre substratos. Esta tecnologia utiliza tintas condutoras com base em diferentes materiais, tais como, tinta à base de nanopartículas de prata que é amplamente utilizada devido à sua elevada condutividade [58].

Existem dois tipos principais de impressoras inkjet, contínuas e drop-on-demand. Impressoras

inkjet contínuas (funcionamento ilustrado na figura 2.4 (a)) foram as primeiras a ser usadas para

impressão de imagens. O seu funcionamento consiste na emissão de um fluxo constante de gotas de tinta. O fluxo de gotas pode ser desviado eletronicamente para um sistema de reciclagem ou passar para o substrato. O papel de impressão está ligado a um grande cilindro que gira sob a cabeça de impressão. Nesta técnica podem ser usados inúmeros substratos, tais como, polímeros, tecido, papel, vidro, plástico, entre outros [55, 59].

Impressoras inkjet drop-on-demand (figura 2.5), ejetam gotas de tinta conforme necessário. Não há necessidade de um sistema de deflexão ou de reciclagem. Existem duas formas diferentes nas quais a tinta é forçada a sair através do bocal de impressão. A primeira, chamada de thermal

inkjet printing, utiliza um elemento de aquecimento no interior da cabeça de impressão para

Estado da arte

16

vaporizar temporariamente um pouco da tinta e criar uma bolha. A formação da bolha força as gotas de tinta a saírem do bocal. A outra forma de impressão, piezo inkjet printing, funciona quando um elemento piezo, existente no bocal, força a gota a sair do bocal. Em ambos os sistemas, a tinta só é forçada a sair quando o sinal digital pede. Atualmente, quase todas as impressoras inkjet e impressoras de formato mais amplo usam a tecnologia drop-on-demand [59, 60].

Figura 2.5 - Impressora inkjet drop-on-demand.

O método inkjet printing tem provado ser um método de impressão versátil, rentável em termos de custo e fácil para a produção de uma grande variedade de dispositivos e impressão de diferentes tipos de materiais, tais como: Organic Light-Emitting Diodes [61], transístores orgânicos [62], polímeros condutores [63], polímeros estruturais [64], cerâmicas [65], nanopartículas [66], metais [67], ácidos nucleicos e matrizes proteicas [68], etc. A aplicabilidade desta tecnologia é limitada pela viscosidade e solubilidade da tinta, superfície do substrato e molhabilidade [69].

Existem outros métodos de impressão de sensores tais como, spin-coating [70], chemical etching [71], bar-coating [72], flexography [73], lithographic printing [74] etc.

Capítulo 2.

17 2.3 Sistemas de leitura de sensores piezoresistivos

O crescente interesse em tecnologias relacionadas com sensores é um indicador importante das novas necessidades nas mais diversas áreas. A necessidade de sistemas de monitorização em tempo real, confiáveis e de baixo indicie de manutenção, como por exemplo, redes de sensores sem fio, foi-se tornando mais evidente e essencial em muitas aplicações tais como, robóticas, desporto, agroalimentares, biomédicas, industriais, ambientais, etc. [75]. Esses sensores, por sua vez, necessitam de acondicionamento de sinal para que o dispositivo de aquisição de dados efetue a medição de forma eficaz e precisa [33, 76].

Um sistema de leitura raramente é capaz de conectar um sensor diretamente ao processamento, monitoramento ou gravação de instrumentos. Quando um sensor gera um sinal elétrico, ele é muitas vezes um sinal muito fraco, muito ruidoso, ou contém componentes indesejáveis. Além disso, a saída do sensor pode não ser compatível com os requisitos de entrada de um sistema de aquisição de dados, isto é, ela pode ter um formato incorreto. Por estes motivos, o sinal normalmente requer um circuito acondicionado com uma finalidade específica, nomeadamente, os parâmetros a serem medidos obterem a resolução máxima [33].

A conceção e realização de sistemas de monitoramento complexos, muitas vezes torna-se difícil devido às diferentes interfaces eletrónicas e ao seu grande número. Atualmente existem inúmeros sensores disponíveis no mercado que efetuam diferentes medições, tornando necessário a criação e realização de sistemas de leitura complexos. A fim de projetar sistemas de leitura confiáveis e eficazes, vários aspetos fundamentais devem ser levados em consideração, tais como, o desempenho e a fiabilidade dos sensores utilizados para a implementação do sistema [75].

