Summary
Qui presentiamo un protocollo per la realizzazione di strutture a getto d'inchiostro-stampato multistrato sensore su substrati additivo fabbricati e lamina.
Abstract
Un metodo per combinare additivo prodotti substrati o pellicole e stampa inkjet multistrato per la fabbricazione di dispositivi a sensore è presentato. Primo, tre substrati (acrilato, ceramiche e rame) sono preparati. Per determinare le proprietà del materiale risultante di questi substrati, profilometro, angolo di contatto, microscopio elettronico a scansione (SEM) e ionico focalizzato (FIB) fascio misurazioni sono fatte. La risoluzione di stampa realizzabile e volume della goccia adatto per ogni substrato sono, poi, trovati attraverso i test di dimensione goccia. Quindi, strati di inchiostro conduttivo e isolante sono a getto d'inchiostro stampato alternativamente per fabbricare le strutture di sensore di destinazione. Dopo ogni passaggio di stampa, i rispettivi livelli vengono trattati singolarmente di polimerizzazione fotonici. I parametri utilizzati per la stagionatura di ogni strato sono adattati a seconda dell'inchiostro stampato, nonché le proprietà di superficie del substrato rispettivo. Per confermare la conducibilità risultante e per determinare la qualità della superficie stampata, quattro punti sonda e profilometro misurazioni avvengono. Infine, un set-up di misura e risultati ottenuti da un sistema di sensore di tutti-stampato sono riportati per dimostrare la qualità ottenibile.
Introduction
Produzione additiva (AM) è standardizzato come un processo dove materiali si uniscono per rendere gli oggetti dai dati del modello 3D. Questo è solitamente fatto strato su strato e, quindi, contrasta con le tecnologie di produzione sottrattiva, quali la fabbricazione a semiconduttore. Fabbricazione di stampa 3D, additivo, processo additivo, tecniche di additivi, additivo strato produzione, fabbricazione di strato e freeform fabrication sono sinonimi. Questi sinonimi sono riprodotte dalla standardizzazione dalla American Society of Testing and Materials (ASTM)1 per fornire una definizione unica. Nella letteratura, la stampa 3D si riferisce come il processo dove lo spessore degli oggetti stampati è nella gamma di centimetri a anche metri2.
Processi più comuni, quali stereolitografia3, attivare la stampa di polimeri, ma la stampa 3D del metallo inoltre è già disponibile in commercio. I AM dei metalli è impiegato in molteplici settori, come per il settore automobilistico, aerospaziale4e medico5 settori. Un vantaggio per strutture aerospaziali è la possibilità di stampare più leggeri dispositivi attraverso semplici modifiche strutturali (ad esempio, utilizzando un design a nido d'ape). Di conseguenza, materiali con, per esempio, una maggiore resistenza meccanica, che altrimenti sarebbe aggiungere una quantità significativa di peso (ad es., titanio anziché alluminio)6, possono essere impiegati.
Mentre la stampa 3D di polimeri è già affermata, metallo stampa 3D è ancora un argomento di ricerca vibrante e una varietà di processi sono stati sviluppati per la stampa 3D di strutture metalliche. Fondamentalmente, i metodi disponibili possono essere combinati in quattro gruppi7,8, vale a dire 1) usando un laser o fascio di elettroni per rivestimento in un processo di filo-alimentato, utilizzando un laser o fascio di elettroni, 3) selettivamente fusione polvere utilizzando 2) sinterizzazione di sistemi un fascio laser o elettrone (fusione della polvere letto) e 4) un raccoglitore jetting processo dove, comunemente, una testina di stampa a getto d'inchiostro si sposta sopra un substrato di polvere ed eroga agente legante.
A seconda del processo, i rispettivi campioni fabbricati esporrà diverse proprietà strutturali e superficiali7. Queste varie proprietà dovrà essere considerato in ulteriori sforzi per funzionalizzare ulteriormente le parti stampate (ad es., fabbricando sensori sulle loro superfici).
In contrasto con stampa 3D, la stampa i processi per raggiungere una tale funzionalizzazione (ad es., schermo e la stampa a getto d'inchiostro) copertura solo limitato altezze oggetto da meno di 100 nm9 fino a pochi micrometri e sono, quindi, spesso indicato anche come 2.5 D-stampa. in alternativa, soluzioni basate su laser per patterning ad alta risoluzione sono stati anche proposti10,11. Una rassegna completa dei processi di stampa, termicamente dipendente di temperatura di nanoparticelle di fusione, e le applicazioni è dato dal Ko12.
Anche se la stampa dello schermo è ben definito nella letteratura13,14, stampa inkjet fornisce una migliorata capacità di upscaling, insieme ad una maggiore risoluzione per la stampa di dimensioni più piccole di funzionalità. Oltre a questo, è un metodo di stampa digitale, senza contatto, consentendo la deposizione flessibile di materiali funzionali su tridimensionale. Di conseguenza, il nostro lavoro è focalizzato sulla stampa a getto d'inchiostro.
Tecnologia di stampa a getto d'inchiostro è già stata impiegata nella fabbricazione di elettrodi di rilevazione di metallo (argento, oro, platino, ecc.). Campi di applicazione includono temperatura misura15,16, pressione e ceppo rilevamento17,18,19e biosensori20,21, così come gas o vapore analisi22,23,24. L'indurimento di tali strutture stampate con estensione altezza limitata può essere fatto utilizzando varie tecniche, basate su termica25, forno a microonde26, elettrici27, laser28e fotonici29 principi.
Polimerizzazione fotonici per strutture stampate a getto d'inchiostro permette ai ricercatori di utilizzare inchiostri ad alta energia, curabili, conduttivi su substrati con una resistenza di bassa temperatura. Sfruttando questa circostanza, la combinazione di 2.5 D e 3D prestampa può essere impiegato per fabbricare prototipi altamente flessibile nella zona di imballaggio intelligente30,31,32 e rilevamento intelligente.
