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Engineering

Híbrido de la impresión para la fabricación de sensores inteligentes

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

Summary

Aquí presentamos un protocolo para la fabricación de estructuras de sensor multicapa de inyección de tinta imprimen en sustratos aditiva fabricados y de la hoja.

Abstract

Un método para combinar aditiva fabrica sustratos u hojas y se presenta múltiples capas de tinta impresión para la fabricación de dispositivos. Primero, se preparan tres sustratos (acrilato, cerámica y cobre). Para determinar las propiedades del material resultantes de estos sustratos, perfilómetro, ángulo de contacto, microscopio electrónico de barrido (SEM) y enfocado de iones (FIB) de la viga medidas se realizan. La posible resolución de impresión y volumen de gota adecuado para cada sustrato, entonces, se encuentran a través de las pruebas de tamaño de gota. Entonces, capas de aislante y conductor la tinta son tinta imprimido alternativamente para fabricar las estructuras de sensor objetivo. Después de cada paso de impresión, las respectivas capas son tratadas individualmente por curado fotónico. Los parámetros utilizados para el curado de cada capa se adaptan dependiendo de la tinta impresa, así como en las propiedades superficiales de los sustratos respectivos. Para confirmar la conductividad resultante y determinar la calidad de la superficie impresa, se realizan mediciones de Perfilómetro y sonda de cuatro puntos. Finalmente, se muestran una configuración de medición y resultados obtenidos por un sistema de sensor impreso todo para demostrar la calidad alcanzable.

Introduction

Fabricación aditiva (AM) está estandarizado como un proceso donde los materiales se unen para hacer objetos de datos del modelo 3D. Esto se realiza capa sobre capa y, por lo tanto, contrasta con tecnologías de fabricación sustractivos, tales como la fabricación de semiconductores. Sinónimos incluyen fabricación 3D-impresión, aditivo, proceso aditivo, técnicas aditivas, fabricación de aditivo capa, capa fabricación y fabricación freeform. Estos sinónimos son reproducidas de la estandardización por la sociedad americana de pruebas y materiales (ASTM)1 para proporcionar una definición única. En la literatura, impresión en 3D se conoce como el proceso donde el grueso de los objetos impresos está en el rango de centímetros a incluso metros2.

Procesos más comunes, como la estereolitografía3, permiten la impresión de los polímeros, pero la impresión 3D de metal también está ya disponible en el mercado. La AM de metales se emplea en múltiples áreas, como para la automotriz, aeroespacial4y sectores médicos5 . Una ventaja para estructuras aeroespaciales es la posibilidad de imprimir más dispositivos a través de simples cambios estructurales (e.g., usando un diseño de nido de abeja). En consecuencia, los materiales con, por ejemplo, mayor resistencia mecánica, que de lo contrario agregar una cantidad significativa de peso (por ejemplo, titanio en lugar de aluminio)6, puede ser empleado.

Mientras que la impresión 3D de polímeros ya está bien establecida, metal 3D-impresión sigue siendo un tema de investigación vibrante, y una variedad de procesos han sido desarrollados para la impresión en 3D de estructuras metálicas. Básicamente, los métodos disponibles se pueden combinar en cuatro grupos7,8, es decir 1) usando un láser o haz de electrones para el revestimiento en un proceso de alimentación de alambre, sistemas 2) sinterización utilizando un láser o haz de electrones, 3) selectivamente usando polvo de fusión un rayo láser o electrón (fusión de cama de polvo) y 4) una carpeta chorro proceso donde, comúnmente, una cabeza de impresión de inyección de tinta se mueve sobre un sustrato de polvo y dispensa aglutinante.

Dependiendo del proceso, las respectivas muestras fabricadas exhiben diferentes propiedades superficiales y estructurales7. Estas diferentes propiedades tendrá que ser considerado en más esfuerzos para seguir funcionalizar las piezas impresas (por ejemplo, por la fabricación de sensores en sus superficies).

En contraste con la impresión en 3D, los procesos de la impresión para lograr tal funcionalización (e.g., pantalla e impresión de inyección de tinta) cubierta solamente limitado alturas objeto de menos de 100 nm9 hasta unos pocos micrómetros y son, por lo tanto, a menudo también conocido como 2.5D-impresión. alternativamente, soluciones basadas en láser para modelar alta resolución también han sido propuestos10,11. Una revisión exhaustiva de los procesos de impresión, la térmica dependiente derretir temperatura de nanopartículas, y las aplicaciones está dada por Ko12.

Aunque la impresión de la pantalla está bien establecida en la literatura13,14, impresión de inyección de tinta ofrece una capacidad de ampliación mejorada, junto con una mayor resolución para la impresión de tamaños más pequeños de la característica. Además, es un método de impresión digital, sin contacto que permite el depósito flexible de materiales funcionales en tres dimensiones. Por lo tanto, nuestro trabajo se centra en la impresión de inyección de tinta.

Tecnología de impresión de inyección de tinta ya se ha empleado en la fabricación de electrodos de detección de metales (plata, oro, platino, etc.). Áreas de aplicación incluyen temperatura medida15,16, presión y tensión detección de17,18,19y biodetección20,21, así como gases o vapores Análisis22,23,24. El curado de estas estructuras impresas con extensión de altura limitada puede ser realizado mediante diferentes técnicas, basadas en térmica25, microondas26, eléctrica27, láser28y fotónica29 principios.