Um conceito recente, utilizado para sistemas de leitura, são sensores inteligentes. Um sensor inteligente pode ser definido como um sensor com algum tipo de inteligência embutida (geralmente fornecida por um microcontrolador), capaz de realizar funções avançadas, tais como: acondicionamento de sinal integrado, autocalibrarão, autoidentificação, diagnóstico e atividades de networking [77-79]. O progresso no desenvolvimento de sensores inteligentes é um exemplo típico de inovação tecnológica [80].

Para aumentar o nível de miniaturização dos circuitos têm sido usadas várias técnicas, como por exemplo, sistemas multiplexados, que permitem a leitura de uma ampla gama de sensores com um único circuito de leitura. Outro método é a construção de toda a arquitetura do chip, em que o

Estado da arte

18

circuito de multiplexagem, o circuito amplificador e o microcontrolador são integrados num único dispositivo [46, 81, 82]. Desenvolver este tipo de circuitos exige a construção de um circuito digital que permita alterar as suas características através de firmware, pois só desta forma é possível alterar os parâmetros do circuito através de um microcontrolador.

Em várias aplicações é necessária a implementação de sistemas de comunicação sem fios. Estes sistemas permitem a monitorização em tempo real dos parâmetros a serem medidos. A comunicação de dados pode ser feita através de sistemas de radiofrequência (RF). Vários tipos e formas de antenas RF têm sido analisadas, sendo estas, o componente elétrico responsável pela transmissão das ondas eletromagnéticas e também pela receção destas [82].

19

CAPÍTULO 3. Materiais e procedimentos experimentais

Os sensores piezoresistivos podem ser processados através de diferentes métodos e incorporados em diferentes aplicações, podendo medir grandes deformações em impactos em equipamentos desportivos, movimentos do corpo, joelhos, cotovelos, dedos entre outras. Optou-se por deOptou-senvolver compósitos por extrusão e Optou-sensores impressos através das técnicas screen

printing e spray printing, tornando-os sensores de baixo custo e com boa performance.

Neste capítulo, são apresentados os materiais usados como matrizes de polímero, o reforço para o desenvolvimento de compósitos, e as razões pelos quais foram selecionados. É feita a descrição de como os compósitos foram obtidos por extrusão e o desenvolvimento dos sensores impressos por screen printing e spray printing. A fase inicial do desenvolvimento dos sensores impressos consistiu no desenho das matrizes dos sensores piezoresistivos, sendo posteriormente usadas para o processo de impressão.

Materiais e procedimentos experimentais

20

3.1 Materiais

Estudos sobre a piezoresistividade, em geral, foram realizados em compósitos de matriz polimérica com reforços eletricamente condutores [83].

A piezoresistividade em compósitos de matriz polimérica é distintamente interessante, uma vez que o material se torna intrinsecamente inteligente e pode ser usado nas mais diversas aplicações [84].

Os compósitos desenvolvidos ao longo deste capítulo são formados por nanotubos de carbono e SBS.

Desde a descoberta dos nanotubos de carbono, estes têm sido a escolha como materiais para a nanoeletrónica e desenvolvimento sensores, devido às excelentes propriedades físicas, elevada flexibilidade, baixa densidade de massa, elevado módulo de elasticidade e força, etc. [85]. Os nanotubos de carbono usados como reforço em matrizes poliméricas, provocam uma melhoria notável nas propriedades térmicas e elétricas dos compósitos [86].

O SBS é um elastómero termoplástico, que pode ser processado em extrusoras. É um copolímero importante para a indústria devido às suas propriedades mecânicas [87]. A propriedade física mais importante dos elastómeros, que os diferencia dos outros materiais, é a capacidade de sofrer elevadas deformações através da aplicação de forças e retornarem às suas dimensões iniciais após a força deixar de ser exercida [88].

