Hybrid utskrift for fabrikasjon av smarte sensorer
Summary
Her presenterer vi en protokoll for fabrikasjon av inkjet-skrives flerlags sensor strukturer på additively produserte underlag og folie.
Abstract
En metode for å kombinere additively produsert underlag og folie og flerlags inkjet utskrift til fabrikasjon av sensor-enhetene er presentert. Først tre underlag (acrylate, keramikk og kobber) er forberedt. For å avgjøre resulterende materielle egenskapene til disse underlag, er profilometer, kontakt vinkel, scanning elektron mikroskop (SEM) og fokusert ion strålen (FIB) målinger gjort. Oppnåelig utskriftsoppløsning og egnet slipp volumet for hver underlaget er, deretter fant gjennom slipp størrelse testene. Så er lag av isolerende og ledende blekk blekk trykt vekselvis for å utvikle mål sensor strukturer. Etter hver utskrift trinn behandles individuelt respektive lag av fotoniske herding. Parameterne som brukes for å kurere hvert lag er tilpasset avhengig av utskrift blekk, samt i de respektive substratet overflate egenskaper. Bekrefte resulterende ledningsevne og bestemme kvaliteten på den trykte overflaten, er fire-punkts sonde og profilometer mål ferdig. Til slutt vises en måling oppsett og resultater av slik en all-trykt sensor system å demonstrere oppnåelig kvaliteten.
Introduction
Additive industrien (AM) er standardisert som en prosess der materiale er koblet for å lage objekter fra 3D-modellen data. Dette gjøres vanligvis lag på lag, og dermed kontraster med subtraktiv produksjons teknologi, for eksempel semiconductor fabrikasjon. Synonymer inkluderer 3D-utskrift, additiv fabrikasjon, additiv prosessen, additiv teknikker, additiv laget produksjon, laget produksjon og frihåndsform fabrikasjon. Disse synonymer gjengis fra standardisering av American Society of Testing og Materials (ASTM)1 å gi en unik definisjon. I litteraturen kalles 3D-utskrift prosessen der tykkelsen på utskrevne objektene er i størrelsesorden centimeter til meter2selv.
Vanligste prosesser, for eksempel stereolitografi3aktiverer utskrift av polymerer, men 3D-utskrift av metall er også allerede kommersielt tilgjengelig. AM av metaller er ansatt i mange områder, som for bilindustrien, romfart4og medisinsk5 sektorer. En fordel for luftfart strukturer er muligheten til å lettere utskriftsenheter gjennom enkle strukturelle endringer (f.eksved hjelp av en honeycomb design). Følgelig materialer med, for eksempel større mekanisk styrke, som ellers ville legge en betydelig mengde vekt (f.eks, Titan i stedet for aluminium)6, kan brukes.
3D-utskrift av polymerer er allerede godt etablert, metall 3D-utskrift er fortsatt et levende forskning emne, og en rekke prosesser har blitt utviklet for 3D-utskrift av metallkonstruksjoner. I utgangspunktet kombineres de tilgjengelige metodene i fire grupper7,8, nemlig 1) ved hjelp av en laser eller elektronstråle for kledning i en wire-matet prosess, 2) sintring systemer bruker en laser eller en elektronstråle, 3) selektivt smelter pulver bruker en laser eller elektron bjelke (pulver bed fusion) og 4) en dokumentordner spyling prosessen der, vanligvis en inkjet skrivehodet beveger seg over et pulver substrat og dispenses bindemiddel.
Avhengig av prosessen har respektive produsert prøvene ulike overflate og strukturelle egenskaper7. Disse ulike egenskaper må vurderes i ytterligere forsøk på å ytterligere functionalize de trykte delene (f.eksved å fabrikere sensorer på sine overflater).