Fotónicas de curado para estructuras de inyección de tinta impresa permite a los investigadores utilizar tintas de alta energía, curables, conductoras en substratos con una resistencia a baja temperatura. Aprovechando esta circunstancia, la combinación de 2.5 procesos D-3D-impresión y pueden ser empleados para fabricar prototipos altamente flexibles en el área de detección inteligente y envases inteligentes30,31,32 .

La conductividad de substratos de metal impreso en 3D es de interés para el sector aeroespacial, así como para el sector médico. No sólo mejora la estabilidad mecánica de ciertas partes pero es beneficiosa en campo cercano, así como la detección capacitiva. Una caja de metal impreso en 3D proporciona adicionales de protección/protección del sensor front-end ya que puede ser conectado eléctricamente.

El objetivo es fabricar dispositivos utilizando la tecnología de AM. Estos dispositivos deben proporcionar una resolución lo suficientemente alta en la medida que se emplean para (a menudo a microempresas o a nanoescala) y, al mismo tiempo, cumplen altos estándares en cuanto a fiabilidad y calidad.

Se ha demostrado que la tecnología AM presenta al usuario con la suficiente flexibilidad para fabricar diseños optimizados33,34 que mejoran la calidad general de medición que se puede lograr. Además, la combinación de polímeros y una capa de inyección de tinta impresión se ha presentado en la anterior investigación35,36,37,38.

En este trabajo, los estudios disponibles se extienden, y se proporciona una revisión sobre las propiedades físicas de sustratos de AM, con un enfoque en los metales y su compatibilidad con múltiples capas de tinta impresión y el curado de fotónica. Un diseño de bobina multicapa ejemplar se proporciona en la figura 1 complementaria. Los resultados se utilizan para proporcionar estrategias para la impresión de inyección de tinta de estructuras multicapa sensor en sustratos metálicos de AM.

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Protocol

PRECAUCIÓN: Antes de usar el considerado tintas y adhesivos, consulte el correspondiente Material seguridad datos hojas (MSDS). La tinta de nanopartículas empleadas y adhesivos pueden ser tóxicos o carcinogénicos, dependiente de la llenadora. Utilice todas las prácticas de seguridad apropiadas cuando se realiza la impresión de inyección de tinta o la preparación de muestras y asegúrese de usar equipo de protección personal (gafas, guantes, bata, pantalones largos, zapatos cerrados).

Nota: El protocolo se puede pausarse después de cualquier paso excepto medidas 6.3-6,6 y pasos 9.2-9.5.

1. preparación de sustratos de impresión 3D

  1. Preparar dibujos de diseño asistido por ordenador (CAD), idealmente utilizando el formato del fichero .stl estereolitografía.
    Nota: Los diseños utilizados están ilustrados en suplementario figura 2 y figura 3 complementaria.
  2. Elegir el proceso de AM basado en las propiedades del material requeridas por la aplicación de destino (ver tabla 1 para las limitaciones del proceso respectivo).
    Nota: En este trabajo, hemos utilizado muestras de cobre impresas en 3D, así como cerámica impreso en 3D.
  3. Fabricar el substrato de cobre por la impresión en 3D con la cera y cera perdida casting39.
  4. Fabricar el substrato de cerámica de cerámica basada en litografía (LCM) tecnología40 de fabricación (ver Video 1).
  5. Fabricar el sustrato de acrilato utilizando un polímero de alta resolución 3D impresora37 y quitar la cera apoyo de la parte impresa.
    1. Poner la parte impresa dentro de un horno a 65 ° C durante 1 h derretir la cera apoyo.
    2. Después de quitar la parte impresa del horno, ponerlo dentro de un baño de ultrasonidos aceite a 65 ° C para eliminar la cera de los agujeros, agujeros, etc.
  6. Limpie los sustratos utilizando un limpiador humedecido con acetona, como posibles impurezas superficiales afectan grandemente la calidad de impresión de inyección de tinta más adelante.
    Nota: La preparación de sustratos de AM se puede hacer utilizando diferentes equipos y procesos. Dependiendo de la estrategia de fabricación, las propiedades de superficie y a granel pueden variar también. Por lo tanto, es crucial controlar estas propiedades utilizando las técnicas de inspección recomendadas más adelante (véase, por ejemplo, la sección 4 del presente Protocolo).

2. fabricación de interconexiones

Nota: La fabricación de interconexiones difiere dependiendo del tipo (para no conductor/conductora) de sustrato.

  1. Fabricación de interconexiones en los substratos (cerámicos) no conductores.
    1. Dispense el adhesivo conductor curable de baja temperatura con un microdispenser de la presión del tiempo montado en una estación de microassembly en las vias apropiadas las piezas impresas.
    2. Deje el fabricado interconecta secar durante 10 min a 23 ° C y con la presión ambiente.
      Nota: para el sustrato de cerámica, las interconexiones también pueden ser fabricados con pasta de soldadura y curado de alta temperatura.
  2. Fabricar las interconexiones en los substratos conductivos.
    1. Dispensar la tinta aislante todo las vias (hoyos/agujeros en el sustrato) circunferencia mediante un microdispenser de la presión del tiempo.
    2. Realizar el curado fotónico con luz pulsada intensa según lo sugerido por el proveedor de tinta.
      1. Abrir la bandeja del equipo fotónico curado que contiene la tabla de sustrato.
      2. Mover la muestra de cobre a la mesa de sustrato del equipo curado fotónico y fijarlo con el Portapieza magnético proporcionado.
      3. Ajuste la altura de la mesa de sustrato del equipo para mover la muestra en el plano de enfoque de los equipos de curado.
      4. Cerrar la bandeja y ajustar el perfil de curado recomendado por el proveedor de material para el material impreso en el interfaz de software del equipo y presione el botón start.
    3. Llenar la vía con baja temperatura de curado conductora pegar (Tabla de materiales).
      Nota: en general, es posible utilizar todas las formas de monocomponente, a base de epoxy adhesivos conductivos que son activada a la temperatura.
    4. Interconecta el fabricado seco durante 10 minutos a 23 ° C.

