Summary
在这里, 我们提出了一个协议, 用于制造喷墨打印多层传感器结构的添加剂制造基板和箔。
Abstract
提出了一种将加法制造的基板或箔与多层喷墨打印相结合的方法, 用于传感器设备的制造。首先, 制备了三种基材 (丙烯酸酯、陶瓷和铜)。为了确定这些基板的材料特性, 进行了轮廓计、接触角、扫描电子显微镜 (sem) 和聚焦离子束 (fib) 测量。因此, 通过落差尺寸测试, 可以找到每个基材的可实现的打印分辨率和合适的落差体积。然后, 将绝缘油墨和导电油墨层交替喷墨打印, 以制造目标传感器结构。每次打印步骤完成后, 可通过光子固化对各层进行单独处理。根据印刷油墨以及相应基材的表面性能, 适用于每一层固化的参数。为了确定所产生的电导率并确定印刷表面的质量, 进行了四点探头和轮廓计测量。最后, 展示了这种全打印传感器系统的测量设置和结果, 以证明可实现的质量。
Introduction
添加剂制造 (am) 是标准化的一个过程, 其中材料连接, 以使对象从3d 模型数据。这通常是逐层完成的, 因此与半导体制造等减法制造技术形成鲜明对比。同义词包括3d 打印、添加剂制造、添加剂工艺、添加剂技术、添加剂层制造、层制造和自由成型制造。这些同义词是由美国测试和材料学会 (astm)1 的标准化复制的, 以提供一个独特的定义。在文献中, 3d 打印被称为打印对象的厚度在厘米到米 2范围内的过程。
更常见的工艺, 如立体平版印刷3, 可以打印聚合物, 但金属的3d 印刷也已在商业上可用。金属的 am 被应用于多个领域, 如汽车、航空航天4和医疗5个领域。航空航天结构的一个优势是可以通过简单的结构更改 (例如, 通过使用蜂窝设计) 打印较轻的设备。因此, 可以使用机械强度更大的材料, 否则会增加大量重量 (例如钛而不是铝)6。
虽然聚合物的3d 打印已经很成熟, 但金属三维印刷仍然是一个充满活力的研究课题, 并为金属结构的三维印刷开发了各种工艺。基本上, 现有的方法可以组合成4组 7,8, 即1) 使用激光或电子束在一个线进过程中包覆, 2) 烧结系统使用激光或电子束, 3) 选择性熔融粉末使用激光或电子束 (粉末床融合) 和 4) 粘合剂喷射过程, 其中喷墨打印头通常在粉末基板上移动并分配粘结剂。
根据工艺的不同, 各自制造的样品将表现出不同的表面和结构特性7。在进一步努力使印刷部件功能化的过程中, 必须考虑这些不同的特性 (例如, 在其表面上制造传感器)。
与3d 打印不同的是, 实现这种功能化的打印过程 (例如, 屏幕和喷墨打印) 只覆盖有限的对象高度, 从小于 100 nm 9 到几个微米,因此, 通常也被称为2.5 d 打印. 或者, 还提出了基于激光的高分辨率图案解决方案10,11。由 ko12对纳米粒子的印刷工艺、热依赖性熔体温度及其应用进行了全面的综述。
尽管丝网印刷在文献13、14 中得到了广泛的确立, 但喷墨打印提供了更好的升级能力, 同时提高了打印较小特征尺寸的分辨率。除此之外, 它是一种数字、非接触式打印方法, 可在三维上灵活沉积功能材料。因此, 我们的工作重点是喷墨打印。
喷墨打印技术已经应用于金属 (银、金、铂等) 传感电极的制造。应用领域包括温度测量15、16、压力和应变传感17、18、19和生物传感20、21以及气体或蒸汽分析22,23,24。这种印刷结构的固化在有限的高度延伸可以完成使用各种技术, 基于热25, 微波26, 电气 27, 激光28,和光子29的原则。
用于喷墨打印结构的光子固化使研究人员能够在具有低温电阻的基板上使用高能量、可固化的导电油墨。利用这种情况, 2.5 d 和3d 打印工艺的结合可用于在智能包装30、31、32 和智能传感领域制造高度灵活的原型。
