Design, Modeling and Fabrication of Flexible Sensors for IoE Applications using Emerging Technologies

Resumen

La electrónica flexible y deformable es uno de los campos más prometedores para diversas áreas científicas e industriales, como la piel electrónica, los dispositivos vestibles o los biosensores. Es por ello por lo que existe un gran esfuerzo científico dirigido a la síntesis de materiales flexibles y conductores eléctricos que permitan constituir una alternativa a la electrónica rígida convencional basada en silicio para así satisfacer las necesidades de este tipo de aplicaciones (por ejemplo, flexibilidad, ligereza, transparencia, etc.). Desde que Andre Geim y Konstantin Novoselov fueron galardonados con el Premio Nobel de Física en 2010 por sus innovadores experimentos sobre el material bidimensional grafeno, este ha atraído el interés de muchos investigadores por sus singulares propiedades electroquímicas, mecánicas y ópticas. Sin embargo, aunque es un candidato perfecto para ser usado en el desarrollo de electrónica flexible y estirable, estas expectativas aún no se han materializado en aplicaciones para el usuario final, ya que sus métodos de síntesis actuales siguen siendo costosos y poco escalables. Por ello, el interés de algunas actividades de investigación en torno al grafeno se está desplazando hacia materiales derivados del grafeno que, aunque no presentan una estructura monocapa prístina, sí que cuentan con una parte de las propiedades que hacen al grafeno un material único, con la adicional ventaja de que estar asociados con procesos de síntesis que permiten una producción masiva de muestras de una forma más simple y menos costosa. En este contexto, el objetivo principal de esta tesis es el estudio de materiales derivados del grafeno, como el óxido de grafeno (GO), el óxido de grafeno reducido (rGO) y el grafeno inducido por láser (LIG), para su uso en dispositivos electrónicos flexibles. En concreto, el trabajo realizado durante esta tesis doctoral incluye desde la síntesis y el estudio de estos materiales hasta la explotación de sus propiedades para el desarrollo de dispositivos y aplicaciones para el usuario final. En lo que respecta a los procesos de fabricación, esta tesis se centra en un método escalable basado en procesos fototérmicos asistidos por láser para obtener patrones conductores derivados del grafeno sobre sustratos flexibles, en concreto, grafeno inducido por láser y óxido de grafeno reducido por láser (LrGO). Además de la síntesis por láser de estos nanomateriales, este trabajo también aborda otras técnicas de fabricación para la producción masiva de electrónica flexible sobre sustratos de gran superficie, como la serigrafía (screen-printing) y la inyección de tinta (inkjet printing). Además de la descripción de estas técnicas de fabricación y la caracterización de los diferentes materiales sintetizados, esta tesis presenta diferentes tipos de sensores y dispositivos basados en estos materiales, incluyendo sensores de temperatura y humedad, calentadores (heaters), supercondensadores y electrodos para electrocardiografía (ECG). Además, algunos de estos dispositivos han sido estudiados en aplicaciones finales. Así, los sensores de temperatura basados en LrGO se integraron en un nodo sensor IoT con capacidad de transmisión Bluetooth Low Energy, mientras que los electrodos de ECG se probaron en combinación con un wearable comercial y técnicas de procesamiento personalizadas con el fin de ser utilizados para la monitorización ubicua y a largo plazo de la frecuencia cardíaca. Además, este trabajo también presenta una investigación pionera sobre la fabricación de memristores de óxido de grafeno litografiados por láser. Por último, también se ha abordado el uso de memristores para la implementación de emuladores de memcondensadores y meminductores. Los once artículos publicados en revistas indexadas y la contribución a una conferencia de relevancia internacional reflejan el éxito de los resultados obtenidos durante esta tesis.