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Engineering

ハイブリッド スマート センサーの作製のための印刷

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

Summary

ここの相加的製造基板上箔インク ジェット印刷多層センサー構造の作製のためのプロトコルを提案する.

Abstract

相加的に結合する方法基板または箔の製造し、センサー デバイス作製のための多層インク ジェット印刷が表示されます。最初、(アクリル酸・陶器・銅) の 3 つの基板を用意しています。これらの基板の結果材料特性を決定するには、集束イオンビーム (fib) 測定、走査型電子顕微鏡 (SEM)、接触角測定機を行います。達成可能な印刷解像度と各基板のボリュームを適切なドロップは、ドロップ サイズ テストを通じて、発見します。その後、絶縁、導電性インクのレイヤーは、ターゲット センサー構造を作製する交互印刷インク ジェットです。各印刷手順の後は、それぞれレイヤー個別に光硬化によって扱われます。各レイヤーの硬化に使用するパラメーターは、印刷インクも、それぞれの基質の表面の特性に合わせられます。結果の導電率を確認して印刷面の品質を決定するには、4 点プローブと測定機の測定が行われます。最後に、達成可能な品質を実証する測定セットアップとそのようなセンサーのすべて印刷システムによって得られた結果を示します。

Introduction

添加剤の製造 (AM) は、材料が 3 D モデルのデータからオブジェクトを作るに参加しているプロセスとして標準化されています。これは層の層には通常行われますそして、したがって、減法の製造技術、半導体製造などとは対照的します。類義語には、3 D 印刷、添加剤の製造、添加剤のプロセス、添加技術、添加剤の層の製造、層製造、造形が含まれます。これらの類義語は、独自の定義を提供するアメリカ社会のテストおよび材料 (は ASTM)1標準化から再現しています。本邦では、3 D 印刷を印刷オブジェクトの厚さもメートル2センチの範囲では、プロセスと呼びます。

光造形3などのより一般的なプロセス、ポリマーの印刷を有効にするが、金属の 3 D 印刷は既に市販されても。自動車、航空宇宙の4、および医療5セクターのように吸気エリアの金属の午前を採用します。航空宇宙構造物の利点は、単純な構造の変化 (例えば、ハニカム デザインを使用して) を介して軽量デバイスを印刷することです。その結果、材料で、例えばより機械的強度、重量 (例えば、チタン アルミニウムの代りに)6のかなりの量を追加、それ以外の場合、用いることができます。

高分子の 3 D 印刷が既に確立している金属 3 D 印刷はまだ活気のある研究テーマ、金属構造物の 3 D 印刷のさまざまなプロセスが開発されています。4 つのグループ7,8、すなわち 1) を使用してレーザーや電子ビーム ワイヤ供給プロセスにおけるクラディングのレーザーや電子ビーム、3) 選択的に溶融パウダーを使用してを使用して 2) 焼結システムに利用可能な方法をまとめることが基本的には、レーザーや電子ビーム (粉末ベッド融合)、4)、一般的には、インク ジェット ヘッド粉末基板上に移動、プロセス分配するための結合剤を噴射バインダー。

プロセスによってそれぞれ製造されたサンプルは、異なる表面および構造特性7を展示いたします。別のプロパティはさらに印刷された部品 (例えば、彼らの表面のセンサーを製造して) を施していき、さらに考慮する必要があります。

このような高機能化を達成するために処理する印刷、3 D 印刷とは対照的 (e.g、スクリーンとインク ジェット印刷) カバーのみ未満 100 nm9最大数のマイクロメータとは、オブジェクトの高さ、頻繁にまたと呼ばれます。2.5 D-印刷または、高解像度のパターンのレーザー ベースのソリューションも提案10,11います。印刷プロセスの包括的な見直し、熱依存溶かすナノ粒子の温度とアプリケーションは Ko12によって与えられます。

スクリーン印刷文献13,14で確立している、インク ジェット印刷は、機能サイズを小さく印刷するための解像度を上げると共に、改善されたアップスケー リング機能を提供します。それに加えて、三次元の機能性材料の柔軟な成膜を可能にデジタル非接触印刷方法です。その結果、私たちの仕事は、インク ジェット印刷に焦点を当てた。

インク ジェット印刷技術は、金属 (銀、金、プラチナ、等) 検出電極の作製で既に採用されています。アプリケーションなど、圧力、ひずみセンシング17,18,19, とバイオセンシング20,21, と同様にガス又は蒸気の温度測定15,16解析22,23,24。熱25、電子レンジ26、27電気、レーザー28に基づくさまざまな技術を使用して行われ、光にすることができます拡張子が限った限られた高さのような印刷の構造物の養生29原則。

インク ジェット プリントの構造の光硬化低温抵抗基板上への高エネルギー、硬化性、導電性のインキを使用する研究者をことができます。この状況では、2.5 の組み合わせを悪用するスマート包装30,31,32スマート センサーの領域に非常に柔軟なプロトタイプを製造する D および 3 D 印刷プロセスを用いることができます。