3d 打印金属基板的导电性是航空航天部门以及医疗部门所感兴趣的。它不仅提高了某些部件的机械稳定性, 而且有利于近场和电容传感。三维打印的金属外壳为传感器的前端提供了额外的屏蔽保护, 因为它可以电连接。
其目的是使用 am 技术制造设备。这些器件应在所使用的测量中提供足够高的分辨率 (通常在微观或纳米尺度上), 同时应满足可靠性和质量方面的高标准。
事实表明, am 技术为用户提供了足够的灵活性, 可以制造出优化的设计 33,34, 从而提高了整体测量质量。此外, 聚合物与单层喷墨打印的结合已在以往的研究第35,36,37,38中提出。
在这项工作中, 扩展了现有的研究, 并提供了一个关于 am 基板的物理性能, 重点是金属, 以及它们与多层喷墨打印和光子固化的兼容性的综述。补充图 1提供了一个典型的多层线圈设计。研究结果为 am 金属基板上多层传感器结构的喷墨打印提供了策略。
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Protocol
注意: 在使用经过深思熟虑的油墨和粘合剂之前, 请参考相关的材料安全数据表 (msds)。所使用的纳米颗粒油墨和粘合剂可能有毒或致癌, 取决于填料。在进行喷墨打印或样品制备时, 请使用所有适当的安全实践, 并确保佩戴适当的个人防护设备 (安全眼镜、手套、实验室外套、全长裤子、闭脚鞋)。
注: 除步骤 6.3-6.6 和步骤 9.2-9.5 之外, 任何步骤后都可以暂停该协议。
1. 3d 打印基板的制备
- 准备计算机辅助设计 (cad) 图纸, 最好使用立体平版印刷. stl 文件格式。
注:使用的设计如补充图 2和补充图 3所示。 - 根据目标应用程序所需的材料属性选择 am 工艺 (有关相应的工艺限制, 请参见表 1 )。
注: 在这项工作中, 我们使用了由3d 打印的铜以及3d 打印陶瓷制成的样品。 - 用蜡和失蜡铸造 39, 通过三维印刷制作铜基板。
- 采用基于光刻的陶瓷制造 (lcm) 技术制造陶瓷基板40 (参见视频 1)。
- 使用高分辨率聚合物3d 打印机37制作丙烯酸酯基板,并从印刷部件中取出支撑蜡。
- 将印刷部件放入65°c 的烤箱内 1小时, 以熔化支撑蜡。
- 从烤箱中取出打印的部件后, 将其放入65°c 的超声波油浴中, 将蜡从孔、小开口等中取出.
- 使用用丙酮润湿的雨刮器清洁基板, 因为表面杂质会极大地影响后期喷墨打印质量。
注: am 基板的制备可以使用不同的设备和工艺。根据制造策略的不同, 表面和体积特性也可能有所不同。因此, 使用稍后建议的检查技术来控制这些属性至关重要 (例如, 见本协议第4节)。
2. 互连的制造
注: 互连的制造因基板的类型 (导电性/导电性) 而异。
- 在非导电 (陶瓷) 基板上制造互连。
- 将安装在微装配站上的时间压力微分配器分配低温固化导电胶粘剂, 使其进入印刷部件的适当通孔。
- 在23°c 和环境压力下, 将制造的互连连接保持干燥10分钟。
注: 对于陶瓷基板, 也可以使用焊膏和高温固化来制造互连。
- 在导电基板上制造互连。
- 通过时间压力微分配器将绝缘油墨涂在整个孔 (基材上的孔) 周长上。
- 按照油墨供应商的建议, 使用强烈的脉冲光进行光子固化。
- 打开包含基板的光子固化设备的托盘。
- 将铜样品移动到光子固化设备的基板表中, 并使用提供的磁片固定。
- 调整设备基板表的高度, 将样品移动到固化设备的焦点平面。
- 关闭纸盒并按照材料供应商对设备软件界面中的印刷材料的建议调整固化配置文件, 然后按 "启动" 按钮。
- 用低温固化导电浆料 (材料表) 填充。
注: 一般情况下, 可以使用所有形式的单组分环氧导电胶粘剂, 这些胶粘剂的温度被激活。 - 在23°c 下将制造的互连干燥10分钟。