La conducibilità di substrati metallici 3D-stampato è di interesse per il settore aerospaziale, come pure per il settore medicale. Esso non solo migliora la stabilità meccanica di alcune parti ma è utile nel campo vicino, così come di rilevamento capacitivo. Un alloggiamento del metallo 3D-stampato fornisce ulteriore schermatura/guardia del sensore front-end poiché può essere collegato elettricamente.
L'obiettivo è quello di fabbricare dispositivi utilizzando la tecnologia di AM. Questi dispositivi dovrebbero fornire una risoluzione sufficientemente elevata nella misurazione che vengono impiegate per (spesso alle micro - o su scala nanometrica) e, allo stesso tempo, essi deve soddisfare elevati standard per quanto riguarda affidabilità e qualità.
È stato dimostrato che la tecnologia AM presenta all'utente con sufficiente flessibilità per fabbricare progetti ottimizzati33,34 , che migliorano la qualità complessiva di misura che possa essere raggiunti. Inoltre, la combinazione di polimeri e stampa inkjet single layer è stata presentata nella precedente ricerca35,36,37,38.
In questo lavoro, gli studi disponibili sono estese, e una revisione sulle proprietà fisiche dei substrati di AM, con un focus sui metalli e la loro compatibilità con stampa inkjet multistrato e fotonici di polimerizzazione è fornita. Un disegno di esemplare bobina multistrato è fornito in complementare figura 1. I risultati sono utilizzati per fornire strategie per la stampa a getto d'inchiostro di strutture multistrato sensore su substrati di metallo AM.
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Protocol
Attenzione: Prima di utilizzare il considerato inchiostri e adesivi, si prega di consultare il relativo materiale sicurezza (MSDS). L'inchiostro di nanoparticella autonomo e adesivi possono essere tossici o cancerogeni, dipende il filler. Si prega di utilizzare tutte le pratiche di sicurezza appropriate quando si esegue la stampa a getto d'inchiostro o la preparazione dei campioni e assicuratevi di indossare appropriati dispositivi di protezione individuale (occhiali di sicurezza, guanti, camice, pantaloni lunghi, Scarpe chiuse).
Nota: Il protocollo può essere sospeso dopo qualsiasi passaggio tranne passaggi 6,3-6,6 e passaggi 9.2-9.5.
1. preparazione di substrati di stampa 3D
- Preparazione dei disegni di computer-aided design (CAD), idealmente utilizzando il formato di file. STL di stereolitografia.
Nota: I disegni usati sono illustrati nella integrativa Figura 2 e complementare nella figura 3. - Scegliere il processo AM basato sulle proprietà del materiale richiesta dall'applicazione di destinazione (vedere tabella 1 per le limitazioni del rispettivo processo).
Nota: In questo lavoro, abbiamo usato campioni di stampa 3D rame, nonché ceramiche 3D-stampato. - Fabbricare il substrato di rame di stampa 3D con cera e39di fusione a cera persa.
- Fabbricare il substrato ceramico di ceramica a base di Litografia (LCM) tecnologia40 di fabbricazione (Vedi Video 1).
- Fabbricare il substrato di acrilato utilizzando un polimero ad alta risoluzione 3D-stampante37 e rimuovere la cera supporto dalla parte stampata.
- Mettere la parte stampata all'interno di un forno a 65 ° C per 1 h a sciogliere la cera di supporto.
- Dopo aver rimosso la parte stampata dal forno, metterlo dentro bagno d'olio ad ultrasuoni a 65 ° C per rimuovere la cera da piccole aperture, fori, ecc.
- Pulire i substrati utilizzando un panno imbevuto di acetone, come impurità di superficie possibile influenzare notevolmente la qualità di stampa a getto d'inchiostro più tardi.
Nota: La preparazione di substrati di AM può essere fatto utilizzando diverse attrezzature e processi. Secondo la strategia di fabbricazione, le proprietà di superficie e bulk possono variare pure. È, pertanto, fondamentale controllare queste proprietà utilizzando le tecniche di ispezione consigliate più tardi (Vedi, per esempio, sezione 4 del presente protocollo).
2. fabbricazione di interconnessioni
Nota: La realizzazione di interconnessioni differisce a seconda del tipo (conduttivo/non conduttivo) del substrato.
- Fabbricare interconnessioni su substrati non conduttivi (ceramici).
- Erogare l'adesivo conduttivo curabile di bassa temperatura con un micro dispensatore di tempo-pressione montato su una stazione microassemblaggio nel vias appropriato delle parti stampate.
- Lasciare il fabbricato interconnessioni ad per asciugare per 10 min a 23 ° C e con pressione ambiente.
Nota: per il substrato di ceramica, le interconnessioni possono anche essere fabbricate utilizzando pasta saldante e ad alta temperatura di polimerizzazione.
- Fabbricare interconnessioni su substrati conduttivi.
- Erogare l'inchiostro isolante tutto il vias (fori nel substrato) circonferenza tramite un micro dispensatore di pressione di tempo.
- Eseguire il processo di reticolazione fotonici usando luce pulsata intensa come suggerito dal fornitore dell'inchiostro.
- Aprire il vassoio dell'apparecchiatura polimerizzazione fotonico contenente la tabella di substrato.
- Spostare il campione di rame alla tabella substrato dell'apparecchiatura polimerizzazione fotonico e fissarlo con il fissaggio magnetico fornito.
- Regolare l'altezza del tavolo di substrato dell'apparecchiatura per spostare il campione per il piano di messa a fuoco dell'apparecchiatura polimerizzazione.