3. preparación del sistema de impresión de inyección de tinta

  1. Limpiar/purgar los inyectores del cabezal de impresión con la purgación, ajuste en el software de la impresora, usando el producto químico apropiado para la tinta correspondiente: utilizar isopropanol para aislar las tintas; Utilice trietileno glicol Monometil Éter para la tinta conductora. Purgar los inyectores presionando el botón de purga en la interfaz del software de la impresora hasta que la solución expulsada de las respectivas boquillas está clara.
    Nota: La cantidad de químicos necesarios depende de la impresora, la boquilla y la química. En este experimento, se utilizó 2 mL aproximadamente.
  2. Llenar de tinta los contenedores de tinta con aproximadamente 1,5 mL de nanopartículas de plata con 50 wt.% carga metálica y un tamaño de partícula promedio de 110 nm utilizando una jeringa, por ejemplo, con un barril de 3 mL y una cerradura de Luer de 18 G aguja de dispensación.
  3. Utilizar un cabezal de impresión a chorro de la tinta presionando el botón de Inicio de cabeza en la interfaz del software de la impresora.
  4. Utilizar el perfil que echa en chorro ajustado de la impresora de chorro de tinta conductora.
    1. Mover el cabezal a la posición de dropview usando la opción de ir a la posición de dropview en la interfaz de software de la impresora y observar el chorro de la tinta.
    2. Cambiar los parámetros del perfil de voltaje está preinstalado para que el cabezal de impresión y la temperatura del cabezal de impresión para ajustar la velocidad de la gota, forma y volumen. Ajuste la presión de la tinta para evitar cualquier derrame de la tinta y reducir la formación de gotas satélite.
      Nota: Para el sistema de impresión utilizado en este protocolo, el voltaje operacional de chorro máximo fue fijado a 40 V y un perfil de chorro de 1 μs tiempo de subida/bajada con 10-14 μs sujetar un tiempo fue usado. La tinta de plata era chorro a 45 ° C. La presión de tinta óptimo depende del nivel de tinta. La tensión en el perfil de voltaje tiene que ser aumentado o reducido dependiendo del estado (p. ej., temperatura, viscosidad) de la tinta y la temperatura actual de la cabeza, así como el estado de la cabeza de impresión usado. Para lograr que echa en chorro adecuado, se recomienda cambiar la tensión hacia arriba en pasos de 1 V. Si no mejora en forma de gota, reducir la tensión en pasos de 1 V. Siga este procedimiento hasta logra un descenso estable.
  5. Ajustar los parámetros de impresión para la tinta aislante de la misma manera como hace para la tinta de plata.
    1. Utilice otro cabezal de impresión para el material dieléctrico de bajo-k, que es una mezcla de monómeros de acrilato-tipo de chorro.
      Nota: Una vez más, una tensión de servicio de chorro de 40 V y un tiempo de subida/bajada de 1 μs con 8 μs mantenga tiempo fue utilizado en el presente Protocolo. La tinta dieléctrica podría sobrecalentar a 50 ° C. La presión de tinta óptimo depende del nivel de tinta actual. Generalmente, los parámetros usados altamente dependen de las propiedades de la tinta, así como del sustrato o capa sobre la cual debe ser impreso. Durante el proceso de fabricación, los parámetros de impresión que tenga que ajustarse dinámicamente. Por favor consulte el manual del usuario del sistema de impresión sobre cómo ajustar correctamente los parámetros de la impresora.

4. inspección de las propiedades superficiales de los sustratos respectivos para la impresión y el ajuste de parámetros de la impresora para la primera capa

  1. Realizar mediciones de Perfilómetro para determinar la rugosidad de la superficie.
    1. Poner la muestra en la tabla de sustrato (etapa) de la Perfilómetro.
    2. Si no va, Inicio la etapa usando el botón de inicio en la interfaz del software.
    3. Elija la resolución respectiva y el área que se asigna en la interfaz del software.
    4. Coloque el cabezal de medición en la posición inicial y comenzar la medición utilizando la opción de jog y botón de inicio en la interfaz del software.
    5. Después de que termine la medición, verificar los resultados de consistencia (por ejemplo, son las alturas se muestra plausible para el número de capas impresas) y guardar los datos.
  2. Realizar inspecciones de SEM según el manual del usuario para analizar la calidad de la superficie.
  3. Realizar mediciones de ángulo de contacto como se describe en el manual del usuario de la estación de SEM para determinar las propiedades de mojabilidad.
  4. Fijar el sustrato en la tabla de sustrato con cinta adhesiva y marcar su posición adecuada.
  5. Ajustar la boquilla y parámetros de impresión en la configuración de la interfaz de software editando las propiedades de la cabeza de impresión en la interfaz del software de la impresora.
    1. De nuevo, mueva el cabezal de impresión a la posición de dropview con la opción de ir a la posición de dropview en interfaz de software de la impresora y observar el chorro de la tinta. Si es necesario, ajuste los parámetros de impresión para optimizar el chorro.
    2. Elija una boquilla que expulsa gotas bien definidas y homogéneas de la tinta para la impresión.
    3. Introduzca el número de la boquilla solicitada en las preferencias de la impresora.
  6. Realice las pruebas de tamaño de gota para determinar el tamaño de una gota impresa en el sustrato correspondiente.
    1. Imprimir un patrón de caída, utilizando una configuración de impresora conocido.
    2. Determinar el tamaño de gota alcanzado utilizando un microscopio calibrado o el sistema de cámara incorporado de la impresora.
    3. Asegúrese de que la resolución de impresión posteriormente utilizada es apropiada para la humectación de observada la tinta fabricar una superficie homogénea y cerrada (por ejemplo, elegir una resolución de impresión de 900-1.000 dpi para un tamaño de gota de 40-50 μm).
  7. Realizar un análisis de la FIB (Tabla de materiales), según las instrucciones del fabricante, para asegurar una suficiente homogeneidad a granel para substratos conductivos.

