Hybrid für die Herstellung von intelligenten Sensoren drucken
Summary
Hier präsentieren wir ein Protokoll für die Herstellung von Inkjet-drucken mehrschichtigen Sensor Strukturen auf additiv hergestellte Substrate und Folie.
Abstract
Eine Methode, um Additiv kombinieren hergestellt Substrate oder Folien und mehrschichtigen Inkjet-Druck für die Herstellung von Sensor-Geräte vorgestellt. Erste, drei Substraten (Acrylat, Keramik und Kupfer) vorbereitet. Um die daraus resultierenden Materialeigenschaften dieser Substrate zu ermitteln, Profilometer, Randwinkel, Rasterelektronenmikroskop (REM) und fokussierte Ion Beam (FIB) Messungen durchgeführt. Die erreichbare Druckauflösung und geeigneten Drop Volumen für jedes Substrat sind, dann, durch die Fallversuche Größe gefunden. Dann sind Schichten aus isolierenden und leitenden Tinte Tintenstrahldrucker gedruckt abwechselnd um die Zielstrukturen Sensor zu fabrizieren. Nach jedem Druck werden die jeweiligen Schichten durch photonische Aushärten individuell behandelt. Die Parameter für die Aushärtung der einzelnen Layer verwendet werden abhängig von der gedruckten Farbe, sowie die Oberflächeneigenschaften von den jeweiligen Untergrund angepasst. Die daraus resultierende Leitfähigkeit zu bestätigen und zur Bestimmung der Qualität der bedruckten Oberfläche sind Vierpunkt-Sonde und Profilometer Messungen fertig. Schließlich sind eine Messanordnung und durch ein solches alles gedruckt Sensorsystem erzielten Ergebnisse gezeigt, um die erreichbare Qualität demonstrieren.
Introduction
Additive Manufacturing (AM) ist als ein Prozess standardisiert, wo Materialien verbunden werden, um Objekte von 3D-Modelldaten zu machen. Dies geschieht in der Regel Schicht für Schicht und somit kontrastiert mit subtraktiven Fertigungstechnologien, wie z. B. Halbleiterfertigung. Synonyme sind 3D-Druck, additive Fertigung, additiver Prozess, additive Techniken, additive Layer Manufacturing, Schicht Fertigung und freeform Fabrication. Diese Synonyme werden von der Standardisierung durch die American Society of Testing and Materials (ASTM)1 eine eindeutige Definition angeben reproduziert. In der Literatur wird 3D-Druck als den Prozess bezeichnet wo Dicke der gedruckten Objekte befindet sich im Bereich von Zentimetern bis sogar m2.
Häufigere Verfahren wie Stereolithographie3, ermöglichen das Drucken von Polymeren, aber der 3D-Druck aus Metall ist auch bereits im Handel erhältlich. Die Uhr von Metallen wird in vielfältigen Bereichen, wie z. B. für die Automobil-, Luft-und4und medizinische5 Sektoren eingesetzt. Für Luft-und Strukturen von Vorteil ist die Möglichkeit, leichtere Geräte durch einfache strukturelle Veränderungen (z.B.durch die Verwendung einer Wabendesign) auszudrucken. Infolgedessen Materialien mit, zum Beispiel größere mechanische Festigkeit, das würde sonst eine erhebliche Menge an Gewicht (z.B. Titan statt Aluminium)6hinzufügen, eingesetzt werden.
Während der 3D-Druck von Polymeren bereits gut etabliert ist, Metall 3D-Druck ist immer noch eine lebendige Forschungsthema und eine Vielzahl von Prozessen wurden für den 3D-Druck von Metallkonstruktionen. Grundsätzlich sind die verfügbaren Methoden in vier Gruppen7,8, nämlich (1) mit einem Laser- oder Elektronenstrahl für Verkleidung in einem Draht-gefüttert-Prozess (2) mit einem Laser- oder Elektronenstrahl, 3) selektiv schmelzen Pulver Sinteranlagen kombinierbar ein Laser oder Elektronen Strahl (Pulver Bett Fusion) und 4) eine Sammelmappe jetten Prozess, wo üblicherweise eine Inkjet-Druckkopf bewegt sich über eine Pulver-Substrat und Bindemittel verzichtet.