3.2 Preparação dos compósitos por extrusão

O método usado para a obtenção dos compósitos foi a extrusão. A extrusão é um método industrial para processar os diferentes polímeros e compósitos de base polimérica [89]. Neste tipo de processamento são utilizadas taxas de corte elevadas com o objetivo de se obter, simultaneamente, uma adequada fusão do polímero e uma boa qualidade da mistura. Este procedimento é normalmente usado na dispersão de pigmentos e partículas, maximizando a deformação e induzindo, simultaneamente, a quebra de aglomerados, sem que com isso sejam afetadas as propriedades finais do compósito [90].

Capítulo 3.

21 Contudo, quando se pretende incorporar partículas de carbono a situação é mais delicada. É necessário promover a sua dispersão, dada a tendência natural dos CNTs para aglomerar, devido às forças de Van der Waals. Quando as partículas de nanotubos de carbono não ficam com uma dispersão razoável, as propriedades finais do compósito podem diminuir devido à dimensão dos aglomerados [91].

Para produzir os compósitos utilizou-se uma extrusora co-rotativa da Microlab Twinscrew Rondol Technology Ltd. A figura 3.1 ilustra a extrusora, a qual apresenta os seguintes parâmetros: parafuso com diâmetro de 10mm, comprimento de 200mm e fieira circular com um diâmetro de 1mm, sendo este o diâmetro apresentado pelo compósito após extrusão.

Figura 3.1 - Esquema da extrusora com as respetivas dimensões.

As condições de processamento foram otimizadas para os compósitos de CNT/SBS, ou seja, a velocidade de rotação do parafuso e a temperatura. Estas condições foram obtidas por tentativa erro, a velocidade rotacional foi regulada para 35 rpm e as temperaturas nas diferentes zonas estão representadas na tabela 3.1.

Tabela 3.1 – Temperaturas ao longo da extrusora.

Saída Zona 1 Zona 2 Zona 3 Zona de Alimentação

Temperatura (°C) 190 180 170 160 150

A quantidade de massa de nanotubos de carbono usada para obter os compósitos após a extrusão foi de 0, 4, 6, 8 e 10 %. O peso de SBS C401 usado para cada percentagem de

Materiais e procedimentos experimentais

22

nanotubos de carbono foi de 20gr. Para pesar os materiais foi usada a balança de precisão AND HR-120, com as seguintes especificações: capacidade = 120g, legibilidade = 0.1 mg, reprodutibilidade = ± 0.1 mg e linearidade = ±0.2 mg [92]. O SBS C401 e os nanotubos de carbono foram misturados e agitados manualmente num recipiente fechado. Os nanotubos de carbono utilizados foram NC7000 da Nanocyl’s, as suas principais características estão representadas na tabela 3.2. Foram utilizadas matrizes de SBS C401 da Dynasol. O copolímero SBS C401 é um termoplástico elastómero constituído por 80% de butadieno e 20% de estireno, polimerizado em solução e com uma estrutura radial. A forma física do SBS C401 utilizado é granulada, este apresenta alta porosidade e fácil dispersão.

Depois de extrudidos os compósitos foram arrefecidos à temperatura ambiente (figura 3.2).

Tabela 3.2 - Características dos nanotubos NC7000 da Nanocyl’s utilizados [93].

Propriedades Unidade Valor Método de Medição

Diâmetro médio Nanómetros 9.5 TEM Comprimento médio Micrómetro 1.5 TEM

Pureza do carbono % 90 TGA

Metal % 10 TGA

Carbono amorfo - * HRTEM

Área superficial m2_{/g 250-300 BET}

Capítulo 3.

23 3.3 Desenvolvimento dos sensores por screen printing e spray printing

O desenvolvimento dos sensores piezoresistivos impressos teve início com o desenho das matrizes, tendo sido projetadas em conformidade com as necessidades pretendidas. Definido o padrão, o passo seguinte foi a impressão das matrizes dos sensores. Os métodos de screen

printing e spray printing permitem obter altas resoluções de impressão e sensores de baixo

custo, tornando-se métodos vantajosos.