5. ajustes de parámetro para la primera capa de curado

  1. Imprimir múltiples estructuras, utilizando una capa de la tinta utilizada para la primera capa del dispositivo, sobre un sustrato simulado (es decir, una muestra del mismo material que más adelante puede ser eliminado y se utiliza para fines solamente de prueba).
  2. Uso de curado térmico en un horno a 130 ° C durante al menos 30 min a presión ambiente de los estampados plata conductoras sobre un sustrato de cerámica.
    Nota: Dependiendo del tamaño de la muestra, use una vaina para sostener la muestra dentro del horno.
  3. Utilizar el curado fotónica para la tinta aislante sobre el sustrato metálico.
    1. Abrir la bandeja del equipo fotónico curado que contiene la tabla de sustrato.
    2. Pasar la muestra a la tabla de sustrato del equipo curado fotónico y fije por consiguiente (usando, por ejemplo, incluidos accesorios magnéticos).
    3. Ajuste la altura de la mesa de sustrato del equipo, con el husillo de la mesa para mover la muestra al plano de enfoque de los equipos de curado.
    4. Cerrar la bandeja y ajustar el perfil de curado según lo recomendado por el proveedor para el material impreso en el interfaz de software del equipo y presione el botón start.
  4. Control de la homogeneidad de la superficie cualitativamente utilizando un microscopio y cuantitativamente usando un Perfilómetro.
    1. Poner la muestra en la tabla de sustrato (etapa) de la Perfilómetro.
    2. Si no va, Inicio la etapa usando el botón correspondiente en el software.
    3. Elija la resolución respectiva y el área que debe asignarse.
    4. Coloque el cabezal de medición en la posición inicial y comenzar la medición.
    5. Después de que termine la medición, verificar el resultado de la coherencia y guardar los datos.
  5. Repetir fotónicos o procedimientos de curado térmicos utilizando adoptaron parámetros curados si es necesario.
    1. Aumentar la energía fotónica usada en pequeños pasos de, por ejemplo, 5 V en la interfaz de software del equipo fotónico curado si la resistencia alcanzada es muy alta. Disminuir la energía utilizada si muestra signos de quemaduras.
  6. Ajustar los parámetros del equipo para el curado de la primera capa de dispositivo funcional por lo que se alcanza una conductividad suficiente para la aplicación a mano, pero todavía no quema de la estructura impresa ocurre.

6. impresión y curado de la primera capa de dispositivo

  1. Fijar el sustrato en la tabla de sustrato con cinta adhesiva y marcar su posición adecuada.
  2. Como la primera capa es conductor, para el sustrato de tipo cerámica y acrilato, utilizar sustrato mesa de calefacción de 60 ° C.
    Nota: La temperatura no debe exceder una temperatura que puede afectar el sustrato correspondiente (por ejemplo, el acrilato tolera sólo hasta 65 ° C). Este ajuste se puede hacer en la configuración de la impresora.
  3. Ajustar la boquilla y parámetros de impresión en la configuración de la interfaz de software.
    1. Mueva el cabezal de impresión para el dropview posición y observar el chorro de la tinta.
    2. Elija una boquilla que expulsa gotas bien definidas y homogéneas de la tinta para la impresión.
    3. Introduzca el número de la boquilla solicitada en las preferencias de la impresora.
  4. Ajusta la resolución usada de la cabeza de impresión para depositar una capa homogénea de la tinta según las propiedades del sustrato previamente: sustratos de baja humedad, por ejemplo, un ángulo de contacto grande y tamaño de gota pequeño aumentan la impresión resolución. Bajar la resolución para sustratos de alta humectabilidad.

    Nota: El ajuste de los parámetros de impresión se puede hacer en la configuración de la impresora.
  5. Seleccione el punto de referencia adecuado para imprimir el patrón y almacenar sus coordenadas.
  6. Cargar el archivo de respectivos scalable vector graphic (.svg) y seleccione una resolución adecuada y el tamaño, dependiente en el patrón deseado y las dimensiones del sustrato en el software de la impresora.
  7. Realizar la impresión. Repetir la impresión de una capa de tinta hasta que la homogeneidad de la impresión sea satisfactoria.
  8. Control de la homogeneidad de la capa impresa utilizando un microscopio calibrado o el sistema de cámara incorporado de la impresora.
    1. Hacia la cámara de la impresora de la posición de impresión y observar la calidad de la impresión en la interfaz del software de la impresora.
  9. La curación de la primera capa con los parámetros determinados en el artículo 5 del presente Protocolo.
    1. Para la tinta de plata sobre un sustrato de polímero (acrilato, papel de aluminio), utilice un 1 ms de pulso a 250 V con una cantidad reducida de energía (525 mJ/cm2).
    2. Para la tinta de plata sobre un sustrato de cerámica, utilice calor curado en un horno como se recomienda con la tinta (por ejemplo, 130 ° C para 30 min).
    3. Curar la tinta impresa dieléctrica a 200 V con pulsos de ms 1 y repetir los pulsos 8 x en la frecuencia de 1 Hz.
      Nota: Los espectros de la luz emitida que se utiliza en el curado de la fotónica es bastante amplio (ultra-violeta-infrarrojo cercano [UV-NIR]). Aún así, la cantidad de luz UV es suficiente para iniciar la fotopolimerización y cura la capa de aislamiento.

