Printed Stretchable Interconnects for Wearable Health and Wellbeing Applications

Abstract

Wearable electronics applications have started to emerge in the consumer markets over the past few years, and the market forecasts look promising. Especially sports and healthcare industries have shown interest in the field, as wearables present possibilities of measuring one’s vital signals such as electrocardiography unobtrusively. To improve the unobtrusiveness of the wearable devices, stretchable electronics materials may be a more attractive choice than conventional rigid materials or even flexible materials. The ability of stretchable electronics substrates to adjust to the curvilinear surface of human skin lessens the user’s need to pay attention to the device. The objective of this thesis is to manufacture stretchable interconnects by screen-printing, and to characterize these interconnects. In this thesis, first the theoretical background is covered. Then the printing process is first evaluated by printing test patterns with different line widths, and the limits of the process are found in this manner. Next, special strain test patterns are printed and their initial electrical properties are measured. After this, the samples are stretched and the resistance is measured in real time. This way, the resistance’s proportionality of the strain is characterized for the interconnects. The mechanical properties such as the forces required for the strain and permanent deformations are also measured. Last, a small demonstration of a textile-integrated circuit implemented with stretchable materials is presented. It was discovered, that with the used materials and the used printing process, line width and gap width of 200 µm can be achieved with optimal printing parameters. However, with arbitrary patterns that have numerous different line widths, the optimizing might prove to be complicated. Hence, to have 95% throughput yield the minimum line width that can be used is 440 µm and the minimum gap width is 390 µm. The resulting sheet resistance for the manufactured strain test patterns had a mean value of 36.3 mΩ/□. However, the values had significant deviations, and the process should be optimized in the future. In the strain tests, half of the samples lose conductivity at approximately 74.1% strain. The normalized resistances of the samples rise linearly to approximately 30-40% strain, after which the growth rate starts to increase and is no longer linear. It was also discovered that no cracking can be found from the traces under 30% strains. In the mechanical tests, it was discovered that the force required to stretch these interconnects decreases after one strain cycle, and continues to slightly decrease on the following cycles. Due to this, the stretchable interconnects should be prestretched in the future in order to improve the unobtrusiveness of the application.

Puettavia elektroniikkasovelluksia on alkanut ilmaantua viime vuosina kuluttajamarkkinoilla, ja markkinaennusteet näyttävät lupaavilta. Erityisesti urheilu- ja terveydenhuoltoalat ovat osoittaneet mielenkiintoaan puettavassa elektroniikassa. Esimerkkinä tästä ovat sovellukset, jotka kykenevät mittaamaan sykettä käyttäjää häiritsemättä. Jotta tätä häiritsemättömyyttä voitaisiin parantaa, venyvät elektroniikkamateriaalit ovat parempi materiaalivalinta, kuin jäykkiin tai taipuisiin materiaaleihin perustuva elektroniikka. Venyvien elektroniikkamateriaalien kyky sopeutua ihmisen ihon monimuotoiseen pintaan vähentää käyttäjän tarvetta kiinnittää huomiota laitteeseen. Tämän diplomityön tarkoituksena on valmistaa venyviä johtimia silkkipainotekniikalla, ja karakterisoida näin valmistetut johtimet. Ensimmäisenä tässä työssä kartoitetaan tarvittavat teoreettiset taustat. Seuraavaksi painoprosessin rajat arvioidaan tulostamalla testikuvia eri viivanleveyksiä, ja näin löydetään pienimmät mahdolliset viivanleveydet. Sitten painetaan venytystestikuviot, ja näiden lähtökohtaiset sähköiset ominaisuudet mitataan. Tämän jälkeen näitä näytteitä venytetään, ja resistanssi mitataan reaaliaikaisesti. Tällä tapaa resistanssin riippuvuus venymästä saadaan selvitettyä. Myös johtimien mekaaniset ominaisuudet, kuten venytykseen tarvittavat voimat ja pysyvät muodonmuutokset mitataan. Lopuksi tässä diplomityössä esitellään demonstraatio tekstiiliin integroidusta elektroniikkapiiristä, joka on toteutettu käyttäen venyviä johtimia. Testeissä havaittiin, että käytetyillä materiaalilla ja painoprosessilla, pienin viivan ja aukon leveys mitä voidaan käyttää on 200 µm kun painoparametrit on optimoitu. Mikäli kyseessä on kuvio, jossa on mielivaltainen määrä eri viivanleveyksiä, tällainen optimointi voi osoittautua haastavaksi. Tällaisessa tapauksessa 95 % saannon saavuttamiseksi pienin viivanleveys, jota voidaan käyttää on 440 µm, ja pienin raonleveys jota voidaan käyttää on 390 µm. Venytyskuvionäytteiden sähköiset ominaisuudet mitattiin ennen venytyksiä, ja näiden neliöresistanssien keskiarvo on 36,3 mΩ/□. Näissä arvoissa havaittiin merkittävää hajontaa, joten prosessia tulisi optimoida. Venytystestien perusteella puolet näytteistä menettää johtavuutensa noin 74,1 % venymässä. Näytteiden normalisoitu resistanssi nousee lineaarisesti noin 30–40% venymään saakka, jonka jälkeen kasvunopeus alkaa nousta ja ei ole enää lineaarista. Testeissä myös havaittiin, että mekaanisia vaurioita, kuten halkeamia, ei ole havaittavissa alle 30 % venymillä . Mekaanisissa testeissä havaittiin, että johteiden venyttämiseen tarvittava voima vähenee jokaisella venytyssyklillä. Tästä johtuen johtimien esivenyttämistä tulisi kokeilla tulevaisuudessa, sillä tämä voi parantaa sovellusten käyttömukavuutta.