3 D プリントされた金属基板の導電率は医療分野だけでなく、航空宇宙部門に興味あります。それはちょうど特定の部分の機械的安定性を向上しませんが、静電容量センシングし同様、近距離で有利。3 D プリントの金属製のハウジングは、電気的に接続することができますので、追加シールド/警備センサーのフロント エンドを提供します。

目的は、午前技術を用いたデバイスを作製することです。これらのデバイスは、(マイクロ ・ ナノスケール) で頻繁に用いられる測定で十分に高い解像度を提供する必要があり、同時に彼らは信頼性と品質に関して高い基準を満たす必要があります。

午前技術達成できる測定品質全体の向上に最適化されたデザイン33,34を作製する十分な柔軟性をユーザーに提示することが示されています。さらに、ポリマーと単層のインク ジェット印刷の組み合わせは、前研究35,36,37,38で提示されています。

この作業で利用できる研究の拡張、AM 基板、金属、焦点と多層インク ジェット印刷と光硬化との互換性の物理的性質についてのレビューを提供します。模範的な多層コイル デザインは補足図 1で提供しています。結果は、午前金属基板上への多層センサー構造のインク ジェット印刷の戦略を提供するために使用されます。

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Protocol

注意: 考慮インキ ・接着剤を使用する前に関連する材料安全性データ シート (MSDS) を参照してください。雇われたナノ粒子インクや接着剤は、毒性や発癌性物質、フィラーに依存して可能性があります。サンプルの準備やインク ジェット印刷を実行するときに、すべての適切な安全対策を使用して、適切な個人用保護具 (保護メガネ、手袋、白衣、フルレングスのパンツ、閉じてつま先の靴) を着用することを確認してください。

注: プロトコルを 6.3 6.6 手順と手順 9.2 9.5 を除く任意のステップの後一時停止できます。

1. 3 D プリント基板の準備

  1. 理想的には光造形 .stl ファイル形式を使用して、コンピューター支援設計 (CAD) の図面を準備します。
    注: 使用のデザイン補助図 2および補足の図 3に示します。
  2. ターゲット アプリケーションに必要な材料特性に基づく午前プロセスを選択 (各プロセスの制限については、表 1を参照)。
    注意: この作品で 3 D プリントされたセラミックスと同様に、3 D プリントされた銅のサンプルを使いました。
  3. ワックスとロスト ワックス鋳造393 D 印刷による銅基板を作製します。
  4. リソグラフィーを用いたセラミック (LCM) 技術40を製造、セラミック基板を作製 (ビデオ 1参照)。
  5. ポリマーの高解像度 3 D プリンター37を使用してアクリル基板を作製し、印刷部分からサポートのワックスを削除します。
    1. 65 ° C 1 時間サポート ワックスを溶かすための炉内印刷部分を置きます。
    2. 印刷部分をオーブンから取り出したら、穴、小さな開口部等からワックスを除去する 65 ° C で超音波オイルバスの内側に配置します。
  6. 表面の不純物を可能な限り大きく後インク ジェット印刷品質に影響を与えるアセトンで湿らしたワイパーを使用して基板をクリーニングします。
    注: AM 基板の作製を行うことが別の装置およびプロセスを使用します。作製方法によって表面とバルク特性が同様に異なる場合があります。したがって、(参照、たとえば、このプロトコルのセクション 4) 後をお勧めする検査技術を使用してこれらのプロパティを制御することが重要です。

2. 製作を配線します。

注: の作製配線基板 (導電性・非導べ電性) の種類によって異なります。

  1. 作製 (セラミック) の非導べ電性基板上配線。
    1. 印刷部分の適切なビアにマイクロアセンブリ ステーションのマウント時間圧力 microdispenser で低温硬化型導電性接着剤を済ます。
    2. 虚構のまま配線 23 ° c と周囲の圧力で 10 分間乾燥します。
      注: セラミック基板に、相互接続はんだペーストと高温養生を使用して作製することができます。
  2. 作製導電性基板上に配線します。
    1. ビアの (基板の穴/穴) 中絶縁性インクを塗布円周を介して時間圧力 microdispenser。
    2. 光硬化性インク製造者が推奨する、超短パルス光を使用してを実行します。
      1. 基板の表を含む光硬化装置のトレイを開きます。
      2. 光硬化装置の基板に銅のサンプルを移動し、提供磁気器具を使用してそれを修正します。
      3. 硬化装置の焦点面にサンプルを移動する装置の基板テーブルの高さを調整します。
      4. トレイを閉じるし、機器のソフトウェア インターフェイスで印刷物の材料の仕入先によって推薦されるように硬化プロファイルを調整開始ボタンを押します。
    3. 埋める、を介して低温硬化型導電性ペースト (材料表)。
      注: 一般に、活性化温度である 1 成分、エポキシ系導電性接着剤のすべてのフォームを使用することが可能です。
    4. 23 ° C で 10 分間乾燥加工、配線します。

