Development of Flexible Gas Sensors Based on Additive Fabrication Processes

Abstract

Els sensors de gasos s’utilitzen per a monitoritzar ambients interiors i exteriors. Algunes aplicacions comuns són per a mesurar el nivell de contaminants als carrers, els gasos alliberats per les fuites industrials i d’automòbils, els gasos a la mineria, el contingut d’alcohol en sang a través de l’alè exhalat, etc. A mesura que creix el camp d’aplicació dels sensors de gasos, es fa necessari adaptar els sensors de gasos als nostres dispositius i pertinences diàries. Es requereixen materials mecànicament flexibles i resistents per a fabricar sensors de gasos flexibles. A banda de proves de detecció de gas, la resistència a la flexió dels sensors ha de provar-se per anomenar “flexible” a un sensor. L’objectiu principal d’aquesta tesi és fabricar sensors de gasos flexibles mitjançant processos additius emprant òxids metàl·lics com a materials sensibles. Els sensors de gasos flexibles es varen fabricar utilitzant un substrat polimèric flexible (Kapton). Els diferents processos emprats varen ser compatibles amb la temperatura de funcionament del substrat. Entre les tècniques emprades estan la plantilla, la serigrafia, la injecció de tinta, AA-CVD. A més a més, es varen realitzar processos superficials per a millorar l’adhesió dels òxids metàl·lics al substrat polimèric. La flexibilitat dels sensors es va provar realitzant una prova de flexió cíclica.

Los sensores de gas se utilizan para monitorear ambientes interiores y exteriores. Algunas aplicaciones comunes son para medir: el nivel de contaminantes en las calles, los gases liberados por los escapes industriales y de automóviles, los gases en la minería, el contenido de alcohol en la sangre a través del aliento exhalado, etc. A medida que crece el campo de aplicación de los sensores de gas, se hace necesario adaptar los sensores de gas a nuestros dispositivos y pertenencias diarias. Se requieren materiales mecánicamente flexibles y resistentes para fabricar los sensores de gas flexibles. Además de las pruebas de detección de gas, la resistencia a la flexión de los sensores debe probarse para llamar “flexible” a un sensor. El objetivo principal de esta tesis es fabricar sensores de gas flexibles a través de procesos aditivos utilizando óxidos metálicos como materiales sensibles. Los sensores de gas flexibles se fabricaron utilizando un sustrato polimérico flexible (Kapton). Los diferentes procesos empleados fueron compatibles con la temperatura de la temperatura de funcionamiento del sustrato. Entre las técnicas empleadas están la plantilla, la serigrafía, la inyección de tinta, AA-CVD. Además, se realizaron procesos superficiales para mejorar la adhesión de los óxidos metálicos al sustrato polimérico. La flexibilidad de los sensores se probó realizando una prueba de flexión cíclica.

Gas sensors are used to monitor indoor and outdoor environments. Some common applications are to measure: the level of pollutants in the streets, the gases liberated by industrial and car exhausts, gases in mining, blood alcohol content through the exhaled breath, etc. As the field of application for gas sensors is growing, it becomes necessary to adapt the gas sensors to our daily devices and belongings. This requires mechanically flexible and resistant materials to fabricate the flexible gas sensors. In addition to gas sensing tests, the resistance to bending of the sensors should be tested to call a sensor flexible. The main objective of this thesis is to fabricate flexible gas sensors through additive processes using metal oxides as sensitive materials. The flexible gas sensors were fabricated using a flexible polymeric substrate (Kapton). The different processes employed were compatible with the temperature of the operating temperature of the substrate. Among the techniques employed are stencil, screen-printing, inkjet-printing, AA-CVD. Also, surface processes were performed to improve the adhesion of the metal oxides to the polymeric substrate. The flexibility of the sensors was tested by performing a cyclical bending test.