3. 喷墨打印系统的准备
- 清洁/清洗打印头喷嘴与清洗设置在打印机软件中, 使用相应的化学品为各自的油墨: 使用异丙醇绝缘油墨;使用三乙二醇单甲基醚作为导电油墨。通过按打印机软件界面中的清除按钮来清除喷嘴, 直到从相应的喷嘴弹出的解决方案清除。
注: 所需的化学量取决于打印机、喷嘴和化学品。在本实验中, 使用了约2毫升。 - 用大约1.5 毫升的纳米颗粒银墨填充 50 wt% 的金属负载和平均粒径为110纳米的墨水, 例如, 使用一个3毫升的枪管和一个 18 g luer 锁点胶针。
- 通过按打印机软件界面中的"开始头" 按钮, 使用一个打印头喷墨。
- 使用打印机的预调整喷射轮廓进行导电油墨的喷射。
- 使用打印机软件界面中的 "转到下视图位置" 选项将打印头移动到下拉视图位置, 并观察墨迹的喷射。
- 更改为打印头和打印头温度预装的电压分布的参数, 以调整落差速度、形状和体积。调整油墨压力, 避免油墨溢出, 减少卫星液滴的形成。
注: 对于本协议中使用的打印系统, 操作最大喷射电压设置为 40 v, 并使用10-14 μs 保持时间为 1μs rise/跌幅时间的喷射轮廓。银币在45°c 时喷射。最佳的油墨压力取决于油墨水平。电压分布中的电压必须根据油墨的状态 (例如温度、粘度) 和磁头的当前温度以及使用的打印头的状态而增加或降低。为了实现适当的喷射, 我们建议在 1 v 的小步骤中向上改变电压。如果落差形状没有改善, 在 1 v 的小步骤中降低电压, 按照这个步骤操作, 直到实现稳定的下降。
- 以与银墨相同的方式调整绝缘油墨的印刷参数。
- 使用另一个打印头喷射低 k 介电材料, 这是丙烯酸型单体的混合物。
注: 同样, 本协议使用了 40 v 的操作喷射电压和具有8μs 保持时间的1μs 上升时间。介质油墨可在50°c 下喷射。最佳油墨压力取决于实际墨水量。通常, 使用的参数在很大程度上取决于油墨的属性, 以及应将其打印到的基板或层的属性。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, 请参阅打印系统的用户手册。
- 使用另一个打印头喷射低 k 介电材料, 这是丙烯酸型单体的混合物。
4. 检查不同基板的表面性能的印刷性和第一层打印机参数的调整
- 执行轮廓计测量, 以确定表面粗糙度。
- 将样品放在轮廓仪的基板 (级) 上。
- 如果没有回家, 家庭阶段使用软件界面中的家庭按钮。
- 选择在软件界面中映射的相应分辨率和区域。
- 将测量头放在起始位置, 并使用软件界面中的慢跑选项和启动按钮开始测量。
- 测量完成后, 检查结果是否一致 (例如, 打印图层数量的显示高度是合理的), 并保存数据。
- 根据用户手册执行 sem 检查, 以分析表面质量。
- 按照 sem 站的用户手册中的说明执行接触角测量, 以确定润湿性特性。
- 使用胶带将基板固定在基板上, 并适当地标记其位置。
- 通过在打印机的软件界面中编辑打印头的属性, 调整软件界面设置中的喷嘴和打印参数。
- 同样, 使用打印机软件界面中的 "转到下视图位置" 选项将打印头移动到下拉视图位置, 并观察墨迹的喷射。如有必要, 调整打印参数以优化喷射。
- 选择一个喷嘴, 它可以弹出定义明确且均匀的墨滴进行打印。
- 在打印机的首选项中输入所选喷嘴的编号。
- 执行落差尺寸测试, 以确定各自基板上的一个打印下拉的大小。
- 使用已知的打印机配置打印放置图案。
- 使用校准的显微镜或打印机的内置摄像系统确定所实现的落差尺寸。
- 确保随后使用的印刷分辨率适用于观察到的油墨润湿, 以制造均匀和封闭的表面 (例如, 选择 10-1, 000 dpi 的打印分辨率, 以40-50μm 的落差大小)。
