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Flexible humidity sensors based on aerosol printed green graphene inks

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Ketabi, Mohsen (2022). Flexible humidity sensors based on aerosol printed green graphene inks. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

In this study, fully flexible graphene-based humidity sensors were developed and investigated. First, three green graphene inks were formulated by direct liquid exfoliation (LPE) of graphite in water bonded biocompatible stabilizers (biopolymer); triton X-100, tween-20, and gelatin. Ultimately, green and eco-friendly graphene inks were formulated, which are clean of Volatile Organic Compounds (VOCs) and harmful compounds. The graphene inks (namely as GGe, GTr, and GTw) were prepared with optimized biopolymer concentrations of 0.1 mg.mL-1 of gelatin, 1 mg.mL-1 triton X-100, and 1.5 mg.mL-1 tween-20, respectively. The aerosol printed graphene films with 500 nm thickness revealed a sheet resistance (Rs) of 2.6 kΩ/□ for GTr, 5 kΩ/□ for GTw, and 14 kΩ/□ for GGe. The low Rs for GTr was assigned to better ink wettability and adhesion properties on top polyethylene terephthalate (PET) substrates. Therefore, it was chosen for the rest of the research to develop green graphene humidity sensors.

The GTr ink was later modified with various concentrations of gelatin to improve the sensor's mechanical strength and sensing performance for humidity detection. The final product, 1 mg.mL-1 gelatin-modified GTr ink (1Ge-GTr), was selected for the rest of the research. The 1Ge-GTr ink was printed on top of screen-printed carbon electrodes on PET substrate, resulting in a green and flexible graphene humidity sensor. The 1Ge-GTr showed a decent linear response in the relative humidity (RH) range of 30% RH–90% RH, good sensitivity of 0.55%/RH% at 25°C, ultrafast response time in a second, and good independence from temperature fluctuations ranging from 22°C to 70°C. Moreover, the sensor showed a high practical efficiency toward humidity detection, making the sensor a potential candidate for implementation in real-life Internet of Things (IoT) applications.

Titre traduit

Capteurs d'humidité flexibles à base d'encres de graphène vert imprimèes en aérosol

Résumé traduit

Dans cette étude, des capteurs d'humidité entièrement flexibles à base de graphène ont été développés et étudiés. Premièrement, trois encres vertes au graphène ont été formulées par l'exfoliation en phase liquide (LPE) de graphite dans des stabilisants biocompatibles (biopolymères) liés à l'eau ; triton X-100, tween-20 et gélatine. Ces produits sont écoresponsables, car ils sont exemptés de les composés organiques volatils (COVs) et de composés nocifs. Les encres au graphène (GGe, GTr et GTw) ont été préparées avec des concentrations optimisées de biopolymères de 0,1 mg.mL-1 de gélatine, 1 mg.mL-1 de triton X- 100 et 1,5 mg.mL-1 de tween-20, respectivement. Les films de graphène imprimés par aérosol avec une épaisseur de 500 nm ont montré une résistance de couche (Rs) de 2,6 kΩ/□ pour GTr, 5 kΩ/□ pour GTw et 14 kΩ/□ pour GGe. La faible Rs pour GTr est attribuée à de meilleures propriétés mouillabilité et d'adhérence de l'encre sur les substrats en polyéthylène téréphtalate (PET). Par conséquent, il a été choisi pour développer les capteurs d'humidité en graphène vert.

L'encre GTr a ensuite été modifiée avec diverses concentrations de gélatine pour améliorer la résistance mécanique et les performances de détection d'humidité du capteur. La concentration retenue est de 1 mg/mL et celle-ci est utilisée pour le reste de la recherche. Cette encre (1Ge- GTr) a été imprimée sur des électrodes de carbone sérigraphiées sur un substrat PET, ce qui a donné un capteur d'humidité en graphène vert et flexible. Le 1Ge-GTr a montré une réponse linéaire dans la plage d'humidité relative (HR) de 30 % HR à 90 % HR, une bonne sensibilité de 0,55 %/HR% à 25 °C, une réponse ultrarapide en quelques secondes et une indépendance par rapport aux variations de température allant de 22°C à 70°C. De plus, le capteur a montré une efficacité élevée pour la détection de l'humidité, faisant du capteur un candidat potentiel pour la mise en oeuvre dans des applications Internet des objets (IoT) réelles.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for a degree of master’s with thesis in electrical engineering". Comprend des références bibliographiques (pages 85-96).
Mots-clés libres: humidité, capteur, graphène, encre, imprimante aérosol, gélatine, triton X-100, tween-20, électronique imprimée
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Izquierdo, Ricardo
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie électrique
Date de dépôt: 26 mai 2022 17:18
Dernière modification: 26 mai 2022 17:18
URI: https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2994

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