- Chiudere il vassoio e regolare il profilo di polimerizzazione, come raccomandato dal fornitore del materiale per il materiale stampato nell'interfaccia del software dell'apparecchio e premere il pulsante start.
- Riempire la via con bassa temperatura di polimerizzazione conduttivo incollare (Tabella materiali).
Nota: In generale, è possibile utilizzare tutte le forme di monocomponente, a base epossidica adesivi conduttivi che sono temperatura attivato. - Asciutto il fabbricato interconnessioni per 10 min a 23 ° C.
3. preparazione del sistema di stampa a getto d'inchiostro
- Pulire/spurgo gli ugelli della testina di stampa con l'eliminazione dei fogli inceppati nel software della stampante, utilizzando il prodotto chimico appropriato per l'inchiostro rispettivo: utilizzare isopropanolo per l'isolamento di inchiostri; utilizzare trietilene glicole monometil etere per l'inchiostro conduttivo. Eliminazione dei fogli inceppati di ugelli premendo il pulsante di spurgo nell'interfaccia del software della stampante fino a quando la soluzione espulsa dalle rispettive bocchette è chiara.
Nota: La quantità di chimici necessari dipende dalla stampante, ugello e chimico. In questo esperimento, è stato usato circa 2 mL. - Riempire i contenitori di inchiostro con circa 1,5 mL di nanoparticelle d'argento inchiostro con 50 wt.% metallo caricamento e una granulometria media di 110 nm usando una siringa, per esempio, con una canna di 3 mL e un 18 G Luer lock dell'ago di erogazione.
- Utilizzare una testina di stampa a getto di inchiostro premendo il pulsante Start testa nell'interfaccia del software della stampante.
- Utilizzare il profilo di trivellazione a getto pre-regolato della stampante per la trivellazione a getto di inchiostro conduttivo.
- Spostare la testina di stampa nella posizione di dropview utilizzando l'opzione di andare a dropview posizione nell'interfaccia del software della stampante e osservare la trivellazione a getto di inchiostro.
- Modificare i parametri del profilo di tensione che è preinstallato per la testina di stampa e la temperatura della testina di stampa al fine di regolare la velocità di discesa, forma e volume. Regolare la pressione di inchiostro per evitare qualsiasi fuoriuscita di inchiostro e per ridurre la formazione di goccioline di satellitare.
Nota: Il sistema di stampa utilizzato nel presente protocollo, la tensione di trivellazione a getto massima operativa è stata impostata per 40 V e un profilo di trivellazione a getto di 1 µs tempo di salita/discesa con 10-14 µs tenere il tempo è stato usato. L'inchiostro d'argento era idromassaggio a 45 ° C. La pressione ottimale dell'inchiostro è dipenda dal livello di inchiostro. La tensione nel profilo di tensione deve essere aumentato o ridotto a seconda dello stato (ad esempio, temperatura, viscosità) l'inchiostro e la temperatura corrente della testa, così come lo stato della testina di stampa usata. Per raggiungere jetting corretta, si consiglia di cambiare la tensione verso l'alto a piccoli passi di 1 V. Se non c'è nessun miglioramento a forma di goccia, ridurre la tensione a piccoli passi di 1 V. Segui questa procedura finché non si ottiene una caduta stabile.
- Regolare i parametri di stampa per l'inchiostro isolante nello stesso modo come fatto per l'inchiostro d'argento.
- Utilizzare un'altra testina di stampa per il materiale dielettrico basso-k, che è una miscela di monomeri di acrilato-tipo del getto.
Nota: Ancora una volta, una tensione di trivellazione a getto di esercizio di 40 V e un tempo di salita/discesa di 1 µs con 8 µs tenere tempo è stato usato in questo protocollo. L'inchiostro dielettrico potrebbe essere idromassaggio a 50 ° C. La pressione ottimale dell'inchiostro è dipenda dal livello dell'input penna effettivi. In genere, i parametri utilizzati altamente dipendono dalle proprietà dell'inchiostro, così come del substrato o strato su cui deve essere stampato. Durante il processo di fabbricazione, i parametri di stampa potrebbero essere necessario essere regolato in modo dinamico. Fare riferimento al manuale dell'utente del sistema di stampa su come regolare correttamente i parametri della stampante.
- Utilizzare un'altra testina di stampa per il materiale dielettrico basso-k, che è una miscela di monomeri di acrilato-tipo del getto.
4. ispezione della proprietà superficiali dei rispettivi substrati per la stampabilità e la regolazione dei parametri della stampante per il primo strato
- Eseguire misurazioni di Profilometro per determinare la rugosità superficiale.
- Mettere il campione sul tavolo di substrato (fase) del profilometro.
- Se non assegnate, casa stage utilizzando il tasto home nell'interfaccia del software.
- Scegliere la rispettiva risoluzione e l'area che viene mappato nell'interfaccia del software.
- Posizionare la testa di misura in posizione iniziale e avviare la misurazione utilizzando l'opzione di jog e pulsante start nell'interfaccia del software.
- Dopo la misurazione è completata, controllare il risultato per coerenza (ad esempio, mostrato le altezze sono plausibili per il numero di strati stampati) e salvare i dati.
- Eseguire ispezioni SEM secondo il manuale utente per analizzare la qualità della superficie.
- Eseguire misure di angolo di contatto, come descritto nel manuale dell'utente della stazione SEM per determinare le proprietà di bagnabilità.
- Difficoltà del substrato sulla tabella substrato utilizzando nastro adesivo e segnare la sua posizione in modo appropriato.
- Regolare l'ugello e i parametri di stampa nelle impostazioni del software di interfaccia modificando le proprietà della testina di stampa nell'interfaccia del software della stampante.
- Ancora una volta, spostare la testina di stampa nella posizione di dropview utilizzando l'opzione di andare a dropview posizione nell'interfaccia del software della stampante e osservare la trivellazione a getto di inchiostro. Se necessario, regolare i parametri di stampa per ottimizzare il getto.