Je nach Verfahren werden die jeweiligen hergestellten Proben verschiedene Oberflächen und strukturellen Eigenschaften7aufweisen. Diese unterschiedlichen Eigenschaften müssen zusätzliche Anstrengungen, um die gedruckten Teile (z.B.durch die Herstellung von Sensoren auf ihrer Oberfläche) weiter funktionalisieren betrachtet werden.
Im Gegensatz zu 3D-Druck, der Druck verarbeitet solche Funktionalisierung zu erreichen (zB., Bildschirm und Inkjet-Druck) Abdeckung nur begrenzt Objekthöhen von weniger als 100 nm9 bis wenige Mikrometer und sind somit oft auch bezeichnet als 2,5-D-Druck. Alternativ Laser-basierte Lösungen für hochauflösende Musterung wurden auch vorgeschlagene10,11. Eine umfassende Überprüfung der Druckverfahren, die thermisch abhängigen Schmelzetemperatur von Nanopartikeln und die Anwendungen wird durch Ko12gegeben.
Zwar Siebdruck gut etabliert in der Literatur13,14, bietet Inkjet-Druck eine verbesserte upscaling Fähigkeit, zusammen mit einer erhöhten Auflösung für den Druck von kleineren Größen. Darüber hinaus ist es eine digitale, berührungslose Druckverfahren ermöglicht die flexible Ablagerung von Funktionsmaterialien auf dreidimensionale. Daher konzentriert sich unsere Arbeit auf Inkjet-Druck.
Inkjet-Drucktechnologie wurde bereits in der Herstellung von Messelektroden Metall (Silber, Gold, Platin, etc.) eingesetzt. Anwendungsbereiche sind Temperatur Messung15,16, Druck und Belastung Fernerkundung17,18,19, und Biosensoren20,21, als auch Gas oder Dampf Analyse22,23,24. Die Aushärtung von solchen gedruckte Strukturen mit begrenzter Höhe Extension kann fertig mit verschiedenen Techniken, basierend auf thermische25, Mikrowelle26, elektrische27, Laser28, und photonischen29 Grundsätze.
Photonische Aushärten für Inkjet-drucken Strukturen erlaubt Forschern, energiereiche, heilbare, leitfähige Tinten auf Substraten mit einem Niedertemperatur-Widerstand zu verwenden. Nutzung dieser Umstand, die Kombination von 2,5 D und 3D-Druck Verfahren einsetzbar, hochflexible Prototypen im Bereich intelligente Verpackungen30,31,32 und intelligente Sensorik zu fabrizieren.
Die Leitfähigkeit des 3D-gedruckten Metallsubstrate ist von Interesse, der Luft-und Raumfahrt sowie für den medizinischen Bereich. Es verbessert nicht nur die mechanische Stabilität bestimmter Teile aber ist vorteilhaft im Nahfeld-sowie kapazitive Abtastung. Ein 3D-gedruckten Metallgehäuse bietet zusätzliche Abschirmung/Bewachung der Sensor Front-End, da es elektrisch angeschlossen werden kann.
Ziel ist es, Geräte mit AM-Technik herzustellen. Diese Geräte sollen eine ausreichend hohe Auflösung bei der Messung, die, der Sie für die (oft im Mikro- und Nanobereich) beschäftigt sind, und zur gleichen Zeit, sollten sie erfüllen hohe Standards in Bezug auf Zuverlässigkeit und Qualität.
Es hat sich gezeigt, dass AM-Technik bietet dem Benutzer genügend Flexibilität zu fabrizieren optimierte Konstruktionen33,34 , der Verbesserung der Gesamtqualität der Messung, die erreicht werden kann. Darüber hinaus wurde die Kombination von Polymeren und Einzellagen-Inkjet-Druck in der bisherigen Forschung35,36,37,38vorgestellt.
In diesem Werk vorliegenden Studien werden verlängert, und ein Überblick über die physikalischen Eigenschaften von AM Substraten, mit Fokus auf Metalle und deren Kompatibilität mit mehrschichtigen Inkjet-Druck und photonischen Aushärtung wird zur Verfügung gestellt. Eine beispielhafte mehrlagigen Spule Design steht in ergänzende Abbildung1zur Verfügung. Die Ergebnisse sind für die Bereitstellung von Strategien für den Inkjet-Druck von mehrschichtigen Sensor Strukturen auf AM Metallsubstrate verwendet.
