Hybride afdrukken voor de fabrikatie van slimme sensoren
Summary
Hier presenteren we een protocol voor de fabrikatie van inkjet-gedrukte gelaagde sensor structuren op additief vervaardigde substraten en folie.
Abstract
Een methode om te combineren additief substraten of folie vervaardigd en gelaagde inkjet afdrukken voor de fabrikatie van sensor apparaten wordt gepresenteerd. Eerste, drie substraten (acrylaat, keramiek en koper) worden bereid. Om te bepalen van de daaruit voortvloeiende materiële eigenschappen van deze substraten, zijn profilometer, contacthoek, Scannende Elektronen Microscoop (SEM) en gerichte ion beam (FIB) metingen gedaan. De haalbare afdrukresolutie en geschikte daling volume voor elke ondergrond, dan vindt u via de druppel grootte tests. Vervolgens zijn lagen van isolerende en geleidende inkt inkjet afgedrukt afwisselend om de doelgroep sensor structuren. Na elke stap afdrukken worden de respectieve lagen afzonderlijk behandeld door fotonische genezen. De parameters die worden gebruikt voor het genezen van elke laag worden aangepast afhankelijk van de gedrukte inkt, evenals op de oppervlakte-eigenschappen van het desbetreffende substraat. Bevestigen van de resulterende geleidbaarheid en bepalen de kwaliteit van het bedrukte oppervlak, worden vier-punt sonde en profilometer metingen gedaan. Tot slot worden een meting set-up en resultaten door zo’n all-gedrukte sensorsysteem weergegeven om aan te tonen van de haalbare kwaliteit.
Introduction
Additive manufacturing (AM) is gestandaardiseerd als een proces waarin materialen uitmaken van voorwerpen uit gegevens van het 3D-model te maken. Dit gebeurt meestal laag over laag en dus contrasteert met subtractieve fabricagetechnologieën, zoals halfgeleider productie. Synoniemen zijn 3D-printing, additive fabrication, additieve proces, additieve technieken, additive layer manufacturing, laag productie en vrije vorm fabricage. Deze synoniemen zijn door de Amerikaanse maatschappij van testen en materialen (ASTM)1 een unieke definitie te geven van de standaardisatie gereproduceerd. In de literatuur, is 3D-printing het proces waar de dikte van de afgedrukte objecten in het bereik van centimeter naar zelfs meter2is genoemd.
Meer gemeenschappelijke processen, zoals stereolithography3, het afdrukken van polymeren inschakelen, maar het 3D-printen van metaal is ook al commercieel beschikbaar. De AM van metalen is werkzaam in vele gebieden, zoals de automobiel-, lucht-en ruimtevaart4en medische5 sectoren. Een voordeel voor lucht-en ruimtevaart structuren is de mogelijkheid om af te drukken van lichtere apparaten via eenvoudige structurele veranderingen (bijvoorbeeldmet behulp van een honingraat ontwerp). Bijgevolg materialen met, bijvoorbeeld, meer mechanische sterkte, die een aanzienlijke hoeveelheid gewicht (b.v., titanium in plaats van aluminium)6anders zou toevoegen, kunnen worden ingezet.
Terwijl het 3D-printen van polymeren reeds goed ingeburgerd is, metalen 3D-printing is nog steeds een levendige onderzoeksonderwerp en allerlei processen zijn ontwikkeld voor het 3D-printen van metalen constructies. Kortom, de beschikbare methoden kunnen worden gecombineerd tot vier groepen7,8, namelijk 1) met behulp van een laser- of elektronenbundel voor gevelbekleding in een draad-gevoed proces, 2) sinteren systemen met behulp van een laser- of elektronenbundel, 3) selectief smelten poeder gebruiken een laser of electron beam (poeder bed fusion), en 4) een binder jetting proces waar, meestal een inkjet-printkop beweegt over een poeder substraat en uitdeelt bindmiddel.
Afhankelijk van het proces, zullen de respectieve vervaardigde monsters vertonen verschillende oppervlakte en structurele eigenschappen7. Deze verschillende eigenschappen moet worden beschouwd in de verdere inspanningen om te verder functionalize de afgedrukte delen (bijvoorbeeld, door het fabriceren van sensoren op hun oppervlakken).