- Scegliere un ugello che espelle ben definiti e omogenei gocce d'inchiostro per la stampa.
- Inserisci il numero dell'ugello selezionata nelle preferenze della stampante.
- Eseguire le prove di dimensione goccia per determinare le dimensioni di una goccia stampata sul substrato rispettivo.
- Stampare un modello di goccia, utilizzando una configurazione di stampante noto.
- Determinare la dimensione di goccia raggiunti usando un microscopio calibrato o il sistema di fotocamera incorporata della stampante.
- Assicurarsi che la risoluzione di stampa successivamente usata sia appropriata per la bagnatura di inchiostro osservati fabbricare una superficie omogenea e chiusa (per esempio, scegliere una risoluzione di stampa di 900-1.000 dpi per una dimensione di goccia di 40-50 µm).
- Eseguire un'analisi FIB (Tabella materiali), come da istruzioni del produttore, per garantire una sufficiente omogeneità di massa per substrati conduttivi.
5. regolazioni di parametro per il primo strato di polimerizzazione
- Stampare più strutture, utilizzando uno strato di inchiostro usato per il primo strato di dispositivo, su un substrato fittizio (vale a dire, un campione dello stesso materiale che successivamente può essere eliminato ed è usato per solo a scopo di test).
- Utilizzare il trattamento termico in forno a 130 ° C per almeno 30 min a pressione ambiente per i modelli d'argento conduttivi stampati su un substrato ceramico.
Nota: A seconda delle dimensioni del campione, utilizzare un pod per tenere il campione all'interno del forno. - Utilizzare l'indurimento fotonica per l'inchiostro isolante su substrato metallico.
- Aprire il vassoio dell'apparecchiatura polimerizzazione fotonico contenente la tabella di substrato.
- Spostare il campione alla tabella substrato dell'apparecchiatura polimerizzazione fotonico e fissare di conseguenza (utilizzando, ad esempio, fornito fissaggio magnetico).
- Regolare l'altezza della tabella di substrato dell'apparecchio, utilizzando il mandrino di tabella per spostare il campione per il piano di messa a fuoco dell'apparecchiatura polimerizzazione.
- Chiudere il vassoio e regolare il profilo di polimerizzazione, come raccomandato dal fornitore per il materiale stampato nell'interfaccia del software dell'apparecchio e premere il pulsante start.
- Controllo l'omogeneità della superficie microscopio qualitativamente e quantitativamente utilizzando un profilometro.
- Mettere il campione sul tavolo di substrato (fase) del profilometro.
- Se non assegnate, casa stage utilizzando il rispettivo pulsante nel software.
- Scegliere la rispettiva risoluzione e l'area che deve essere mappato.
- Posizionare la testa di misura in posizione iniziale e avviare la misurazione.
- Dopo la misurazione è completata, controllare il risultato per coerenza e salvare i dati.
- Ripetere fotonici o adottato procedure polimerizzazione termiche tramite polimerizzazione parametri se necessario.
- Aumentare l'energia fotonica usato a piccoli passi di, per esempio, 5 V nell'interfaccia del software delle apparecchiature polimerizzazione fotoniche se la resistenza raggiunta è troppo alto. Se il campione mostra segni di bruciatura, ridurre l'energia utilizzata.
- Regolare i parametri di attrezzature per la polimerizzazione del primo strato funzionale dispositivo affinché si raggiunge una conducibilità sufficiente per l'applicazione a portata di mano, ma ancora nessuna combustione della struttura stampata si verifica.
6. stampa e indurimento del primo strato dispositivo
- Difficoltà del substrato sulla tabella substrato utilizzando nastro adesivo e segnare la sua posizione in modo appropriato.
- Come il primo strato è conduttivo, per il substrato di tipo di ceramica e acrilato, utilizzare il riscaldamento del substrato tavolo di 60 ° C.
Nota: La temperatura non deve superare una temperatura tale da influirà il substrato rispettivo (ad es., l'acrilato tollera solo fino a 65 ° C). Questa regolazione può essere effettuata nelle impostazioni della stampante. - Regolare l'ugello e i parametri di stampa nelle impostazioni del software di interfaccia.
- Spostare la testina di stampa per il dropview posizionare e osservare la trivellazione a getto di inchiostro.
- Scegliere un ugello che espelle ben definiti e omogenei gocce d'inchiostro per la stampa.
- Inserisci il numero dell'ugello selezionata nelle preferenze della stampante.
- Regolare la risoluzione usata della testina di stampa di depositare uno strato omogeneo di inchiostro secondo le proprietà precedentemente determinato substrato: per substrati di basso-bagnabilità, per esempio, un grande angolo di contatto e una piccola goccia dimensione aumentare la stampa ad alta risoluzione. Abbassare la risoluzione per substrati ad alta bagnabilità.
Nota: La regolazione dei parametri di stampa può essere fatto nelle impostazioni della stampante. - Selezionare il punto di riferimento appropriato per stampare il modello e memorizzare le sue coordinate.
- Caricare il file di immagine (. svg) rispettivi vettoriale scalabile e selezionare una risoluzione appropriata e dimensioni, dipende il modello desiderato e le dimensioni del substrato nel software della stampante.
- Eseguire la stampa. L'omogeneità della stampa è soddisfacente, ripetere la stampa di uno strato di inchiostro.
- Controllo l'omogeneità dello strato stampato usando un microscopio calibrato o utilizzando il sistema di fotocamera incorporata della stampante.
- Muovere la telecamera della stampante per la posizione di stampa e osservare la qualità della stampa data nell'interfaccia del software della stampante.
- Curare il primo strato utilizzando i parametri determinati al punto 5 del presente protocollo.
