Name: 用于智能传感器制造的混合打印 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-01-31T13:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 35 s
Description: 学习将3D打印基板与喷墨打印相结合制造多层传感器结构的方法。该技术可用于自动化生产线和协作机器人系统，实现高质量测量功能。

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本工作得到了奥地利智能系统集成研究中⼼ COMET K1 ASSIC 的资助。COMET（卓越技术能力中心）计划由奥地利交通、创新与技术部（BMVIT）、奥地利科学、研究与经济部（BMWFW）以及克恩顿州和施泰尔马克州两个联邦州共同资助。

警告：在使用相关油墨和粘合剂之前，请查阅相应的材料安全数据表（MSDS）。所使用的纳米颗粒油墨和粘合剂可能具有毒性或致癌性，具体取决于填料成分。进行喷墨打印或样品制备时，请务必采取所有适当的安全措施，并穿戴合适的个人防护装备（护目镜、手套、实验服、长裤、封闭式鞋履）。
注意：除步骤 6.3 - 6.6 和步骤 9.2 - 9.5 外，可在任意步骤后暂停本方案。
1. 3D打印基底的制备
<ol>
	<li>准备计算机辅助设计（CAD）图纸，最好采用立体光刻 .stl 文件格式。 
	注意：所使用的实验设计如图所示 补充 图2 和 补充图3.</li>
	<li>根据目标应用所需的材料性能选择增材制造工艺（参见 表1 （针对各自的过程限制）。 
	注意：本研究中使用的样品包括3D打印铜和3D打印陶瓷。</li>
	<li>通过蜡材3D打印和失蜡铸造法制备铜基底39.</li>
	<li>采用基于光刻的陶瓷制造（LCM）技术制备陶瓷基板40&#160;（参见 视频 1).</li>
	<li>使用高分辨率聚合物3D打印机制造丙烯酸酯基底37 并从打印件上去除支撑用的蜡。
	<ol>
		<li>将打印部件放入65 °C的烘箱中加热1小时，以熔化支撑用石蜡。</li>
		<li>从烘箱中取出打印部件后，将其放入65 °C的超声波油浴中，以清除孔洞和小开口中的石蜡， 等等。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>使用蘸有丙酮的擦拭布清洁基底，因为表面可能存在的杂质会显著影响后续喷墨打印的质量。 
	注意：AM基材的制备可采用不同的设备和工艺。根据制造策略的不同，其表面和体相性质也可能存在差异。因此，必须利用后续推荐的检测技术对这些性质进行控制（例如，参见本方案的第4节）。</li>
</ol>
2. 互连结构的制备
注意：互连的制备方法因基底类型（导电/非导电）的不同而有所差异。
<ol>
	<li>在非导电（陶瓷）基底上制备互连结构。
	<ol>
		<li>使用安装在微装配站上的时间-压力微点胶系统，将低温固化导电胶精确点涂至打印部件的相应通孔中。</li>
		<li>将制备的互连结构在23 °C、常压条件下静置干燥10分钟。 
		注意：对于陶瓷基板，互连也可使用焊膏和高温固化工艺制备。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>在导电基底上制备互连结构。
	<ol>
		<li>将绝缘油墨涂覆于通孔（基板上的孔/基板中的孔）的整个周缘 通过 一种时间压力微分配器。</li>
		<li>按照油墨供应商的建议，使用强脉冲光进行光子烧结。
		<ol>
			<li>打开含有基板台的光子烧结设备托盘。</li>
			<li>将铜样品移至光子烧结设备的基板台上，并使用提供的磁性夹具固定。</li>
			<li>调节设备的基板台高度，使样品移动至固化设备的焦平面。</li>
			<li>关闭托盘，并根据材料供应商的建议，在设备软件界面中为所用打印材料调整固化参数，然后按下启动按钮。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>用低温固化导电胶填充通孔（材料表). 