7. inspección de las propiedades superficiales de los sustratos respectivos para la impresión y el ajuste de parámetros de la impresora para capas posteriores

Nota: Por favor, consulte los manuales de usuario de los equipos de medición para llevar a cabo el Perfilómetro mediciones e inspecciones de microscopía.

  1. Realizar mediciones de Perfilómetro para determinar la rugosidad y el espesor de la capa impresa.
    1. Poner la muestra en la tabla de sustrato del Perfilómetro.
    2. Si no va, Inicio la etapa usando el botón correspondiente en el software.
    3. Elija la resolución respectiva y el área que debe asignarse.
    4. Coloque el cabezal de medición en la posición inicial y comenzar la medición.
    5. Después de que termine la medición, verificar el resultado de la coherencia y guardar los datos.
  2. Realizar mediciones de ángulo de contacto para determinar las propiedades de mojabilidad.
    Nota: Consulte el manual del usuario de los equipos de medición de mano sobre cómo realizar correctamente las mediciones de ángulo de contacto.
  3. Exámenes de gota tamaño para determinar el tamaño de una gota impresa en el sustrato correspondiente.
    1. Imprimir un patrón de caída usando una configuración de impresora conocido.
    2. Determinar el tamaño de gota alcanzado usando un microscopio calibrado o sistema de control incorporado de la impresora.
  4. Ajusta la resolución usada de la cabeza de impresión para lograr una capa homogénea de la tinta: sustratos de baja humedad, por ejemplo, un ángulo de contacto grande y tamaño de gota pequeño aumentan la resolución de impresión. Bajar la resolución para sustratos de alta humectabilidad.
  5. Controlar las propiedades eléctricas de la primera capa: para una primera capa conductora, utilice la sonda de cuatro puntos para determinar la conductividad obtenida.
    1. Poner la muestra en la tabla de sustrato.
    2. Baje el cabezal de medición sobre la pista conductora, asegurándose de que la sonda tiene buen contacto con la estructura impresa, para su análisis.
  6. Para una primera capa de aislamiento, asegúrese que la superficie homogénea cubre el conductor siguiente. Utilizar un microscopio para confirmar. Verificar las características aisladores con un multímetro.

8. ajustes de parámetro para las capas posteriores de curado

  1. Imprimir múltiples estructuras, utilizando una capa de la tinta usada para la siguiente capa del dispositivo, sobre un sustrato simulado con una capa anterior equivalente.
  2. Utilice sólo fotónica cura para todos los sustratos.
  3. Después de curar, controlar las propiedades eléctricas y estructurales de la capa impresa: para determinar si la conductividad es suficiente, utilice una medida de la sonda de cuatro puntos.
  4. Control de la homogeneidad de la superficie cualitativamente utilizando un microscopio y cuantitativamente utilizando el Perfilómetro.
  5. Repita procedimientos fotónicos de curado si es necesario.
  6. Ajustar los parámetros del equipo para el curado de la capa de dispositivo funcional posterior.

9. impresión y curado de las capas posteriores del dispositivo

  1. Fijar el sustrato en la mesa de sustrato adecuadamente en la posición previamente marcada.
  2. Ajustar los parámetros de impresión y boquilla según lo determinado en el paso anterior.
  3. Seleccione el punto de referencia adecuado para imprimir el patrón y asegúrese de que los estampados estén bien alineados unos con otros para garantizar un funcionamiento correcto del dispositivo después.
  4. Cargue el archivo .svg respectivos con la resolución adecuada y el tamaño.
  5. Realizar la impresión. Repetir la impresión de una capa de tinta hasta que la homogeneidad de la impresión sea satisfactoria.
  6. Controlar la homogeneidad de la capa impresa bajo el microscopio (aquí, se utiliza el sistema de cámara incorporado de la impresora).
  7. Uso fotónico curado solamente para el curado de esta capa. Utilizar los parámetros determinados previamente por una capa aislante o una capa conductora en el aislador.
  8. Después de curar, controlar las propiedades eléctricas y estructurales de la capa impresa: para determinar si el rango de conductividad de la capa conductora es aceptable, usar un multímetro.

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Representative Results

De las imágenes de SEM que se muestra en la figura 1, se pueden extraer conclusiones sobre la capacidad de impresión en los sustratos respectivos. Las barras de escala son diferentes debido a las diferentes gamas de la rugosidad de la superficie. En la Figura 1a, se muestra la superficie del substrato de cobre, que es mucho más suave. Figura 1 c, por el contrario, muestra de acero, un sustrato que no es utilizable para la impresión debido a la alta porosidad y ángulo de contacto inestable (véase también cuadro 2). En la Figura 1b, se muestra una imagen de SEM del sustrato bronce, y en la Figura 1D, se ilustra la superficie de la muestra de titanio.

