Abstract This thesis investigates the reliability of printed conductors on flexible substrates under cyclic bending. The topic is approached by studying the effects of several key design parameters on the bending lifetime of printed conductors under dynamic loading. In this thesis, the test specimens with various cross-sectional geometries were printed on different plastic and paper substrates. The test samples were fabricated with two printing methods, silk screen and roll-to-roll printing, by utilizing three different silver pastes as the conductive material. To evaluate the long-term performance of the printed traces, the test specimens were exposed to cyclic bending and their electrical behaviour during the test was monitored with resistance measurements. The bending test results were analysed by utilizing the Weibull analysis, with a 20% increase in resistance as the failure criterion. This method yielded a characteristic lifetime for a test population, including 10 individual test specimens. When comparing the characteristic lifetimes of all of the fabricated test populations, it was observed that all of the varied design parameters had an effect on the bending reliability of the printed traces. However, within the studied geometries and materials, the substrate was found to have the highest impact on the long-term electrical performance of printed conductors under cyclic bending. The study proves that the bending reliability of printed conductors can be enhanced by proper design choices. This is done by minimizing the strain when the printed trace is subjected to bending. / Tiivistelmä Tässä työssä tutkitaan joustaville substraateille painettujen johdinten luotettavuutta syklisessä taivutuksessa. Aihetta lähestytään tutkimalla useiden tärkeiden suunnitteluparametrien vaikutusta painettujen johdinten elinikään dynaamisessa rasituksessa. Työssä painettiin poikkileikkausgeometrialtaan vaihtelevia testirakenteita erilaisille muovi- ja paperisubstraateille. Testinäytteet valmistettiin käyttäen kahta painotekniikkaa, silkkipainoa ja rullalta rullalle painoa, hyödyntäen kolmea erilaista hopeapastaa johtavana materiaalina. Painettujen johdinten pitkäaikaisen suorituskyvyn arvioimiseksi testinäytteet altistettiin sykliselle taivutukselle ja niiden sähköistä käyttäytymistä monitoroitiin testin aikana resistanssimittauksilla. Taivutustestin tulokset analysoitiin Weibull analyysin avulla käyttäen 20%:n kasvua resistanssissa vikakriteerinä. Tämän menetelmän lopputuloksena saatiin karakteristinen elinikä testipopulaatiolle koostuen kymmenestä yksittäisestä testinäytteestä. Vertailtaessa kaikkien valmistettujen testipopulaatioiden karakteristisiä elinikiä, havaittiin kaikilla vaihdelluilla parametreilla olevan vaikutusta painettujen johdinten luotettavuuteen. Tästä huolimatta, tutkittujen geometrioiden ja materiaalien rajoissa, substraatilla todettiin olevan suurin vaikutus painettujen johdinten pitkä-aikaiseen sähköiseen suorituskykyyn syklisessä taivutuksessa. Tämä tutkimus osoittaa, että painettujen johdinten taivutusluotettavuutta voidaan parantaa oikeilla suunnitteluvalinnoilla. Tämä voidaan toteuttaa minimoimalla venymä painetun johtimen ollessa taivutuksessa.

Abstract The world is rapidly developing into a networked society, where people, machines, data, services and applications are tightly integrated by means of information and communications technology. The members of Wireless Sensor requires solutions to support the unprecedented level of the system’s pervasion and heterogeneity, solutions which are missing today. Today’s device-level design procedures are an obstacle in the transition to this heterogeneous future, which demands diverse Internet of Things (IoT) devices, including low-end and low-power ones. Reducing the design and production costs of devices in low to mid-scale production quantities, requires new approaches to cope with application versatility. To address this problem, this thesis proposes a novel wireless sensor and actuator network (WSAN)/IoT device design methodology based on the combination of two approaches: platform-based design and autoconfiguration, that are applied to hardware (HW) and software (SW) components. Unlike the state-of-the-art methodologies, the methodology proposed enables more flexibility both during the design and after device deployment, while reducing the development expenses and time-to-market. Although neither of the two these approaches is fundamentally novel on its own, in this thesis they are employed in, and adapted to, extremely resource restricted systems. The feasibility of the methodology is shown by the development of technology artifact representing a Plug-and-Play enabled WSAN/IoT device platform. The new devices are assembled from HW modules, encapsulating the various power supply, processing, transceiver, sensor and actuator units, or sets of those. The central control unit of a device automatically identifies the HW, and configures the SW accordingly. The technology enablers for this - the HW and SW architectures and interfaces – are reported in this thesis. Experimentation confirms the viability of the proposed concepts and mechanisms. The utility of the designed solutions has been shown by a series of successful research projects and experimental results. / Tiivistelmä Maailma on nopeasti muuttumassa verkottuneeksi yhteisöksi, jossa ihmiset, koneet, tiedot, palvelut ja sovellukset ovat integroituneet tiiviisti yhteen tieto- ja viestintätekniikan avulla. Tämän dynaamisen ihmisten ja koneiden välisen yhteisön jäsenillä on erilaisia ja jopa ainutlaatuisia kykyjä. Tämän vision toteutuminen edellyttää toistaiseksi puuttuvia ratkaisuja, jotka tukevat ennennäkemättömän laajalle levinnyttä ja hajanaista järjestelmää. Nykyiset laitetason suunnittelumenetelmät estävät siirtymisen tähän heterogeeniseen tulevaisuuteen, joka edellyttää monipuolisia IoT-laitteita (Internet of Things, esineiden internet), mukaan lukien yksinkertaiset ja vähän virtaa kuluttavat laitteet. Tuotantomääriltään pienten ja keskisuurten laitteiden suunnittelu- ja tuotantokustannusten vähentäminen edellyttää uusia lähestymistapoja sovellusten monipuolisuuden vuoksi. Tutkielmassa ehdotetaan tämän ongelman ratkaisuksi uutta langattomien antureiden ja toimilaitteiden verkon (WSAN) / IoT-laitteiden suunnittelumenetelmää, joka perustuu näiden kahden lähestymistavan yhdistelmään: käyttöympäristöön perustuva rakenne ja automaattinen määritys, joita sovelletaan sekä laitteisto- että ohjelmistokomponentteihin. Toisin kuin nykyiset johtavat menetelmät, ehdotettu menetelmä on joustavampi sekä suunnitteluvaiheessa että laitteen käyttöönoton jälkeen. Tämä vähentää kehityskustannuksia ja laitteen markkinoille tuomiseen tarvittavaa aikaa. Vaikka kumpikaan menetelmä ei ole lähtökohtaisesti uusi, tutkielmassa niitä käytetään järjestelmissä, joissa on äärimmäisen rajoitetut resurssit, ja ne sovitetaan niihin. Menetelmän käyttökelpoisuutta esitellään kehittämällä Plug and Play –yhteensopivaa WSAN-/IoT-laiteympäristöä edustava tekninen artefakti. Uudet laitteet kootaan laitteistomoduuleista, joissa on erilaisia virtalähteitä, prosessori-, lähetin-vastaanotin-, anturija toimilaiteyksikköjä tai niistä koostuvia kokonaisuuksia. Laitteen keskusyksikkö tunnistaa laitteiston automaattisesti ja konfiguroi sen. Tutkielmassa kerrotaan, mitä teknologiaa eli laitteisto- ja ohjelmistoarkkitehtuureja ja -rajapintoja sovelluksessa on käytetty.