JoVE Journal > Engineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Automatic Translation
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Engineering

Hibrid akıllı sensörler imalatı için yazdırma

Published: January 31, 2019
doi:
10.3791/58677
, , , , ,
1Institute for Intelligent Systems Technologies,Alpen-Adria-Universität Klagenfurt, 2Carinthian Tech Research AG, 3Department for Nanostructured Materials,Jozef Stefan Institute

Summary

Burada bir iletişim kuralı çok katmanlı sensör inkjet baskılı yapıları additively imal edilmiş yüzeylerde ve folyo imalatı için mevcut.

Abstract

Yüzeylerde veya folyo Additively birleştirmek için bir yöntem imal ve çok katmanlı mürekkep püskürtmeli baskı sensör cihazları imalatı için sunulur. İlk, üç yüzeylerde (Akrilat, seramik ve bakır) hazırlanır. Bu yüzeyler elde edilen malzeme özelliklerini belirlemek için profilometer, temas açısı, taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve odaklanmış iyon demeti (yalan) ölçümleri yapılır. Ulaşılabilir yazdırma çözünürlüğü ve uygun bırakma birimi her yüzey için sonra açılan boyutu testler aracılığıyla bulundu. Sonra ısı yalıtım ve iletken mürekkep katmanlardır dönüşümlü olarak hedef sensör yapıları imal etmek baskı mürekkep püskürtmeli. Baskı her adımdan sonra ilgili katmanları ayrı ayrı fotonik kür tarafından kabul edilir. Her tabaka tedavi için kullanılan parametreleri bağlı olarak basılı mürekkep yanı sıra ilgili substrat yüzey özelliklerini uyarlanmış. Elde edilen iletkenlik onaylamak ve yazdırılan yüzey kalitesini belirlemek için dört maddelik sonda ve profilometer ölçümleri yapılır. Son olarak, bir ölçüm set-up ve böyle bir all-baskılı sensör sistemi tarafından sonuçlar ulaşılabilir kalite göstermek için gösterilir.

Introduction

Katkı imalat (AM) nerede malzeme nesneleri 3D modeli veri yapmak için katılan bir süreç olarak standartlaştırılmıştır. Bu genellikle katman üzerine katman yapılır ve böylece, yarı iletken üretim gibi Eksiltici üretim teknolojileri ile karşıttır. Eşanlamlıları 3D-baskı, katkı imalat, katkı işlemi, katkı teknikleri, katkı katman üretim, katman üretim ve serbest form uydurma içerir. Bu eş anlamlı standardizasyon benzersiz bir tanım sağlamak için American Society test ve malzeme (ASTM)1 ile çoğaltılabilir. Literatürde, 3D baskı kalınlığı yazdırılan nesnelerin santimetre bile metre2aralığında nerede süreci olarak adlandırılır.

Stereolitografi3gibi daha genel süreçlerini polimerler yazdırmayı etkinleştirmek ama metal 3D baskı da ticari olarak mevcut zaten. Otomotiv, Havacılık ve uzay4ve tıbbi5 sektörler için metaller AM gibi manifold alanlarında istihdam edilmektedir. Hafif cihazlar basit yapısal değişiklikler (petek tasarım kullanarakÖrneğin,) aracılığıyla baskı imkanı uzay yapıları için bir avantajdır. Sonuç olarak, malzeme ile Aksi takdirde ağırlık (Örneğin, alüminyum yerine titanyum)6önemli miktarda eklersiniz, istihdam edilecek Örneğin, daha büyük mekanik bir güç.

Polimerlerin 3D baskı zaten iyi kurulmuş olmakla birlikte, metal 3D baskı hala canlı araştırma konusu ve süreçleri çeşitli metal yapılar 3D-yazdırma için geliştirilen. Temel olarak, kullanılabilir yöntemleri yani 1) bir lazer veya elektron ışını kaplama tel beslenen bir işlemde için bir lazer veya elektron ışını, 3) seçmeli olarak toz kullanarak erime kullanarak 2) sinterleme sistemleri kullanarak dört grup7,8, kombine edilebilir bir lazer veya elektron ışını (toz yatak fusion) ve 4) nerede, yaygın, bir mürekkep püskürtmeli yazıcı kafası bir toz yüzey üzerinde hareket eder ve bağlama aracı dağıtır işlem jeti bir cilt.

İşlemi bağlı olarak anılan sıraya göre imal edilmiş örnekleri farklı yüzey ve yapısal özellikleri7sergileyecek. Bu farklı özellikler daha fazla çabaları daha fazla basılı parçalar (sensörler onların yüzeylerde imalatı tarafındanÖrneğin,) functionalize için dikkate alınması gerekir.

Aksine 3D baskı, baskı işler böyle bir functionalization elde etmek için (Örn., ekran ve mürekkep püskürtmeli baskı) kapak nesne heights 100 nm9 ilâ birkaç mikrometre ve vardır, sınırlı sadece böylece, sık sık da adlandırılır olarak 2.5 D-baskı. alternatif olarak, yüksek çözünürlüklü desenlendirme için lazer tabanlı çözümler de önerilen10,11olmuştur. Yazdırma işlemleri kapsamlı bir inceleme, nano tanecikleri sıcaklığını termal olarak bağımlı eritin ve uygulamalar Ko12tarafından verilir.