- 按照制造商的指示进行 fib 分析 (材料表), 以确保导电基板具有足够的体积均匀性。
5. 第一层的固化参数调整
- 使用用于第一设备层的墨层将多个结构打印到虚拟基板上 (即, 以后可以处置并仅用于测试目的的同一材料的样品)。
- 在130°c 的烤箱中, 在环境压力下对陶瓷基板上的导电银图案进行至少30分钟的热固化。
注: 根据样品的大小, 使用吊舱将样品固定在烤箱内。 - 对金属基板上的绝缘油墨使用光子固化。
- 打开包含基板的光子固化设备的托盘。
- 将样品移动到光子固化设备的基板表中, 并相应地进行固定 (例如, 使用提供的磁片)。
- 调整设备基板的高度, 使用工作台主轴将样品移动到固化设备的焦点平面。
- 关闭纸盒并按照供应商的建议调整设备软件界面中的印刷材料的固化配置文件, 然后按 "启动" 按钮。
- 用电镜定性地控制表面的均匀性, 用轮廓计定量控制。
- 将样品放在轮廓仪的基板 (级) 上。
- 如果没有回家, 使用软件中相应的按钮将舞台定位。
- 选择应映射的相应分辨率和区域。
- 将测量头放在起始位置并开始测量。
- 测量完成后, 检查结果是否一致并保存数据。
- 如有必要, 请重复使用所采用的固化参数的光子或热固化程序。
- 增加使用的光子能量在小的步骤, 例如, 5 v 的软件界面的光子固化设备, 如果达到的电阻过高。如果样品显示出燃烧的迹象, 则减少使用的能量。
- 调整用于第一个功能设备层固化的设备参数, 以便达到足够的电导率, 从而满足手边的应用, 但打印结构不会发生燃烧。
6. 喷墨打印和第一器件层的固化
- 使用胶带将基板固定在基板上, 并适当地标记其位置。
- 由于第一层是导电的, 对于陶瓷和丙烯酸酯型基板, 请使用基板工作台加热60°c。
注: 温度不得超过可能影响相应基板的温度 (例如, 丙烯酸酯只能承受 65°c)。此调整可以在打印机设置中完成。 - 调整软件界面设置中的喷嘴和打印参数。
- 将打印头移动到下视图位置, 并观察墨迹的喷射。
- 选择一个喷嘴, 它可以弹出定义明确且均匀的墨滴进行打印。
- 在打印机的首选项中输入所选喷嘴的编号。
- 根据先前确定的基材性能调整打印头的使用分辨率, 以沉积均匀的油墨层: 对于低润湿性基板, 例如, 较大的接触角和较小的落差尺寸增加了印刷分辨率。降低高润湿性基板的分辨率。
注: 可以在打印机设置中进行打印参数的调整。 - 选择适当的参考点以打印图案并存储其坐标。
- 加载各自的可扩展矢量图形 (. svg) 文件, 并根据所需的模式和打印机软件中的基板尺寸选择适当的分辨率和大小。
- 执行打印。重复打印一层油墨, 直到打印的均匀性令人满意。
- 使用校准的显微镜或使用打印机内置的摄像系统来控制打印层的均匀性。
- 将打印机的相机移动到打印位置, 并观察打印机软件界面中给出的打印质量。
- 使用本协议第5节中确定的参数来治疗第一层。
- 对于聚合物基板上的银墨水 (丙烯酸酯、箔), 请在 250 v 时使用1毫秒脉冲, 并减少能量 (525 mjcm 2)。
- 对于陶瓷基板上的银墨水, 请按照油墨的建议在烤箱中进行热固化 (例如, 130°c 30分钟)。
- 用1毫秒脉冲将印刷的介质油墨固化在 200 v, 并以 1 hz 的频率重复脉冲8倍。
注: 光子固化中使用的发射光的光谱相当宽 (紫外-近红外 [uv-nir])。然而, 紫外线的量足以启动光聚合和固化绝缘层。
7. 检查不同基板的表面性能的印刷性和后续层打印机参数的调整
注: 请参考测量设备的用户手册, 以执行轮廓计测量和显微镜检查。
- 执行轮廓计测量, 以确定印刷层的粗糙度和厚度。
- 将样品放在轮廓仪的基板上。