3.3.1 Desenho dos sensores

Os sensores foram desenhados de forma que o espaçamento entre as pistas fosse o menor possível sem ocorrer curto-circuito. Para prova de conceito dos sensores usou-se uma luva, a pensar nesta aplicação os sensores foram desenhados tendo em consideração as medidas da mão. Três sensores por dedo, estando cada um localizado respetivamente, nas articulações dos dedos. Desta maneira, quando os dedos são fletidos é medida a variação da resistência elétrica, causada pela deformação do sensor. O padrão dos sensores está representado na figura 3.3.

Materiais e procedimentos experimentais

24

Figura 3.4 - Screen printing: (a) equipamento de screen printing com a tela de impressão; (b) tela com a matriz dos

sensores piezoresistivos.

3.3.2 Métodos de impressão dos sensores

Neste subcapítulo é descrito como foram impressos os transdutores. Podem ser consideradas duas fases, uma primeira fase onde é impressa a matriz condutora através da técnica screen

printing e, uma segunda fase onde é impresso o elemento ativo através da técnica spray printing.

Na figura 3.4 está representado o equipamento de screen printing e a tela com a matriz dos sensores.

Foi construída uma tela com o padrão dos sensores, sendo esta uma tela de malha 100 fios por centímetro. Para imprimir os sensores no substrato foi depositada a tinta na tela, a primeira

camada dos sensores piezoresistivos, correspondente à parte condutora. A tinta usada para a impressão da matriz é a HPS-021LV da Novacentrix, uma tinta de nanopartículas de prata, apresentada na figura 3.5. O substrato polimérico usado foi PEN, com referência Teonex Q65HA da empresa Teijin DuPont Films.

Capítulo 3.

25 Figura 3.5 - Tinta de nanopartículas de prata, HPS-021LV da Novacentrix.

A tinta foi depositada na tela, sendo posteriormente espalhada com o rodo sobre a matriz. Depois de espalhada, pressionou-se o rodo sobre a tela colocando a tinta em contacto com o substrato, deixando assim a matriz impressa no substrato. O processo está representado na figura 3.6.

Figura 3.6 - Impressão dos sensores por screenprinting.

Os sensores foram impressos no substrato polimérico, PEN, e numa luva de tecido, representados ambos na figura 3.7.

Materiais e procedimentos experimentais

26

Depois de impressas as matrizes condutoras na luva e no substrato, foram levadas ao forno com tempo de cura de 1h, à temperatura 80°C. O valor da temperatura de cura para a luva não pode ser mais elevado devido ao material do tecido. Quanto ao substrato polimérico, este consegue suportar temperaturas até 150°C durante 30 minutos e 250°C durante 10 minutos sem alteração nas suas propriedades.

Após curada a matriz condutora em ambos os substratos inicia-se a segunda fase, a impressão do elemento ativo através do método spray printing. Foram pintadas apenas as matrizes, as pistas foram cobertas com uma película protetora. O elemento ativo confere a piezoresistividade ao sensor, sendo este uma tinta formada por SBS, tolueno e nanotubos de carbono. Fizeram-se duas tintas, com 1 e 2% de nanotubos de carbono. A relação de tolueno, solvente, com o SBS é 1g de SBS para 6 ml de tolueno. A tinta é preparada da seguinte forma: a quantidade de nanotubos de carbono (1 e 2%) é colocada num gobelé juntamente com a respetiva quantidade de tolueno, sendo colocado o gobelé num banho de ultrassons (Sonorex Super – RK 106) durante cerca de 6h, de forma a se obter uma boa dispersão dos nanotubos de carbono. Após as 6h no ultrassons, é adicionado o SBS à solução, sendo posteriormente colocada num agitador magnético até completa dissolução. O tolueno é usado para dissolver o SBS e para dispersar os CNTs, de forma a ser obtida uma boa dispersão dos CNTs, o que faz baixar o limite de percolação elétrico do compósito. O tolueno foi adquirido através da empresa Panreac.

O equipamento usado para o spray printing é uma pistola de ar comprimido, Clarke Diy Air Brush – CAB1H, representada na figura 3.8.

(b) (a)

Figura 3.7 - Impressões das matrizes dos sensores: (a) Luva comercial de tecido; (b) Substrato polimérico de PEN Teonex

Capítulo 3.

