Kirigami technique for the design of printed flexible capacitive sensors

Morelli, Laura (2024). Kirigami technique for the design of printed flexible capacitive sensors. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

In the past decade, the field of flexible and wearable technology has emerged as a focal point of research and innovation, captivating the interest of scientists, engineers, and healthcare professionals alike. Flexible sensors and electronics represent a promising turning point in various fields such as healthcare monitoring, human-computer interaction, and sports performance tracking, among others.

Capacitive sensors are a promising non-invasive sensing technique that enables ubiquitous and long-term monitoring of biopotential signals without the need for technical preparation and medical settings. The exploitation of flexible and conformable electronics for capacitive sensing is a promising option to improve the seamless integration of these types of sensors into the patient’s everyday life, while also improving the performance and quality of the sensing technique.

In this work we propose the conceptualization, realization, and characterization of a novel Flexible Hybrid Electronics design method for capacitive sensors, using Kirigami. The Japanese artistic technique is explored as an additive, easy-to-implement technique applied to Printed Electronics to improve the flexibility and conformability of capacitive electrodes and allow the coherent integration of rigid components on the sensor without affecting its flexibility.

First, different versions of Kirigami designs were performed on a printed capacitive electrode. Their capacitive behavior was evaluated when applied to non-flat second plates of diverse dimensions, and compared to the corresponding non-cut printed electrode. An analytical model to describe the capacitive behavior of the Kirigami flexible electrode was then defined, serving as an effective tool to understand the effect of the Kirigami structure on the improved conformability, and consequently the capacitive performance, of the electrode.

The novel designed sensor structure is examined in its most important electrical characteristics: capacitive coupling ability, signal transmission amplitude, and cutoff frequency. Its behavior in response to the most common motion artifacts was evaluated: the application of the sensor to bodies of different shapes and dimensions, and with different pressures applied on top were tested, in order to measure the variations of the required signal in the diverse situations.

The triboelectric behavior of the sensor was also investigated. The case of the sensor detaching vertically from a non-flat body was replicated, and the peculiar effect of the flexibility of the sensor on the resulting triboelectric voltage was measured. Finally, the complex behavior was examined and an analytical model was defined, which constitutes a powerful tool to help the general understanding of the triboelectric behavior of flexible sensors.

Titre traduit

Étude de la technique de Kirigami appliquée à la conception de capteurs capacitifs flexibles

Résumé traduit

Au cours de la dernière décennie, le domaine de la technologie flexible et portable s’est imposé comme un point central de la recherche et de l’innovation, captivant l’intérêt des scientifiques, des ingénieurs et des professionnels de la santé. Les capteurs et l’électronique flexibles représentent un tournant prometteur dans divers domaines tels que la surveillance médicale, l’interaction homme-machine et le suivi des performances sportives, entre autres.

Les capteurs capacitifs constituent une technique prometteuse de détection non invasive qui permet la surveillance ubiquitaire et à long terme des signaux biopotentiels sans nécessiter de préparation technique et de cadre médical. L’exploitation de l’électronique flexible et conformable pour la détection capacitive est une option prometteuse pour améliorer l’intégration transparente de ces types de capteurs dans la vie quotidienne du patient, tout en améliorant également les performances et la qualité de la technique de détection.

Dans ce travail, nous proposons la conceptualisation, la réalisation et la caractérisation d’une nouvelle méthode de conception d’électronique hybride flexible pour les capteurs capacitifs, en utilisant le Kirigami. La technique artistique japonaise est explorée comme une technique additive et facile à mettre en oeuvre appliquée à l’électronique imprimée pour améliorer la flexibilité et la conformabilité des électrodes capacitives et permettre l’intégration cohérente de composants rigides sur le capteur sans affecter sa flexibilité.

Tout d’abord, différentes versions de conceptions Kirigami ont été réalisées sur une électrode capacitive imprimée. Leur comportement capacitif a été évalué lorsqu’ils étaient appliqués à des plaques secondaires non plates de dimensions diverses, et comparés à l’électrode imprimée non coupée correspondante. Un modèle analytique pour décrire le comportement capacitif de l’électrode flexible Kirigami a ensuite été défini, servant d’outil efficace pour comprendre l’effet de la structure Kirigami sur l’amélioration de la conformabilité, et par conséquent les performances capacitives, de l’électrode.

La structure de capteur nouvellement conçue est examinée dans ses caractéristiques électriques les plus importantes : capacité de couplage capacitif, amplitude de transmission du signal et fréquence de coupure. Son comportement en réponse aux artefacts de mouvement les plus courants a été évalué : l’application du capteur sur des corps de formes et de dimensions différentes, et avec différentes pressions appliquées sur le dessus ont été testées, afin de mesurer les variations du signal requis dans les différentes situations.

Le comportement triboélectrique du capteur a également été étudié. Le cas où le capteur se détache verticalement d’un corps non plat a été reproduit, et l’effet particulier de la flexibilité du capteur sur la tension triboélectrique résultante a été mesuré. Enfin, le comportement complexe a été examiné et un modèle analytique a été défini, qui constitue un outil puissant pour aider à la compréhension générale du comportement triboélectrique des capteurs flexibles.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 109-121).
Mots-clés libres:	Kirigami, capteurs capacitifs, électronique flexible
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Zednik, Ricardo
Codirecteur:	Codirecteur Gagnon, Ghyslain
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	30 avr. 2025 14:54
Dernière modification:	30 avr. 2025 14:54
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3597

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