Methods of Printing Wearable Sensors

Abstract

This thesis examines the methods of printing wearable electrochemical sensors with a focus on traditional printing technologies adapted for producing flexible, cost-effective, and functional devices. The aim of the study is to analyse and compare different printing methods used in the development of wearable sensors in terms of performance, reliability and economic and ecological aspects. The work is a literature review of existing research on wearable electrochemical sensing and printed electronics.

First the principles of electrochemical sensors are introduced and their applications in wearable devices in healthcare, sports, and safety fields, particularly for monitoring biomarkers from bodily fluids such as sweat and interstitial fluid. Then the requirements of wearable sensors are explored, including flexibility, reliability and resistance to mechanical stress.

Four printing methods are examined: screen printing, contact printing (including gravure, flexography, and stamp transfer printing), inkjet printing and 3D-printing. Each method is evaluated based on its suitability for wearable sensor fabrication, considering factors such as ink properties, resolution, scalability, and compatibility with flexible and stretchable substrates.

The results show that printing technologies offer significant potential for producing wearable electrochemical sensors, particularly due to their scalability and adaptability. However, challenges remain for large-scale commercialization, including material costs, biofouling, limited durability. The study concludes that combining different printing techniques and advancing material development could enhance the performance and accessibility of wearable sensors in the future.

Tämä kandidaatintyö tarkastelee puettavien sähkökemiallisten sensorien valmistusta paino- ja tulostusmenetelmillä keskittyen perinteisiin tekniikoihin, jotka on mukautettu joustavien, kustannustehokkaiden ja toiminnallisten laitteiden valmistukseen. Tutkimuksen tavoitteena on analysoida ja vertailla erilaisia puettavien sensorien valmistuksessa käytettyjä paino- ja tulostusmenetelmiä suorituskyvyn, luotettavuuden sekä taloudellisesta ja ekologisesta näkökulmasta. Työ on kirjallisuuskatsaus olemassa olevista tutkimuksista liittyen puettaviin sähkökemiallisiin sensoreihin ja painettuun elektroniikkaan.

Ensin käydään läpi sähkökemiallisten sensorien toimintaperiaatteet ja niiden sovellukset puettavissa laitteissa, erityisesti keskittyen, miten biomarkkereita tutkitaan kehon nesteistä, kuten hiestä ja kudosnesteestä. Sen jälkeen käsitellään puettavien sensorien vaatimuksia, joita ovat mm. joustavuus, luotettavuus sekä kestävyys mekaanisessa rasituksessa.

Työssä esitellään tarkemmin neljä paino- ja tulostusmenetelmää: silkkipaino, kontaktipaino (mukaan lukien syväpaino, fleksografia ja leimasinpaino), mustesuihkutulostus ja 3D-tulostus. Kutakin menetelmää arvioidaan sen soveltuvuuden perusteella puettavien sensorien valmistukseen ottaen huomioon eri tekijöitä, kuten musteen ominaisuudet, resoluutio, skaalautuvuus ja yhteensopivuus joustavien ja venyvien painopintojen kanssa.

Tulokset osoittavat, että paino- ja tulostustekniikat tarjoavat merkittävää potentiaalia puettavien sähkökemiallisten sensorien tuottamiseen. Laajamittainen kaupallistamisessa on kuitenkin haasteita, kuten korkeat materiaalikustannukset, biolikaantuminen ja rajallinen kestävyys. Tutkimuksen päätelmänä on, että eri paino- ja tulostustekniikoiden yhdistäminen ja materiaalien kehittämisen edistäminen voisivat parantaa puettavien sensorien suorituskykyä ja saatavuutta tulevaisuudessa.