En la figura 2 y figura 3, se dan los resultados de las mediciones de Perfilómetro. Estas evaluaciones son necesarias para determinar la rugosidad de la superficie de los sustratos respectivos. Los substratos del metal con una rugosidad muy por encima de ~ 1 μm (aluminio, titanio y acero) no son utilizables para la impresión, la tinta tiende a ser absorbido debido a la alta porosidad y por lo tanto, inhibe la fabricación de capas homogéneas y reproducibles estructuras. El substrato de cerámica con alúmina tiene una rugosidad comparable, pero debido al proceso de fabricación diferentes, no exhiben tales porosidades superficie alta y por lo tanto, puede ser utilizado.

Pruebas de tamaño, tal como ilustradas cualitativamente en la figura 4 la gota y se reunieron cuantitativamente en la tabla 3, dan el tamaño de la gota puede lograr y, por tanto, también las propiedades de humectabilidad de la respectiva combinación de sustrato y tinta. Donde no hay gotas de distintivas son los sustratos forman o tienen muy poca humectabilidad (esto vale para los metales de AM con una baja rugosidad superficial), o son demasiado porosos (esto vale para los metales de AM con una rugosidad alta [p. ej., Figura 4D]). En la figura 4, se ilustra el resultado de la impresión en bronce. Figura 4b muestra el cobre, figura 4C muestra cerámica, y 4 de la figura d muestra el resultado de muestra de acero.

En la figura 5, se dan imágenes microscópicas de los resultados después de la curación de una capa conductora de 1 mm de anchura en el aislante de la tinta. Basado en estas imágenes, puede evaluarse la integridad de las impresiones. Para la tinta conductora de cobre (figura 5b), se logra el mejor resultado; la pista conductora de aluminio (figura 5a) se destruye totalmente; las pistas conductoras impresas en los substratos de cerámica (figura 5 c, d) están intactas, pero muestran la delaminación. La delaminación es debido a la absorción de calor débil y alta reflexión de los sustratos. Reducir la dosis de curado en estos sustratos rinde pistas conductoras que han mejorado las propiedades eléctricas y estructurales.

Para determinar los perfiles de altura y calidad de la superficie de las estructuras de múltiples capas impresas, perfiles de altura, que son los resultados de mediciones de Perfilómetro, están reunidos, tal como se indica en la figura 6 y figura 7, utilizando el Perfilómetro. De estos perfiles de altura, se puede determinar la homogeneidad de la superficie de las pistas conductoras (la suavidad de las curvas azules). Además, las superficies que pierde su integridad estructural (aluminio, titanio) se pueden identificar por los grandes gradientes en sus perfiles de altura.

El análisis de la FIB con cobre (figura 8a), bronce (figura 8b), titanio (figura 8 c) y latón (figura 8D) se muestran para ilustrar una suficiente homogeneidad a granel de sustratos metálicos de AM. Las barras de escala son diferentes aquí para captar óptimamente las características estructurales de las láminas multicapas (deficiencias en la pista conductora, homogeneidad, etc.). Esto asegura suficiente conductividad eléctrica de los sustratos para que éstos se pueden utilizar para protección en aplicaciones de sensores magnéticos y capacitivos. Resultados para la resistencia de la hoja alcanzado utilizando una sonda de cuatro puntos se recogen en la tabla 4. Además, es posible una valoración cualitativa de las capas impresas. Las estructuras granulares están formadas por nanopartículas de curado y la capa inferior es la tinta aislante. En, por ejemplo, figura 8b, vemos nonhomogeneities (agujeros, inclusiones de aire) en las capas impresas. Éstos resultan de la emisión de gases durante el curado. Outgassing puede ocurrir cuando la dosis de curación para conductor tinta sobre tinta aislante es demasiado alto. Este efecto influye negativamente en la integridad de las estructuras impresas y excesiva desgasificación conduce a la destrucción.

En la figura 9, se muestran los resultados de las mediciones. Estos resultados se reunieron con un manifestante que emplea un principio de detección capacitivo. La suavidad de las curvas muestra la alta calidad alcanzable a pesar de las deficiencias estructurales que pudieran derivarse de los procesos de impresión.

