Abstract Users of mobile devices induce detrimental electrical effects on the antenna when devices are operated in close proximity to either the head, hand or fingers. A totally covered antenna can suffer over 10 dB gain loss and force an increase in the output power of the device, which additionally causes shorter battery life and higher emissions in terms of the specific absorption rate (SAR) and hearing aid compatibility (HAC). The user effect can be minimized with compensation methods such as active antenna tuning or a spatial antenna selection. In this thesis, capacitive proximity sensors are investigated in order to provide new characteristics for user effect compensation. The thesis has three parts. In the first, hand positions along the device chassis are measured with the antenna integrated capacitive sensor. The results are in proportion to the induced hand loss in the antenna. Secondly, discrete electrode sensors are studied as hand and single finger proximity recognition and are found to have a good performance in applications. Thirdly, weaknesses of integrated and discrete sensors are evaluated. The discrete sensor had an induced low antenna loss of 0.05–0.20 dB in the 1–2 GHz bands. In contrast, the integrated sensor caused radio interference in proper GSM channels, decreasing the sensitivity of the radio receiver. The capacitive sensor is able to sense the user proximity effect regardless of antenna matching, which may be changed in a complex manner when more than one electrical resonance is used in the same frequency band or when the matching is modified mainly by the resistive component. In multiple-antenna applications, capacitive sensors are able to maintain up-dated information of user loads of all antennas. Combining the results, the discrete electrode sensors fulfilled the technical and operational objectives of this thesis. They are able to detect a single finger or other user objects, they have low losses and they can be located in such a way that will not consume extra room in mobile devices. / Tiivistelmä Kannettavien päätelaitteiden käyttäjät aiheuttavat sähköisiä häviöita laitteen antennissa kun laitetta käytetään käden, pään tai sormien läheisyydessä. Kokonaan peitetyn antennin häviö voi olla yli 10 dB, mikä johtaa laitteessa lisääntyneeseen tehontarpeeseen, lyhyempään pariston kestoon ja korkeampiin haitta-arvoihin SAR ja HAC mittauksissa. Käyttäjän vaikutusta voidaan minimoida kompensaatiotekniikoilla kuten antennin säädöllä ja -valinnalla. Tässä työssä kapasitiivisia antureita tutkittiin uusien käyttäjävaikutuksen kompensaatiotekniikoiden löytämiseksi. Työ jakaantuu kolmeen osaan. Ensimmäiseksi käden sijainti laitteen rungon suhteen on mitattu kapasitiivisella anturilla. Nämä tulokset ovat verrannollisia käden aiheuttamaan kuormaan antennissa. Toiseksi erillisiä antureita tutkittiin käden ja sormien havaitsemiseksi hyvällä menestyksellä eri sovelluksissa. Kolmanneksi arvioitiin antennin integroidun ja erillisen anturin heikkouksia. Erillisen anturin aiheuttama häviö antenniin oli 0.05–0.20 dB 1–2 GHz taajuuskaistalla. Vastaavasti integroitu anturi aiheutti radiohäiriöitä tietyillä radiokanavilla, mikä heikentää vastaanottimen herkkyyttä. Kapasitiivinen anturi havaitsee käyttäjän läheisyyden riippumatta antennin sovituksesta. Sovitus voi muuttua monimutkaisesti kun useampaa sähköistä resonanssia käytetään samalla taajuuskaistalla tai sovitukseen vaikuttaa sähköisesti resistiivinen kuorma. Moniantennirakenteissa kapasitiiviset anturit voivat tuottaa jatkuvaa informaatiota käyttäjän aiheuttamasta kuormasta eri antenneissa. Erilliset kapasitiiviset anturit täyttivät ne tekniset ja toiminnalliset vaatimukset, jotka työlle aluksi asetettiin. Niillä voidaan havaita yksittäinen sormi tai muu kohde, ne ovat pienihäviöisiä, ja ne voidaan sijoittaa tilaa säästävällä tavalla nykyisiin päätelaitteisiin.

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.