Shapeable magnetoelectronics

Inorganic nanomembranes are shapeable (flexible, printable, and even stretchable) and transferrable to virtually any substrate. These properties build the core concept for new technologies, which transform otherwise rigid high-speed devices into their shapeable counterparts. This research is motivated by the eagerness of consumer electronics towards being thin, lightweight, flexible, and even wearable. The realization of this concept requires all building blocks as we know them from rigid electronics (e.g., active elements, optoelectronics, magnetoelectronics, and energy storage) to be replicated in the form of (multi)functional nanomembranes, which can be reshaped on demand after fabrication. There are already a variety of shapeable devices commercially available, i.e., electronic displays, energy storage elements, and integrated circuitry, to name a few. From the beginning, the main focus was on the fabrication of shapeable high-speed electronics and optoelectronics. Only very recently, a new member featuring magnetic functionalities was added to the family of shapeable electronics. With their unique mechanical properties, the shapeable magnetic field sensor elements readily conform to ubiquitous objects of arbitrary shapes including the human skin. This feature leads electronic skin systems beyond imitating the characteristics of its natural archetype and extends their cognition to static and dynamic magnetic fields that by no means can be perceived by human beings naturally. Various application fields of shapeable magnetoelectronics are proposed. The developed sensor platform can equip soft electronic systems with navigation, orientation, motion tracking, and touchless control capabilities. A variety of novel technologies, such as smart textiles, soft robotics and actuators, active medical implants, and soft consumer electronics, will benefit from these new magnetic functionalities. This review reflects the establishment of shapeable magnetic sensorics, describing the entire development from the first attempts to verify the functional concept to the realization of ready-to-use highly compliant and strain invariant sensor devices with remarkable robustness

Research and Development of Super Permeability NiFe/Cu Composite Wires for Micro Magnetic Sensors

Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH

Magnetosensitive e-skins for interactive electronics

The rapid progress of electronics and computer science in the last years has brought humans and machines closer than ever before. Current trends like the Internet of Things and artificial intelligence are closing the gap even further, by providing ubiquitous data processing and sensing. As this ongoing revolution advances, novel forms of human-machine interactions are required in an ever more connected world. A crucial component to enable these interactions is the field of flexible electronics, which aims to establish a seamless link between living and artificial entities using electronic skins (e-skins). E-skins combine the functionality of commercial electronics with the soft, stretchable and biocompatible characteristics of human skin or tissue. Until lately, the focus had been to replicate the standard functions associated with human skin, such as, temperature, pressure and chemical detection. Yet, recent developments have also introduced non-standard sensing capabilities like magnetic field detection to create the field of magnetosensitive e-skins. The addition of a supplementary information channel—an electronic sixth sense—has sparked a wide range of applications in the fields of cognitive psychology and human-machine interactions. In this thesis, we expand the concept of magnetosensitive e-skins to include the notion of directionality, which utilizes the full interaction potential of the magnetic field vector. Also, we introduce the use of flexible magnetoelectronics in virtual/augmented reality and human-computer interfaces. Three main results are attained in the course of this work: (i) we first demonstrate how magnetosensitive e-skins can be used as humanmachine interfaces driven by permanent magnet sources in the range of 5 mT. (ii) Building upon this milestone, we realize the first magnetosensitive e-skins which are driven by the earth’s magnetic field of 50 μT. (iii) We fabricate magnetosensitive e-skins which push the detection limit below 1 μT. The magnetosensitive e-skins in this work open exciting possibilities for sensory substitution experiments and sensory processing disorder therapies. Futhermore, for human-machine interactions, they provide a new interactive platform for touchless and gestural control in virtual and augmented reality scenarios beyond the limitations of optics-based systems.Der rasante Fortschritt der Elektronik und der Informatik in den letzten Jahren hat Mensch und Maschine nähergebracht als je zuvor. Aktuelle Trends wie das Internet der Dinge und künstliche Intelligenz schließen die Lücke noch weiter, indem sie eine allgegenwärtige Datenverarbeitung und -erfassung ermöglichen. Mit fortschreitender Revolution sind neue Formen der Mensch-Maschine-Interaktion in einer immer vernetzter werdenden Welt erforderlich. Eine entscheidende Komponente, um diese Interaktionen zu ermöglichen, ist das Gebiet der flexiblen Elektronik, das darauf abzielt, mithilfe elektronischer Häute (e-skins) eine nahtlose Verbindung zwischen lebenden und künstlichen Entitäten herzustellen. E-skins verbinden die Funktionalität kommerzieller Elektronik mit den weichen, dehnbaren und biokompatiblen Eigenschaften menschlicher Haut oder menschlichen Gewebes. Bis vor kurzem lag der Schwerpunkt auf der Nachbildung der mit der menschlichen Haut verbundenen Standardfunktionen wie Temperatur-, Druck- und Chemikalienerkennung. Jüngste Entwicklungen haben jedoch auch nicht standardmäßige Erfassungsfähigkeiten wie die Magnetfelderkennung eingeführt, um das Feld magnetoempfindlicher e-skins zu erzeugen. Die Hinzufügung eines zusätzlichen Informationskanals - eines elektronischen sechsten Sinns - hat eine breite Palette von Anwendungen auf den Gebieten der kognitiven Psychologie und der Mensch-Maschine-Interaktionen ausgelöst. In dieser Arbeit erweitern wir das Konzept der magnetoempfindlichen e-skins um den Begriff der Richtwirkung, bei dem das volle Wechselwirkungspotential des Magnetfeldvektors genutzt wird. Außerdem führen wir die Verwendung flexibler Magnetoelektronik in der virtuellen Realität / erweiterten Realität und in Mensch-Computer-Schnittstellen ein. Im Verlauf dieser Arbeit werden drei Hauptergebnisse erzielt: (i) Wir demonstrieren erstmals, wie magnetoempfindliche e-skins als Mensch-Maschine-Schnittstellen verwendet werden können, die von Permanentmagnetquellen im Bereich von 5 mT angetrieben werden. (ii) Aufbauend auf diesem Meilenstein realisieren wir die ersten magnetoempfindlichen e-skins, die vom Erdmagnetfeld von 50 μT angetrieben werden. (iii) Wir fertigen magnetoempfindliche e-skins, bei denen die Nachweisgrenze unter 1 μT liegt. Die magnetoempfindlichen e-skins in dieser Arbeit eröffnen aufregende Möglichkeiten für sensorische Substitutionsexperimente und Therapien bei sensorischen Verarbeitungsstörungen. Darüber hinaus bieten sie für die Mensch-Maschine-Interaktion eine neue interaktive Plattform für die berührungslose und gestische Steuerung in virtuellen und Augmented Reality-Szenarien, die über die Grenzen optikbasierter Systeme hinausgehen