Emprime baskı iyi edebiyat13,14‘ te kurulmuş olsa da, mürekkep püskürtmeli baskı ile birlikte artan bir çözünürlük daha küçük özellik boyutları yazdırmak için geliştirilmiş bir geliştirme yeteneği sağlar. Bunun yanı sıra, bu üç boyutlu işlevsel malzemeler esnek birikimi sağlayan bir dijital aygıtlar yazdırma yöntemdir. Sonuç olarak, bizim iş mürekkep püskürtmeli baskı üzerinde odaklanmıştır.

Mürekkep püskürtmeli baskı teknolojisi zaten metal (Gümüş, altın, platin, vb) algılama elektrotlar fabrikasyon istihdam edilmiştir. Sıcaklık ölçüm15,16, basınç ve zorlanma algılama17,18,19ve biosensing20,21, yanı sıra gaz veya buhar uygulama alanları içerir analiz22,23,24. Yazdırılan böyle yapılar ile sınırlı yükseklik uzatma kür dayalı termal25, mikrodalga26, elektrik27, lazer28, çeşitli teknikler kullanarak yapılır ve fotonik olabilir29 ilkeleri.

Fotonik inkjet baskılı yapıları için kür araştırmacılar yüksek enerjili, tedavi edilebilir, iletken mürekkepler düşük sıcaklık direnci ile yüzeylerde kullanmak izin verir. Bu durum, 2.5 kombinasyonu istismar D ve 3D yazdırma işlemleri akıllı ambalaj30,31,32 ve akıllı algılama alanında son derece esnek prototip imal için istihdam edilebilir.

Havacılık sektörü için hem de sağlık sektörü için 3D baskılı metal yüzeylerde iletkenlik ilgilendirir. Bu sadece bazı parçalar mekanik kararlılığını artırmak değil ama yakın alan yanı sıra kapasitif algılama faydalıdır. O-ebilmek var olmak bağlı elektriksel olarak 3D baskılı metal gövde ek koruma/koruyan sensör, ön uç sağlar.

AM teknolojisini kullanan cihazlar imal etmek hedeflenmektedir. Bu cihazlar onlar için (genellikle mikro – veya nano) istihdam edilmektedir ölçüm yeterince yüksek bir çözünürlükte sağlamalıdır ve aynı zamanda, güvenilirlik ve kalite ile ilgili yüksek standartları yerine getirmek.

AM teknoloji elde edilebilir genel ölçüm kalitesini en iyi duruma getirilmiş tasarımlar33,34 imal etmek yeterli esnekliği ile kullanıcıya sunan gösterilmiştir. Ayrıca, polimerler ve tek katmanlı mürekkep püskürtmeli baskı ile birlikte önceki araştırma35,36,37,38sundu.

Bu eser Mevcut çalışmalar genişletilir ve metaller üzerinde odaklanmak ve çok katmanlı mürekkep püskürtmeli baskı ve fotonik kür ile onların uyumluluk ile AM yüzeylerde fiziksel özellikleri hakkında bir inceleme sağlanmıştır. Bir örnek çok katmanlı eşanjörü tasarımı ek Şekil 1‘ de verilmiştir. Sonuçlar çok katmanlı sensör yapıları AM metal yüzeyler üzerinde mürekkep püskürtmeli baskı için stratejileri sağlamak için kullanılır.

Protocol

Dikkat: kabul mürekkepler ve yapıştırıcılar kullanmadan önce ilgili malzeme güvenlik veri sayfaları (MSDS) danışın. Yapıştırıcılar ve istihdam nanopartikül mürekkep toksik veya kanserojen, dolgu bağımlı durumda olabilirler. Lütfen mürekkep püskürtmeli baskı veya örnekleri hazırlama işlemi sırasında tüm uygun güvenlik yöntemleri kullanın ve uygun kişisel koruyucu ekipman (koruyucu gözlük, eldiven, önlük, tam uzunlukta pantolon, kapalı-toe ayakkabı) giymek emin olun. <p class=…

Representative Results

Şekil 1′ de gösterilen SEM görüntüleri ilgili yüzeyler üzerinde baskıya sonuçlara çizilebilir. Ölçek çubukları yüzey pürüzlülüğü farklı aralıkları nedeniyle farklıdır. Şekil 1a’, bakır substrat yüzeyinde farkla en yumuşak olduğu gösterilir. Şekil 1 c, öte yandan, gösterir çelik, mürekkep püskürtmeli baskı nedeniyle (Ayrıca bkz: Tablo 2) yükse…