In tegenstelling tot 3D-printing, verwerkt het afdrukken om een dergelijke functionalization (bv., scherm en inkjet printing) dekking alleen beperkt object hoogten van minder dan 100 nm9 tot enkele micrometers en zijn dus vaak ook wel aangeduid als 2.5 D-afdrukken. anderzijds laser gebaseerde oplossingen voor hoge resolutie patronen ook zijn voorgestelde10,11. Een uitgebreid overzicht van de afdrukken processen, de thermisch afhankelijke smelten temperatuur van nanodeeltjes, en de toepassingen wordt gegeven door Ko12.
Hoewel zeefdruk goed ingeburgerd in de literatuur13,14 is, biedt inkjet afdrukken een verbeterde upscaling mogelijkheden, samen met een verhoogde resolutie voor het afdrukken van kleinere functie. Naast dat is het een digitale, noncontact afdrukmethode waardoor de flexibele afzetting van functionele materialen op driedimensionale. Ons werk richt zich bijgevolg op inkjet afdrukken.
Inkjet printing technologie heeft al tewerkgesteld in de fabricage van sensing elektroden metaal (zilver, goud, platina, enz.). Toepassingsgebieden omvatten15,16van de meting van de temperatuur, druk en spanning sensing17,18,19, en biosensing20,21, evenals gas of damp analyse22,23,24. Het genezen van dergelijke afgedrukte structuren met beperkte hoogte verlenging kan worden gedaan met behulp van diverse technieken, op basis van thermische25, magnetron26, elektrische27, laser28, en fotonische29 beginselen.
Fotonische genezen voor inkjet-gedrukte structuren kan onderzoekers gebruik van hoog-energetische, genezen, geleidende inkt op substraten met een lage temperatuur weerstand. Exploitatie van deze omstandigheid, de combinatie van 2.5 kunnen D – en 3D-printing processen worden gebruikt om te fabriceren van zeer flexibele prototypes op het gebied van slimme verpakking30,31,32 en smart sensing.
De geleidbaarheid van 3D-gedrukte metalen substraten is van belang voor de ruimtevaartsector, alsmede voor de medische sector. Het verbetert niet alleen de mechanische stabiliteit van bepaalde delen maar is gunstig in de buurt van-veld, evenals de capacitieve sensing. Een 3D-gedrukte metalen behuizing geeft een extra afscherming/bewaking van de sensor van front-end omdat het elektrisch kan worden aangesloten.
Het doel is om apparaten met behulp van AM technologie fabriceren. Deze apparaten moeten een voldoende hoge resolutie bij de waardering die zij voor (vaak op micro- of nanoschaal) werkzaam zijn en, tegelijkertijd, moeten ze voldoen aan hoge normen met betrekking tot de betrouwbaarheid en kwaliteit.
Het is aangetoond dat AM technology de gebruiker met voldoende flexibiliteit presenteert te fabriceren geoptimaliseerde ontwerpen33,34 , die een verbetering van de algehele kwaliteit van de meting die kan worden bereikt. Daarnaast is de combinatie van polymeren en enkellaags inkjetdruk gepresenteerd in eerdere onderzoek35,36,,37,38.
In dit werk, beschikbare studies worden uitgebreid, en vindt u een review over de fysieke eigenschappen van AM substraten, met een focus op metalen, en hun compatibiliteit met gelaagde inkjetdruk en fotonische genezen. Een voorbeeldige gelaagde spoel ontwerp is in aanvullende figuur 1gegeven. De resultaten worden gebruikt voor het verstrekken van strategieën voor de inkjet-afdrukken van gelaagde sensor structuren op AM metalen ondergronden.
Protocol
Representative Results
Discussion
Een manier om het fabriceren van gelaagde sensor structuren op 3D-gedrukte substraten en op folie wordt aangetoond. AM metaal, evenals keramiek en acrylaat type en folie substraten zijn geschikt voor gelaagde inkjet printing, zoals de hechting tussen de ondergrond en de verschillende lagen is voldoende, evenals de respectieve geleidbaarheid of isolatie vermogen aangetoond. Dit kan geschieden door afdrukken lagen van geleidende structuren op het isolerend materiaal. Bovendien, het drukken en het genezen van de processen v…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd ondersteund door de KOMEET K1 ASSIC Oostenrijkse Smart Systems integratie Research Center. De COMET-Competence Centers voor uitstekende technologie-programma wordt ondersteund door BMVIT, BMWFW, en de federale provincies Karinthië en Stiermarken.
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. |
References
- . 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).