		注意：通常可以使用所有类型的单组分、基于环氧树脂且通过温度激活的导电胶。</li>
		<li>将制备的互连结构在 23 °C 下干燥 10 分钟。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. 喷墨打印系统的准备
<ol>
	<li>使用打印机软件中的清洗功能，根据相应油墨选择合适的化学试剂清洗/冲洗打印头喷嘴：绝缘油墨使用异丙醇；导电油墨使用三甘醇单甲醚。在打印机软件界面中按压清洗按钮，持续冲洗喷嘴，直至从相应喷嘴排出的液体变为澄清透明。 
	注意：所需化学品的量取决于打印机、喷嘴和化学品的种类。本实验中使用了约 2 mL。</li>
	<li>使用注射器（例如3 mL针筒）和18 G鲁尔锁式分配针，将约1.5 mL的纳米银墨水（金属含量50 wt.%，平均粒径110 nm）注入墨盒中。</li>
	<li>使用一个打印头，通过按压来喷射墨水 开始头部 打印机软件界面中的按钮</li>
	<li>使用打印机预设的喷射参数进行导电油墨的喷射。
	<ol>
		<li>使用打印机控制面板将打印头移至滴定视图位置 转至 DropView 位置 在打印机软件界面中选择相应选项，并观察墨水的喷射情况。</li>
		<li>调整打印头预设电压曲线的参数以及打印头温度，以调节液滴的速度、形状和体积。调节墨水压力，以避免墨水溢出并减少卫星液滴的形成。 
		注意：本实验所用打印系统的操作最大喷射电压设定为 40 V，喷射波形采用 1 µs 上升/下降时间，10–14 µs 保持时间。银墨水在 45 °C 下进行喷射。最佳墨水压力取决于墨水液位，需根据墨水状态相应增加或降低电压波形中的电压值。例如墨水的性质（如温度、黏度）和打印头的当前温度，以及所用打印头的状态。为实现良好的喷射效果，建议以1 V为小步长逐步提高电压；若液滴形态未见改善，则以1 V为步长逐步降低电压。重复此过程，直至获得稳定的液滴喷射状态。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>以与银墨相同的方式调整绝缘墨水的打印参数。
	<ol>
		<li>使用另一个打印头喷射低介电常数介电材料，该材料为丙烯酸酯类单体的混合物。 
		注意：本方案再次采用40 V的工作喷射电压，上升/下降时间为1 µs，保持时间为8 µs。介电油墨可在50 °C下进行喷印。最佳油墨压力取决于实际油墨液位。通常，所用参数高度依赖于油墨本身的特性，以及目标打印基底或层的性质。在制造过程中，可能需要动态调整打印参数。有关如何正确调整打印机参数，请参考打印系统用户手册。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
4. 各基底表面可印刷性特性的检测及打印机首层参数的调整
<ol>
	<li>使用轮廓仪测量表面粗糙度。
	<ol>
		<li>将样品放置在轮廓仪的基底台（载物台）上。</li>
		<li>若载物台未归位，请使用软件界面中的归位按钮进行归位。</li>
		<li>选择软件界面中对应的分辨率和映射区域。</li>
		<li>将测量头置于起始位置，然后在软件界面中使用点动选项和启动按钮开始测量。</li>
		<li>测量结束后，检查结果的一致性（例如所示高度对于打印层数是否合理）并保存数据。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>按照用户手册进行扫描电镜检查，以分析表面质量。</li>
	<li>按照SEM工作站用户手册中所述的方法进行接触角测量，以确定材料的润湿性特性。</li>
	<li>使用胶带将基底固定在基底台上，并适当标记其位置。</li>
	<li>在打印机软件界面中，通过编辑打印头的属性来调整喷嘴和打印参数。
	<ol>
		<li>再次使用 转至 DropView 位置 在打印机的软件界面中选择相应选项，观察墨水喷射情况。如有必要，调整打印参数以优化喷射效果。</li>
