היברידית הדפסה על הזיוף של חיישנים חכמים
Summary
כאן אנו מציגים עבור הזיוף של מבנים מודפס הזרקת דיו חיישן רב שכבתי על מצעים additively מיוצרים ו לסכל פרוטוקול.
Abstract
שיטה לשלב additively מיוצרים סובסטרטים או foils והציג מרובת שכבות מדפסת הזרקת דיו להרכבת חיישן התקנים. הראשון, מצעים שלוש (אקרילט, קרמיקה ו נחושת) מוכנים. כדי לקבוע מאפייני גשמי וכתוצאה מכך אלה סובסטרטים, נעשים profilometer, זווית מגע, לסרוק בעזרת מיקרוסקופ אלקטרון (SEM), מדידות יון ממוקדת קרן (שיקרתי). רזולוציית הדפסה השגה ונפח טיפה מתאימים לכל סובסטרט, ואז, נמצאים דרך ירידה בגודל הבדיקות. . אז, שכבות בידוד, מוליך דיו הם הזרקת דיו המודפסים לחלופין מחומות המבנים חיישן היעד. לאחר כל שלב ההדפסה, הרבדים בהתאמה מטופלים בנפרד על ידי פוטוני לרפא. הפרמטרים המשמשים לריפוי בכל אחת מהשכבות מותאמים בהתאם שהדיו המודפס, כמו גם על מאפייני משטח המצע בהתאמה. כדי לאשר את מוליכות וכתוצאה מכך וכדי לקבוע את טיב פני השטח המודפס, ארבע נקודות בדיקה ומדידות profilometer נעשים. לבסוף, מלכודת המדידה ותוצאות מושגת על ידי מערכת מודפס כל חיישן כזה מוצגים כדי להדגים את איכות בר השגה.
Introduction
הייצור מוספים (AM) יתוקנן כתהליך שבו חומרים הם חברו כדי להפוך אובייקטים מנתונים דגם התלת-ממד. זה נעשה בדרך כלל שכבה על גבי שכבה, לפיכך, ניגודים עם טכנולוגיות ייצור מופחתים, כגון ייצור מוליכים למחצה. מילים נרדפות כוללים ייצור הדפסת תלת-ממד, מוספים, תהליך מוספים, מוספים, ייצור שכבה מוספים, ייצור שכבה, וטכניקות ייצור צורה חופשית. אלה מילים נרדפות משוחזרות של סטנדרטיזציה על ידי אמריקאי החברה של בדיקות, חומרים (ASTM)1 לספק הגדרה ייחודית. בספרות, 3D-הדפסה מתייחסים כאל תהליך איפה עובי של האובייקטים המודפס בטווח של סנטימטרים אפילו מטר2.
תהליכים יותר נפוצים, כגון stereolithography3, לאפשר ההדפסה של פולימרים, אבל 3D-ההדפסה של מתכת הוא גם כבר זמינים מסחרית. אני של מתכות הוא מועסק באזורים סעפת, כגון עבור כלי רכב, תעופה וחלל4וכן רפואי5 סקטורים. יתרון למבני התעשייה האווירית היא האפשרות להדפיס התקנים קלים באמצעות שינויים מבניים פשוטים (למשל, באמצעות עיצוב חלת דבש). כתוצאה מכך, חומרים עם, למשל, יותר חוזק מכני, זה אחרת להוסיף כמות משמעותית של משקל (למשל, טיטניום במקום אלומיניום)6, יכול להיות מועסק.
בעוד 3D-ההדפסה של פולימרים כבר וותיקה, הדפסת תלת-ממד מתכת הוא עדיין נושא המחקר תוססת, מגוון רחב של תהליכים פותחו עבור תלת-ממד-ההדפסה של מבני מתכת. בעיקרון, השיטות הזמינות יכולים להיות משולבים בתוך ארבע קבוצות7,8, כלומר 1) באמצעות לייזר או קרן אלקטרונים עבור חיפוי בתהליך חוט-fed, מערכות מתיכות 2) באמצעות לייזר או קרן אלקטרונים, נמס 3) באופן סלקטיבי באמצעות אבקה קרן לייזר או אלקטרון (אבקת מיטה fusion), ו- 4) קלסר לטוס תהליך שבו, בדרך כלל, ראש הדפסה הזרקת דיו נע מעל מצע אבקת ו dispenses הסוכן מחייבת.
בהתאם התהליך, הדגימות מיוצרים בהתאמה תערוכת מאפיינים שונים של פני השטח ומבניים7. אלה מאפיינים שונים יהיה חייב להיחשב במאמץ נוסף עוד יותר functionalize את החלקים מודפס (למשל, על ידי בדיית חיישנים על משטחים שלהם).