- 如果没有回家, 使用软件中相应的按钮将舞台定位。
- 选择需要映射的相应分辨率和区域。
- 将测量头放在起始位置并开始测量。
- 测量完成后, 检查结果是否一致并保存数据。
- 执行接触角测量, 以确定润湿性特性。
注: 有关如何正确执行接触角测量, 请参阅手边测量设备的用户手册。 - 执行落差尺寸测试, 以确定各自基板上的一个打印下拉的大小。
- 使用已知的打印机配置打印放置图案。
- 使用校准的显微镜或打印机内置的检测系统确定所实现的落差尺寸。
- 调整打印头的使用分辨率, 以实现均匀的油墨层: 对于低润湿性基材, 例如, 大接触角和小落差尺寸增加了印刷分辨率。降低高润湿性基板的分辨率。
- 控制第一层的电性能: 对于导电第一层, 使用四点探头来确定所实现的导电性。
- 将样品放在基板上。
- 将测量头降低到导电轨道上, 确保探头与印刷结构有良好的接触, 并进行分析。
- 对于绝缘第一层, 请确保表面均匀地覆盖下面的导体。使用显微镜进行确认。使用万用表验证绝缘性能。
8. 后续图层的固化参数调整
- 使用用于下一个设备图层的墨层将多个结构打印到具有等效的前一层的虚拟基板上。
- 仅对所有基材使用光子固化。
- 固化后, 控制印刷层的电气和结构特性: 要确定电导率是否足够, 请使用四点探头测量。
- 用电镜定性地控制表面的均匀性, 用轮廓计定量控制。
- 如有必要, 重复光子固化程序。
- 调整用于后续功能设备层固化的设备参数。
9. 喷墨打印和后续设备层的固化
- 将基板适当地固定在基板上的先前标记的位置。
- 根据上一步确定的调整喷嘴和打印参数。
- 选择适当的参考点打印图案, 并确保打印的图案彼此对齐, 以确保设备随后具有适当的功能。
- 加载相应的. svg 文件与适当的分辨率和大小。
- 执行打印。重复打印一层油墨, 直到打印的均匀性令人满意。
- 在显微镜下控制打印层的均匀性 (此处使用打印机的内置相机系统)。
- 使用光子固化仅用于固化这一层。使用事先为绝缘层或绝缘体上的导电层确定的参数。
- 固化后, 控制印刷层的电气和结构特性: 要确定导电层的电导率范围是否可以接受, 请使用万用表。
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Representative Results
从图 1所示的扫描电镜图像中, 可以得出有关各个基板上的可打印性的结论。由于表面粗糙度的不同范围, 刻度条是不同的。在图1a 中, 显示了铜基板的表面, 这是迄今为止最平滑的。另一方面, 图 1c显示了由于孔隙率高和接触角不稳定而无法使用喷墨打印的钢基板 (另见表 2)。在图 1b中, 显示了青铜基板的扫描电镜图像, 在图 1b中, 钛样品表面显示。
在图 2和图 3中, 给出了轮廓计测量的结果。这些评估对于确定各个基板的表面粗糙度是必要的。粗糙度远远高于 ~ 1μm (铝、钛和钢) 的金属基板不能用于喷墨打印, 因为油墨由于孔隙率高而容易被吸收, 因此抑制了均匀层的制造和可重复性结构。铝基陶瓷基板具有相当的粗糙度, 但由于制造工艺的不同, 不表现出如此高的表面孔隙率, 因此可以使用。
落差尺寸测试, 如图 4中的定性说明和表 3中定量收集的液量, 给出了可实现的落差尺寸, 从而也给出了各自基材和油墨组合的润湿性。没有形成明显滴落的基板的润湿性太小 (表面粗糙度较低的 am 金属也是如此), 或者它们的多孔性太大 (表面粗糙度高的 am 金属也是如此 [例如,图 4d])。在图 4a中, 说明了青铜的打印结果。图 4b显示铜,图 4b显示陶瓷,图 4b显示钢样品结果。