		<li>选择能够喷射出轮廓清晰且均匀墨滴的喷嘴用于打印。</li>
		<li>在打印机的设置中输入所选喷嘴的编号。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>进行液滴尺寸测试，以确定在相应基底上打印的单个液滴的尺寸。
	<ol>
		<li>使用已知的打印机配置打印液滴图案。</li>
		<li>使用校准的显微镜或打印机内置的相机系统测定实际获得的液滴尺寸。</li>
		<li>确保后续使用的打印分辨率适合所观察到的墨水在织物上的润湿情况，以制备出均匀且致密的表面（例如选择900 - 1,000 dpi的打印分辨率，以获得40 - 50 µm的液滴尺寸。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>进行FIB分析（材料表），按照制造商的说明操作，以确保导电基底具有足够的整体均匀性。</li>
</ol>
5. 首层固化参数的调整
<ol>
	<li>使用第一器件层所用的油墨，在假基板（即，与实际基板材料相同、仅用于测试且后续可丢弃的样品）上打印多个结构。</li>
	<li>对于陶瓷基板上打印的导电银图案，在常压下于130 °C的烘箱中进行至少30分钟的热固化。 
	注意：根据样品尺寸，使用托盘装置将样品固定在烘箱内。</li>
	<li>对金属基板上的绝缘油墨采用光子固化工艺。
	<ol>
		<li>打开光子固化设备的托盘，露出其中的基板台。</li>
		<li>将样品移至光子固化设备的基板台上，并使用适当的固定装置（例如设备提供的磁性夹具）进行固定。</li>
		<li>通过调节设备基板台的转轴高度，使样品移动至光子固化设备的焦平面位置。</li>
		<li>关闭托盘，并根据供应商推荐，在设备软件界面中设置相应的固化参数，然后按下启动按钮。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>使用显微镜定性评估表面均匀性，使用轮廓仪进行定量检测。
	<ol>
		<li>将样品放置在轮廓仪的基板台（载物台）上。</li>
		<li>若载物台未归零，请在软件中点击相应按钮执行归零操作。</li>
		<li>选择需要扫描的分辨率和区域范围。</li>
		<li>将测量探头移至起始位置，开始测量。</li>
		<li>测量完成后，检查结果的一致性，并保存数据。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>如有必要，根据调整后的固化参数重复光子固化或热固化步骤。
	<ol>
		<li>若测得电阻过高，可在光子固化设备的软件界面中以较小步长（例如5 V）逐步增加光子能量；若样品出现烧蚀迹象，则应降低能量。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>调整首层功能器件的固化参数，确保达到应用所需的足够导电性，同时避免打印结构发生烧蚀。</li>
</ol>
6. 第一层器件的喷墨打印与固化
<ol>
	<li>使用胶带将基底固定在基底台上，并适当标记其位置。</li>
	<li>由于第一层具有导电性，对于陶瓷和丙烯酸酯类基板，应使用60 °C的基板台加热。 
	注意：温度不得超过可能影响相应底物的温度例如，丙烯酸树脂的耐受温度最高仅为65 °C）。此调整可在打印机设置中完成。</li>
	<li>在软件界面的设置中调整喷嘴和打印参数。
	<ol>
		<li>将打印头移至液滴观测位置，观察墨水的喷射情况。</li>
		<li>选择能够喷射出轮廓清晰且均匀墨滴的喷嘴用于打印。</li>
		<li>在打印机的设置中输入所选喷嘴的编号。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>根据先前确定的基底特性，调整打印头的使用分辨率，以沉积均匀的墨层：对于低润湿性基底，例如具有较大接触角和较小液滴尺寸的情况，可提高打印分辨率；对于高润湿性基底，则应降低分辨率。 
	 
