User-interactive wirelessly-communicating “smart” textiles made from multimaterial fibers

En raison de la nature intime des interactions homme-textiles (essentiellement, nous sommes entourés par les textiles 24/7 - soit sous la forme de vêtements que nous portons ou comme rembourrage dans nos voitures, maisons, bureaux, etc.), les textiles intelligents sont devenus des plates-formes de plus en plus attrayantes pour les réseaux de capteurs innovants biomédicaux, transducteurs, et des microprocesseurs dédiés à la surveillance continue de la santé. En même temps, l'approche commune dans le domaine des textiles intelligents consiste en l'adaptation de la microélectronique planaire classique à une sorte de substrat souple. Cela se traduit souvent par de mauvaises propriétés mécaniques et donc des compromis au niveau du confort et de l'acceptation des usagers, qui à leur tour peuvent probablement expliquer pourquoi ces solutions émergent rarement du laboratoire et, à l'exception de certains cas très spécifiques, ne soit pas utilisés dans la vie de tous les jours. Par ailleurs, nous assistons présentement à un changement de paradigme au niveau de l'informatique autonome classique vers le concept de calculs distribués (ou informatique en nuage). Dans ce cas, la puissance de calcul du nœud individuel ou d'un dispositif de textile intelligent est moins importante que la capacité de transmettre des données à l'Internet. Dans ce travail, je propose une nouvelle approche basée sur l'intégration de polymère, verre et métal dans des structures de fibres miniaturisées afin de réaliser des dispositifs de textiles intelligents de prochaine génération avec des fonctionnalités de niveau supérieur (comme la communication sans fil, la reconnaissance tactile, les interconnexions électriques) tout en ayant une forme minimalement envahissante. Tout d'abord, j'étudie différents modèles d'antennes compatibles avec la géométrie des fibres et des techniques de fabrication. Ensuite, je démontre expérimentalement que ces antennes en fibres multi-matériaux peuvent être intégrées dans les textiles lors d’un processus standard de fabrication de textiles. Les tests effectués sur ces textiles ont montré que, pour les scénarios «sur-corps et hors-corps», les propriétés émissives en termes de perte de retour (S11), le patron (diagramme) de radiation, l'efficacité (gain), et le taux d'erreur binaire (TEB) sont directement comparables à des solutions classiques rigides. Ces antennes sont adéquates pour les communications à courte portée des applications de communications sans fil ayant un débit de données de Mo/s (méga-octets par seconde) (via protocoles Bluetooth et IEEE 802.15.4 à la fréquence de 2,4 GHz). Des simulations numériques de taux d'absorption spécifique démontrent également le plein respect des règles de sécurité imposées par Industrie Canada pour les réseaux sans fil à proximité du corps humain. Puisque les matériaux composites de fibres métal-verre-polymère sont fabriqués en utilisant des fibres de silice creuses de diamètre submillimétrique et la technique de dépôt d'argent à l'état liquide, les éléments conducteurs sont protégés de l'environnement et ceci préserve aussi les propriétés mécaniques et esthétiques des vêtements. Cet aspect est confirmé par des essais correspondant aux normes de l'industrie du textile, l'étirement standard et des essais de flexion. De plus, appliquer des revêtements superhydrophobes (WCA = 152º, SA = 6º) permet une communication sans fil sans interruption de ces textiles sous l'application directe de l'eau, même après plusieurs cycles de lavage. Enfin, le prototype de textile intelligent fabriqué interagit avec l'utilisateur à travers un détecteur tactile et transmet les données tactiles à travers le protocole Bluetooth à un smartphone. Cette démonstration valide l’approche des fibres multi-matériaux pour une variété d'applications.As we are surrounded by textiles 24/7, either in the form of garments that we wear or as upholstery in our cars, homes, offices, etc., textiles are especially attractive platforms for arrays of innovative biomedical sensors, transducers, and microprocessors dedicated, among other applications, to continuous health monitoring. In the same time, the common approach in the field of smart textiles consists in adaptation of conventional planar microelectronics to some kind of flexible substrate, which often results in poor mechanical properties and thus compromises wearing comfort and complicates garment care, which results in low user acceptance. This explains why such solutions rarely emerge from the lab and, with the exception of some very specific cases, cannot be seen in the everyday life. Furthermore, we are currently witnessing a global shift from classical standalone computing to the concept of distributed computation (e.g. so-called thin clients and cloud storage). In this context, the computation power of the individual node or smart textile device in this case, becomes progressively less important than the ability to relay data to the Internet. In this work, I propose a novel approach based on the idea of integration of polymer, glass and metal into miniaturized fiber structures in order to achieve next-generation smart textile devices with higher-level functionalities, such as wireless communication, touch recognition, electrical interconnects, with minimally-invasive attributes. First, I investigate different possible fiber-shaped antenna designs and fabrication techniques. Next, I experimentally demonstrate that such multi-material fiber antennas can be integrated into textiles during standard textile manufacturing process. Tests conducted on these textiles have shown that, for on-body and off-body scenarios, the emissive properties in terms of return loss (S11), radiation pattern, efficiency (gain), and bit-error rate (BER) are directly comparable to classic ‘rigid’ solutions and adequately address short-range wireless communications applications at Mbps data-rates (via Bluetooth and IEEE 802.15.4 protocols at 2.4 GHz frequency). Numerical simulations of the specific absorption rate (SAR) also demonstrate full compliance with safety regulations imposed by Industry Canada for wireless body area network devices. Since metal-glass-polymer fiber composites were fabricated using sub-millimetre hollow-core silica fibers and liquid state silver deposition technique, the conductor elements are shielded against the environment and preserve the mechanical and cosmetic properties of the garments. This is confirmed by the textile industry standard stretching and bending tests. Additionally, applied superhydrophobic coatings (WCA=152º, SA=6º) allow uninterrupted wireless communication of the textiles under direct water application even after multiple washing cycles. Finally, I fabricated a user-interactive and wireless-communicating smart textile prototype, that interacts with the user through capacitive touch-sensing and relays the touch data through Bluetooth protocol to a smartphone. This demonstration validates that the proposed approach based on multi-material fibers is suitable for applications to sensor fabrics and bio-sensing textiles connected in real time to mobile communications infrastructures, suitable for a variety of health and life science applications

