Development of a biomedical device with printed electronics technology
Ανάπτυξη βιοϊατρικής διάταξης με τεχνολογία τυπωμένων ηλεκτρονικών
Keywords
Biomedical devices ; Flexible sensor ; Thermochromic inks ; Temperature patch ; Screen-printing ; Temperature coefficient ; ESP32 ; IoT ; Internet of things ; Web server ; BluetoothAbstract
The development of flexible electronic devices with printed electronics technology has recently attracted significant interest from scientists and researchers. This project focuses on the fabrication of flexible sensors, via printing technologies, with applications in medicine and biomedical engineering. Flexible biomedical sensors, make ideal use in wearable devices and other applications, where a traditional sensor would not be feasible. Specifically, in the context of this work, the primary focus lies in the design, fabrication and characterization of a flexible temperature sensor, implementedfor biomedical applications. This sensor is fabricated with screen-printing technology and its main element is Thermochromic (TC) inks, which alter their color in response to temperature. Several critical parameters, including, the sensor’s structure, the substrate material, the electrical, thermal-optical properties and overall performance, are evaluated to ensure the successful development of the sensor. The initial objective is to obtain experimental measurements to correlate the resistance with the temperature developed in the device. The sensitivity of the sensor mainly depends on the temperature coefficient of resistance (TCR), which was experimentally found to have a negative temperature coefficient (NTC), which implies a decrease in resistance in response to the increasing temperature. The analysis is followed by the correlation of the thermal field of the sensor through a thermal (IR) camera, with the optical field via photography. In combination with the fabricated sensor, an electronic setup based on the ESP32-WROOM-32D microcontroller, a voltage divider and a Wheatstone bridge, is also developed. In this setup, the microcontroller reads the resistance of the sensor and uses its temperature coefficient of resistance to calculate the detected temperature which then, logs it. The recorded data is then displayed in real-time to the user via a web server, IoT, or Bluetooth application. This device provides a solid foundation for the development of new types of flexible temperature sensors, holding significant promise both in the medical field and patient care.
Abstract
Η ανάπτυξη των εύκαμπτων ηλεκτρονικών διατάξεων με τεχνολογία τυπωμένων ηλεκτρονικών, έχει λάβει τα τελευταία χρόνια ένα ευρύ ενδιαφέρον από επιστήμονες και ερευνητές. Η συγκεκριμένη εργασία επικεντρώνεται στους εύκαμπτους αισθητήρες, οι οποίοι κατασκευάζονται με τεχνολογίες εκτύπωσης, με εφαρμογές στο τομέα της βιοϊατρικής. Οι εύκαμπτοι αισθητήρες με εφαρμογές στη βιοϊατρική, είναι ιδανικοί για χρήση σε φορητές διατάξεις (wearables) και άλλες εφαρμογές, όπου η χρήση ενός παραδοσιακού αισθητήρα θα ήταν μη εφικτή. Ειδικότερα, στα πλαίσια της συγκεκριμένης εργασίας αναλύεται ο σχεδιασμός, η κατασκευή και ο χαρακτηρισμός, ενός εύκαμπτου αισθητήρα μέτρησης της θερμοκρασίας, για βιοϊατρικούς σκοπούς. Ο αισθητήρας αυτός κατασκευάστηκε με screen-printing τεχνολογία και βασικό του στοιχείο είναι τα θερμοχρωμικά (Thermochromic – TC) μελάνια, τα οποία μεταβάλλουν το χρώμα τους αναλόγως τη μεταβολή της θερμοκρασίας. Η δομή, το υλικό του υποστρώματος, οι ηλεκτρικές ιδιότητες συναρτήσει της θερμοκρασίας και η απόδοση, είναι οι παράγοντες που αναλύονται για την ανάπτυξη και αξιολόγηση του αισθητήρα. Αρχικός στόχος είναι η λήψη πειραματικών μετρήσεων για την συσχέτιση της αντίστασης με τη θερμοκρασία που αναπτύσσεται στη δομή. Η ευαισθησία του αισθητήρα, εξαρτάται κυρίως από τον θερμοκρασιακό συντελεστή (TCR), ο οποίος βρέθηκε πειραματικά ότι έχει αρνητική τιμή, γεγονός που συνεπάγεται μείωση της αντίστασης με την αύξηση της θερμοκρασίας (NTC). Στη συνέχεια, ακολούθησε η συσχέτιση του θερμικού πεδίου του αισθητήρα μέσω θερμικής (IR) κάμερας, με το οπτικό πεδίο μέσω φωτογραφίας. Η χρήση του εύκαμπτου αισθητήρα θερμοκρασίας επαληθεύεται με την ενσωμάτωσή του σε μια ηλεκτρονική διάταξη, βασιζόμενη στον ESP32-WROOM-32D, έναν διαιρέτη τάσης και μια γέφυρα Wheatstone. Ειδικότερα, ο μικροελεγκτής διαβάζει την αντίσταση του αισθητήρα, και χρησιμοποιεί τον θερμοκρασιακό συντελεστή του για να υπολογίσει τη θερμοκρασία, την οποία και καταγράφει. Ύστερα, τα καταγεγραμμένα δεδομένα εμφανίζονται στον χρήστη σε πραγματικό χρόνο, μέσω εφαρμογής στο διαδίκτυο, στο Arduino IoT, ή Bluetooth εφαρμογής στο κινητό. Με το τρόπο αυτό, διασφαλίζεται η διαρκής επικοινωνία του αισθητήρα με τον έξω κόσμο. Η διάταξη αυτή αποτελεί ένα ουσιαστικό βήμα για νέους τύπους εύκαμπτων αισθητήρων μέτρησης της θερμοκρασίας με εφαρμογές στην ιατρική και τις βιοϊατρικές επιστήμες.