3. インク ジェット印刷システムの準備

  1. プリンタ ソフトウェアで設定、それぞれのインクの適切な化学物質を使用してパージでプリント ヘッドのノズルの掃除/パージ: 絶縁インキ; イソプロパノールを使用導電性インク用トリエチレング エチレングリコールモノメチル エーテルを使用します。それぞれのノズルから噴射するソリューションがクリアされるまで、プリンターのソフトウェア インターフェイスでパージ ボタンを押してノズルをパージします。
    注: 化学の必要量は、プリンター、ノズル、および化学に依存します。この実験では、約 2 mL を使いました。
  2. 50 wt.% 金属負荷と 110 の平均粒径を有するナノ粒子銀の約 1.5 ml インク コンテナー インク塗りつぶし nm 3 mL バレルと調剤針 18 G ルアーロック注射器、例えばを使用しています。
  3. プリンターのソフトウェア インターフェイスに頭を開始ボタンを押してインクを噴射するのに 1 つのプリント ヘッドを使用します。
  4. 導電性インクの噴射のプリンターの調整済みのジェッティング プロファイルを使用します。
    1. プリント ヘッドをプリンター ソフトウェア インターフェイスでdropview 位置に移動オプションを使用して、dropview 位置に移動し、インクの噴射を確認します。
    2. ドロップ速度、形、ボリュームを調整するために、プリント ヘッドとヘッド温度のプレインストールされている電圧プロファイルのパラメーターを変更します。サテライト液滴の形成を減らす任意のインクの流出を避けるためにインク圧力を調整します。
      注: このプロトコルで使用される印刷システム、運用最大噴射電圧は 40 V、10 - 14 μ 秒保持時間を使用した 1 μ s の立上り/立下り時間のジェッティング プロファイルに設定しました。銀インクは 45 ° C でジェットバス最適なインキ圧力がインク残量に依存します。電圧プロファイルの電圧が増加またはインクとヘッドの現在の温度の状態 (例えば温度、粘度) だけでなく、使用済みのプリント ヘッドの状態に応じて減少します。適切な噴射を実現する、上向きの小さなステップ 1 V の電圧を変更することをお勧めします。ドロップ形で改善しない場合は、電圧を低減フォロー対 1 の小さなステップでこの手順安定した低下を達成するまで。
  5. 銀インクのように同じ方法で絶縁性インクの印刷パラメーターを調整します。
    1. ジェットに低 k 誘電体材料は、アクリル系モノマーの混合物は、別のプリント ヘッドを使用します。
      注: 再度、運用噴射電圧 40 V、8 μ s を 1 μ s 立上り/立下り時間を保持時間をこのプロトコルで使用しました。誘電体インクは 50 ° C でジェットバスでした。最適なインキ圧力は実際のインク残量に依存します。一般的に、使用されるパラメーターは、高い基板の層をその上にそれを印刷するだけでなく、インクのプロパティに依存します。製作過程では、印刷パラメーターは動的に調整する必要があります。正しくプリンター パラメーターを調整する方法について印刷のシステムのユーザー マニュアルを参照してください。

4. 検査の適性のためそれぞれの基板の表面性状と最初のレイヤーのプリンター パラメーターの調整

  1. 表面粗さ測定機測定を実行します。
    1. 測定機の基板表 (ステージ) にサンプルを置きます。
    2. ホーム、ホーム ステージ ソフトウェア インターフェイスで、家庭のボタンを使用していない場合。
    3. それぞれの解決方法とソフトウェア インターフェイスにマップされる領域を選択します。
    4. 開始位置で測定ヘッドとジョグ オプションを使用して測定を開始し、ソフトウェア インターフェイスにボタンを起動します。
    5. 測定が終了した後は、一貫性を保つのための結果を確認 (例えば、印刷層の数の説得力のある表示の高さを) データを保存。
  2. 表面の質を分析するユーザー マニュアルに従って SEM 検査を実行します。
  3. ぬれ性プロパティを決定する SEM 駅のユーザー マニュアルで説明されているように接触角測定を実行します。
  4. 粘着テープを使用して基板の表に基板を修正し、その位置を適切にマークします。
  5. ソフトウェア インターフェイスでプリンターのプリント ヘッドのプロパティを編集して、ノズルとソフトウェア インターフェイスの設定の印刷パラメーターを調整します。
    1. プリント ヘッドをプリンターのソフトウェア インターフェイスのdropview 位置に移動オプションを使用して、dropview 位置に移動して、インクの噴射を観察します。必要に応じて、噴射を最適化するための印刷パラメーターを調整します。
    2. 明確に定義された、均一な印刷用インキ滴の排出ノズルを選択します。
    3. プリンターの設定で選択したノズルの数を入力します。
  6. それぞれの基板上の 1 つの印刷されたドロップのサイズを決定するドロップ サイズ テストを実行します。
    1. 知られているプリンターの設定を使用して、ドロップ パターンを印刷します。
    2. 校正顕微鏡またはプリンターの作り付けのカメラ システムを使用して達成されたドロップのサイズを決定します。
    3. その後使用される印刷解像度が均一と閉じた面を作製する観察されたインクぬれに適していることを確認 (例えば40-50 μ m の粒子径サイズの 900-1,000 dpi の印刷解像度を選択)。
  7. 導電性基板の十分なバルクの均質性を確保するための製造元の指示に従って嘘分析 (材料表) を実行します。