- Per inchiostro d'argento su un substrato di polimeri (acrilato, lamina), utilizzare un 1 impulso ms 250 V con una quantità ridotta di energia (525 mJ/cm2).
- Per inchiostro d'argento su un substrato ceramico, utilizzano il calore di polimerizzazione in forno come consigliato con l'inchiostro (ad es., 130 ° C per 30 min).
- Curare l'inchiostro stampato dielettrico a 200 V con 1 ms impulsi e ripetere gli impulsi 8 x alla frequenza di 1 Hz.
Nota: Gli spettri della luce emessa, utilizzato nella cura di fotonica è abbastanza ampia (ultra-violet – vicino-infrarosso [UV-NIR]). Ancora, la quantità di luce UV è sufficiente avviare la fotopolimerizzazione e curare lo strato isolante.
7. ispezione di proprietà superficiali dei rispettivi substrati per la stampabilità e la regolazione dei parametri della stampante per strati successivi
Nota: Consultare il manuale d'uso dell'apparecchiatura di misurazione il profilometro misurazioni e ispezioni di microscopia.
- Eseguire misurazioni di Profilometro per determinare la rugosità e lo spessore dello strato stampato.
- Mettere il campione sul tavolo substrato del profilometro.
- Se non assegnate, casa stage utilizzando il rispettivo pulsante nel software.
- Scegliere la rispettiva risoluzione e l'area che deve essere mappato.
- Posizionare la testa di misura in posizione iniziale e avviare la misurazione.
- Dopo la misurazione è completata, controllare il risultato per coerenza e salvare i dati.
- Eseguire misure di angolo di contatto per determinare le proprietà di bagnabilità.
Nota: Consultare il manuale utente dell'apparecchiatura di misurazione a portata di mano su come effettuare correttamente le misurazioni dell'angolo di contatto. - Eseguire test di dimensione goccia per determinare le dimensioni di una goccia stampata sul substrato rispettivo.
- Stampare un modello di goccia utilizzando una configurazione di stampante noto.
- Determinare la dimensione di goccia raggiunto utilizzando un microscopio calibrato o sistema di controllo integrato della stampante.
- Regolare la risoluzione usata della testina di stampa per ottenere uno strato omogeneo di inchiostro: per substrati di basso-bagnabilità, per esempio, un grande angolo di contatto e una piccola goccia dimensione aumentare la risoluzione di stampa. Abbassare la risoluzione per substrati ad alta bagnabilità.
- Controllare le proprietà elettriche del primo strato: per un primo strato conduttivo, utilizzare la sonda del quattro-punto per determinare la conducibilità raggiunta.
- Mettere il campione sul tavolo di substrato.
- Abbassare la testa di misura in pista conduttiva, assicurandosi che la sonda ha buon contatto con la struttura stampata, per essere analizzati.
- Per un primo strato isolante, assicurarsi che la superficie copre omogeneamente il conduttore qui sotto. Utilizzare un microscopio per la conferma. Verificare le proprietà isolanti utilizzando un multimetro.
8. regolazioni di parametro per strati successivi di polimerizzazione
- Stampare più strutture, utilizzando uno strato di inchiostro usato per lo strato successivo dispositivo, su un substrato fittizio con un equivalente livello precedente.
- Utilizzare solo fotonici di polimerizzazione per tutte le superfici.
- Dopo l'indurimento, controllare le proprietà elettriche e strutturali dello strato stampato: per determinare se la conduttività è sufficiente, utilizzare una misura di sonda di quattro punti.
- Controllo l'omogeneità della superficie microscopio qualitativamente e quantitativamente utilizzando il profilometro.
- Se necessario, ripetere la procedure di polimerizzazione fotoniche.
- Regolare i parametri di attrezzature per l'indurimento dello strato successivo dispositivo funzionale.
9. Inkjet stampa e polimerizzazione di strati successivi di dispositivo
- Difficoltà il substrato al tavolo di substrato in modo appropriato in posizione precedentemente segnata.
- Regolare i parametri dell'ugello e stampa come determinato dal passaggio precedente.
- Selezionare il punto di riferimento appropriato per stampare il modello e assicurarsi che i modelli stampati siano ben allineati con l'altro per garantire la corretta funzionalità del dispositivo in seguito.
- Caricare il file. svg rispettivi con dimensioni e la risoluzione appropriata.
- Eseguire la stampa. L'omogeneità della stampa è soddisfacente, ripetere la stampa di uno strato di inchiostro.
- Controllare l'omogeneità dello strato stampato sotto un microscopio (qui, viene utilizzato il sistema di fotocamera incorporata della stampante).
- Utilizzare fotonici curare solo per l'indurimento di questo strato. Utilizzare i parametri per uno strato isolante o uno strato conduttivo sull'isolatore determinati in anticipo.
- Dopo l'indurimento, controllare le proprietà elettriche e strutturali dello strato stampato: per determinare se l'intervallo di conducibilità dello strato conduttivo è accettabile, utilizzare un multimetro.
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Representative Results
Dalle immagini SEM illustrate nella Figura 1, si possono trarre conclusioni sulla stampabilità sui rispettivi substrati. Le barre di scala sono diverse a causa delle gamme differenti della rugosità superficiale. In Figura 1a, la superficie del substrato di rame è indicata, che è di gran lunga il più regolare. Figura 1 c, d'altra parte, spettacoli in acciaio, un substrato che non è utilizzabile per la stampa a getto d'inchiostro a causa della elevata porosità e l'angolo di contatto instabile (Vedi anche tabella 2). Nella Figura 1b, viene mostrata un'immagine di SEM del substrato bronzo e in Figura 1 d, la superficie del campione di titanio è illustrata.