在图 5中, 给出了绝缘油墨上1毫米宽度的导电层固化后结果的显微图像。根据这些图像, 可以评估打印的完整性。对于铜上的导电油墨 (图 5b), 可以达到最佳效果;铝上的导电轨道 (图 5a) 被完全摧毁;打印在陶瓷基板上的导电轨道 (图 5c, d) 是完整的, 但显示分层。分层是由于基板的热吸收弱和反射率高造成的。降低这些基板上的固化剂量会产生导电轨道, 从而改善电气和结构性能。
为了确定印刷多层结构的高度轮廓和表面质量, 使用轮廓计收集了高度轮廓, 这些是轮廓测量仪测量的结果, 如图 6和图 7所示。从这些高度剖面中, 可以确定导电轨道的表面均匀性 (蓝色曲线的平滑度)。此外, 表面失去了其结构完整性 (铝, 钛) 可以通过其高度轮廓中的大梯度来识别。
fib 用铜 (图 8a)、青铜 (图 8a)、钛 (图 8a) 和黄铜 (图 8a) 进行分析, 说明 am 金属基板具有足够的体积均匀性。这里的刻度柱是不同的, 以便以最佳方式捕获多层打印的结构特性 (均匀性、导电轨道等方面的缺陷)。这确保了基板具有足够的导电性, 因此可用于磁性和电容式传感应用中的屏蔽。表 4收集了使用四点探头实现板材电阻的结果。此外, 还可以对打印图层进行定性评估。颗粒结构由固化的纳米颗粒形成, 下面的层是绝缘油墨。例如,在图8b 中, 我们在打印层中看到了非均匀性 (孔、空气夹杂物)。这些都是由于固化过程中的气体引起的。当绝缘油墨上导电油墨的固化剂量过高时, 可能会发生排气现象。这种影响会对印刷结构的完整性产生负面影响, 过量的排气会导致破坏。
如图 9所示, 测量结果如下。这些结果是使用采用电容传感原理的演示器收集的。曲线的平滑度说明了可实现的高质量, 尽管打印过程可能会导致结构缺陷。
图 1: 金属基板的扫描电镜图像.这些图像显示 (a) 铜、(b) 青铜、(c) 钢和 (d) 钛。它们以不同的放大倍率拍摄, 每个图像右下角的刻度栏就说明了这一点。基于这些图像, 可以评估表面均匀性。这一数字已从 faller等人那里修改。41.请点击此处查看此图的较大版本.
图 2: 金属和陶瓷 am 基板的测量仪.纳米的粗糙度值 r a 和 rq 是根据 iso 4287 确定的。白银的数值分别为689.39 纳米和788.06 纳米;铝的含量分别为2151.19 纳米和2750.38 纳米;对于铝基 (铝2o3) 基板, 它们分别为 1210.47 nm 和1737.6 纳米;对于基于锆的 (zro2) 基板, 它们是559.97 纳米和681.56 纳米。波纹是基板更宽间隔的表面纹理。波纹是剩余的纹理在均匀性与粗糙度成分去除。这一数字已从 faller等人那里修改。41.请点击此处查看此图的较大版本.
图 3: 金属基板的测量仪.各自基材的 ra和 rq值分别为黄铜414.2 纳米和 494.49 nm;钛, 分别为1099.86 纳米和1448.06 纳米;铜, 307.63 纳米和358.92 纳米, 分别;钢, 19695 纳米和2238.78 纳米, 分别。这一数字已从 faller等人那里修改。41.请点击此处查看此图的较大版本.
图 4: 金属和陶瓷基板的掉落尺寸测试.这些图像显示 (a) 青铜、(b) 铜、(c) zro2和 (d) 钢。这里测量的不同落差 (在可能的情况下) 由相应图像中的箭头标记。表 3中收集了确定的放置大小。这一数字已从 faller等人那里修改。41.请点击此处查看此图的较大版本.
图 5: 光子固化后, 导电油墨打印在绝缘体和 am 金属基板上的显微图像.基材为 (a) 铝、(b) 铜、(c) 铝 2o3和 (d) zro2.每个图像中导电结构的宽度为 w = 1 mm。铝上导电结构的完整性被完全破坏, 而铜和铝2o3 上的结构保持不变。这一数字已从 faller等人那里修改。41.请点击此处查看此图的较大版本.