Figure 1
Figura 1: imágenes de SEM de los substratos metálicos. Estas imágenes muestran (a) cobre, (b) bronce, acero (c) y (d) titanio. Se toman en diferentes aumentos según lo ilustrado por la barra de escala en la esquina inferior derecha de cada imagen. Basado en estas imágenes, la homogeneidad de la superficie puede ser evaluada. Esta figura ha sido modificada desde Faller et al. 41. haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 2
Figura 2: medidas de Perfilómetro de sustratos metálicos y cerámica de AM. La rugosidad valores Ra y Rq en nanómetros se determinan según ISO 4287. De la plata, los valores son 689.39 nm y 788.06 nm, respectivamente; para el aluminio, son 2151.19 nm y 2750.38 nm, respectivamente; para los sustratos a base de alúmina (Al2O3), son 1210.47 nm y 1737.6 nm, respectivamente; para los sustratos a base de zirconio (ZrO2), son 559.97 nm y 681.56 nm. La ondulación es la más extensamente espaciada textura superficial del sustrato. La ondulación es el restante textura de homogeneidad con el componente de rugosidad quitado. Esta figura ha sido modificada desde Faller et al. 41. haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 3
Figura 3: mediciones de Perfilómetro de substratos metálicos. La Run Rq valores y para los sustratos respectivos son de latón, 414.2 nm y 494.49 nm, respectivamente; titanio, 1099.86 nm y 1448.06 nm, respectivamente; para cobre, 307.63 nm y 358.92 nm, respectivamente; para el acero, 1966.95 nm y 2238.78 nm, respectivamente. Esta figura ha sido modificada desde Faller et al. 41. haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 4
Figura 4: pruebas de tamaño para substratos metálicos y de cerámicas de la gota. Estas imágenes muestran (una) de bronce, cobre (b), (c) acero de ZrO2 y (d). Distintas gotas medidas aquí están marcadas (cuando sea posible) por las flechas en la imagen respectiva. Los tamaños de gota determinada se recogen en la tabla 3. Esta figura ha sido modificada desde Faller et al. 41. haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 5
Figura 5: imágenes microscópicas de tinta conductora impresión sobre un aislante y un sustrato metálico AM después de curar fotónicas. Los sustratos son (a) aluminio, cobre (b), (c) Al2O3y (d) ZrO2. La anchura de la estructura conductora en cada imagen es w = 1 mm. La integridad de la estructura conductora en aluminio se destruye totalmente, mientras que las estructuras de cobre y Al2O3 permanecen intactas. Esta figura ha sido modificada desde Faller et al. 41. haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 6
Figura 6: perfiles de altura de las pistas conductoras en el aislador para sustratos metálicos, determinada el Perfilómetro. Esta figura ha sido modificada desde Faller et al. 41. haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 7
Figura 7: perfiles de altura de las pistas conductoras sobre sustratos de metal y cerámicas, determinadas el Perfilómetro. Esta figura ha sido modificada desde Faller et al. 41. haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 8
Figura 8: imágenes de la FIB de tinta conductiva en los substratos metálicos y aislador. Estas imágenes muestran (a) cobre, bronce (b), titanio (c) y (d) bronce. Esta figura ha sido modificada desde Faller et al. 41. haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 9
Figura 9: Diagrama de la medida resulta de un dispositivo demostrador fabricado siguiendo la metodología sugerida. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

mínimos detalles /
mm		 precisión mínima /
% featuresize		 proceso
Plata 0.25 5.00 fundición a la cera de impresión 3D y perdido de la cera
Titanio 0.1 0.2 directo del laser del metal de la sinterización
Acero 0.35 2 a 3 Enlace químico y sinterización @ 1300 ° C
Bronce 0.35 5.00 fundición a la cera de impresión 3D y perdido de la cera
Latón 0.35 5.00 fundición a la cera de impresión 3D y perdido de la cera
Aluminio 0.25 0.2 directo del laser del metal de la sinterización
Cobre 0.35 5.00 fundición a la cera de impresión 3D y perdido de la cera
Al2O3 0.025-0.1 0.04 LCM-tecnología
ZrO2 0.025-0.1 0.04 LCM-tecnología

Tabla 1: limitaciones y tolerancias de los procesos de impresión 3D. Esta tabla ha sido modificada de Faller et al. 41.

titanio acero bronce latón cobre
ac / ° 85.9 71.15 100.3 100.03 88.54
Σuna 7,27 17.64 3.17 2.25 6,84

Tabla 2: ángulos de contacto se reunieron un c y su desviación estándar σ un grados. Esta tabla ha sido modificada de Faller et al. 41.

titanio bronce latón cobre Al2O3 ZrO2
dropsize / μm 23.97 31.3 36.04 29.03 69 69.3

Tabla 3: diámetros de gota se reunieron d d en micrómetros. Esta tabla ha sido modificada de Faller et al. 41.

r□ en mΩ/□ Comentarios
Titanio 3000
Acero 600
Bronce 2000
Latón 300
Aluminio 30000
Cobre 180
Al2O3 150.00 energía utilizada para curar la fotónica: 527 mJ/cm ²
ZrO2 20.00 pista conductora por ablación

Tabla 4: Se reunieron hoja resistencias r□ en mΩ/□. Las resistencias de la hoja se indican utilizando un índice de cuadrado (□) significa ohmios por cuadrado. Este término generalmente se refiere a estructuras de 2D y, por lo tanto, también implica que el flujo de corriente es en el plano de la hoja. La resistencia de la hoja puede ser multiplicada por el espesor de la película para dar la resistencia a granel. Esta tabla ha sido modificada de Faller et al. 41.

Video
Video 1: proceso de LCM. Este proceso se utiliza para la fabricación de los sustratos cerámicos (Imágenes cortesía de Lithoz). Por favor haga clic aquí para ver este video. (Clic derecho para descargar)

Suplementario Figura 1: ejemplo de un diseño de bobina multicapa. Haga clic aquí para descargar esta figura.

Complementarios Figura 2: Ejemplo de dibujos de diseño asistido por ordenador (CAD), utilizado para la impresión 3D de estructuras multicapa bobina.   Haga clic aquí para descargar esta figura.

Complementarios Figura 3: Ejemplo de dibujos de diseño asistido por ordenador (CAD), utilizado para la impresión 3D de sensores capacitivos multi-electrodo.   Haga clic aquí para descargar esta figura.

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Discussion

Se demuestra una manera de fabricar estructuras de sensor multicapa en 3D impreso sustratos y en papel. AM metal, así como cerámica y acrilato sustratos tipo y papel se demuestran para ser conveniente para la impresión de múltiples capas de inyección de tinta, como la adherencia entre el sustrato y las diferentes capas es suficiente, así como la capacidad de conductividad o aislamiento respectiva. Esto podría ser demostrado por capas impresión de estructuras conductoras en material aislante. Además, la impresión y el curado de procesos para todas las capas fue realizada con éxito sin perjudicar uno al otro.

