Novel sensor and switch applications for flexible and stretchable electronic materials

Abstract In this thesis flexible electronics composite materials were developed and utilized in pressure sensors. Additionally, stretchable materials based on piezoresistive structures were fabricated and their feasibility for printed electronics switches and stretchable strain sensors was investigated. In the first part of the thesis two types of composite materials were developed based on polyurethane foam with added carbon powder and on liquid crystal polymer with ceramic powder. The first developed composite was utilized in piezoresistive and capacitive hybrid sensors and the latter one for an additive manufactured piezoelectric sensor strip suitable for operation at elevated temperatures. The formable hybrid sensor achieved a maximum pressure sensitivity of 0.338 kPa-1 with response and recovery times less than 200 ms at pressures over 200 kPa and also showed a linear response. The sensor could be utilized, for example, in wearable electronics and robotics. The new type of piezoelectric material showed piezoelectric coefficients of d33 > 14 pC/N and g33 > 108 mVm/N at pressure below 10 kPa with a wide pressure sensing range up to 4.5 MPa. This was higher than that previously achieved for materials fabricated using traditional printing techniques. The piezoelectric sensor would be suitable for industrial process control at elevated temperatures. In the second part of the thesis the stretchable materials were utilized in a new type of piezoresistive structure to fabricate one of the first stretchable switches and a machine washable self-adherable strain sensor. The developed stretchable switch could be actuated with either stretching or vibration with a minimum movement of < 2 μm. The versatile strain sensor with a tunable resistance-strain characteristic achieved the currently highest reported gauge factor (>105) at > 70% stretching. The strain sensor could be utilized for sensing human body movements and physiological signals.Tiivistelmä Väitöstyössä kehitettiin joustavan elektroniikan komposiittimateriaaleja, joita hyödynnettiin paineantureissa sekä käytettiin venytettäviä materiaaleja painettavan elektroniikan kytkimen ja venymäanturin valmistukseen. Työn ensimmäisessä osassa kehitettiin kahdenlaisia komposiittimateriaaleja, joista ensimmäinen pohjautui polyuretaanivaahtoihin, joihin sisällytettiin hiilijauhetta, sekä toinen nestekidepolymeeriin, johon lisättiin keraamijauhetta. Ensimmäistä kehitettyä komposiittia hyödynnettiin pietsoresistiivisessä ja -kapasitiivisessa hybridianturissa ja jälkimmäistä lisäaine valmistettavassa pietsosähköisessä anturinauhassa, joka soveltui kohotettuihin lämpötiloihin. Muovattavalla hybridianturilla saavutettiin herkkyyden maksimiarvoksi 0.338 kPa-1, alle 200 ms vaste- ja palautumisajat yli 200 kPa paineessa ja lineaarinen vaste. Anturia voitaisiin monipuolisesti hyödyntää mm. puettavassa elektroniikassa ja robotiikassa. Uudenlaisella pietsosähköisellä materiaalilla saavutettiin pietsosähköiset kertoimet (d33 > 14 pC/N ja g33 > 108 mVm/N < 10 kPa paineessa), jotka olivat korkeammat kuin perinteisin tulostusmenetelmin valmistetuilla materiaaleilla. Pietsosähköinen anturi soveltuisi mm. teolliseen prosessivalvontaan kohotetuissa lämpötiloissa. Toisessa osassa hyödynnettiin venytettäviä materiaaleja uudentyyppisissä pietsoresistiivisissä rakenteissa ensimmäisten venytettävän painettavan elektroniikan kytkimen sekä konepestävän itsekiinnityttävän venymäanturin valmistamiseksi. Tulokset on esitetty kahdessa julkaisussa, joista ensimmäinen keskittyi kytkimen valmistamiseen ja toimintaan sekä toinen venymäanturin toimintaan ihmiskehon liikkeen ja signaalien mittaamiseksi. Kehitettyä kytkintä voitiin aktuoida monipuolisesti esim. venytyksen tai värinän avulla alle 2 μm liikkeellä. Monipuolisella venymäanturilla saavutettiin säädettävä resistanssi-venymä suhde korkeimmalla tähän asti ilmoitettu herkkyydellä (>105) yli 70% venytyksellä. Venymäanturia voitiin hyödyntää ihmiskehon liikkeiden ja fysiologisten signaalien mittaamiseen