5. 硬化の最初のレイヤーのパラメーター調整

  1. (すなわち、後で破棄することができます、テスト目的のみ使用されます同じ材料のサンプル) ダミー基板上にデバイス ・ レイヤー、最初に使用されたインクの層を使用して、複数の構造を印刷します。
  2. セラミック基板上の印刷の導電性銀パターンの包囲された圧力で少なくとも 30 分の 130 ° C のオーブンで熱硬化を使用します。
    注: サンプルのサイズ、に応じてには、炉内サンプルを保持するためにポッドを使用します。
  3. 金属基板の絶縁性インクの硬化光を使用します。
    1. 基板の表を含む光硬化装置のトレイを開きます。
    2. サンプルを光硬化装置の基板の表に移動し、それに応じてそれを修正 (磁気器具を提供を使用して、例えば、)。
    3. テーブルのスピンドルを使用してサンプルを硬化装置の焦点面に移動する機器の基板のテーブルの高さを調整します。
    4. トレイを閉じるし、機器のソフトウェア インターフェイスで印刷物の製造業者によって推薦されるように硬化プロファイルを調整開始ボタンを押します。
  4. 顕微鏡を用いた定性的および定量的な測定機を使用して表面の均一性を制御します。
    1. 測定機の基板表 (ステージ) にサンプルを置きます。
    2. ホーム、ホーム ステージ ソフトウェアの各ボタンを使用していない場合。
    3. エリア マッピングされているそれぞれの解決方法を選択します。
    4. 開始位置で測定ヘッドを置き、測定を開始します。
    5. 測定が終了すると、一貫性の結果を確認し、データを保存します。
  5. 光を繰り返します。 またはを使用して熱硬化プロシージャ採用硬化パラメーターに応じて。
    1. 達成の抵抗が大きすぎる場合は、光硬化装置のソフトウェア インターフェイスで、例えば、5 V の小さなステップで使用される光エネルギーを増加します。サンプルは、燃焼の兆候を示している場合に使用されるエネルギーが低下します。
  6. 導電率用手で十分に達したが、まだ印刷構造の燃焼は発生しません、最初の機能デバイス層の硬化のため装置のパラメーターを調整します。

6. インク ジェット印刷と最初のデバイス層の硬化

  1. 粘着テープを使用して基板の表に基板を修正し、その位置を適切にマークします。
  2. 最初の層は、導電性は、セラミックとアクリル酸型基板使用 60 ° C の基板表加熱
    注: 温度にはそれぞれの基質に影響を与える可能性があります温度を超えない (例えば、アクリレート許容最大 65 ° C)。この調整は、プリンターの設定で行うことができます。
  3. ノズルとソフトウェア インターフェイスの設定の印刷パラメーターを調整します。
    1. プリント ヘッド、dropview に位置し、インクの噴射を移動します。
    2. 明確に定義された、均一な印刷用インキ滴の排出ノズルを選択します。
    3. プリンターの設定で選択したノズルの数を入力します。
  4. 以前に決定された基板プロパティに従ってインクの同質な層を堆積させるために使用される解像度プリント ヘッドを調整する: 低濡れ性基板、例えば、接触角が大きく、小さな粒子径を増やす印刷解像度。高い濡れ性基板の解像度を下げます。

    注: 印刷パラメーターの調整は、プリンターの設定で行うことができます。
  5. パターンを印刷し、その座標を格納する適切な参照点を選択します。
  6. それぞれスケーラブル ベクター グラフィックス (.svg) ファイルを読み込み、適切な解像度とサイズ、所望のパターンおよびプリンタ ソフトウェアの基板の寸法に依存を選択します。
  7. 印刷を実行します。インクの 1 つのレイヤーの印刷を繰り返して印刷の均一性は満足。
  8. 校正の顕微鏡を使用してまたはプリンターの作り付けのカメラ システムを使用しての印刷層の均一性を制御します。
    1. プリンターのカメラを印刷位置に移動し、プリンターのソフトウェア インターフェイスは、印刷の品質を確認します。
  9. このプロトコルのセクション 5 に設定されたパラメーターを使用して、最初のレイヤーを治します。
    1. (アクリル酸、箔) ポリマー基板上銀インクを使用、1 ms パルス エネルギー (525 mJ/cm2) の量を軽減して 250 V で。
    2. セラミック基板上銀インクは、インクを (例えば、130 ° C、30 分) で推奨されているオーブンで硬化熱を使用します。
    3. 1 ms のパルスを 200 V で絶縁インクを治すし、パルス 8 を繰り返します 1 Hz の周波数で x。
      注: 光硬化で使用される放射の光のスペクトルが非常に広い (ウルトラ ・ バイオレット-近赤外 [紫外-近])。それでも、紫外線の量は、光重合を開始し、絶縁層を治す十分です。