I motsetning til 3D-utskrift, utskrift prosesser for å oppnå slike functionalization (f.eks., skjermen og inkjet utskrift) dekker bare begrenset objektet høyder fra mindre enn 100 nm9 noen mikrometer og er derfor ofte kalles også 2.5 D-utskrift. eventuelt laser-baserte løsninger for høy oppløsning mønstre har også vært foreslått10,11. En omfattende gjennomgang av trykkeprosesser, termisk avhengige smelte temperaturen på nanopartikler, og programmene er gitt av Ko12.
Selv om skjermen utskrift er godt etablert i litteratur13,14, gir inkjet utskrift en forbedret oppskalering evne, sammen med en økt oppløsning for utskrift av mindre feature størrelser. Foruten det er det en digital, noncontact utskriftsmetode muliggjør fleksibel avsetning av funksjonelle materialer på tredimensjonale. Derfor er vårt arbeid fokusert på inkjet utskrift.
Blekk trykking teknologien har allerede vært ansatt i produksjon av metall (sølv, gull, platina, etc.) sensing elektroder. Bruksområder inkluderer temperatur måling15,16, press og belastning sensing17,18,19, og biosensing20,21, samt gass eller damp analyse22,23,24. Kurere trykte strukturer filtypen begrenset høyde kan bli gjort ved hjelp av forskjellige teknikker, basert på termisk25, mikrobølgeovn26, elektriske27, laser28, og fotoniske29 prinsipper.
Fotoniske herding for inkjet-trykt strukturer kan forskere bruke høy energi, ledende og kureres blekk på underlag med en lav temperatur motstand. Utnytte dette forholdet, kombinasjonen av 2.5 kan D – og 3D-utskrift prosesser anvendes til å dikte opp svært fleksible prototyper i smart emballasje30,31,32 og smart sensing.
3D-trykt metall underlag ledningsevne er av interesse til luftfart sektor og den medisinske sektoren. Det bare forbedrer ikke mekanisk stabilitet i deler, men er gunstig for nær-feltet samt kapasitiv sensing. En 3D-trykt kabinett i metall gir ekstra skjerming/vokter av sensoren front-end siden det kan kobles elektrisk.
Målet er å utvikle innretninger med AM teknologi. Disse enhetene skal gi en tilstrekkelig høy oppløsning i målingen de er ansatt (ofte på mikro- eller nanoskala), og på samme tid, bør de oppfyller høye standarder for pålitelighet og kvalitet.
Det har vist at AM teknologi gir brukerne nok fleksibilitet til å fabrikkere optimalisert design33,34 som forbedre kvaliteten i måling, som kan oppnås. I tillegg er kombinasjonen av polymerer og enkeltlags-inkjet utskrift presentert i tidligere forskning35,36,37,38.
I dette arbeidet, tilgjengelige studier er utvidet, og en anmeldelse om fysiske egenskaper av AM underlag, med fokus på metaller og deres kompatibilitet med flerlags inkjet utskrift og fotoniske herding tilbys. En eksemplarisk flerlags coil design finnes i supplerende figur 1. Resultatene brukes for å gi strategier for inkjet utskrift av flerlags sensor strukturer på AM mettaliske underlag.
Protocol
Representative Results
Discussion
En måte å dikte flerlags sensor strukturer på 3D-trykt underlag og folie er demonstrert. AM metall, samt keramikk og acrylate type og folie underlag er vist å være egnet for flerlags inkjet utskrift, som vedheft mellom underlaget og de forskjellige lagene er tilstrekkelig, samt respektive ledningsevne eller isolasjon evnen. Dette kan vises av utskrift lag med ledende strukturer på isolerende materiale. Videre ble utskrift og herding prosesser for alle lag vellykket utført uten å svekke hverandre.
<p class="jo…Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet har blitt støttet av COMET K1 ASSIC østerrikske Smart systemer forskning integreringssenteret. COMET-kompetansesentre for utmerket teknologi-Program er støttet av BMVIT, BMWFW og føderale provinsene Kärnten og Styria.
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).