Las estrategias de fabricación presentadas en este trabajo son muy sensibles a la interacción de los diferentes materiales y propiedades de superficie. En consecuencia, la reproducibilidad de las medidas realizadas es dependiente en el proceso de fabricación correspondiente. Para la preparación de los materiales AM, debe considerar que las propiedades de superficie y a granel pueden variar significativamente dependiendo del método de fabricación (figura 1 y tabla 2). Para la impresión de inyección de tinta, los parámetros propuestos deben ajustarse cuidadosamente el sistema de impresión utilizado, así como las respectivas tintas42,43,44. La jettability de diferentes tintas de nanopartículas de Ag puede variar significativamente, dependiendo de la formulación. Esto significa que ciertos aditivos y solventes de la tinta determinan su específico viscosidad, tensión superficial y punto de ebullición.

Otro punto a considerar es la aglomeración de sólidos contenido cuando la tinta envejece o no es almacenada correctamente, que puede distorsionar la calidad que echa en chorro. Además, la configuración específica de la cabeza de impresión sí mismo también es crucial, sobre todo las dimensiones de la abertura de la boquilla. Determina los parámetros actuales de chorro, como la tensión que echa en chorro, forma de onda y temperatura setpoint, así como el tamaño de la gota resultante (figura 4 y tabla 3). Durante el proceso de impresión sí mismo, una tabla de sustrato calentado también podría aumentar la temperatura de la cabeza de impresión debido a la proximidad espacial, dando por resultado una cambio y posible degradación del comportamiento de impresión. Por lo tanto, es crucial controlar la temperatura del cabezal de impresión durante el proceso.

Otro factor que pudiera influir en el comportamiento que echa en chorro durante la impresión es la presión de la tinta ya que puede tiene que ser disminuida como el baja de nivel de tinta durante el proceso. La fabricación de las interconexiones en un substrato conductivo es no trivial, como la capa de aislamiento dispensada debe tener un espesor suficiente para evitar cortocircuitos, pero aún debe dejar espacio suficiente para formar la interconexiones utilizando soldadura conductiva pasta.

Además, la adherencia entre los materiales de tres tiene que ser aceptable para formar vias estable. Durante el proceso de curado, la tolerancia a la temperatura de la capa de aislamiento debe ser considerado así. Por lo tanto, baja temperatura curado pasta de soldadura se ha empleado para las respectivas interconexiones. Después de imprimir las capas funcionales, deben curarse para obtener la resistencia de la hoja deseada (tabla 4). Sinterización térmica es un método adecuado y eficaz para los patrones plata si el sustrato o la capa subyacente tiene una tolerancia de suficientemente de alta temperatura de45. Esto no es el caso de las capas de aislantes, por curado fotónico es empleado (figura 5). Durante el proceso de curado fotónico, una gran cantidad de energía se transfiere a la muestra. Por lo tanto, es crucial asegurar que los estampados se han secado suficientemente antes del proceso de curado, de lo contrario, los solventes restantes podrían llegar a su punto de ebullición y pueden destruir las capas impresas debido a la expansión del líquido y la formación de burbujas (figura 8).

Además, suficiente secado es necesario para crear capas de espesor homogéneo (figura 6 y figura 7). Espesor homogéneo es necesario para aplicaciones donde las mediciones nanómetro basadas en, por ejemplo, se emplea un principio capacitivo (figura 9). Aquí, una distancia uniforme desde el electrodo de detección puede afectar significativamente la calidad46.

En general, se puede afirmar que la elección de los parámetros de curado fotónicos óptimos para las capas del dispositivo en un aislante es un factor crucial: Si la energía introducida no es suficiente, permanece sin sinterizar la tinta conductora y la resistencia de la hoja es demasiado alta para el dispositivos eléctricamente funcional; al introducir demasiada energía, el calor excesivo se producirán en la película y, en consecuencia, se destruye la pista conductora. El substrato de cobre produjo los mejores resultados en cuanto a la resistencia de la hoja (ver tabla 4) y también en la calidad superficial alcanzada y la integridad de la guía metálica impresa. Esto puede ser debido a la rugosidad de la superficie siendo el más bajo entre todos los sustratos considerados. La reflectividad de sustrato podría ser identificada como influir en el resultado fotónico de curado significativamente. La reflectividad respectivo sustrato tiene que ser considerado en el curado para lograr un resultado optimizado con respecto al espectro curado Fotónica Aplicada y perfil. Esto tiene que ser adaptado para substratos individuales y combinaciones de tinta.

En este trabajo, fue demostrada la idoneidad de sustratos AM y hoja para la impresión. Además, se determinaron las propiedades de los materiales junto con los factores esenciales para el proceso. Se presentó una estrategia para fabricar prototipos de sensor trabajo sobre papel y sustratos de metal y polímero de AM. Finalmente, se demostró la calidad de medición viable basada en las mediciones con un sistema demostrador. Este enfoque constituye una importante contribución a la funcionalización eléctrica futuro de superficies, recintos y otras estructuras que hasta ahora han tenido un propósito exclusivamente mecánico en el diseño de numerosos dispositivos.

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Disclosures

Los autores no tienen nada que revelar.

Acknowledgments

Este trabajo ha sido apoyado por el cometa K1 ASSIC austríaco inteligentes sistemas de integración centro de investigación. Los centros de competencia cometa para excelente-programa de tecnologías es apoyado por BMVIT, BMWFW y las provincias federales de Carintia y Estiria.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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

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