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Title: Desenvolvimento de extensômetro orgânico ultrassensível e de metodologia para melhorar o desempenho elétrico de dispositivos vestíveis.
Authors: Mapa, Ludmila Marotta
metadata.dc.contributor.advisor: Bianchi, Rodrigo Fernando
Keywords: Polímeros semicondutivos
Dispositivos vestíveis
Condutividade alternada
Polianilina
Issue Date: 2018
metadata.dc.contributor.referee: Bianchi, Rodrigo Fernando
Coelho, Bruno Nazário
Legnani, Cristiano
Reis, Agnaldo José da Rocha
Citation: MAPA, Ludmila Marotta. Desenvolvimento de extensômetro orgânico ultrassensível e de metodologia para melhorar o desempenho elétrico de dispositivos vestíveis. 2018. 108 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Materiais) – Escola de Minas, Universidade Federal de Ouro Preto, Ouro Preto, 2018.
Abstract: Nos últimos anos, os dispositivos vestíveis vêm ganhando espaço no mercado devido, principalmente, às suas inúmeras aplicações tecnológicas que vão desde a área Médica até a área da Engenharia Civil. Neste contexto, este projeto tem por objetivo principal estudar e desenvolver um novo extensômetro à base de matriz flexível de poli (cloreto de vinila) - PVC e polímero semicondutivo, a polianilina – PANI, para aplicação em dispositivos vestíveis para monitoramento do movimento humano em contato com a pele humana. Para atingir esse objetivo foram fabricados filmes ultrafinos de PANI sobre substrato flexível de PVC. Em seguida, foram realizadas caracterizações mecânicas (ensaio de tração) e elétricas (regime ac e dc) dos dispositivos de PANI/PVC. Os resultados obtidos do ensaio de tração demonstraram que a deposição da PANI sobre a superfície do PVC não apresenta influência significativa nas propriedades mecânicas do PVC. Em adição, os resultados da caracterização elétrica em regime dc e mecânica, realizadas simultaneamente, mostraram que o sensor apresenta comportamento ôhmico, ou seja, há uma dependência quasi linear da corrente elétrica com a tensão aplicada. Também foi possível inferir que a resistência elétrica dos dispositivos aumenta com a tensão mecânica aplicada. Este aumento da resistência elétrica está associado à redução da mobilidade dos portadores de carga. Já os resultados obtidos da caracterização mecânica e elétrica (impedância complexa) mostraram que o dispositivo apresenta uma alta sensibilidade elétrica (na ordem de 105) quando submetido a diferentes valores de tensão mecânica na frequência de 100 Hz. Para explicar este efeito foi proposto o uso do modelo baseado na aproximação fenomenológica Davidson-Cole, demonstrando que o material em estudo apresenta uma estrutura desordenada do tipo assimétrica (Lorentziana). Por meio do modelo de condução por saltos (Hopping) pode-se concluir que a resistência elétrica dos dispositivos PANI/PVC está associado diretamente a distância média de saltos dos portadores de carga da PANI entre sítios adjacentes. Finalmente, foi avaliado o desempenho do dispositivo por meio de testes de reprodutibilidade, fator Gauge, custo de fabricação e tempo de resposta. Os resultados mostraram que o dispositivo flexível à base de PANI/PVC apresenta alto fator Gauge (~105), baixo custo de fabricação (<R$ 2,00), módulo de elasticidade compatível com o módulo de elasticidade da pele humana, reprodutibilidade e linearidade nas respostas elétricas, sendo assim a PANI e PVC são considerados materiais promissores para utilização em dispositivos vestíveis para aplicação de monitoramento do movimento humano.
metadata.dc.description.abstracten: In the last years, wearable devices have been gaining market space due to its numerous technological applications. In this context, the aim of this project is to study and develop a new strain gauge based on flexible polyvinyl chloride – PVC covered with a thin film of semiconductive polymer, polyaniline – PANI, to monitor human motion in contact with human skin. Mechanical (tensile test) and electrical (ac and dc) characterization of the PANI / PVC devices were performed. The stress and strain profiles show that coating of PANI on PVC had no significant influence on the mechanical properties. The results of electrical (dc) and mechanical simultaneously characterization revealed that the sensor presented a relation of quasi-linear dependence of the electric current with an applied voltage. The electrical resistance of the devices increases with the mechanical tension applied. This increase in electrical resistance is associated with the reduction of the mobility of the charge carriers. The results obtained from the mechanical and electrical characterization (complex impedance) showed that the device has a high electrical sensitivity (in the order of 105 a.u.) under variable strain in 100 Hz. To explain this effect it was proposed to use the model based on the Davidson-Cole phenomenological approach, demonstrating that the material presents a disordered structure of the asymmetric type (Lorentziana). From the hopping model it can be concluded that the electrical resistance of the PANI / PVC devices is directly associated with the average hopping distance of the PANI load carriers between adjacent sites. Finally, the performance of the device was evaluated through reproducibility tests, gauge factor, manufacturing cost and response time. The results showed that the flexible device based on PANI / PVC has high Gauge factor (~ 105 a.u.), low manufacturing cost (< R$ 2,00), modulus of elasticity compatible with the modulus of elasticity of human skin, reproducibility and linearity in electrical responses, thus PANI and PVC are considered promising materials for use in wearable devices for human motion monitoring application
Description: Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Materiais. Departamento de Engenharia Metalúrgica, Escola de Minas, Universidade Federal de Ouro Preto.
URI: http://www.repositorio.ufop.br/handle/123456789/11716
metadata.dc.rights.license: Autorização concedida ao Repositório Institucional da UFOP pelo(a) autor(a) em 02/08/2018 com as seguintes condições: disponível sob Licença Creative Commons 4.0 que permite copiar, distribuir e transmitir o trabalho desde que sejam citados o autor e o licenciante. Não permite a adaptação.
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