בניגוד 3D-הדפסה, ההדפסה תהליכים כדי להשיג כזה functionalization (למשל., מסך, מדפסת הזרקת דיו) מכסה רק מוגבל אובייקט לגבהים של פחות מ- 100 ננומטר9 עד כמה מיקרומטר, ועל כך, לעיתים קרובות המכונה גם 2.5 D-הדפסה. לחלופין, פתרונות מבוססי לייזר ברזולוציה גבוהה המתבנת היו גם המוצעת10,11. להמיס תרמית התלויים סקירה מקיפה של תהליכי ההדפסה, הטמפרטורה של חלקיקים, היישומים ניתנת על ידי קו12.
הדפסה המסך אמנם וותיקה ב13,ספרות14, מדפסת הזרקת דיו מספקת יכולת upscaling משופרת, יחד עם פתרון מוגבר עבור ההדפסה של תכונה בגדלים קטנים יותר. חוץ מזה, היא שיטה הדפסה דיגיטלית, ללא מגע המאפשר בתצהיר גמיש של חומרים פונקציונליים על תלת מימדי. כתוצאה מכך, העבודה שלנו מתמקדת מדפסת הזרקת דיו.
טכנולוגיית הדפסה הזרקת הדיו כבר ננקטה הזיוף של אלקטרודות חישה מתכת (כסף, זהב, פלטינה, וכו ‘). תחומי יישומים לכלול15,של מדידת טמפרטורה16, לחץ, זן חישה17,18,19, ו20,biosensing21, כמו גם גז או אדים ניתוח22,23,24. לריפוי כזה מבנים מודפס עם סיומת גובה מוגבל יכול להיות נעשה בטכניקות שונות, בהתבסס על תרמית25, מיקרוגל26, חשמל27, לייזר28, ופוטוניים29 עקרונות.
אשפרה פוטוני למבני הזרקת דיו מודפס מאפשר לחוקרים להשתמש באנרגיה גבוהה, לריפוי, מוליך דיו על מצעים עם התנגדות בטמפרטורה נמוכה. ניצול הנסיבות זה, השילוב של 2.5 D – ו 3D-הדפסה תהליכים יכול להיות מועסק כדי לבדות טיפוס גמיש במיוחד באזור של אריזה חכמה30,31,32 וחישה חכם.
מוליכות מודפס 3D סובסטרטים מתכת היא עניין בענף התעשייה האווירית, כמו גם למגזר הרפואי. זה לא רק לשפר את יציבות מכנית של חלקים מסוימים אבל מועיל-שדה ליד, כמו גם חש קיבולי. דיור מתכת מודפס 3D מספק נוספים מיגון/הלקוייה של החיישן החזיתי מאז זה יכולים להיות מחוברים חשמלית.
המטרה היא ליצור התקנים באמצעות טכנולוגיית AM. התקנים אלה צריך לספק רזולוציה גבוהה מספיק במדידה שהם מועסקים עבור (לעתים קרובות על מיקרו – או ננו), באותו הזמן, הם צריך למלא סטנדרטים גבוהים לגבי אמינות ואיכות.
הוכח, כי הטכנולוגיה AM מציג למשתמש עם גמישות מספקת כדי לפברק אופטימיזציה עיצובים33,34 אשר משפרים את איכות המדידה הכוללת ניתן להשיג. בנוסף, השילוב של פולימרים בשכבה יחידה מדפסת הזרקת דיו הוצגו ב-37,36,35,המחקר הקודם38.
בעבודה זאת, מחקרים זמין מורחבות, סקירה אודות המאפיינים הפיזיים של מצעים AM, עם דגש על מתכות ותאימות שלהם עם רב שכבתי מדפסת הזרקת דיו וריפוי פוטוני הינו מסופק. עיצוב של סליל מרובת שכבות למופת מסופק משלים באיור1. התוצאות משמשים עבור מתן אסטרטגיות מדפסת הזרקת דיו של חיישן מרובת שכבות מבנים על מצעים מתכת AM.
Protocol
Representative Results
Discussion
הוא הפגין דרך ליצור מבנים חיישן רב שכבתי על מצעים מודפס 3D, על רדיד. AM מתכת, כמו גם מצעים סוג ו לסכל קרמיקה, אקרילט מוצגים בהכשרת הזרקת דיו רב שכבתי הדפסה, כמו הידבקות בין הרבדים השונים המצע מספיקה, כמו גם היכולת מוליכות או בידוד בהתאמה. זה יכול להיות שמפגינים הדפסת שכבות של מבנים מוליך על חומר…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו היא נתמכה על ידי שביט K1 ASSIC האוסטרי חכם מערכות אינטגרציה מרכז המחקר. המרכזים שביט-כשירות עבור טכנולוגיות-תוכנית מעולה תומכים BMVIT, BMWFW והמחוזות הפדרליים של קרינתיה, שטיריה.
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).
