Materiaalin valinta puettavaan elektroniseen mittalaitteeseen

Abstract

Puettavasta elektroniikasta on noussut jatkuvasti kasvava markkina. Kuitenkin puettavan elektroniikan materiaalitarpeet ovat hyvin erilaiset verrattuna perinteisen elektroniikan materiaaleihin. Puettavassa elektroniikassa laitteet joutuvat kokemaan toistuvaa venytystä ja taipumista, sekä muotoutumaan kolmiulotteisille pinnoille. Lisäksi tämän kaiken pitäisi pystyä tapahtumaan suhteellisen pienillä voimilla, joten myös materiaalin kimmomodulin tulisi olla pieni. Tässä työssä keskityttiin etsimään materiaalia puettavaan voimaa mittaavaan laitteeseen, joten materiaalin puristuvuus ja elastisuus nousivat tärkeään rooliin. Elastomeerit ovat niiden poikkeuksellisien ominaisuuksiensa ansiosta herättäneet mielenkiinnon puettavan elektroniikan kehityksessä. Elastomeerit pystyvät venymään pienillä jännityksillä suuria määriä ja palautumaan takaisin alkuperäisiin muotoihinsa. Lisäksi elastomeerit ovat luonnostaan eristeitä ja toimivat hyvinä dielektreinä kapasitiivisissa mittalaitteissa. Kuitenkin elastomeerien viskoelastinen käyttäytyminen vaikeuttaa materiaalin mallinnusta. Lisäksi mallinnusta vaikeuttaa puettavan ympäristön tuoma muuttuva ympäristö, jossa lämpötila vaihtelee ja mittalaitteeseen kohdistuu kuormituksia eri myötönopeuksilla. Tässä diplomityössä tutkittiin materiaalivaihtoehtoja puettavaan voimaa mittaavaan laitteeseen. Solukumi oli erityisen mielenkiinnon kohteena sen puristuvuuden ja palautumisen ansiosta. Teoreettisessa osassa käydään läpi kumin ja solukumin mekaanisia ja sähköisiä ominaisuuksia. Työn kokeellinen osuus oli rajattu käsittelemään vain markkinoilta valmiiksi saataviin solukumilevyihin. Työssä tutkittiin eri materiaaleista valmistettuja solukumilevyjä, joiden tiheydet vaihtelivat kevyestä raskaaseen. Solukuminäytteistä mitattiin niiden kovuus, puristus- ja virumisominaisuudet, viskoelastinen käyttäytyminen, sekä suhteellinen permittiivisyys ja sen muuttumista puristumisen funktiona. Työssä vertailtiin solukumien kovuuksien ja tiheyksien vaikutusta niiden mekaanisiin ominaisuuksiin, sekä käytiin läpi eri materiaalien mittauksissa havaittuja hyviä ja huonoja puolia. Tuloksista ei saatu selville yhtä kaikkia tavoitteita täyttävää materiaalia, mutta tulokset helpottavat optimaalisen materiaalin etsintää. Tulosten perusteella esitetään jatkotutkimuskohteita paremman materiaalin etsintään ja parannusehdotuksia tehdyille tutkimusmenetelmille.