Nella Figura 2 e Figura 3, i risultati delle misurazioni Profilometro sono riportati. Queste valutazioni sono necessarie per determinare la rugosità superficiale dei rispettivi substrati. I substrati di metallo con una rugosità ben di sopra di ~ 1 µm (alluminio, titanio e acciaio) non sono utilizzabili per la stampa a getto d'inchiostro, come l'inchiostro tende ad essere assorbita a causa della elevata porosità e, quindi, inibisce la fabbricazione di strati omogenei e riproducibile strutture. Il substrato ceramico allumina-basato ha una rugosità paragonabile, ma a causa del processo di fabbricazione diversi, non presenta tale alta porosità superficiale e, quindi, utilizzabile.
Drop test di dimensione, come illustrato qualitativamente in Figura 4 e quantitativamente raccolti nella tabella 3, dare la dimensione goccia realizzabile e, quindi, anche le proprietà di bagnabilità per la rispettiva combinazione di substrato e inchiostro. Substrati dove nessun gocce distinti sono formano o hanno troppo poco bagnabilità (questo è vero per i metalli di AM con una bassa rugosità superficiale), o sono troppo porosi (questo è vero per i metalli di AM con un'elevata rugosità superficiale [ad esempio, nella figura 4 d]). In Figura 4a, è illustrato il risultato di stampa su bronzo. Figura 4b Mostra rame, Figura 4c Mostra ceramiche, e Figura 4 d viene illustrato il risultato del campione di acciaio.
In Figura 5, vengono fornite immagini microscopiche dei risultati dopo la polimerizzazione di uno strato di 1 mm di larghezza su isolanti inchiostro conduttivo. Basati su tali immagini, può essere valutata l'integrità delle stampe. Per l'inchiostro conduttivo su rame (Figura 5b), è possibile ottenere il miglior risultato; la pista conduttiva su alluminio (Figura 5a) è completamente distrutto; le tracce conduttive stampate su substrati di ceramica (Figura 5 c, d) sono intatte, ma mostrano la delaminazione. La delaminazione è dovuto l'assorbimento di calore debole e alta riflessione dei substrati. Ridurre la dose di polimerizzazione su questi substrati produce tracce conduttive che hanno migliorato le proprietà elettriche e strutturali.
Per determinare i profili di altezza e qualità della superficie delle strutture multistrate stampate, profili di altezza, che sono i risultati delle misurazioni di Profilometro, sono riuniti, come indicato in Figura 6 e Figura 7, utilizzando il profilometro. Da questi profili di altezza, l'omogeneità di superficie delle piste conduttive (la morbidezza delle curve blue) può essere determinato. Inoltre, le superfici che hanno perso la loro integrità strutturale (alluminio, titanio) possono essere identificate da grandi pendenze nei loro profili di altezza.
Le analisi FIB con rame (Figura 8a), bronzo (figura 8b), titanio (Figura 8c) e ottone (Figura 8 d) sono mostrate per illustrare una sufficiente omogeneità di massa di substrati metallici AM. Le barre di scala sono diverse qui al fine di acquisire in modo ottimale le caratteristiche strutturali delle stampe multistrate (carenze in omogeneità, pista conduttiva, ecc.). In questo modo sufficiente conducibilità elettrica dei substrati di modo che questi possono essere usati per la schermatura in applicazioni di rilevamento magnetiche e capacitive. Risultati per la resistenza di foglio raggiunti usando una sonda del quattro-punto sono raccolte nella tabella 4. Inoltre, una valutazione qualitativa degli strati stampati è possibile. Le strutture granulari sono costituite da nanoparticelle curate e lo strato sottostante è l'inchiostro isolante. In, per esempio, figura 8b, vediamo nonhomogeneities (fori, inclusioni di aria) negli strati stampati. Questi derivano dal degassamento durante la polimerizzazione. Degassamento può verificarsi quando la dose di cura per inchiostro conduttivo su inchiostro isolante è troppo alta. Questo effetto influenza negativamente l'integrità delle strutture stampate e degassamento eccessivo porta alla distruzione.
Nella Figura 9, risultati delle misurazioni vengono visualizzati. Questi risultati sono raccolte utilizzando un dimostratore che impiega un principio di rilevamento capacitivo. La morbidezza delle curve illustra l'alta qualità ottenibile nonostante le carenze strutturali che potrebbero derivare da processi di stampa.
