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Publicação
Fabrication and characterization of cellulose based cantilevers for sensing applications
| Nome: | Descrição: | Tamanho: | Formato: | |
|---|---|---|---|---|
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Autores
Orientador(es)
Resumo(s)
Electronic waste management is a global challenge. The solution lies in the technological
renewal of devices and their materials. The field of sensors can contribute to this technological
reform by focusing on the production of efficient, eco-friendly, and affordable
sensors. This work aims to produce cantilevers on cellulose-based substrates for sensor
applications.
Cantilevers are versatile structures easily integrated into various sensors. On the
other hand, paper serves as a "green" substrate, well-known and implemented in diverse
sensor systems, allowing the adoption of sustainable production methods based on simple,
economical, and industrially reproducible systems.
This study delved into the geometry, optimized production through laser cutting, and
determined the elastic constant of paper cantilevers with dimensions of 1 mm x 5 mm.
Contact profilometry was employed to extract the mechanical properties of different
substrates: i) printing paper with two grammages (80 g.m-2, 120 g.m-2); ii) printing paper
coated with wax or nanofibrillated cellulose membrane; and iii) chromatographic paper.
The cantilevers exhibited elastic constants, k𝑐 , ranging from 1 to 3 N.m-1, with varying
variability between devices. The morphology, roughness, thickness, and elasticity of
the substrates used were analyzed. Additionally, electrodes produced via Laser Induced
Graphene (LIG), inkjet printing, and screen printing were tested, which could be used in
deflection signal reading.
The outcome of this work was the production of model cantilevers. Optimized
devices were achieved on commercial paper substrates of 80 g.m-2 coated with cellulose
membranes, measuring 2 mm x 5 mm, and exhibiting an average k𝑐 of 5 N.m-1. A
silver read-out system printed via screen printing was also tested, displaying an average
resistance of 260 Ω between electrodes.
This prototype validates and reaffirms the potential of cellulose-based cantilevers in
the sensor field.
Agestão do lixo eletrónico éumdesafio global. Asolução passa pela renovação tecnológica dos dispositivos e seus materiais. A área sensorial pode participar nesta reforma tecnológica, privilegiando a produção de sensores eficientes, ecológicos e baratos. Este trabalho visa a produção de cantilevers em substratos celulósicos para aplicações sensoriais. O cantilever é uma estrutura versátil e facilmente integrável em vários sensores. Por outro lado, o papel constitui um substrato “verde”, já conhecido e implementado em diversos sistemas sensoriais, permitindo a adoção de métodos de produção sustentáveis que têm por base sistemas simples, económicos e reproduzíveis à escala industrial. Neste trabalho estudou-se a geometria, otimizou-se a produção por corte a laser e determinou-se a constante elástica de cantilevers de papel com dimensões de 1mmx 5 mm. Foi utilizada a técnica de perfilometria de contacto para se extrair as propriedades mecânicas de diferentes substratos: i) papel de impressão com duas gramagens (80 g.m-2, 120 g.m-2); ii) papel de impressão revestido com cera ou membrana celulósica nanofibrilada e iii) papel cromatográfico. Os cantilevers apresentam constante elástica, k𝑐 , entre 1 e 3 N/m, com diferente variabilidade entre dispositivos. Analisou-se a morfologia, rugosidade, espessura e a elasticidade dos substratos utilizados e ainda foram testados elétrodos, produzidos por LIG (Laser Induced Graphene), inkjet printing e screen printing que poderão ser usados na leitura do sinal de deflexão. O trabalho resultou na produção de cantilevers modelo. Os dispositivos otimizados foram obtidos em substrato de papel comercial 80 g.m-2 revestidos por membranas celulósicas, com dimensões de 2 mm x 5 mm e apresentando um k𝑐 médio de 5 N.m-1. Foi testado ainda um sistema read-out de prata impresso por screen-printing com uma resistência média de 260 Ω entre elétrodos. Este protótipo valida e reafirma o potencial dos cantilevers celulósicos na área sensorial.
Agestão do lixo eletrónico éumdesafio global. Asolução passa pela renovação tecnológica dos dispositivos e seus materiais. A área sensorial pode participar nesta reforma tecnológica, privilegiando a produção de sensores eficientes, ecológicos e baratos. Este trabalho visa a produção de cantilevers em substratos celulósicos para aplicações sensoriais. O cantilever é uma estrutura versátil e facilmente integrável em vários sensores. Por outro lado, o papel constitui um substrato “verde”, já conhecido e implementado em diversos sistemas sensoriais, permitindo a adoção de métodos de produção sustentáveis que têm por base sistemas simples, económicos e reproduzíveis à escala industrial. Neste trabalho estudou-se a geometria, otimizou-se a produção por corte a laser e determinou-se a constante elástica de cantilevers de papel com dimensões de 1mmx 5 mm. Foi utilizada a técnica de perfilometria de contacto para se extrair as propriedades mecânicas de diferentes substratos: i) papel de impressão com duas gramagens (80 g.m-2, 120 g.m-2); ii) papel de impressão revestido com cera ou membrana celulósica nanofibrilada e iii) papel cromatográfico. Os cantilevers apresentam constante elástica, k𝑐 , entre 1 e 3 N/m, com diferente variabilidade entre dispositivos. Analisou-se a morfologia, rugosidade, espessura e a elasticidade dos substratos utilizados e ainda foram testados elétrodos, produzidos por LIG (Laser Induced Graphene), inkjet printing e screen printing que poderão ser usados na leitura do sinal de deflexão. O trabalho resultou na produção de cantilevers modelo. Os dispositivos otimizados foram obtidos em substrato de papel comercial 80 g.m-2 revestidos por membranas celulósicas, com dimensões de 2 mm x 5 mm e apresentando um k𝑐 médio de 5 N.m-1. Foi testado ainda um sistema read-out de prata impresso por screen-printing com uma resistência média de 260 Ω entre elétrodos. Este protótipo valida e reafirma o potencial dos cantilevers celulósicos na área sensorial.
Descrição
Palavras-chave
Paper cantilever sensors profilometry NFC membrane screen printing