图 6: 使用轮廓仪确定的金属基板绝缘体上导电轨道的高度轮廓.这一数字已从 faller等人那里修改。41.请点击此处查看此图的较大版本.
图 7: 使用轮廓仪确定的金属和陶瓷基板上导电轨道的高度轮廓.这一数字已从 faller等人那里修改。41.请点击此处查看此图的较大版本.
图 8: 绝缘体和金属基板上导电油墨的 fib 图像.这些图像显示 (a) 铜、(b) 青铜、(c) 钛和 (d) 黄铜。这一数字已从 faller等人那里修改。41.请点击此处查看此图的较大版本.
图 9: 根据建议的方法制造的演示装置的测量结果图.请点击这里查看此图的较大版本.
| 最低详细信息/ 毫米 |
最小精度/ % 功能大小 |
过程 | |
| 银 | 0.25 | 5.00 | 蜡3d 打印 & 失蜡铸造 |
| 钛 | 0。1 | 0。2 | 直接金属激光烧结 |
| 钢 | 0.35 | 2至3 | 1300°c 时的化学结合 & 烧结 |
| 青铜 | 0.35 | 5.00 | 蜡3d 打印 & 失蜡铸造 |
| 黄铜 | 0.35 | 5.00 | 蜡3d 打印 & 失蜡铸造 |
| 铝 | 0.25 | 0。2 | 直接金属激光烧结 |
| 铜 | 0.35 | 5.00 | 蜡3d 打印 & 失蜡铸造 |
| 铝2o3 | 0.025-0。1 | 0.04 | lcm 技术 |
| zro2 | 0.025-0。1 | 0.04 | lcm 技术 |
表1:3d 打印工艺的限制和公差.此表已从 "堕落者" 等人处修改。41岁
| 钛 | 钢 | 青铜 | 黄铜 | 铜 | |
| c/° | 85。9 | 71.15 | 100。3 | 100.03 | 88.54 |
| a | 7.27 | 17.64 | 3.17 | 2.25 | 6.84 |
表 2: 聚集的接触角度 ac和他们的标准偏差a以度为单位.此表已从 "堕落者" 等人处修改。41岁
| 钛 | 青铜 | 黄铜 | 铜 | 铝2o3 | zro2 | |
| 下降规模/μm | 23.97 | 31。3 | 36.04 | 29.03 | 69 | 69。3 |
表 3: 收集的落差直径 dd以微米为单位.此表已从 "堕落者" 等人处修改。41岁
| r-在mh/- | 评论 | |
| 钛 | 3000元 | |
| 钢 | 600元 | |
| 青铜 | 2000年 | |
| 黄铜 | 300元 | |
| 铝 | 30000 | |
| 铜 | 180元 | |
| 铝2o3 | 150.00 | 用于光子固化的不同能源: 527 mj/cm² |
| zro2 | 20.00 | 导电轨道烧蚀 |
表 4: 收集板材电阻 r-在 mω/-. 板材电阻用正方形 (-) 指数表示, 意思是每平方欧姆。这个术语通常指的是二维结构, 因此, 也意味着电流沿着板材的平面。板材电阻可以乘以薄膜厚度, 使体积电阻率。此表已从 "堕落者" 等人处修改。41岁
视频1:lcm 过程.该工艺用于制造陶瓷基板 (由 lithoz 提供的素材)。请点击这里观看此视频。(右键单击下载.
补充图 1: 多层线圈设计示例.请点击此处下载此图.
补充图 2: 计算机辅助设计 (cad) 图纸示例, 用于 3d-打印多层线圈结构. 请点击此处下载此图.
补充图 3: 用于多电极电容式传感器三维打印的计算机辅助设计 (cad) 绘图示例. 请点击此处下载此图.
