الهجين الطباعة لتصنيع أجهزة الاستشعار الذكية
Summary
نقدم هنا بروتوكولا لتصنيع هياكل استشعار متعدد الطبقات طباعة نفث الحبر على ركائز ثنائيو المصنعة وإحباط.
Abstract
أسلوب الجمع بين ثنائيو صنعت ركائز أو رقائق وهو عرض الطباعة النافثة للحبر متعددة الطبقات لتصنيع أجهزة الاستشعار. أولاً، يتم إعداد ثلاث ركائز (acrylate والسيراميك، والنحاس). لتحديد خصائص المواد الناتجة من ركائز هذه، تتم بروفيلوميتير وزاوية الاتصال والمسح الضوئي المجهر الإلكتروني (SEM) وتركيز أيون قياسات الشعاع (التعزيز). العثور على دقة الطباعة يمكن تحقيقها وحجم قطره مناسب لكل الركيزة، ثم، من خلال اختبارات حجم قطره. ثم، هي الطبقات العازلة والموصلة الحبر النافثة للحبر المطبوعة بالتناوب اصطناع هياكل استشعار الهدف. بعد كل خطوة من خطوات الطباعة، تعامل طبقات كل منها على حدة بالمعالجة الضوئية. المعلمات المستخدمة لعلاج من كل طبقة مكيفة تبعاً للحبر المطبوعة، وكذلك على خصائص سطح الركيزة الخاصة بكل منها. لتأكيد الموصلية الناتجة عن ذلك وتحديد نوعية السطح المطبوع، يتم التحقيق أربع نقاط والقياسات بروفيلوميتير. أخيرا، تظهر مجموعة قياس والنتائج التي حققها نظام استشعار طباعة جميع إظهار نوعية قابلة للتحقيق.
Introduction
يتم توحيد التصنيع المضافة (ص) كعملية حيث يتم ربط المواد جعل الكائنات من بيانات نموذج ثلاثي الأبعاد. هذا ويتم عادة طبقة فوق طبقة، وهكذا، ويتناقض مع تكنولوجيات التصنيع الاختزالي، مثل تصنيع أشباه الموصلات. وتشمل مرادفات تلفيق 3D للطباعة، والمواد المضافة والعملية المضافة، والتقنيات المضافة، تصنيع طبقة مضافة، تصنيع طبقة وتلفيق حر. ترد هذه المرادفات من التوحيد “المجتمع الأمريكية للاختبار” والمواد (ASTM)1 لتقديم تعريف فريدة من نوعها. في الأدب، الطباعة 3D يشار إلى هذه العملية حيث يكون سمك الكائنات المطبوعة في نطاق سنتيمتر إلى حتى متر2.
العمليات الأكثر شيوعاً، مثل المجسمة3، تمكين طباعة البوليمرات، ولكن 3D-طباعة المعادن أيضا الفعل المتاحة تجارياً. صباحا المعادن يعمل في مجالات متعددة، مثل السيارات، والفضاء الجوي4، والقطاعات الطبية5 . ميزة للهياكل الفضائية هو إمكانية طباعة أجهزة أخف وزنا من خلال تغييرات هيكلية بسيطة (مثلاً، باستخدام تصميم قرص العسل). ونتيجة لذلك، من مواد مع، على سبيل المثال، زيادة القوة الميكانيكية، إلا أن إضافة كمية كبيرة من الوزن (مثلاً، التيتانيوم بدلاً من الألومنيوم)6، يمكن أن تستخدم.
بينما 3D-طباعة البوليمرات بالفعل راسخة، الطباعة 3D المعادن لا تزال موضوع بحث نابضة بالحياة، وقد وضعت مجموعة متنوعة من العمليات 3D-الطباعة للهياكل المعدنية. أساسا، ويمكن الجمع بين الأساليب المتاحة إلى أربع مجموعات،من78، هي: 1) باستخدام الليزر أو شعاع الإلكترون للكسوة في عملية تغذية الأسلاك، 2) تلبد نظم استخدام الليزر أو شعاع الإلكترون، ذوبان 3) بشكل انتقائي باستخدام مسحوق شعاع الليزر أو إلكترون (مسحوق سرير الانصهار)، و 4) binder النفث العملية فيها، عادة، رأس طباعة بنفث حبر يتحرك على الركازة مسحوق ويوزع عامل ملزم.
اعتماداً على هذه العملية، سوف يحمل العينات المصنعة كل الخصائص السطحية والهيكلية المختلفة7. هذه خصائص مختلفة سيتعين النظر في بذل المزيد من الجهود زيادة فونكتيوناليزي الأجزاء المطبوعة (مثلاً، باختلاق أجهزة الاستشعار على الأسطح).