7. 検査の適性のためそれぞれの基板の表面性状と後続の層のプリンター パラメーターの調整

注: 測定機の測定と顕微鏡検査を実行する計測機器のユーザー マニュアルを参照してください。

  1. 印刷層の厚さ、粗さ測定機測定を実行します。
    1. 測定機の基板の表にサンプルを置きます。
    2. ホーム、ホーム ステージ ソフトウェアの各ボタンを使用していない場合。
    3. それぞれの解決方法とマップする必要がある領域を選択します。
    4. 開始位置で測定ヘッドを置き、測定を開始します。
    5. 測定が終了すると、一貫性の結果を確認し、データを保存します。
  2. ぬれ性プロパティを決定する接触角測定を実行します。
    注: 正しく接触角測定を実行する方法の手で測定機器のユーザー マニュアルを参照してください。
  3. それぞれの基板上の 1 つの印刷されたドロップのサイズを決定するドロップ サイズ テストを実行します。
    1. 知られているプリンターの設定を使用してドロップ パターンを印刷します。
    2. 校正顕微鏡またはプリンターの組み込み検査システムを使用して達成されたドロップのサイズを決定します。
  4. プリント ヘッドのインクの同質な層を達成するための使用される解像度を調整する: 低濡れ性基板、例えば、接触角が大きく、小さなドロップ サイズ印刷解像度を上げます。高い濡れ性基板の解像度を下げます。
  5. 最初の層の電気的特性を制御: 導電性の最初の層の 4 点プローブを使って達成の導電率を決定します。
    1. 基板の表にサンプルを置きます。
    2. 低い導電性トラックの上に測定ヘッド、分析する、印刷の構造との良好な接触を持ってプローブを確かめます。
  6. 絶縁の最初の層の表面は均質化されながら指揮下をカバーを確認します。確認するため顕微鏡を使用します。マルチメータを使用して絶縁性を確認します。

8. 硬化後レイヤーのパラメーター調整

  1. 相当前のレイヤーとダミー基板上に次のデバイス層に使用されたインクの層を使用して、複数の構造を印刷します。
  2. すべての基板にのみ光硬化を使用します。
  3. 硬化後印刷層の電気的特性を制御: 伝導性が十分かどうかに 4 点プローブ測定を使用します。
  4. 顕微鏡を用いた定性的および定量的、測定機を使用して表面の均一性を制御します。
  5. 光硬化の手順を必要に応じて繰り返します。
  6. 後続機能デバイス層の硬化のため装置のパラメーターを調整します。

9. インク ジェット印刷とそれに続くデバイス層の硬化

  1. 以前にマークの位置で適切に基板表に基板を修正します。
  2. 前の手順で決定されたノズルおよび印刷パラメーターを調整します。
  3. パターンを印刷し、印刷されたパターンは、その後デバイスの適切な機能を確保するため相互に整列していることを確認する適切な参照点を選択します。
  4. 適切な解像度とサイズでそれぞれ .svg ファイルを読み込みます。
  5. 印刷を実行します。インクの 1 つのレイヤーの印刷を繰り返して印刷の均一性は満足。
  6. 顕微鏡下での印刷層の均一性の制御 (ここでは、プリンターの作り付けのカメラ システムを使用)。
  7. この層の硬化、硬化光を使用します。絶縁層または絶縁体上の導電層の事前設定されたパラメーターを使用します。
  8. 硬化後印刷層の電気的特性を制御: 導電性層の電気伝導度の範囲が許容できるかどうかには、マルチメータを使用します。

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Representative Results

図1 SEM 画像からそれぞれの基板上に印刷適性の結論を描画できます。スケール バーは、表面粗さの範囲が異なるために異なる。図 1 aではるかに滑らかである銅の基板の表面が表示されます。図 1 c、その一方で、番組鋼基板 (表 2を参照してください) 高気孔率と不安定な接触角によるインク ジェット印刷が可能ではないです。図 1 bの銅基板の SEM 画像が表示され、チタン試料表面を示す図 1 d。

図 2と図 3は、測定機の測定の結果のとおりです。これらの評価はそれぞれの基板の表面粗さを決定する必要があります。インクは高い気孔率のために吸収する傾向があるし、したがって、均一層で再現可能な作製を阻害する、〜 1 μ m (アルミ、チタン、スチール) を上回る粗さを有する金属基板、インク ジェット印刷用は使用できません。構造。アルミナ系セラミック基板同等の粗さは、異なる製造プロセスによるそのような高い表面気孔率は発生しません、したがって、使用することができます。

など質的図 4に示すサイズ テストを削除し、達成可能なドロップ サイズを与える定量的表 3に、収集し、したがって、それぞれの基板とインクの組み合わせの濡れ特性も。明確な滴がない基板形成かあまりの濡れ性 (これは表面粗さの低い午前金属用真)、または彼らがあまりにも多孔性 (これは高い表面粗さ [例えば図 4 d] 午前金属用真)。図 4 a青銅の印刷結果が示されています。図 4 bを示しています銅、図 4 cセラミックス、および図 4 d鋼のサンプルの結果を示します。

図 5絶縁インクに 1 mm 幅の導電性層の硬化後結果の顕微鏡画像が与えられます。これらのイメージに基づいて、プリントの整合性を評価することができます。銅 (図 5 b) に導電性インク、最高の結果を実現できます。アルミニウム (図 5 a) 導電性トラックは完全に破壊されました。(図 5 c, d) のセラミック基板上に印刷された導電性トラックですが、そのまま剥離を示します。はく離は、弱い熱吸収と基板の高反射によるものです。これらの基板上に硬化の線量を減らすことと、電気的特性を改善している導電性トラックが得られます。