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Discussion
演示了一种在三维印刷基板和铝箔上制造多层传感器结构的方法。am 金属以及陶瓷和丙烯酸酯型和箔基板被证明适用于多层喷墨打印, 因为基板与不同层之间的附着力是足够的, 以及各自的导电性或绝缘能力。这可以通过在绝缘材料上印刷导电结构的层来显示。此外, 所有层的打印和固化过程都成功地执行了, 而不会相互损害。
本研究提出的制造策略对不同材料和表面性能的相互作用高度敏感。因此, 所执行步骤的重现性取决于各自的制造工艺。对于使用的 am 材料的制备, 需要考虑的是, 根据制造方法的不同, 表面和体积特性可能会有很大差异 (图 1和表 2)。对于喷墨打印, 建议的参数必须仔细调整到使用过的打印系统, 以及相应的油墨42, 43,44。不同银纳米颗粒油墨的喷射性可能会有很大差异, 具体取决于配方。这意味着油墨的溶剂和某些添加剂决定了其特定粘度、表面张力和沸点。
另一个需要考虑的问题是, 当油墨老化或储存不当时, 固体含量会聚集, 这可能会扭曲喷射质量。除此之外, 打印头本身的特定设置也是至关重要的, 尤其是喷嘴开口的尺寸。它确定实际的喷射参数, 如喷射电压、波形和温度设定值, 以及由此产生的落差大小 (图 4和表 3)。在打印过程中, 由于空间接近, 加热基板表还可能增加打印头的温度, 从而导致打印行为的更改和可能的退化。因此, 在加工过程中监控打印头温度至关重要。
另一个可能影响印刷过程中喷射行为的因素是油墨压力, 因为在加工过程中, 随着油墨水平的降低, 油墨压力可能不得不降低。在导电基板上制造互连并非微不足道, 因为分配的绝缘层必须有足够的厚度, 以避免短路, 但仍需留出足够的空间, 以使用导电焊料形成互连粘贴。
此外, 这三种材料之间的粘附必须是可以接受的, 才能形成稳定的氛围。在固化过程中, 还需要考虑绝缘层的耐温性。因此, 在相应的互连中采用了低温固化焊膏。打印功能层后, 需要对其进行固化, 以产生所需的纸张电阻 (表 4)。如果基板或底层具有足够的高温公差45, 热烧结是一种合适而有效的银型方法。绝缘层的情况并非如此, 这就是使用光子固化的原因 (图 5)。在光子固化过程中, 大量的能量被传递到样品中。因此, 至关重要的是要确保印刷图案在固化过程前已经充分干燥, 否则, 剩余的溶剂可能达到沸点, 并可能由于液体膨胀和形成(图 8)。
此外, 需要充分的干燥来创建均匀厚度的层 (图 6 和图 7)。对于例如基于电容原理的纳米测量的应用, 同源厚度是必要的 (图 9)。在这里, 与传感电极的均匀距离会显著影响质量46。
总体而言, 可以说, 选择绝缘体上设备层的最佳光子固化参数是一个关键因素: 如果引入的能量不足, 导电油墨保持不烧结, 板材电阻过高。要具有电功能的设备;通过引入过多的能量, 薄膜会产生过多的热量, 从而破坏导电轨道。铜基板在板材电阻 (见表 4) 方面以及在所实现的表面质量和印刷金属轨道的完整性方面都取得了最佳效果。这可能是因为它的表面粗糙度是所有被考虑的基板中最低的。可以确定基板的反射率对光子固化结果有显著的影响。在固化过程中必须考虑各自的基板反射率, 以便在应用的光子固化光谱和轮廓方面获得优化的结果。这必须适用于单个基材和油墨组合。
本文论证了 am 基板和箔对喷墨印刷的适用性。此外, 还确定了材料性能以及工艺所必需的因素。提出了一种在铝箔和 am 金属及聚合物基板上制备工作传感器原型的策略。最后, 给出了基于演示系统测量的可实现的测量质量。这种方法对表面、外壳和其他结构的未来电气功能化做出了重要贡献, 到目前为止, 这些结构在许多器件的设计中都有一个纯粹的机械目的。
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Disclosures
作者没有什么可透露的。
Acknowledgments
这项工作得到了 comet k1 总成奥地利智能系统集成研究中心的支持。comet 优秀技术能力中心 (该计划) 由 bmvit、bmwfw 以及联邦卡林西亚省和施蒂里亚省提供支持。
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. |
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