用于智能传感器制造的混合打印

添加剂制造 (am) 是标准化的一个过程, 其中材料连接, 以使对象从3d 模型数据。这通常是逐层完成的, 因此与半导体制造等减法制造技术形成鲜明对比。同义词包括3d 打印、添加剂制造、添加剂工艺、添加剂技术、添加剂层制造、层制造和自由成型制造。这些同义词是由美国测试和材料学会 (astm)^{1 的}标准化复制的, 以提供一个独特的定义。在文献中, 3d 打印被称为打印对象的厚度在厘米到^{米 2}范围内的过程。

更常见的工艺, 如立体平版印刷³, 可以打印聚合物, 但金属的3d 印刷也已在商业上可用。金属的 am 被应用于多个领域, 如汽车、航空航天⁴和医疗^5个领域。航空航天结构的一个优势是可以通过简单的结构更改 (例如, 通过使用蜂窝设计) 打印较轻的设备。因此, 可以使用机械强度更大的材料, 否则会增加大量重量 (例如钛而不是铝)⁶。

虽然聚合物的3d 打印已经很成熟, 但金属三维印刷仍然是一个充满活力的研究课题, 并为金属结构的三维印刷开发了各种工艺。基本上, 现有的方法可以组合^{成4组 7,8, 即}1) 使用激光或电子束在一个线进过程中包覆, 2) 烧结系统使用激光或电子束, 3) 选择性熔融粉末使用激光或电子束 (粉末床融合) 和 4) 粘合剂喷射过程, 其中喷墨打印头通常在粉末基板上移动并分配粘结剂。

根据工艺的不同, 各自制造的样品将表现出不同的表面和结构特性⁷。在进一步努力使印刷部件功能化的过程中, 必须考虑这些不同的特性 (例如, 在其表面上制造传感器)。

与3d 打印不同的是, 实现这种功能化的打印过程 (例如, 屏幕和喷墨打印) 只覆盖有限的对象高度, 从小于 100 nm 9 到几个微米^,因此, 通常也被称为2.5 d 打印. 或者, 还提出了基于激光的高分辨率图案解决方案^10,11。由 ko¹²对纳米粒子的印刷工艺、热依赖性熔体温度及其应用进行了全面的综述。

尽管丝网印刷在文献^{13、14 中}得到了广泛的确立, 但喷墨打印提供了更好的升级能力, 同时提高了打印较小特征尺寸的分辨率。除此之外, 它是一种数字、非接触式打印方法, 可在三维上灵活沉积功能材料。因此, 我们的工作重点是喷墨打印。

喷墨打印技术已经应用于金属 (银、金、铂等) 传感电极的制造。应用领域包括温度测量^15、16、^压力和应变传感^17、18、19和生物传感20、21以及气体或蒸汽分析^22,23,24。这种印刷结构的固化在有限的高度延伸可以完成使用各种技术, 基于热²⁵, 微波²⁶, 电气 27, 激光²⁸,和光子²⁹的原则。

用于喷墨打印结构的光子固化使研究人员能够在具有低温电阻的基板上使用高能量、可固化的导电油墨。利用这种情况, 2.5 d 和3d 打印工艺的结合可用于在智能包装^{30、31、32 和}智能传感领域制造高度灵活的原型。

3d 打印金属基板的导电性是航空航天部门以及医疗部门所感兴趣的。它不仅提高了某些部件的机械稳定性, 而且有利于近场和电容传感。三维打印的金属外壳为传感器的前端提供了额外的屏蔽保护, 因为它可以电连接。

其目的是使用 am 技术制造设备。这些器件应在所使用的测量中提供足够高的分辨率 (通常在微观或纳米尺度上), 同时应满足可靠性和质量方面的高标准。

事实表明, am 技术为用户提供了足够的灵活性, 可以制造出优化的设计 33^{,34, 从而}提高了整体测量质量。此外, 聚合物与单层喷墨打印的结合已在以往的研究^第35,36,^37,38中提出。

在这项工作中, 扩展了现有的研究, 并提供了一个关于 am 基板的物理性能, 重点是金属, 以及它们与多层喷墨打印和光子固化的兼容性的综述。补充图 1提供了一个典型的多层线圈设计。研究结果为 am 金属基板上多层传感器结构的喷墨打印提供了策略。