Figura 1: immagini di SEM di substrati metallici. Questi rame immagini show (una), (b) titanio (d), (c) in acciaio e bronzo. Essi sono presi a diversi ingrandimenti, come illustrato dalla barra della scala in basso a destra di ogni immagine. Basati su tali immagini, può essere valutata l'omogeneità superficiale. Questa figura è stata modificata da Faller et al. 41. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2: misure di Profilometro di substrati AM metallici e ceramici. La rugosità valori Ra e Rq in nanometri sono determinati secondo ISO 4287. Per l'argento, i valori sono 689.39 nm e 788.06 nm, rispettivamente; per alluminio, sono 2151.19 nm e 2750.38 nm, rispettivamente; per base di allumina (Al2O3) substrati, sono 1210.47 nm e 1737.6 nm, rispettivamente; per basati su ossido di zirconio (ZrO2) substrati, sono 559.97 nm e 681.56 nm. L'ondulazione è la struttura più ampiamente distanziata di superficie del substrato. L'ondulazione è la texture rimanenti in omogeneità con il componente di rugosità rimosso. Questa figura è stata modificata da Faller et al. 41. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3: misure di Profilometro di substrati metallici. I Runa e Rq i valori per i rispettivi substrati sono, per ottone, 414.2 nm e 494.49 nm, rispettivamente; per il titanio, 1099.86 nm e 1448.06 nm, rispettivamente; per rame, 307.63 nm e 358.92 nm, rispettivamente; per l'acciaio, 1966.95 nm e 2238.78 nm, rispettivamente. Questa figura è stata modificata da Faller et al. 41. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 4: Drop test dimensioni per substrati metallici e ceramici. Queste immagini mostrano (un) bronzo, rame (b), (c) ZrO2 e (d) in acciaio. Distinti gocce misurati qui sono contrassegnati (ove possibile) dalle frecce nell'immagine rispettivo. Le dimensioni delle gocce determinato sono raccolti nella tabella 3. Questa figura è stata modificata da Faller et al. 41. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 5: immagini microscopiche di inchiostro conduttivo stampato su un isolante e un substrato metallico AM dopo l'indurimento fotonici. I substrati sono (un) in alluminio, rame (b), (c) Al2O3e (d) ZrO2. La larghezza della struttura conduttiva in ogni immagine è w = 1 mm. L'integrità della struttura conduttiva su alluminio è completamente distrutto, mentre le strutture su rame e Al2O3 rimangono intatte. Questa figura è stata modificata da Faller et al. 41. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 6: profili di altezza per le tracce conduttive sull'isolatore per substrati metallici, determinato utilizzando il profilometro. Questa figura è stata modificata da Faller et al. 41. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 7: profili di altezza per le tracce conduttive su substrati di metallo e ceramici, determinati utilizzando il profilometro. Questa figura è stata modificata da Faller et al. 41. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 8: immagini FIB di inchiostro conduttivo su substrati metallici e isolante. Queste immagini mostrano (un) rame, bronzo (b), titanio (c) e (d) in ottone. Questa figura è stata modificata da Faller et al. 41. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 9: trama della misurazione risultati da un dispositivo di dimostratore fabbricato seguendo la metodologia suggerita. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
| minimi dettagli / mm |
precisione minima / % featuresize |
processo | |
| Argento | 0.25 | 5,00 | fusione a cera persa cera 3D-stampa & perso |
| Titanio | 0.1 | 0.2 | diretto a sinterizzazione laser metallo |
| In acciaio | 0.35 | 2-3 | associazione chimica & sinterizzazione @ 1300 ° C |
| Bronzo | 0.35 | 5,00 | fusione a cera persa cera 3D-stampa & perso |
| In ottone | 0.35 | 5,00 | fusione a cera persa cera 3D-stampa & perso |
| In alluminio | 0.25 | 0.2 | diretto a sinterizzazione laser metallo |
| Rame | 0.35 | 5,00 | fusione a cera persa cera 3D-stampa & perso |
| Al2O3 | 0.025-0.1 | 0,04 | LCM-tecnologia |
| ZrO2 | 0.025-0.1 | 0,04 | LCM-tecnologia |
Tabella 1: tolleranze e limitazioni dei processi di stampa 3D. Questa tabella è stata modificata da Faller et al. 41.
| titanio | in acciaio | bronzo | in ottone | rame | |
| unc / ° | 85,9 | 71.15 | 100.3 | 100.03 | 88,54 |
| Σun | 7,27 | 17,64 | 3.17 | 2.25 | 6,84 |
Tabella 2: angoli di contatto raccolti un c e loro scarto quadratico medio σ un in gradi. Questa tabella è stata modificata da Faller et al. 41.
| titanio | bronzo | in ottone | rame | Al2O3 | ZrO2 | |
| dropsize / µm | 23,97 | 31.3 | 36.04 | 29.03 | 69 | 69,3 |
Tabella 3: goccia riuniti diametri d d in micrometri. Questa tabella è stata modificata da Faller et al. 41.
| r□ in mΩ/□ | Commenti | |
| Titanio | 3000 | |
| In acciaio | 600 | |
| Bronzo | 2000 | |
| In ottone | 300 | |
| In alluminio | 30000 | |
| Rame | 180 | |
| Al2O3 | 150.00 | differenti di energia utilizzati per il trattamento fotonici: 527 mJ/cm ² |
| ZrO2 | 20.00 | pista conduttiva ablazione |
Tabella 4: Riuniti foglio resistenze r□ in mΩ/□. Resistenze a foglio sono indicate utilizzando un indice quadrato (□) significato ohm per quadrato. Questo termine si riferisce generalmente al 2D-strutture e, quindi, implica anche che il flusso di corrente è lungo il piano del foglio. La resistenza del foglio può essere moltiplicata per lo spessore del film per dare la resistività di massa. Questa tabella è stata modificata da Faller et al. 41.
Video 1: processo di LCM. Questo processo viene utilizzato per fabbricare i substrati di ceramica (immagini per gentile concessione di Lithoz). Per favore clicca qui per vedere questo video. (Tasto destro per scaricare.)
Complementare figura 1: esempio di un design multistrato coil. Per favore clicca qui per scaricare questa figura.
Complementare figura 2: Esempio di disegni di progettazione assistita da elaboratore (CAD), utilizzata per la stampa 3D di strutture multistrato coil. Per favore clicca qui per scaricare questa figura.
Complementare figura 3: Esempio di disegni di progettazione assistita da elaboratore (CAD), utilizzata per la stampa 3D di sensori capacitivi multi-elettrodo. Per favore clicca qui per scaricare questa figura.
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Discussion
Un modo per fabbricare strutture multistrato sensore su substrati di stampa 3D e sulla lamina è dimostrato. AM metallo, così come substrati di ceramica e acrilato tipo e lamina sono mostrati per essere adatto per stampa inkjet multistrato, come l'adesione fra il substrato e i diversi strati è sufficiente, come pure la rispettiva capacità di conduttività o isolamento. Questo potrebbe essere indicato da stampa strati di strutture conduttrici il materiale isolante. Inoltre, la stampa e i processi per tutti i livelli di curing è stato effettuato con successo senza alterare la vicenda.