27 Os sensores foram deixados a secar após a impressão do elemento ativo.

29

CAPÍTULO 4. Técnicas de caracterização dos compósitos e dos

sensores

Depois de desenvolvidos os compósitos e impressos os sensores, foram avaliadas as suas propriedades. Neste capítulo são descritas as principais técnicas de caracterização para os compósitos obtidos por extrusão e para os sensores impressos. A sensibilidade dos compósitos extrudidos foi determinada a partir do método de deformação uniaxial e, dos sensores impressos a partir do método quatro pontas.

Técnicas de caracterização dos compósitos e dos sensores

30

Figura 4.1 - Medição da resistividade elétrica.

4.1 Técnicas de caraterização dos materiais extrudidos

Neste subcapítulo são apresentadas as técnicas de caracterização estudadas para os compósitos CNT/SBS extrudidos.

4.1.1 Medições da condutividade elétrica

A resistividade elétrica (ρ) do compósito foi calculada a partir do declive das curvas I-V, medidas através de um picoamperímetro 6487 Picoammeter/Voltage Source da Keithley, usando a equação 4.1. Na figura 4.1 está representado como as medições foram realizadas.

A d

R   (eq. 4.1)

onde, R representa a resistência do compósito, A a área dos elétrodos, d a distância entre elétrodos e ρ a resistividade. A condutividade elétrica (σ) corresponde ao inverso da resistividade elétrica e é usada para especificar o carácter elétrico do compósito.

Os dados I-V foram medidos em superfície nos compósitos a partir de elétrodos circulares concebidos pela deposição de prata na amostra, como representado na figura 4.2. A tensão aplicada nos elétrodos do compósito, para medir a corrente, varia entre ±1V.

Capítulo 4.

31 Figura 4.2 - Compósito com elétrodos de prata.

4.1.2 Medições mecânicas

Para as medições mecânicas usou-se uma máquina universal de ensaios, Shimadzu AG-IS, com uma célula de carga de 50N. Foram feitos ensaios até à rutura para cada amostra com diferentes quantidades de nanotubos de carbono, à velocidade de 5mm/min, como demonstrado na figura 4.3.

Figura 4.3 - Ensaio mecânico da rotura, máquina universal Shimadzu AG-IS.

O módulo de elasticidade foi calculado até 5% de deformação, através da equação 4.2. 𝛿 = 𝐸 × 𝜀 (eq. 4.2)

Técnicas de caracterização dos compósitos e dos sensores

32

Na tabela 4.1 estão representados os valores do diâmetro e distância entre garras para cada compósito. As medições do diâmetro dos compósitos foram efetuadas com um paquímetro analógico mitutoyo.

Tabela 4.1 - Diâmetro dos compósitos e distância entre garras.

SBS C401 4% CNT 6% CNT 8% CNT 10% CNT Diâmetro (mm) 1.8 1.8 1.8 1.8 1.8 Distância entre garras (mm) 22 22.3 18.1 32 24.2 4.1.3 Medições eletromecânicas

Para os ensaios eletromecânicos foram medidos, simultaneamente e em tempo real, às propriedades elétricas e mecânicas dos compósitos.

Os ensaios mecânicos realizaram-se na máquina universal Shimadzu AG-IS, com uma célula de carga de 50N. Efetuaram-se 10 ciclos de tensão-deformação e carga-relaxamento a diferentes velocidades e deformações para o compósito com 8% de nanotubos de carbono (tabela 4.2).

Tabela 4.2 - Velocidades e deformações usadas para os ciclos piezoresistivos.

Deformação 5% 10% 20% Velocidade (mm/min) 2 2 2 5 5 5 10 10 10 20 20 50

Foram colocados elétrodos circulares de prata na amostra, onde se ligou uma fita condutora de

Capítulo 4.

33 compósitos em função da deformação destes em tempo real. A resistência elétrica entre o fio e o multímetro é da ordem de 2-3 Ohms (várias ordens de grandeza inferior à do fio piezoresistivo), o qual pode ser considerado desprezável.

Figura 4.4 - Ensaios eletromecânicos.