Protocol
Representative Results
Discussion
Eine Möglichkeit, mehrschichtige Sensor Strukturen auf 3D-gedruckten Substrate und auf Folie zu fabrizieren ist unter Beweis gestellt. AM Metall, sowie Keramik und Acrylat-Typ und Folie Substrate erweisen sich als geeignet für mehrschichtige Inkjet-Druck, da die Haftung zwischen dem Substrat und die verschiedenen Schichten ausreicht, sowie die jeweiligen Leitfähigkeit oder Isolierung Fähigkeit. Dies konnte durch Druck Schichten aus leitenden Strukturen auf Dämmmaterial gezeigt werden. Darüber hinaus wurde die Druck…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde durch die COMET K1 ASSIC österreichische Smart Systems Integration Research Center unterstützt. Die COMET-Competence-Center für ausgezeichnete Technologien-Programm wird vom BMVIT, BMWFW und die Bundesländer Kärnten und Steiermark unterstützt.
Materials
| PiXDRO LP 50 | Meyer Burger AG | Inkjet-Printer with dual-head assembly. | |
| SM-128 Spectra S-class | Fujifilm Dimatix | Printheads with nozzle diameter of 50 µm, 50 pL calibrated dropsize and 800 dpi maximum resolution. | |
| DMC-11610/DMC-11601 | Fujifilm Dimatix | Disposable printheads with nozzle diameter 21.5 µm, 1 or 10 pL calibrated dropsize | |
| Sycris I50DM-119 | PV Nanocell | Conductive silver nanoparticle ink with 50 wt.% silver loading, with an average particle size of 120 nm, in triethylene glycol monomethyl ether. | |
| Solsys EMD6200 | SunChemical | Insulating, low-k dielectric ink which is a mixture of acrylate-type monomers. Viscosity is 7-9 cps. | |
| Dycotec DM-IN-7002-I | Dycotec | UV curable insulator, Surface Tension: 37.4 mN/m | |
| Dycotec DM-IN-7003C-I | Dycotec | UV curable insulator, Surface Tension: 29.7 mN/m | |
| Dycotec DM-IN-7003-I | Dycotec | UV curable insulator, Surface Tension: 31.4 mN/m | |
| Dycotec DM-IN-7004-I | Dycotec | UV curable insulator, Surface Tension: 27.9 mN/m | |
| Pulseforge 1200 | Novacentrix | Photonic curing/sintering equipment. | |
| DektatkXT | Bruker | Stylus Profiler with stylus tip of 12.5 µm diameter and constant force of 4 mg. | |
| C4S | Cascade Microtech | Four-point-probe measurement head. | |
| 2000 | Keithley | Multimeter to evaluate the measurements using the four-point-probe. | |
| Helios NanoLab600i | FEI | Focused Ion Beam analysis station which provides high-energy gallium ion milling. | |
| SeeSystem | Advex Instruments | Water contact angle measurement device. | |
| Projet 3500 HDMax | 3D Systems | Professional high-resolution polymer 3D-printer. See also (accessed Sep. 2018): https://www.3dsystems.com/sites/default/files/projet_3500_plastic_0115_usen_web.pdf | |
| Polytec PU 1000 | Polytec PT | Electrically conductive adhesive based on Polyurethane, available | |
| Microdispenser | Musashi | Needle for microdispensing. | |
| Micro-assembly station | Finetech | Equipment for assembly of, e.g., printed circuit boards (PCBs) and placing of chemicals (e.g. solder) and SMD parts. |
Riferimenti
- . Standards Worldwide Available from: https://www.astm.org/ (2012)
- Morris, M., et al. Mars Ice House: Using the Physics of Phase Change in 3D Printing a Habitat with H2O. AIAA SPACE Forum. , (2016).
- Jacobs, P. F. Rapid Prototyping & Manufacturing: Fundamentals of StereoLithography. Society of Manufacturing Engineers. , (1992).
- Kief, C. J., et al. Printing Multi-Functionality: Additive Manufacturing for CubeSats. AIAA SPACE Forum. , (2014).