Le strategie di fabbricazione presentate in questo lavoro sono altamente sensibili all'interazione di diversi materiali e proprietà di superficie. Di conseguenza, la riproducibilità dei passaggi eseguiti dipende il processo di fabbricazione rispettivi. Per la preparazione dei materiali usati AM, occorre considerare che le proprietà di superficie e bulk possono variare significativamente a seconda del metodo di fabbricazione (Figura 1 e tabella 2). Per la stampa a getto d'inchiostro, i parametri proposti devono essere accuratamente regolato il sistema di stampa utilizzato, così come i rispettivi inchiostri42,43,44. Il jettability di diversi inchiostri di nanoparticella Ag possono variare notevolmente, a seconda della formulazione. Ciò significa che alcuni additivi e solventi dell'inchiostro determinano sua specifica viscosità, tensione superficiale e punto di ebollizione.
Un altro punto da considerare è l'agglomerazione di contenuto solido quando l'inchiostro età o non è conservato correttamente, che può distorcere la trivellazione a getto di qualità. Oltre a ciò, il set-up specifico della testina di stampa si è anche cruciale, soprattutto le dimensioni dell'apertura dell'ugello. Determina i parametri effettivi di trivellazione a getto, quali la tensione di trivellazione a getto, forma d'onda e setpoint di temperatura, come pure la dimensione goccia risultante (Figura 4 e tabella 3). Durante il processo di stampa stesso, una tabella di substrato riscaldato potrebbe anche aumentare la temperatura della testina di stampa a causa della prossimità spaziale, conseguente a una degradazione di cambiamento e possibili del comportamento di stampa. Di conseguenza, è fondamentale monitorare la temperatura della testina di stampa durante l'elaborazione.
Un altro fattore che potrebbe influenzare il comportamento del getto durante la stampa è la pressione di inchiostro come avrebbe potuto essere ridotta come si abbassa di livello inchiostro durante l'elaborazione. La fabbricazione delle interconnessioni su un substrato conduttivo è non banale, come lo strato isolante dispensato deve avere uno spessore sufficiente per evitare corto circuiti, ma ha ancora bisogno di lasciare sufficiente spazio per formare l'interconnessioni mediante saldatura conduttiva Incolla.
Inoltre, l'adesione tra i tre materiali deve essere accettabile per formare stabile vias. Durante il processo di polimerizzazione, la tolleranza di temperatura dello strato isolante deve essere considerato pure. Di conseguenza, pasta saldante polimerizzazione a bassa temperatura è stato impiegato per il rispettivo interconnessioni. Dopo aver stampato gli strati funzionali, hanno bisogno di essere curata per produrre la resistenza di foglio desiderato (tabella 4). Termico di sinterizzazione è un metodo appropriato ed efficace per i modelli d'argento se il substrato o lo strato sottostante ha una temperatura sufficientemente elevata tolleranza45. Questo non è il caso per gli strati isolanti, motivo per cui fotonici di polimerizzazione è impiegato (Figura 5). Durante il processo di polimerizzazione fotonico, una grande quantità di energia viene trasferita al campione. Pertanto, è fondamentale garantire che i modelli stampati sono sufficientemente essiccati prima il processo di reticolazione come, in caso contrario, i solventi rimanenti potrebbero raggiungere il loro punto di ebollizione e possono distruggere gli strati stampati a causa della dilatazione del liquido e la formazione di bolle (Figura 8).
Inoltre, sufficiente asciugatura è necessario creare strati di spessore omogeneo (Figura 6 e Figura 7). Lo spessore omogeneo è necessario per le applicazioni dove nanometri misurazioni basate su, per esempio, un principio capacitivo è impiegato (Figura 9). Qui, una distanza uniforme dall'elettrodo di rilevazione può significativamente influenzare la qualità46.
Nel complesso, si può affermare che la scelta dei parametri ottimali di polimerizzazione fotonici per gli strati di dispositivo su un isolante è un fattore cruciale: se l'energia introdotta non è sufficiente, l'inchiostro conduttivo rimane non sinterizzato e la resistenza del foglio è troppo alta per la dispositivi per essere elettricamente funzionale; introducendo la troppa energia, calore eccessivo sarà prodotta nel film e, di conseguenza, la pista conduttiva è distrutto. Il substrato di rame ha dato il risultato migliore in termini di resistenza di foglio (vedere tabella 4) e anche nella qualità di superficie ottenuti e l'integrità della pista in metallo stampata. Questo potrebbe essere a causa della sua rugosità superficiale, essendo il più basso fra tutti i substrati considerati. La riflettività di substrato potrebbe essere identificata come influenzare significativamente il risultato di polimerizzazione fotonico. La riflettività di substrato rispettivo deve essere considerato nel trattamento al fine di raggiungere un risultato ottimizzato per quanto riguarda il profilo e spettro di polimerizzazione fotonico applicato. Questo deve essere adattato per singoli substrati e combinazioni di inchiostro.
In questo lavoro, è stata dimostrata l'idoneità di substrati AM e foil per stampa a getto d'inchiostro. Inoltre, le proprietà del materiale insieme i fattori essenziali per il processo sono state determinate. È stata presentata una strategia per fabbricare prototipi sensore sulla lamina e substrati di metallo e polimero di AM. Infine, la qualità di misura realizzabile basata su misure effettuate con un sistema di dimostratore è stata indicata. Questo approccio costituisce un importante contributo per il futuro elettrico funzionalizzazione di superfici, le recinzioni ed altre strutture che hanno avuto uno scopo esclusivamente meccanico nella progettazione di numerosi dispositivi finora.
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Disclosures
Gli autori non hanno nulla a rivelare.
Acknowledgments
Quest'opera è stata sostenuta dalla cometa K1 ASSIC austriaco Smart Systems Integration Research Center. La cometa-Competence Center per eccellenti tecnologie-programma è supportato da BMVIT, BMWFW e i Länder Carinzia e Stiria.
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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