O coeficiente piezoresistivo e a variação da resistência elétrica foram calculados para cada ciclo de estiramento. Após serem obtidos estes valores, calculou-se o valor médio da piezoresistividade para cada amostra.

Como descrito anteriormente, a sensibilidade à tensão, ou piezoresistividade, é expressa quantitativamente como Gauge Factor (GF). Este valor é definido como a relação de alteração relativa na resistência elétrica R, e a variação da tensão mecânica (ε) [7], como é possível observar na equação 2.1.

4.2 Caracterização dos sensores impressos

Para avaliar as características e o desempenho das matrizes dos sensores desenvolvidos fez-se a sua caracterização eletromecânica.

Como já referido nos capítulos anteriores, a sensibilidade de um sensor piezoresistivo pode ser calculada através do Gauge Factor. O GF também pode ser calculado da seguinte forma:

𝐺𝐹 =∆𝑅 𝑅⁄ 0 𝜀l =

∆𝜌 𝜌⁄

𝜀l + 1 + 2𝜐

Técnicas de caracterização dos compósitos e dos sensores

34

onde, Δl/l=εl é a deformação, ρ corresponde à resistência e υ é a relação de Poisson. A equação

4.3 mostra que o GF é determinado pelo efeito piezoresistivo intrínseco (∆𝜌 𝜌⁄

εl ) e pelo o efeito

geométrico (1+2υ) [7, 94].

Para avaliar a resposta eletromecânica das matrizes dos sensores, realizaram-se testes quatro pontas, na máquina universal de ensaios mecânicos Shimadzu-AG-IS e, medições da resistência elétrica no multímetro Agilent 34410 A, representados nas figuras 4.5.

As medidas eletromecânicas foram realizadas para vários sensores da mesma matriz e matrizes de sensores com diferentes características, diferenciando-se as matrizes através da parte ativa, contendo 1 e 2% em peso de nanotubos de carbono, apresentados na figura 4.6. Os sensores foram colados em dois tipos de substratos para a concretização dos testes, um substrato rígido e um substrato flexível.

Figura 4.6 - Matrizes dos sensores piezoresistivos, 1 e 2% de nanotubos de carbono.

Capítulo 4.

35 Para cada teste eletromecânico foram realizados cinco ciclos de tensão-deformação, com diferentes velocidades, 5 e 10 mm/min e deformações,1, 2, 3 e 4%, à temperatura ambiente. A variação da resistência elétrica foi medida em tempo real com os ensaios mecânicos.

A tensão foi calculada a partir da teoria da flexão pura de placas, válida entre os pontos interiores de carga, usando a seguinte equação:

𝜀 =3𝑑𝑍

5𝑎2 (eq. 4.4)

onde, d é a espessura da amostra, a é a distância entre os dois pontos de flexão e z é o deslocamento vertical do pistão. Na figura 4.7 está ilustrado o teste quatro pontas e como são retirados os valores para o cálculo da tensão.

Figura 4. 7 - Representação método quatro pontas, d corresponde à espessura da amostra, a é a distância entre os dois

pontos de flexão e z é o deslocamento vertical do pistão [95].

O GF foi calculado para cada ciclo de tensão-deformação a partir do deslocamento (Z) e dos dados da resistência elétrica, tomando o ajuste de curva para uma regressão linear. Por fim, calculou-se um valor médio do GF para cada amostra.

Técnicas de caracterização dos compósitos e dos sensores

37

CAPÍTULO 5. Desenvolvimento de um sistema de leitura dos

sensores

Sistemas de leitura de sensores piezoresistivos e comunicação sem fios têm sido cada vez mais implementados, permitindo uma maior precisão e exatidão nas medidas e, uma forma de comunicação em tempo real.

Neste capítulo é apresentado o desenvolvimento do circuito eletrónico que permite medir um conjunto de sensores piezoresistivos. Este circuito consiste num sistema de entrada multiplexado, o qual permite conectar todos os sensores num único circuito e o seu respetivo acondicionamento de sinal. As matrizes dos sensores adaptam-se automaticamente aos seus parâmetros de hardware e firmware, de maneira a que o sensor a ser lido permita obter medições de elevada precisão. Todos os sensores são piezoresistivos, permitindo a construção de um sistema otimizado para este tipo de sensores.