高さプロファイルと印刷された多層構造の表面の品質を決定する測定機の測定結果である高さプロファイルが収集され、図 6と図 7で指定された、測定機を使用しています。これらの高さプロファイルから導電性トラック (青の曲線の滑らかさ) の表面均一性を決定できます。さらに、表面 (アルミ、チタン) 構造完全性を失っては、高さプロファイルの大きなグラデーションによって識別できます。

銅 (図 8 a)、青銅 (図 8 b)、チタン (図 8 c)、真鍮 (図 8 d) と FIB 解析は、午前金属基板の十分なバルクの同質性を示すために表示されます。スケール バーは、最適な多層プリント (欠陥の均質性、導電性トラック、等) の構造特性をキャプチャするためにここで異なっています。これにより基板の電気伝導度十分な、これらで磁気・静電容量センシング用途でシールドの使用することができます。4 点プローブを用いた達成シート抵抗の結果は、表 4に収集されます。さらに、印刷層の定性的な評価が可能です。粒状の構造、硬化ナノ粒子によって形成され、下の層は絶縁性インク。例えば、図 8 b、我々 参照してください印刷層の不均質 (穴、空気介在物)。これらの結果から硬化時にガス放出します。アウトガスは、導電性インク、絶縁性インクの治療線量が高すぎる場合に発生します。この効果否定的印刷構造と破壊に過度のアウトガス リードの整合性に影響します。

図 9、測定結果が表示されます。これらの結果は、静電容量センシング原理を用いるデモンストレーターを使用して収集されます。曲線の滑らかさは、印刷工程から生じる構造的な欠陥にもかかわらず、高品質を達成を示しています。

Figure 1
図 1: 金属基板上の SEM 画像。これらの画像を見る (、) 銅、(b) 青銅、鋼 (c) および (d) チタン。各画像の右下隅にあるスケール バーに示すように、彼らは異なる倍率で撮影されます。これらのイメージに基づいて、表面の均一性を評価できます。この図は、Fallerらから変更されています。41.この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

Figure 2
図 2: 金属とセラミックの AM 基板の測定機測定。粗さ値 RはRqナノメートルでは ISO 4287 に従って決定されます。値は、銀、689.39 nm、788.06 nm、それぞれ;彼らは 2151.19、アルミ、nm、2750.38 nm、それぞれ;アルミナ ベース (Al2O3) の基板上で、彼らは 1210.47 nm、1737.6 nm、それぞれ;彼らは 559.97、ジルコニア ベース (ZrO2) 基板、nm、681.56 nm。うねりは、基板のより広く間隔をあけられた表面テクスチャーです。うねりは、残りのテクスチャで - との同質性粗さコンポーネントが削除されました。この図は、Fallerらから変更されています。41.この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

Figure 3
図 3: 金属基板の測定機測定。Rとそれぞれの基板用 Rq値は、真鍮、414.2 nm、494.49 nm、それぞれ;チタン、1099.86 nm、1448.06 nm、それぞれ;銅、307.63 の nm、358.92 nm、それぞれ;鋼、1966.95 nm、2238.78 nm、それぞれ。この図は、Fallerらから変更されています。41.この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

Figure 4
図 4: 金属とセラミック基板のサイズのテストを削除します。これらのイメージは、ZrO2、および (d) 鋼 (c) (b) 銅 (、) 青銅を表示します。ここで測定の滴は、(ある場合) をそれぞれの画像の矢印でマークされます。決定のドロップ サイズは、表 3に収集されます。この図は、Fallerらから変更されています。41.この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

Figure 5
図 5: 光硬化後絶縁体と午前金属基板上に導電性インクの顕微鏡画像を印刷します。基板が (、) のアルミ、銅 (b)、(c) Al2O3ZrO2(d)。各画像の導電構造の幅は w = 1 mm。銅と Al2O3の構造はそのまま残るに対し、アルミニウムの導電構造の整合性は完全に破壊します。この図は、Fallerらから変更されています。41.この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

Figure 6
図 6: 測定機を用いて、金属基板用絶縁体に導電性トラックの高さプロファイル。この図は、Fallerらから変更されています。41.この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

Figure 7
図 7: 測定機を用いて、金属及びセラミックス基板上への導電性トラックの高さプロファイル。この図は、Fallerらから変更されています。41.この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

Figure 8
図 8: 絶縁体と金属基板上に導電性インクの FIB イメージ。これらの画像を表示 (、) 銅・ ブロンズ (b)、(c) チタン ・真鍮 (d)。この図は、Fallerらから変更されています。41.この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

Figure 9
図 9: 測定のプロットの結果を次の提案された方法論を作製したデモンストレーターの素子から。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