Une plate-forme sans fil pour electrochimique spectroscopie d'impédance

Avec l’émergence soutenue de capteurs et de dispositifs électrochimiques innovants, la spectroscopie d'impédance électrochimique est devenue l'un des outils les plus importants pour la caractérisation et la modélisation de la matière ionique et de l'interfaçage des capteurs. La capacité de détecter automatiquement, à l’aide de dispositifs électrochimiques peu couteux, les caractéristiques physiques et chimiques de la matière ionique ouvre une gamme d’application très variée pour la compréhension et l’optimisation des procédés ou interviennent les processus électrochimiques. Cette thèse décrit le développement d’une plate-forme microélectronique miniaturisée, connectée, multiplexée, et à faible coût pour la spectroscopie d'impédance diélectrique (SID) conçue pour les mesures électrochimiques in-situ et adaptée aux architectures de réseau sans fil. La plate-forme développée durant ce travail de maitrise a été testée et validée au sein d’une maille ZigBee et a été en mesure d'interfacer jusqu'à trois capteurs SID en même temps et de relayer l'information à travers le net Zigbee pour l'analyse de données et le stockage. Le système a été construit à partir de composants microélectroniques disponibles commercialement et bénéficie des avantages d'une calibration système on-the-fly qui effectue la calibration du capteur de manière aisée. Dans ce mémoire de maitrise, nous rapportons la modélisation et la caractérisation de senseurs électrochimiques de nitrate; notamment nous décrivons la conception microélectronique, la réponse d'impédance de Nyquist, la sensibilité et la précision de la mesure électrochimique, et les résultats de tests de la plate-forme pour les applications de spectroscopie d'impédance relatives à la détection du nitrate, de la détection de la qualité de l'eau, et des senseurs tactiles.The emergence of the various applications of electrochemical sensors and devices, electrochemical impedance spectroscopy became one of the most important tools for characterizing and modeling of the material and interfacing the sensors. The ability to sense in an automatic manner enables a wide variety of processes to be better understood and optimized cost-effectively. This thesis describes the development of a low-cost, miniaturized, multiplexed, and connected platform for dielectric impedance spectroscopy (DIS) designed for in-situ measurements and adapted to wireless network architectures. The platform has been tested and used as a DIS sensor node on a ZigBee mesh and was able to interface up to three DIS sensors at the same time and relay the information through the Zigbee net for data analysis and storage. The system was built from commercial microelectronics components and benefits from an on-the-fly calibration system that makes sensor calibration easy. The thesis reports characterizing and modeling of two electro-chemical devices (i.e. nitrate sensor and optically-transparent electrically-conductive glasses) and also describes the microelectronics design, the Nyquist impedance response, the measurement sensitivity and accuracy, and the testing of the platform for in-situ dielectric impedance spectroscopy applications pertaining to fertilizer sensing, water quality sensing, and touch sensing