	注意：打印参数的调整可在打印机设置中完成。</li>
	<li>选择合适的参考点以打印图案，并存储其坐标。</li>
	<li>在打印机软件中加载相应的可缩放矢量图形（.svg）文件，并根据所需的图案及基底尺寸选择合适的分辨率和大小。</li>
	<li>进行打印。重复打印一层墨水，直至打印的均匀性达到满意效果。</li>
	<li>使用校准的显微镜或打印机内置的摄像头系统来控制打印层的均匀性。
	<ol>
		<li>将打印机的摄像头移至打印位置，并观察打印机软件界面中显示的打印质量。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>使用本方案第5节中确定的参数固化第一层。
	<ol>
		<li>对于聚合物基底（丙烯酸酯、箔膜）上的银墨，使用 250 V 电压、1 ms 脉冲，并降低能量至 525 mJ/cm2).</li>
		<li>对于陶瓷基底上的银墨，应按照墨水说明在烘箱中进行热固化处理例如，130 °C 反应 30 分钟。</li>
		<li>在200 V条件下，使用1 ms脉冲对打印的介电油墨进行固化，并以1 Hz的频率重复脉冲8次。 
		注意：光子烧结所用发射光的光谱范围较宽（紫外-近红外 [UV-NIR]），但其中紫外光的含量足以引发光聚合反应并固化绝缘层。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
7. 各基底表面可印刷性相关表面特性的检测及后续打印层打印机参数的调整
注意：请参考测量设备的用户手册进行轮廓仪测量和显微镜检查。
<ol>
	<li>使用轮廓仪测量以确定打印层的粗糙度和厚度。
	<ol>
		<li>将样品放置在轮廓仪的基底台上。</li>
		<li>若未归零，使用软件中的相应按钮对载物台进行归零操作。</li>
		<li>选择需要扫描的分辨率和区域。</li>
		<li>将测量头移至起始位置并开始测量。</li>
		<li>测量完成后，检查结果的一致性，并保存数据。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>进行接触角测量以确定润湿性能。 
	注意：请参考所用测量设备的用户手册，了解如何正确执行接触角测量。</li>
	<li>进行液滴尺寸测试，以确定在相应基底上单个打印液滴的尺寸。
	<ol>
		<li>使用已知的打印机配置打印液滴图案。</li>
		<li>使用校准过的显微镜或打印机内置的检测系统测定实际液滴尺寸。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>调整打印头的使用分辨率，以获得均匀的墨层：例如，对于低润湿性基底，较大的接触角和较小的液滴尺寸可提高打印分辨率；而对于高润湿性基底，则应降低分辨率。</li>
	<li>控制第一层的电学性能：对于导电的第一层，使用四探针法测定其导电性。
	<ol>
		<li>将样品放置在基底台上。</li>
		<li>将测量头压在导电线路之上，确保探针与待分析的打印结构良好接触。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>对于绝缘的第一层，需确保其表面均匀覆盖下方的导体，可通过显微镜确认；并使用万用表验证其绝缘性能。</li>
</ol>
8. 后续层的固化参数调整
<ol>
	<li>在具有等效前一层的假基底上，使用用于下一层器件的油墨打印多层结构。</li>
	<li>所有基底均仅采用光子烧结处理。</li>
	<li>烧结后，控制打印层的电学和结构特性：通过四探针测量法判断其导电性是否足够。</li>
	<li>使用显微镜定性评估表面均匀性，使用轮廓仪进行定量分析。</li>
	<li>如有必要，重复光子烧结步骤。</li>
	<li>调整设备参数，以用于后续功能器件层的烧结。</li>
</ol>
9. 后续器件层的喷墨打印与固化
<ol>
	<li>将基底正确固定在基底台的先前标记位置上。</li>
	<li>根据前一步骤确定的结果，调整喷嘴和打印参数。</li>
	<li>选择合适的参考点进行图案打印，并确保所打印的图案彼此对齐良好，以保证后续器件的正常功能。</li>
	<li>加载相应分辨率和尺寸的 .svg 文件。</li>
	<li>执行打印操作。重复打印一层墨水，直至打印的均匀性达到满意效果。</li>
	<li>在显微镜下检查打印层的均匀性（此处使用打印机内置的相机系统）。</li>
	<li>仅使用光子固化技术对该层进行固化。根据先前确定的参数，对绝缘层或绝缘体上的导电层进行固化处理。</li>
	<li>固化后，检测打印层的电学和结构特性：使用万用表判断导电层的电导率范围是否可接受。</li>
</ol>