最小の詳細/
mm		 最小精度/
featuresize %		 プロセス
シルバー 0.25 5.00 3 D 印刷・ ロスト ワックス鋳造します。
チタン 0.1 0.2 金属レーザー焼結を直接します。
鋼 0.35 2 に 3 化学結合及び焼結 @ 1300 ° C
ブロンズ 0.35 5.00 3 D 印刷・ ロスト ワックス鋳造します。
真鍮 0.35 5.00 3 D 印刷・ ロスト ワックス鋳造します。
アルミ 0.25 0.2 金属レーザー焼結を直接します。
銅 0.35 5.00 3 D 印刷・ ロスト ワックス鋳造します。
Al2O3 0.025 0.1 0.04 LCM の技術
ZrO2 0.025 0.1 0.04 LCM の技術

表 1: 3 D 印刷プロセスの制限と公差。このテーブルは、Fallerらから変更されています。41。

チタン 鋼 ブロンズ 真鍮 銅
c /° 85.9 71.15 100.3 100.03 88.54
Σ、 7.27 17.64 3.17 2.25 6.84

表 2: 集められた接触角、cその標準偏差 σ、ラジアン。このテーブルは、Fallerらから変更されています。41。

チタン ブロンズ 真鍮 銅 Al2O3 ZrO2
dropsize/μ m 23.97 31.3 36.04 29.03 69 69.3

テーブル 3: 収集したドロップの直径 ddマイクロ メートルで。このテーブルは、Fallerらから変更されています。41。

mΩ □ r□ コメント
チタン 3000
鋼 600
ブロンズ 2000
真鍮 300
アルミニウム 30000
銅 180
Al2O3 150.00 光硬化に使用される別のエネルギー: 527 mJ/cm ²
ZrO2 20.00 導電性トラックの蒸散

表 4: 収集シート抵抗 r□ mΩ □ で。シート抵抗はオーム平方当たりを意味広場 (□) インデックスを使用して示されます。この用語は一般的に 2次元構造を指し、したがって、シートの平面に沿って現在の流れである意味も。シート抵抗を掛けてバルク抵抗を与える膜厚することができます。このテーブルは、Fallerらから変更されています。41。

Video
ビデオ 1: LCM プロセス。このプロセスを使用して、セラミック基板 (Lithoz 礼儀の映像) を作製します。してくださいここをクリックしてこのビデオを表示します。(右クリックしてダウンロード)

補足図 1: 多層コイル設計の例です。この図をダウンロードするここをクリックしてください。

補足図 2: 多層コイル構造の 3 D 印刷に使用されるコンピューター援用設計 (CAD) 図面の例です。  この図をダウンロードするここをクリックしてください。

補足図 3: 多電極静電容量センサーの 3 D 印刷に使用される、コンピューター支援設計 (CAD) 図面の例です。  この図をダウンロードするここをクリックしてください。

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Discussion

3 D プリント基板と箔の多層センサー構造を作製する方法が示されています。午前金属とセラミックとアクリル酸の種類と箔基板が多層インク ジェット印刷、異なる層と基板との密着性は十分とそれぞれの導電性や絶縁の機能に合うように表示されます。これは、絶縁材料の導電構造の層を印刷によって表示でした。さらに、互いを損なうことがなく、印刷およびすべてのレイヤーのプロセスを硬化が完了しました。

この作品で提示作製戦略は、さまざまな素材と表面特性の相互作用に非常に敏感。したがって、実行手順の再現性はそれぞれ製造プロセスによって異なります。使用午前材料の調製、表面とバルク プロパティが (図 1と表 2) 作製方法によって大幅に異なる場合があります考慮する必要です。インク ジェット印刷用に提案されたパラメーターは、使用される印刷システムだけでなく、それぞれのインキ42,43,44慎重に調整する必要。別の Ag ナノ粒子インクの jettability は定式化によって大幅に異なります。これは、インクの溶剤と特定の添加剤はその特定の粘度、表面張力、沸点を決定することを意味します。

ジェッティングの品質を歪めることができる固形インクの年齢やがない場合の集積を適切に格納されて考慮する別のポイント。それに加えて、プリント ヘッド自体の特別なセットアップはまた重要、特にノズルの開口部の寸法です。ジェッティングの電圧、波形、温度設定値と結果のドロップ サイズ (図 4および表 3) など、実際の噴射パラメーターを決定します。自体印刷処理中に加熱された基板表も印刷動作の変化と可能な限り劣化の結果、空間の近接のためプリント ヘッドの温度が上昇可能性があります。したがって、処理中にプリント ヘッドの温度を監視することが重要です。

印刷中に噴射の動作に影響を与えるかもしれない他の要因はインク圧力それは処理中にインク レベル下がると減少する必要があります。製作、配線の導電性基板ディスペンサーの絶縁層がある回路のショートを避けるために十分な厚さを持っているため、簡単ではないですが、まだフォームに十分なスペースを残して必要、導電性はんだを用いた配線貼り付けます。

さらに、3 つの材料との密着性が安定したビアを形成するために受け入れられる。硬化プロセス中に絶縁層の温度耐性をも考慮する必要があります。したがって、低温硬化ソルダ ペーストは、それぞれ配線用に採用されています。機能層を印刷後希望シート抵抗 (表 4) を生成する硬化しなければなりません。基板または基になるレイヤーが十分に高温耐性45熱焼結、銀パターンの適切かつ有効な方法です。これは絶縁層のためのケースではありません (図 5) を採用しているので光硬化します。光硬化プロセス中には、大量のエネルギーがサンプルに転送されます。したがって、プリント パターンとして硬化プロセスの前に十分に乾燥は、それ以外の場合、残りの溶媒の沸点に達する可能性があり、液体膨張との形成のため印刷層を破壊する可能性があることが重要です。泡 (図 8)。