- Sing, S. L., An, J., Yeong, W. Y., Wiria, F. E. Laser and Electron-Beam Powder-Bed Additive Manufacturing of Metallic Implants: A Review on Processes, Materials and Designs. Journal of Orthopedic Research. 34 (3), 369-385 (2016).
- Garcia-Corso, M., Gonzalez, J. M., Vermeulen, J., Rossmann, C., Kranz, J. Additive Manufacturing Hot Bonded Inserts in Sandwich Structures. European Conference on Spacecraft Structures, Materials and Environmental Testing. , (2016).
- Murr, L. E., Johnson, W. L. 3D metal droplet printing development and advanced materials additive manufacturing. Journal of Materials Research and Technology. 6 (1), 77-89 (2017).
- Stavropoulos, P., Foteinopoulos, P. Modelling of additive manufacturing processes: a review and classification. Manufacturing Review. 5 (2), (2018).
- Le, D. D., Nguyen, T. N. N., Doan, D. C. T., Dang, T. M. D., Dang, M. C. Fabrication of interdigitated electrodes by inkjet printing technology for apllication in ammonia sensing. Advances in Natural Sciences: Nanoscience and Nanotechnology. 7 (2), 1-7 (2016).
- Hong, S., Lee, H., Yeo, J., Hwan Ko, ., S, Digital selective laser methods for nanomaterials: From synthesis to processing. Nano Today. 11, 547-564 (2016).
- Pan, H., et al. High-Troughput Near-Field Optical Nanoprocessing of Solution-Deposited Nanoparticles. Small. 6 (16), 1812-1821 (2010).
- Ko, H. S. Low temperature thermal engineering of nanoparticle ink for flexible electronics applications. Semiconductor Science and Technology. 31, (2016).
- Mattana, G., Briand, D. Recent Advances in Printed Sensors on Foil. Materials Today. 19 (2), 88-99 (2016).
- Sekine, T., et al. Fully Printed Wearable Vital Sensor for Human Pulse Rate Monitoring using Ferroelectric Polymer. Scientific Reports. 8, (2018).
- Molina-Lopez, F., Vásquez Quintero, A., Mattana, G., Briand, D., de Rooij, F. N. Large-Area Compatible Fabrication and Encaplsulation of Inkjet-Printed Humidity Sensors on Flexible Foils with Integrated Thermal Compensation. Journal of Micromechanics and Microengineering. 23 (2), (2013).
- Aliane, A., et al. Enhanced Printed Temperature Sensors on Flexible Substrates. Microelectronics Journal. 45 (12), 1612-1620 (2014).
- Narakathu, B. B., et al. A novel fully printed and flexible capacitive pressure sensor. IEEE Sensors. , (2012).
- Zirkl, M., et al. PyzoFlex: a printed piezoelectric pressure sensing foil for human machine interfaces. Proceedings Volume 8831, Organic Field-Effect Transistors XII; and Organic Semiconductors in Sensors and Bioelectronics VI. SPIE Organic Photonics + Electronics. , (2013).
- Manunza, I., Sulis, A., Bonfiglio, A. Pressure Sensing by Flexible, Organic, Field Effect Transistors. Applied Phyics Letters. 89 (14), (2006).
- Jensen, G. C., Krause, C. E., Sotzing, G. A., Rusling, J. F. Inkjet-Printed Gold Nanoparticle Electrochemical Arrays on Plastic. Application to Immunodetection of a Cancer Biomarker Protein. Physical Chemistry Chemical Physics. 13 (11), 4888-4894 (2011).
- Lesch, A., et al. Large Scale Inkjet-Printing of Carbon Nanotubes Electrodes for Antioxidant Assays in Blood Bags. Journal of Electroanalytical Chemistry. 717, 61-68 (2014).
- Sarfraz, J., et al. A Printed H2S Sensor with Electro-Optical Response. Sensors and Actuators B: Chemical. 191, 821-827 (2014).
- Sarfraz, J., et al. Printed Copper Acetate Based H2S Sensor on Paper Substrate. Sensors and Actuators B: Chemical. 173, 868-873 (2012).
- Huang, L., et al. A Novel Paper-Based Flexible Ammonia Gas Sensor via Silver and SWNT-PABS Inkjet Printing. SWNT-PABS Inkjet Printing. Sensors and Actuators B: Chemical. 197, 308-313 (2014).
