Interfacing Silicon Chips with Soft-matter Electronics: Toward Advanced Electronic Skins

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Main Author: Dias, Maria Santos
Publication Date: 2024
Format: Master thesis
Language: eng
Source: Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP)
Download full: https://hdl.handle.net/10316/117900
Summary: Dissertação de Mestrado em Engenharia Biomédica apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia
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spelling Interfacing Silicon Chips with Soft-matter Electronics: Toward Advanced Electronic SkinsInterface de Chips de Silício com Eletrónica de Matéria Maleável: Direcionado a Peles Eletrónicas AvançadasHybrid Stretchable ElectronicsMicrochip InterfacingPolymer-Gel TransitionProgrammable StiffnessVapor-Assisted SolderingEletrónica Extensível HíbridaInterface de MicrochipTransição Polímero-GelRigidez ProgramávelSoldadura Assistida por VaporDissertação de Mestrado em Engenharia Biomédica apresentada à Faculdade de Ciências e TecnologiaNas últimas duas décadas, a eletrónica de matéria maleável e extensível tem atraído uma atenção crescente devido às suas aplicações promissoras em dispositivos vestíveis e flexíveis. No entanto, a integração das tecnologias rígidas de estado sólido (SST) em circuitos de matéria maleável apresenta desafios significativos devido à incompatibilidade mecânica inerente entre a natureza rígida das SST e a natureza flexível dos circuitos de matéria maleável.Durante os últimos anos, o laboratório Soft and Printed Microelectronics (SPM) da Universidade de Coimbra desenvolveu uma técnica para a incorporação de microchips em eletrónica de matéria maleável baseada na técnica reversível de Polímero-Gel (Pol-Gel). Esta técnica consiste em expor o substrato de polímero ao vapor de solvente, o que induz uma transição de fase física reversível de um estado sólido para um estado gelatinoso. Neste estado maleável e gelatinoso, o substrato apresenta uma maior conformidade, permitindo que os microchips penetrem tanto no substrato como na tinta condutora, facilitando assim a integração perfeita de componentes rígidos na matriz extensível.Nesta dissertação, comecei por me debruçar sobre uma máquina de soldadura a vapor (VSM) feita à medida, que foi recentemente desenvolvida para a soldadura automatizada de Pol-Gel. Concentrei-me na conceção e validação dos parâmetros de entrada que resultam na transição do estado de polímero para o estado de gel no equipamento concebido. Através de uma extensa caraterização experimental, identifiquei os parâmetros ótimos para o sistema de geração de vapor da VSM, que inclui uma temperatura de 28°C, um tempo de exposição de 140 minutos e um volume de tolueno de 45 mL. Estas condições permitem a transição reversível do polímero para gel e servem como referências valiosas para um maior refinamento e otimização da VSM.Posteriormente, estudei, desenvolvi e optimizei uma nova estratégia de atenuação da rigidez para resolver o problema da incompatibilidade mecânica entre a eletrónica maleável e os microchips. Ao incorporar uma grande estrutura elíptica de ilhas rígidas de poliestireno (PS), consegui uma melhoria significativa na resistência dos circuitos à deformação mecânica. A caraterização eletromecânica revelou que o circuito resultante podia suportar mais de 1065 ciclos de 100% de tensão sem falhas eléctricas. Isto foi conseguido através da técnica reversível de polímero-gel e centrando-se em copolímeros de bloco de estireno e compósitos à base de metal líquido. Uma análise de elementos finitos corroborou ainda mais a eficácia destas modificações de integração na atenuação da concentração de tensões na interface.Por último, para demonstrar uma aplicação, desenvolvi um dispositivo eletrónico para a pele, capaz de monitorizar o perfil de tensão da pele humana, que integra vários sensores de tensão e toda a eletrónica de microchips para aquisição, processamento e transmissão de dados via Bluetooth. Utilizei este dispositivo para demonstrar a monitorização da respiração e do movimento do corpo.Over the last two decades, soft-matter and stretchable electronics have attracted increasing attention due to their promising applications in wearable and flexible devices. However, the integration of rigid solid-state technologies (SST) into soft-matter circuits presents significant challenges due to their inherent mechanical mismatch between the rigid nature of SST and the flexible nature of soft-matter circuits.During the past years, the Soft and Printed Microelectronics (SPM) laboratory of the University of Coimbra developed a technique for incorporation of microchips into soft-matter electronics based on reversible Polymer-Gel (Pol-Gel) technique. This technique involves exposing the polymer substrate to solvent vapor, which induces a reversible physical phase transition from a solid to a gel-like state. In this softened, gel-like state, the substrate exhibits increased conformity, allowing microchips to penetrate both the substrate and conductive ink, thereby facilitating seamless integration of rigid components into the stretchable matrix. In this dissertation, I first focused on a custom-made Vapor Soldering Machine (VSM) that was recently developed to automated Pol-Gel soldering. I focused on design and validating of input parameters that result in the transition form the polymer state to a gel state on the designed equipment. Through extensive experimental characterization, I identified optimal parameters for the VSM's vapor generation system, including a temperature of 28°C, an exposure time of 140 minutes, and a toluene volume of 45 mL. These conditions enable the polymer’s reversible gel transition and serve as valuable benchmarks for further refinement and optimization of the VSM. Afterwards I studied, developed and optimized a novel stiffness-tuning strategy to address the mechanical mismatch between soft electronics and microchips. By incorporating a large elliptical polystyrene (PS) rigid island structure, I achieved a significant improvement in circuit's resilience to mechanical deformation. Electromechanical characterization revealed that the resulting circuit could withstand over 1065 cycles of 100% strain without electrical failure. This was achieved by taking advantage of the reversible Polymer-Gel technique and focusing on styrene block copolymers and liquid metal based composites. A finite element analysis further corroborated the effectiveness of these design modifications in mitigating stress concentration at the interface.Finally, to showcase an application, I developed a wearable electronic skin device capable of monitoring the strain profile of the human skin, which integrate multiple strain sensors, and all microchip electronics for data acquisition, processing and transmission via Bluetooth. I used this device to demonstrate monitoring respiration and body motion.Outro - This dissertation was partially supported by the European Research Council (ERC) consolidator grant Liquid3D, under grant agreement number, Grant agreement ID: 101045072. Research infrastructure, and equipment was provided by the Soft and Printed Microelectronics Laboratory, at Department of Electrical and Computer Engineering of the University of Coimbra, and the Institute of Systems and Robotics. Additionally, funding was received from the project “Embalagem do Futuro”, supported by the Portuguese Recovery and Resilience Plan (PRR) and the Next Generation EU European Funds.2024-09-252030-09-24T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesishttps://hdl.handle.net/10316/117900https://hdl.handle.net/10316/117900TID:203826752engDias, Maria Santosinfo:eu-repo/semantics/embargoedAccessreponame:Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP)instname:FCCN, serviços digitais da FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologiainstacron:RCAAP2025-04-02T17:35:38Zoai:estudogeral.uc.pt:10316/117900Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireinfo@rcaap.ptopendoar:https://opendoar.ac.uk/repository/71602025-05-29T06:11:47.392842Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP) - FCCN, serviços digitais da FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologiafalse
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