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</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

展示了一种在3D打印基板和箔材上制造多层传感器结构的方法。增材制造金属、陶瓷、丙烯酸酯类材料以及箔材基板均适用于多层喷墨打印，因为基板与各层之间的附着力足够，且各层具备相应的导电性或绝缘性能。通过在绝缘材料上打印导电结构层，验证了该方法的可行性。此外，所有层的打印和固化过程均成功完成，且各步骤之间未产生相互干扰。
本工作中所介绍的制备策略对不同材料与表面特性之间的相互作用高度敏感。因此，各操作步骤的可重复性取决于相应的制造工艺。在制备所用增材制造材料时，需考虑到材料的表面与体相特性可能因制备方法的不同而显著变化（图1 和 表2）。对于喷墨打印，所建议的参数必须根据所使用的打印系统以及相应的油墨进行仔细调整42,43,44。不同银纳米颗粒油墨的可喷射性可能因其配方不同而存在显著差异。这意味着油墨中的溶剂和特...

增材制造（AM）被标准化为一种通过3D模型数据逐层堆积材料来制造物体的工艺。该过程通常逐层进行，因而与半导体制造等减材制造技术形成对比。其同义词包括3D打印、增材制造、增材工艺、增材技术、增材层制造、层制造和自由成形制造。这些同义词源自美国材料与试验协会（ASTM）1的标准化定义，旨在提供统一的术语规范。在文献中，3D打印通常指所打印物体厚度在厘米至米量级范围内的制造过程2。
较为常见的工艺，例如立体光刻3，能够实现聚合物的打印，而金属的3D打印也已实现商业化。金属的增材制造已广泛应用于多个领域，如汽车、航空航天4，以及医学5 部件。航空航天结构的一个优势是通过简单的结构改变即可打印出更轻的装置例如，通过采用蜂窝状设计）。因此，材料可以具有例如更高的机械强度，而不会像其他方式那样显著增加重量（例如,&#160;钛而非铝6，可被采用。
尽管聚合物的3D打印技术已经相当成熟，金属3D打印仍是一个活跃的研究领域，目前已开发出多种用于金属结构3D打印的工艺。总体而言，现有方法可归纳为四类7,8：1）在丝材进给过程中使用激光或电子束进行熔覆；2）使用激光或电子束的烧结系统；3）利用激光或电子束选择性熔化粉末（粉末床熔融）；4）粘结剂喷射工艺，通常由喷墨打印头在粉末基材上移动并喷射粘结剂。
根据不同的工艺，所制备的样品将表现出不同的表面和结构特性7这些不同的特性在今后对打印部件进行进一步功能化时必须予以考虑。例如，通过在其表面制造传感器实现）。
与3D打印不同，实现此类功能化的打印工艺（例如，丝网印刷和喷墨印刷）仅能覆盖从不到100 nm9到数微米的有限物体高度，因此通常也被称为2.5D打印。此外，基于激光的高分辨率图案化方案也已被提出10,11。Ko12对这些打印工艺、纳米颗粒的热依赖性熔融温度及其应用进行了全面综述。
尽管丝网印刷在文献中已有充分报道13,14，但喷墨印刷在实现更小特征尺寸的高分辨率打印方面具有更优的放大能力。此外，喷墨印刷是一种数字化的非接触式打印方法，能够灵活地在三维结构上沉积功能材料。因此，本研究聚焦于喷墨印刷技术。
喷墨打印技术已应用于金属（银、金、铂、 等等。）感应电极。应用领域包括温度测量15,16压力与应变传感17,18,19和生物传感20,21以及气体或蒸气分析22,23,24. 对于高度扩展有限的此类打印结构，可采用基于热处理的多种技术进行固化25，微波26电的27激光28和光子学29 原理
光子烧结技术可使研究人员在耐温性较低的基底上使用高能量、可固化的导电油墨打印结构。利用这一特点，结合2.5D和3D打印工艺，可用于制造智能包装30,31,32以及智能传感领域的高柔性原型器件。
3D打印金属基板的导电性在航空航天领域以及医疗领域均受到关注。它不仅能够提高某些部件的机械稳定性，还有利于近场和电容传感。由于3D打印金属外壳可实现电气连接，因此可为传感器前端提供额外的屏蔽/防护。
目标是利用增材制造技术制备器件。这些器件在所应用的测量中应能提供足够高的分辨率（通常在微米或纳米尺度），同时在可靠性和质量方面应满足高标准要求。
已有研究表明，增材制造技术为用户提供了足够的灵活性，以制造出经过优化的设计33,34，从而提高可实现的整体测量质量。此外，聚合物与单层喷墨打印技术的结合已在先前的研究中被报道35,36,37,38。
本研究拓展了现有文献，并综述了增材制造基材的物理特性，重点关注金属材料，以及其与多层喷墨打印和光子烧结工艺的兼容性。补充图1中提供了一个多层线圈设计的示例。研究结果可用于指导在增材制造金属基材上喷墨打印多层传感器结构的策略。