- Kamyshny, A., Steinke, J., Magdassi, S. Metal-based inkjet inks for printed electronics. Open Applied Physics Journal. 4, 19-36 (2011).
- Perelaer, J., de Gans, B. J., Schubert, U. S. Ink-jet Printing and Microwave Sintering of Conductive Silver Tracks. Advanced Materials. 18, 2101-2104 (2006).
- Hummelgard, M., Zhang, R., Nilsson, H. -. E., Olin, H. Electrical sintering of silver nanoparticle ink studied by in situ TEM probing. PLoS One. 6, (2011).
- Kumpulainen, T., et al. Low temperature nanoparticle sintering with continuous wave and pulse lasers. Optics and Laser Technology. 43, 570-576 (2011).
- Schröder, K., McCool, S., Furlan, W. Broadcast Photonic Curing of Metallic Nanoparticle Films. Technical Proceedings of the 2006 NSTI Nanotechnology Conference and Trade Show. 3, 198-201 (2006).
- Lopes, A. J., Lee, I. H., MacDonald, E., Quintana, R., Wicker, R. Laser Curing of Silver-Based Conductive Inks for In-Situ 3D Structural Electronics Fabrication in Stereolithography. Journal Materials Processing Technology. 214 (9), 1935-1945 (2014).
- Faller, L. -. M., Mitterer, T., Leitzke, J. P., Zangl, H. Design and Evaluation of a Fast, High-Resolution Sensor Evaluation Platform Applied to MEMS Position Sensing. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. 67 (5), 1014-1027 (2018).
- Faller, L. -. M., Zangl, H. Feasibility Considerations on an Inkjet-Printed Capacitive Position Sensor for Electrostatically Actuated Resonant MEMS-Mirror Systems. Journal of Microelectromechanical Systems. 26 (3), 559-568 (2017).
- Faller, L. -. M., Zangl, H. Robust design of an inkjet-printed capacitive sensor for position tracking of a MOEMS-mirror in a Michelson interferometer setup. Proceedings of SPIE 10246, Smart Sensors, Actuators, and MEMS VIII. , (2017).
- Faller, L. -. M., Zangl, H. Robust design of a 3D- and inkjet-printed capacitive force/pressure sensor. 2016 17th International Conference on Thermal, Mechanical and Multi-Physics Simulation and Experiments in Microelectronics and Microsystems (EuroSimE). , (2016).
- Wang, P. -. C., et al. The inkjet printing of catalyst Pd ink for selective metallization apply to product antenna on PC/ABS substrate. 2013 8th International Microsystems, Packaging, Assembly and Circuits Technology Conference (IMPACT). , (2013).
- Quintero, A. V., et al. Printing and encapsulation of electrical conductors on polylactic acid (PLA) for sensing applications. 2014 IEEE 27th International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS). , (2014).
- Unnikrishnan, D., Kaddour, D., Tedjini, S., Bihar, E., Saadaoui, M. CPW-Fed Inkjet Printed UWB Antenna on ABS-PC for Integration in Molded Interconnect Devices Technology. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 14, 1125-1128 (2015).
- . Lost Wax Printing & Casting Available from: https://i.materialise.com/en/3d-printing-technologies/lost-wax-printing-casting (2018)
- Faller, L. -. M., Krivec, M., Abram, A., Zangl, H. AM Metal Substrates for Inkjet-Printing of Smart Devices. Materials Characterization. , (2018).
- Hutchings, I. M., Martin, G. D., Hutchings, I. M., Martin, G. D. Introduction to Inkjet Printing for Manufacturing. Inkjet Technology for Digital Fabrication. , 1-20 (2013).
- Baek, M. I., Hong, M., Korvink, J. G., Smith, P. J., Shin, D. -. Y. Equalization of Jetting Performance. Inkjet-Based Micromanufacturing. , 159-172 (2012).
- Zhang, T. . Methods for Fabricating Printed Electronics with High Conductivity and High Resolution. , (2014).
- Suganuma, K. . Introduction to Printed Electronics. , (2014).
- Baxter, L. K. . Capacitive Sensors: Design and Applications. , (1997).