さらに、十分な乾燥(図 6 および図 7) 均一な厚さの層を作成する必要は。均一な厚みが必要用ナノ測定がに基づいて、例えば、静電容量式の原理が採用 (図 9)。ここでは、検出電極から均一な距離は著しく品質46に影響を与えます。

全体的にみてでは絶縁体上のデバイス層の最適な光硬化パラメーターの選択が重要な要因であることを記載することができます: かどうか導入のエネルギーが十分ではなく、導電性インクのまま未焼結、シート抵抗が大きすぎるため、デバイスが電気的機能;あまりにも多くのエネルギーを導入し、過度の熱はフィルムで生産して、導電性トラックの破壊、その結果。銅基板シート抵抗の面で最良の結果が得られた (表 4参照)、達成された表面の品質、印刷の金属トラックの整合性にも。これはすべて考慮された基板の中で最低である表面粗さによるものでしょう。光硬化の結果に大きく影響を及ぼすと基板の反射率を識別できなかった。それぞれの基板の反射率が応用光硬化スペクトルおよびプロファイルに関して最適化された結果を達成するために硬化で考慮します。これは各基板とインクの組み合わせでアレンジしています。

この作品は、AM 基板とインク ジェット印刷用箔の適合性が実証されました。さらに、プロセスに不可欠の要因と材料特性を求めた.箔午前金属と高分子基板の動作センサーのプロトタイプを作製するための戦略が発表されました。最後に、デモンストレーター システムで行う測定に基づく達成測定品質を示した。このアプローチは、サーフェス、エンクロージャ、およびこれまでのところ多数のデバイスの設計にもっぱら機械的目的を持って他の構造の将来の電気機能発現に重要な貢献を形成します。

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Disclosures

著者が明らかに何もありません。

Acknowledgments

この作品は、彗星 K1 ASSIC オーストリア スマート システム統合研究センターによってサポートされています。彗星コンピテンス センターの優秀な技術プログラムは、ケルンテン州とシュタイアー マルク州の連邦州、BMWFW、bmvit 作動によってサポートされます。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
PiXDRO LP 50 Meyer Burger AG Inkjet-Printer with dual-head assembly.
SM-128 Spectra S-class Fujifilm Dimatix Printheads with nozzle diameter of 50 µm, 50 pL calibrated dropsize and 800 dpi maximum resolution.
DMC-11610/DMC-11601 Fujifilm Dimatix Disposable printheads with nozzle diameter 21.5 µm, 1 or 10 pL calibrated dropsize
Sycris I50DM-119 PV Nanocell Conductive silver nanoparticle ink with 50 wt.% silver loading, with an average particle size of 120 nm, in triethylene glycol monomethyl ether.
Solsys EMD6200 SunChemical Insulating, low-k dielectric ink which is a mixture of acrylate-type monomers. Viscosity is 7-9 cps.
Dycotec DM-IN-7002-I Dycotec UV curable insulator, Surface Tension: 37.4 mN/m
Dycotec DM-IN-7003C-I Dycotec UV curable insulator, Surface Tension: 29.7 mN/m
Dycotec DM-IN-7003-I Dycotec UV curable insulator, Surface Tension: 31.4 mN/m
Dycotec DM-IN-7004-I Dycotec UV curable insulator, Surface Tension: 27.9 mN/m
Pulseforge 1200 Novacentrix Photonic curing/sintering equipment.
DektatkXT Bruker Stylus Profiler with stylus tip of 12.5 µm diameter and constant force of 4 mg.
C4S Cascade Microtech Four-point-probe measurement head.
2000 Keithley Multimeter to evaluate the measurements using the four-point-probe.
Helios NanoLab600i FEI Focused Ion Beam analysis station which provides high-energy gallium ion milling.
SeeSystem Advex Instruments Water contact angle measurement device.
Projet 3500 HDMax 3D Systems Professional high-resolution polymer 3D-printer. See also (accessed Sep. 2018): https://www.3dsystems.com/sites/default/files/projet_3500_plastic_0115_usen_web.pdf
Polytec PU 1000 Polytec PT Electrically conductive adhesive based on Polyurethane, available
Microdispenser Musashi Needle for microdispensing.
Micro-assembly station Finetech Equipment for assembly of, e.g., printed circuit boards (PCBs) and placing of chemicals (e.g. solder) and SMD parts.

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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工学問題 143、添加剤の製造、金属 3Dprinting、インク ジェット印刷、多層印刷、光硬化、FIB 測定、SEM 測定、表面の特性評価、測定機の測定
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Faller, L. M., Zikulnig, J., Krivec, … More

Faller, L. M., Zikulnig, J., Krivec, M., Roshanghias, A., Abram, A., Zangl, H. Hybrid Printing for the Fabrication of Smart Sensors. J. Vis. Exp. (143), e58677, doi:10.3791/58677 (2019).

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