Developing new design to improve measurement of printed electronics intelligent shoe insole

Abstract

Käsite johtojen painamisesta paperille keksittiin vuonna 1903, tätä voidaan pitää painetun elektroniikan alkuna, vaikka vain johdotukset tehtiin paperille. Painettua elektroniikkaa on käytetty valmistuksessa 1960- luvulta lähtien, siitä huolimatta edelleen sen räjähdysmäisen kasvun kynnykselle. Painetun elektroniikan valmistusmenetelmiä ja komponentteja on hyödynnetty monissa laitteissa ja sovelluksissa useilla teollisuuden aloilla ja laajassa valikoimassa kulutustavaroita. Viime vuosien tunnetuimmat painettua elektroniikkaa käyttävät tuotteet ovat aurinkokennot ja iPhonet. Useat perinteisen elektroniikan laitteet sisältävät painetun elektroniikan komponentteja niiden joustavuuden, kustannustehokkuuden, pienen, kevyen ja helposti skaalautuvan koon, pienemmän jätemäärän ja ympäristöhyötyjen ansiosta.

Tämä opinnäytetyö tehdään toimeksiantona lääketieteellisen teknologian alalla toimivalle tapausyritykselle. Opinnäytetyön tarkoituksena on kehittää uusi älykäs kengänpohjallinen tapausyritykselle. Uusi muotoilu parantaa mittaustuloksia ja houkuttelee mahdollisesti laajempaa asiakaskohderyhmää. Uudelleen suunnittelua tarvitaan, koska nykyinen pohjallinen ei tarjoa tarpeeksi kattavaa tietoa kunkin asiakaskohderyhmän erityistarpeisiin.

Tämän opinnäytetyön päämääränä ja tavoitteena oli suunnitella uusi älykäs pohjallinen, jolla saadaan tarkempaa tietoa sen lisäpaineantureista ja samalla eliminoida johdotukseen liittyviä rakenteellisia heikkouksia. Tapausyritykselle toimitettiin toisen sukupolven äly kengänpohjallisen suunnittelu ja prototyyppipari, joka valmistettiin painetun elektroniikan silkkipainomenetelmällä. Prototyypin maa- ja johtavien kerrosten tulostus tehtiin Oamkin PrinLabissa.

Teoreettinen viitekehys antaa taustan painetusta elektroniikasta, sen menetelmistä, silkkipainamisesta ja paineantureista. Työn toteutuksen sisältö antaa lukijalle tarkkaa tietoa eri prosesseista suunnittelun, silkkipainatuksen ja tulosten analysoinnin aikana. Lisäksi työn toteutuksessa kerrotaan mitä materiaaleja, koneita ja mittalaitteita käytettiin.

Silkkipaino menetelmällä valmistettiin molempiin jalkoihin useita sähköä johtavia kerroksia ja maakerroksia, joista neljä valittiin lopullista kokoonpanoa varten. Testauksen, analysoinnin ja silmämääräisen tarkastuksen jälkeen voitiin todeta, että tällä menetelmällä onnistuttiin tuottamaan sähköisesti toimiva prototyyppipohjallinen.

The concept of printing wires on paper was invented in 1903, which can be considered as the beginning of printed electronics even only wiring was then made on paper. Printed electronics has been used in manufacturing since 1960’s, and we are still on the cusp of its explosive growth. Printed electronics manufacturing methods and components are utilized in many devices and applications in several industry sectors and wide range of consumer goods. In recent years the most famous products which uses printed electronics are solar cells and iPhones. Many traditional electronics devices contain various printed electronics components due to their flexibility, cost-effectiveness, small, light-weight, and easily scalable size, reduced waste and environmental benefits.

This Master’s thesis was conducted as a commission for a case company operating in the medical technology industry. The purpose of this thesis was to develop a new layout design of intelligent shoe insole for case company. The new design will enhance the measuring results and potentially attract a wider customer target group. The 8-sensor design can bring added value in certain situations, but not in all customer cases.

The goal and main objectives of this thesis was to design a new layout that provides more detailed information from its additional pressure sensors and at the same time eliminate structural weaknesses related to wiring. The case company was provided with a second-generation intelligent shoe insole design and a prototype pair produced with printed electronics using Screen printing method. The printing of the ground and conductive layers of the prototype was done at OAMK PrinLab. The case company was responsible for the final testing of the prototype.

The theoretical framework provides the background on the printed electronics, its methods, the screen printing and pressor sensors. The content of Execution of the work gives the reader detailed information about the different processes during the design, screen printing and analysis of the results. In addition, Execution of the work explains which materials, machines and measuring devices were used.

Using the screen-printing method, several conductive and ground layers were made for both feet, four of which were selected for the final assembly. After the testing, analysing and visual inspection, it could be concluded that this method succeeded producing an electrically functional prototype insoles.