على النقيض من 3D الطباعة، عمليات الطباعة لتحقيق مثل هذا الروغان (مثلاً.، الشاشة والطباعة النافثة للحبر) غطاء تقتصر مرتفعات الكائن من أقل من 100 نانومتر9 يصل إلى عدد قليل ميكرومتر وهي، وبالتالي، كثيرا ما يشار إليها أيضا د 2.5-الطباعة. وبدلاً من ذلك، كانت الحلول المستندة إلى الليزر للزخرفة ذات الدقة العالية أيضا المقترح10،11. استعراض شامل لعمليات الطباعة، تذوب حرارياً تتوقف درجة الحرارة من جسيمات نانوية، وتعطي الطلبات كو12.
على الرغم من أن شاشة الطباعة بشكل جيد في الأدب13،14، الطباعة النافثة للحبر يوفر إمكانية رفع مستوى محسنة، مشفوعة قرار زيادة لطباعة أصغر ميزة الأحجام. وباﻹضافة إلى ذلك، أسلوب طباعة الرقمية، noncontact مما يتيح مرونة ترسب المواد الفنية في ثلاثية الأبعاد. ونتيجة لذلك، يركز عملنا على الطباعة النافثة للحبر.
فعلا استخدمت تكنولوجيا الطباعة النافثة للحبر في تصنيع أقطاب الاستشعار عن المعادن (الفضة، الذهب، البلاتين، إلخ). وتشمل مجالات تطبيق قياس درجة الحرارة15،16، والضغط وسلالة الاستشعار عن17،،من1819، وبيوسينسينج،من2021، فضلا عن غاز أو بخار تحليل22،،من2324. علاج من هذه الهياكل المطبوعة مع تمديد الارتفاع محدودة يمكن القيام به باستخدام تقنيات مختلفة، استناداً إلى الحرارية25، الموجات الدقيقة26، الكهربائية27،28من الليزر، والضوئية المبادئ29 .
المعالجة الضوئية لهياكل طباعة نفث الحبر يسمح للباحثين استخدام أحبار ذات الطاقة العالية، ويمكن علاجها، وموصلة على ركائز مع مقاومة درجات الحرارة المنخفضة. استغلال هذا الظرف، مزيج 2.5 يمكن أن تستخدم عمليات مد و 3D الطباعة لاختلاق نماذج مرنة للغاية في مجال التغليف الذكية30،،من3132 والاستشعار الذكي.
موصلية الركازات المعدنية طباعة 3D الاهتمام بقطاع الطيران، وكذلك في القطاع الطبي. أنه ليس مجرد تحسين استقرار بعض الأجزاء الميكانيكية ولكن مفيد بالقرب من الميدان فضلا عن استشعار سعوية. يوفر سكن معدنية طباعة 3D إضافية التدريع/حراسة من أجهزة الاستشعار الأمامية نظراً لأنها يمكن أن تكون مرتبطة كهربائياً.
والهدف اختﻻق أجهزة باستخدام تكنولوجيا صباحا. وينبغي أن توفر هذه الأجهزة بدقة عالية بما فيه الكفاية في قياس يعملون ل (غالباً في الصغر أو النانو)، وفي الوقت نفسه، أن تفي بمعايير عالية فيما يتعلق بالموثوقية والجودة.
فقد ثبت أن التكنولوجيا صباحا يقدم المستخدم مع ما يكفي من المرونة اختﻻق تصاميم الأمثل33،34 التي تحسين قياس الجودة الشاملة التي يمكن تحقيقها. بالإضافة إلى ذلك، قدمت مجموعة من البوليمرات والطباعة النافثة للحبر طبقة واحدة في البحوث السابقة35،36،،من3738.
في هذا العمل، يتم توسيع الدراسات المتاحة، ويرد استعراض حول الخصائص الفيزيائية لركائز صباحا، مع تركيز على المعادن، ومدى توافقها مع الطباعة النافثة للحبر متعددة الطبقات والمعالجة الضوئية. وتقدم تصميم مثالي لفائف متعدد الطبقات في التكميلية الرقم 1. وتستخدم النتائج لتقديم استراتيجيات للطباعة النافثة للحبر لهياكل أجهزة الاستشعار متعدد الطبقات على ركائز معدنية صباحا.
Protocol
Representative Results
Discussion
ويتجلى وسيلة لافتعال هياكل أجهزة الاستشعار متعدد الطبقات على ركائز طباعة 3D وإحباط. المعادن صباحا، فضلا عن ركائز نوع ورقائق السيراميك و acrylate ترد لتكون مناسبة للطباعة النافثة للحبر متعددة الطبقات، كما يكفي الالتصاق بين الركيزة وطبقات مختلفة، فضلا عن القدرة على التوصيل أو عزل كل منها. وهذا …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
دعمت هذا العمل المذنب K1 أسيك النمساوية الذكية أنظمة التكامل مركز الأبحاث. مراكز المذنب-اختصاص للتكنولوجيات–برنامج ممتاز معتمد من قبل بمفيت وبموفو ومقاطعتي كارينثيا وستيريا الاتحادية.
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).