Desenvolvimento de um sistema de leitura dos sensores

38

5.1 Seleção dos componentes

Os componentes usados para o desenvolvimento do sistema de leitura são componentes eletrónicos comerciais, selecionados de maneira a satisfazeram as necessidades de uma arquitetura funcional e uma implementação exequível para um protótipo, permitindo avaliar o sistema desenvolvido. Na figura 5.1 estão representados os componentes usados para o desenvolvimento do circuito de leitura.

Figura 5.1 - Esquema do circuito de interface.

São usados circuitos lógicos, denominados multiplexers (mux), os quais recebem diversos dados digitais de entrada dos sensores e selecionam um desses dados, em determinado instante, transferindo-os para a saída. Os sensores têm uma baixa resistência nominal, desta forma os multiplexers escolhidos têm que ter uma baixa resistência analógica, de modo a que não haja interferência com a medição do sensor. Tendo em conta este problema, os multiplexers escolhidos foram ADG706 da Analog Devices (a), sendo a sua resistência máxima de estado de 2.5Ω, composto cada um por 16 canais individuais e 8 canais diferenciais alternando uma das 16 entradas para uma saída comum. Apresentam baixo consumo de energia e o intervalo de fornecimento operacional é de 1.8V a 5.5V. O circuito foi desenvolvido tendo como finalidade satisfazer as necessidades pretendidas e apresentar as dimensões mais reduzidas possível, desta maneira o componente acima descrito apresenta as dimensões, 9.60 mm × 4.50 mm.

Capítulo 5.

39 Usou-se um amplificador operacional (OPAMP), AD8519 (d), da Analog Devices para funcionar como fonte de corrente. Sendo este um amplificador rail-to-rail output, ou seja, a sua tensão de saída pode oscilar praticamente entre os valores das tensões usadas na alimentação, não podendo este OPAMP alimentar cargas de baixa impedância (cargas que exigem muita corrente). Apresenta saída bipolar com largura de banda de 8MHz e a sua tensão de alimentação varia entre 2.7V e 12V. As suas dimensões são 2.20 mm ×1.35 mm.

As variações na resistência do sensor a ser lido são configuradas através de dois potenciómetros, AD5270 da Analog Devices (b). Apresentam uma resistência nominal de 20KΩ, e medidas 3 mm × 3 mm × 0.8 mm.

A alimentação do circuito, quando não necessária para a linha de controlo é desligada, o componente responsável por esta função é um regulador de tensão. O regulador de tensão garante também que a tensão produzida seja mantida dentro dos limites exigidos pelo sistema que está a ser alimentado. A escolha recaiu no ADR391 da Analog Devices (e). A sua tensão de referência é de 2.5V e apresenta dimensões, 2.90 mm × 1.60 mm.

Os sensores piezoresistivos produzem sinais de saída fracos, a magnitude destes sinais pode ser da ordem dos milivolts (mV) ou picoampers (pA), por este motivo é feita a amplificação do sinal. É usado um amplificador de instrumentação de modo a obter a resolução máxima na medição dos sensores. Selecionou-se o amplificador de instrumentação LTC6915 da Linear Technology (c), com 14 níveis de ganho programável, e dimensão 4 mm × 3 mm.

O elemento responsável por controlar todos os componentes do circuito, pela comunicação de todos os dados dos sensores, pela conversão de tensão de saída num sinal digital, entre outras funções, é um microcontrolador (µC). O microcontrolador utilizado no sistema é o módulo CC2541 da Texas Instruments (f). Sendo este um System-on-Chip com reduzido consumo de energia e transmissão de dados por RF. As dimensões do microcontrolador são 24 mm × 15 mm.

Todos os componentes foram obtidos através da Farnell.

5.2 Arquitetura e projeção do circuito

O circuito desenvolvido é um circuito digital, que possibilita ser controlado pelo microcontrolador. Um dos requisitos do circuito é o tamanho, sendo o ideal obter uma área reduzida, o que se