Development of wearable electronic devices, on low-cost flexible support for gas sensing applications

Abstract

Aquesta tesi combina materials de baixa dimensió per a la detecció de gasos amb dispositius electrònics per recopilar dades ambientals. La tesi aborda la base de coneixements per dissenyar i desenvolupar dispositius portàtils en suports flexibles de baix cost per monitoritzar l’exposició humana a gasos objectiu. La primera part proporciona dades sobre gasos contaminants i la seva relació amb el benestar humà. Presenta una visió general dels sensors de gasos i les principals característiques que haurien de tenir les properes generacions de dispositius electrònics per a aquestes aplicacions, com IoT i ANNs. En segon lloc, es va utilitzar AACVD per sintetitzar sensors basats en WO3. Es van avaluar les respostes dels sensors davant de gasos com NO2, EtOH i H2. Les dades mesurades es van processar utilitzant PCA y MLP per discriminar i quantificar els gasos. En tercer lloc, es va dissenyar i configurar una plataforma TRL-4 per interconnectar sensors quimico-resistius. La plataforma consta de diversos nodes connectats a un servidor centralitzat mitjançant el protocol MQTT de IoT. Es presenta una metodologia per configurar la plataforma quan es desplega en diferents escenaris o s’interconnecta amb altres sensors. Per desenvolupar aquesta metodologia es van mesurar NO2 i NH3, tant de manera individual (sota variacions de % HR) com en la seva mescla. Es proporcionen tots els detalls sobre el disseny del maquinari, el programari i el procés d’entrenament de ANNs. La secció final de la tesi presenta la fabricació de sensors basats en grafè que incorporen IDEs en la mateixa PCB flexible que els components electrònics. Els sensors basats en grafè es van obtenir mitjançant la tècnica airbrushing. Es va fabricar un dispositiu portàtil amb NFC per detecció de NO2. El dispositiu portàtil obtingut es pot fixar fàcilment a una armilla de treball, permetent una integració senzilla en qualsevol entorn laboral.

Esta tesis combina materiales de baja dimensión para la detección de gases con dispositivos electrónicos para recopilar datos ambientales. La tesis aborda la base de conocimientos para diseñar y desarrollar dispositivos portátiles en soportes flexibles de bajo costo para monitorizar la exposición humana a gases. La primera parte proporciona datos sobre gases contaminantes y su relación con el bienestar humano. Presenta una visión general de los sensores de gases y las principales características que deberían tener las próximas generaciones de dispositivos electrónicos para estas aplicaciones, como IoT y ANNs. En segundo lugar, se utilizó AACVD para sintetizar sensores basados en WO3 en sustratos de alúmina con IDEs de platino. Se evaluaron las respuestas de los sensores frente a gases como NO2, EtOH y H2. Los datos medidos se procesaron utilizando un enfoque multivariable, empleando PCA y MPL para discriminar y cuantificar los gases. En tercer lugar, se diseñó y configuró una plataforma en TRL-4 para conectar sensores químico-resistivos. La plataforma consta de varios nodos conectados a un servidor centralizado utilizando el protocolo MQTT de IoT. Se presenta una metodología para configurar la plataforma cuando se despliega en diferentes escenarios o se interconecta con otros sensores. Para desarrollar esta metodología se midieron NO2 y NH3, tanto de forma individual (bajo variaciones de % HR) como en su mezcla. Se proporcionan todos los detalles sobre el diseño del hardware, el software y el proceso de entrenamiento de ANNs. Finalmente se presenta la fabricación de sensores basados en grafeno que incorporan IDEs en el mismo PCB flexible que los componentes electrónicos. Los sensores basados en grafeno se obtuvieron utilizando la técnica de deposición airbrushing. Se fabricó un dispositivo wearable con comunicación NFC para detección de NO2. Este puede acoplarse fácilmente a un chaleco de trabajo, permitiendo una integración sencilla en cualquier entorno laboral.

This thesis combines low-dimensional materials for gas sensing with electronic devices to collect environmental data such as pollution and air quality. The thesis reaches the knowledge base of designing and developing wearable devices on low-cost flexible support to monitor humans' exposure to target gases. The first part gives historical statistical data on pollutant gases and their relationship with human well-being. It presents an overview of gas sensors and the main characteristics next-generation electronics for gas sensing applications should have such as IoT and ANNs. Second, AACVD was used to synthesize WO3-based sensors on alumina substrates with platinum-IDEs. Sensors´ responses were evaluated towards oxidizing and reducing gases such as NO2, EtOH, and H2. Measured data was collected as a sensor array and was processed using a multivariate approach. Then, PCA and MPL were employed to obtain high discrimination and quantization ability. Third, to interface this type of chemoresistor gas sensors a technology readiness level (TRL-4) platform was designed and set up. The platform consists of several nodes (electronics boards) connected to a centralized server using the MQTT IoT protocol. A methodology is presented to set up the platform when deployed in different scenarios or interfacing with other sensors. To develop this methodology two pollutant gases were measured, NO2 and NH3, in a single form (under % RH variation) and under their mixture. Full details about the design of hardware, software, and ANNs training process are given. The final section of the thesis presents the fabrication of graphene-based sensors incorporating interdigitated electrodes in the same flexible printed circuit board as the electronics. Graphene-based sensors were obtained using the airbrushing deposition technique. A cumulative NFC wearable for NO2 sensing applications was fabricated. The obtained wearable device can be easily attached to a working vest allowing simple integration in any working environment.