<table><tbody><tr><td>PiXDRO LP 50</td><td>Meyer Burger AG</td><td></td><td>配备双喷头组件的喷墨打印机。</td></tr><tr><td>SM-128 Spectra S-class</td><td>Fujifilm Dimatix</td><td></td><td>喷头，喷嘴直径为 50 &amp;micro;m，标定液滴体积为 50 pL，最高分辨率为 800 dpi。</td></tr><tr><td>DMC-11610/DMC-11601</td><td>Fujifilm Dimatix</td><td></td><td>一次性喷头，喷嘴直径为 21.5 &amp;micro;m，标定液滴体积为 1 或 10 pL。</td></tr><tr><td>Sycris I50DM-119</td><td>PV Nanocell</td><td></td><td>导电银纳米颗粒油墨，含 50 wt.% 银，平均粒径为 120 nm，分散于三甘醇单甲醚中。</td></tr><tr><td>Solsys EMD6200</td><td>SunChemical</td><td></td><td>绝缘型低介电常数油墨，由丙烯酸类单体混合而成，黏度为 7–9 cps。</td></tr><tr><td>Dycotec DM-IN-7002-I</td><td>Dycotec</td><td></td><td>可紫外光固化的绝缘材料，表面张力：37.4 mN/m</td></tr><tr><td>Dycotec DM-IN-7003C-I</td><td>Dycotec</td><td></td><td>可紫外光固化的绝缘材料，表面张力：29.7 mN/m</td></tr><tr><td>Dycotec DM-IN-7003-I</td><td>Dycotec</td><td></td><td>可紫外光固化的绝缘材料，表面张力：31.4 mN/m</td></tr><tr><td>Dycotec DM-IN-7004-I</td><td>Dycotec</td><td></td><td>可紫外光固化的绝缘材料，表面张力：27.9 mN/m</td></tr><tr><td>Pulseforge 1200</td><td>Novacentrix</td><td></td><td>光子烧结/烧结设备。</td></tr><tr><td>DektatkXT</td><td>Bruker</td><td></td><td>触针式轮廓仪，触针尖端直径为 12.5 &amp;micro;m，恒定作用力为 4 mg。</td></tr><tr><td>C4S</td><td>Cascade Microtech</td><td></td><td>四探针测量头。</td></tr><tr><td>2000</td><td>Keithley</td><td></td><td>万用表，用于四探针法测量结果的评估。</td></tr><tr><td>Helios NanoLab600i</td><td>FEI</td><td></td><td>聚焦离子束分析系统，提供高能镓离子刻蚀功能。</td></tr><tr><td>SeeSystem</td><td>Advex Instruments</td><td></td><td>水接触角测量装置。</td></tr><tr><td>Projet 3500 HDMax</td><td>3D Systems</td><td></td><td>专业级高分辨率聚合物 3D 打印机。另见（访问于 2018 年 9 月）：https://www.3dsystems.com/sites/default/files/projet_3500_plastic_0115_usen_web.pdf</td></tr><tr><td>Polytec PU 1000</td><td>Polytec PT</td><td></td><td>基于聚氨酯的导电胶粘剂，可购得。</td></tr><tr><td>Microdispenser</td><td>Musashi</td><td></td><td>用于微量点胶的针头。</td></tr><tr><td>Micro-assembly station</td><td>Finetech</td><td></td><td>用于组装印刷电路板（PCB）、放置化学品（如焊料）及表面贴装器件（SMD）元件的设备。</td></tr></tbody></table>

用于智能传感器制造的混合打印技术

Hybrid Printing for the Fabrication of Smart Sensors

本文介绍了一种将增材制造的基底或箔材与多层喷墨打印技术相结合以制备传感器器件的方法。首先，制备三种基底材料（丙烯酸酯、陶瓷和铜）。为了确定这些基底的材料特性，进行表面轮廓仪、接触角、扫描电子显微镜（SEM）以及聚焦离子束（FIB）测量。随后，通过液滴尺寸测试确定每种基底可实现的打印分辨率及合适的液滴体积。接着，交替喷墨打印绝缘墨水和导电墨水层，以构建目标传感器结构。每次打印后，各层均通过光子烧结进行单独处理。烧结参数根据所打印墨水的种类以及相应基底的表面特性进行调整。为验证所得导电性能并评估打印表面的质量，进行四探针法和表面轮廓仪测量。最后，展示由该全打印传感器系统构成的测量装置及其所得结果，以证明其可达到的性能质量。

从图1所示的扫描电镜图像中，可以得出关于在不同基底上打印性能的结论。由于表面粗糙度范围不同，比例尺也有所不同。图1a显示了铜基底的表面，其光滑程度远高于其他基底。图1c则显示了钢基底，由于其高孔隙率和不稳定的接触角，该基底不适合用于喷墨打印（参见表2）。图1b展示了青铜基底的扫描电镜图像，而图1d则描绘了钛样品的表面形貌。
在图2和图3中给出了轮廓仪测量的结果。这些评估对于确定相应基底的表面粗糙度是必要的。...