Discussion

Çok katmanlı sensör yapıları 3D baskılı yüzeylerde ve folyo imal etmek bir şekilde gösterilmiştir. AM metal yanı sıra, seramik ve akrilat türü ve folyo yüzeylerde çok katmanlı mürekkep püskürtmeli baskı belgili tanımlık substrate ve farklı katmanları arasında yapışma yeterli olduğu gibi aynı zamanda için ilgili iletkenlik veya yalıtım özelliği uygun olarak gösterilir. Bu iletken yapıların izolasyon malzemesi üzerinde baskı katmanları tarafından gösterilebilir. Ayrıca, baskı v…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Bu eser kuyruklu yıldız K1 ASSIC Avusturyalı akıllı sistemleri entegrasyon Araştırma Merkezi tarafından desteklenmiştir. Kuyruklu yıldız-yeterlilik merkezleri için mükemmel Teknolojileri-Program BMVIT, BMWFW ve Karintiya ve Styria federal illerinde tarafından desteklenir.

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.
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. . Standards Worldwide Available from: https://www.astm.org/ (2012)
  2. Morris, M., et al. Mars Ice House: Using the Physics of Phase Change in 3D Printing a Habitat with H2O. AIAA SPACE Forum. , (2016).
  3. Jacobs, P. F. Rapid Prototyping & Manufacturing: Fundamentals of StereoLithography. Society of Manufacturing Engineers. , (1992).
  4. Kief, C. J., et al. Printing Multi-Functionality: Additive Manufacturing for CubeSats. AIAA SPACE Forum. , (2014).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. Stavropoulos, P., Foteinopoulos, P. Modelling of additive manufacturing processes: a review and classification. Manufacturing Review. 5 (2), (2018).
  9. 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).
  10. 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).
  11. Pan, H., et al. High-Troughput Near-Field Optical Nanoprocessing of Solution-Deposited Nanoparticles. Small. 6 (16), 1812-1821 (2010).
  12. Ko, H. S. Low temperature thermal engineering of nanoparticle ink for flexible electronics applications. Semiconductor Science and Technology. 31, (2016).
  13. Mattana, G., Briand, D. Recent Advances in Printed Sensors on Foil. Materials Today. 19 (2), 88-99 (2016).
  14. Sekine, T., et al. Fully Printed Wearable Vital Sensor for Human Pulse Rate Monitoring using Ferroelectric Polymer. Scientific Reports. 8, (2018).
  15. 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).
  16. Aliane, A., et al. Enhanced Printed Temperature Sensors on Flexible Substrates. Microelectronics Journal. 45 (12), 1612-1620 (2014).
  17. Narakathu, B. B., et al. A novel fully printed and flexible capacitive pressure sensor. IEEE Sensors. , (2012).
  18. 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).
  19. Manunza, I., Sulis, A., Bonfiglio, A. Pressure Sensing by Flexible, Organic, Field Effect Transistors. Applied Phyics Letters. 89 (14), (2006).
  20. 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).
  21. 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).
  22. Sarfraz, J., et al. A Printed H2S Sensor with Electro-Optical Response. Sensors and Actuators B: Chemical. 191, 821-827 (2014).
  23. Sarfraz, J., et al. Printed Copper Acetate Based H2S Sensor on Paper Substrate. Sensors and Actuators B: Chemical. 173, 868-873 (2012).
  24. 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).
  25. Kamyshny, A., Steinke, J., Magdassi, S. Metal-based inkjet inks for printed electronics. Open Applied Physics Journal. 4, 19-36 (2011).
  26. 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).
  27. 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).
  28. Kumpulainen, T., et al. Low temperature nanoparticle sintering with continuous wave and pulse lasers. Optics and Laser Technology. 43, 570-576 (2011).
  29. 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).
  30. 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).
  31. 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).
  32. 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).
  33. 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).
  34. 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).
  35. 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).
  36. 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).
  37. 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).
  38. . Lost Wax Printing & Casting Available from: https://i.materialise.com/en/3d-printing-technologies/lost-wax-printing-casting (2018)
  39. Faller, L. -. M., Krivec, M., Abram, A., Zangl, H. AM Metal Substrates for Inkjet-Printing of Smart Devices. Materials Characterization. , (2018).
  40. 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).
  41. Baek, M. I., Hong, M., Korvink, J. G., Smith, P. J., Shin, D. -. Y. Equalization of Jetting Performance. Inkjet-Based Micromanufacturing. , 159-172 (2012).
  42. Zhang, T. . Methods for Fabricating Printed Electronics with High Conductivity and High Resolution. , (2014).
  43. Suganuma, K. . Introduction to Printed Electronics. , (2014).
  44. Baxter, L. K. . Capacitive Sensors: Design and Applications. , (1997).

Tags

3D PrintingInkjet PrintingSmart SensorsHybrid PrintingFabricationSubstrate PropertiesInk PropertiesConductive AdhesiveMicro-dispenserCuringDrop Size TestingPhotonic Curing
check_url/58677?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Faller, L., Zikulnig, J., Krivec, M., Roshanghias, A., Abram, A., Zangl, H. Hybrid Printing for the Fabrication of Smart Sensors. J. Vis. Exp. (143), e58677, doi:10.3791/58677 (2019).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image