Nanokompozit tabanlı esnek dokunsal sensörler

Esnek elektronik cihazların geleneksel elektronik dünyasında daha fazla yer bulmaya başlamasıyla, akıllı cihazların ve insan–makine arasında daha fazla etkileşim gerektiren uygulamaların birçok alanda kullanımı önemli ölçüde artmıştır. Dışardan gelen mekanik bir etkiyi elektrik sinyallerine dönüştürme işleviyle esnek elektroniğin önemli bir temel taşı olan dokunsal sensörler, elektrofizyolojik sinyallerin takip edilerek hastalık teşhis ve tedavisinin sağlandığı ve protez cihazların işlevlerinin artırıldığı sağlık sektörü başta olmak üzere, ticari veya eğitim amaçlı geliştirilen robotik sistemlerde, sanal ve artırılmış gerçeklik uygulamalarında, yeni nesil dokunmatik ekranların geliştirilmesinde ve yapay zekanın entegre edildiği çeşitli uygulamalarda en temel bileşendir. Bu sebeple, yapılacak geliştirmeler ve iyileştirmeler, esnek dokunsal sensörleri kullanma potansiyeli olan cihaz ve uygulamalarda etkinliği ve performansı doğrudan etkilediği için çok önemli bir yere sahiptir. Esnek dokunsal sensörlerin üretilmesinde kullanılan malzemelerin çeşitliliği, sensörlerin farklı üretim metotları ve çalışma mekanizmaları bu alanda çok geniş bir araştırma yelpazesi sunmaktadır. Bu tez çalışmasında, sensörlerin algılayıcı tabakalarında polimer ve iletken dolgu maddelerinden oluşan polimer nanokompozitler kullanılarak esnek alt tabakalar üzerinde üretim yapılmıştır. Özellikle biyo uyumlu olmaları ve kullanım kolaylığına sahip olmaları sebebiyle polimer olarak polivinil alkol (PVA) ve sodyum aljinat (SA) tercih edilmiştir. Kullanılan iletken dolgu maddeleri arasında ise karbon siyahı (CB), karbon nanotüpler (CNT'ler), grafen nanoplateletler (GnP'ler) ve gümüş nanoparçacıklar (Ag NP'ler) yer almaktadır. Her bir nanokompozit, bir polimerden ve bir dolgu maddesinden oluşacak şekilde farklı nanokompozit üretimleri yapılmış, nanokompozitler karakterize edilmiş ve farklı sensör tasarımlarıyla nanokompozit tabanlı sensörler üretmek amacıyla kullanılmıştır. Elde edilen esnek dokunsal sensörler; PVA–CB, PVA–CNT, PVA–GnP, PVA–Ag NP, SA–CB ve SA–CNT nanokompozitlerine dayalıdır. Kâğıt, eriyik üflemeli ve pamuk kumaşlar üzerinde serigrafi yöntemiyle üretilen dokunsal sensörlere ek olarak, herhangi bir alt tabaka kullanılmadan üretilen sensörler de bulunmaktadır. Üretilen sensörler, farklı basınç değerleri altında elektromekanik ölçümleri alınarak test edilmiştir. Bu testlerde sensörlerin piezorezistif, kapasitif, empedans ve faz açısı özellikleri ve tepki–toparlanma süreleri incelenmiştir. Aynı tasarımla üretilen PVA–fCNT, PVA–GnP ve PVA–Ag NP nanokompozit tabanlı sensörlerde, uygulanan kuvvete karşı faz açısı değişiminin dokunma algılamada kullanılabileceği gösterilmiş ve PVA–Ag NP nanokompozit tabanlı sensör bir eldivene monte edilerek dolu bir şişeyi tutmak ve kaldırmak adımlarından oluşan bir uygulamada, bir empedans analizörü devresi üzerinden alınan ölçümlerle test edilmiştir. SA–CB nanokompozit tabanlı sensör üzerinden, kuvvet uygulanan noktanın ve kuvvetin büyüklüğünün tayin edilmesi konsepti gösterilmiştir. Ayrıca, herhangi bir alt tabaka olmadan üretilen sensörlerin ise belirli frekans aralıklarında frekans cevapları incelenerek eşdeğer devreleri oluşturulmuştur. Elde edilen veriler, polimer nanokompozit tabanlı esnek dokunsal sensörlerin algılama işlevini etkin bir şekilde yerine getirdiğini göstermektedir. Ayrıca, farklı tasarımlarda sensörlerin analizi için empedans ölçümlerinin alınması, aynı anda sensörün hem kapasitif hem de piezorezistif özelliklerini değerlendirme imkânı tanımıştır. Farklı frekans aralıklarında sensörlerin farklı çalışma mekanizmalarına sahip olabileceği ve buna bağlı olarak eşdeğer devrelerinin oluşturulabileceği gösterilmiştir. Direnç ve kapasitans değişiminin dokunmayı algılamada kullanılabilmesi gibi, tasarıma bağlı olarak faz açısı değişiminin de aynı amaçla kullanılabileceği gösterilmiştir.