本文介绍一种在增材制造的基底和箔膜上制备喷墨打印多层传感器结构的实验方案。

一种将增材制造基底或薄膜与多层喷墨打印技术相结合以制备传感器器件的方法被提出。首先，……

我们重点关注3D打印基底与喷墨打印技术的结合，该领域目前正受到广泛研究。我们相信，这种结合能够在协作机器人自动化生产线中实现完整且常规的传感系统概念。因此，该技术的主要优势在于其应用性。尽管如此，仍能确保所获得测量结果的高质量，这些测量数据是通过遥采系统原型采集的，在将3D打印与喷墨打印相结合用于功能化时获取。对于每一层，必须同时考虑基底材料的特性和油墨的特性。此外，固化剂量取决于这两者的综合作用。采用基于光刻的陶瓷制造技术制备陶瓷基底。在非导电基板上制作互连结构时，使用安装在微组装工作站上的时间压力式微点胶系统，将低温可固化导电胶精确涂布至打印部件的相应通孔中。将制备好的互连结构在23°C、常压条件下静置干燥十分钟。完成喷墨打印系统的准备，并按照文本方案中所述检查表面特性以确认其可打印性。使用胶带将基底固定在基底台上，并适当标记其位置。在打印机软件界面中，通过编辑打印头的属性来调整喷嘴和打印参数。在打印机软件界面中，使用“移至液滴观察位置”选项将打印头移至液滴观察位置，并观察墨水的喷射情况。如有必要，调整打印参数以优化喷射效果。选择能够喷出形状清晰且均匀墨滴的喷嘴用于打印。在打印机的设置中输入所选喷嘴的编号。进行液滴尺寸测试，以确定在基底上打印的一个液滴的大小。为此，使用已知的打印机配置打印出液滴图案。利用校准过的显微镜或打印机内置的相机系统，测定实际获得的液滴尺寸。确保后续使用的打印分辨率适合所观察到的墨水在基底上的润湿情况，以制备均匀且连续的表面。将用于第一器件层的墨水层打印到多个结构上，并将这些结构打印至临时基板。在金属基板上对绝缘油墨采用光子烧结工艺。打开光子烧结设备的托盘，其中包含基板台。将样品移至光子烧结设备的基板台上并妥善固定。通过调节台面 spindle 的高度，使样品位于烧结设备的焦平面位置。关闭托盘，根据供应商针对所打印材料和设备软件界面推荐的参数设置烧结程序，然后按下启动按钮。根据文本方案中所述调整喷嘴和打印参数，然后进行打印。重复打印一层墨水，直至打印的均匀性达到满意效果。使用校准的显微镜控制打印层的均匀性。或者使用打印机内置的摄像头系统。将打印机的摄像头移至打印位置，并在打印机软件界面中观察打印质量。对于陶瓷基底上的银墨，需使用烘箱进行加热固化。按照墨水的建议操作。使用光子固化设备对印刷的染料介电墨水进行固化，设置200伏的电源电压，施加1毫秒的脉冲，以1赫兹的频率重复脉冲8次。进行轮廓仪测量，以确定印刷层的粗糙度和厚度。将样品放置在轮廓仪的基底台上。如果未校准，使用软件中的相应按钮对测量头进行校准。选择需要扫描的分辨率和区域。将测量头置于起始位置并开始测量。测量完成后，检查结果的一致性，并保存数据。根据文本方案中所述，调整打印机和固化参数，以进行后续各层的打印。将基底固定在基底台的先前标记位置上。调整喷嘴和打印参数，与之前一致。

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用于智能传感器制造的混合打印

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我们提出一种用于曲面图像传感器的可变形横向NIPIN光电晶体管阵列的详细制备方法。该光电晶体管阵列采用开放网状结构，由薄硅岛和可拉伸金属互连组成，具有柔韧性和可拉伸性。使用参数分析仪表征所制备光电晶体管的电学特性。...

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可穿戴柔性电极：从制备到电生理评估

本文提供了一种利用喷墨打印机制造基于芯片的超级电容器的技术。详细描述了合成墨水、调整软件参数以及分析所制造超级电容器电化学性能的方法。...

用于芯片型超级电容器制备的喷墨打印机精细控制方法

柔性电极在软体机器人和可穿戴电子设备领域具有广泛的应用。本实验方案展示了一种制备高分辨率、高拉伸性电极的新策略。 通过...

基于微流体通道的柔性电极及其在电容式压力传感中的应用

学习将3D打印基板与喷墨打印相结合制造多层传感器结构的方法。该技术可用于自动化生产线和协作机器人系统，实现高质量测量功能。

用于智能传感器制造的混合打印技术

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