用于智能传感器制造的混合打印

摘要

在这里, 我们提出了一个协议, 用于制造喷墨打印多层传感器结构的添加剂制造基板和箔。

摘要

提出了一种将加法制造的基板或箔与多层喷墨打印相结合的方法, 用于传感器设备的制造。首先, 制备了三种基材 (丙烯酸酯、陶瓷和铜)。为了确定这些基板的材料特性, 进行了轮廓计、接触角、扫描电子显微镜 (sem) 和聚焦离子束 (fib) 测量。因此, 通过落差尺寸测试, 可以找到每个基材的可实现的打印分辨率和合适的落差体积。然后, 将绝缘油墨和导电油墨层交替喷墨打印, 以制造目标传感器结构。每次打印步骤完成后, 可通过光子固化对各层进行单独处理。根据印刷油墨以及相应基材的表面性能, 适用于每一层固化的参数。为了确定所产生的电导率并确定印刷表面的质量, 进行了四点探头和轮廓计测量。最后, 展示了这种全打印传感器系统的测量设置和结果, 以证明可实现的质量。

引言

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。

研究方案

注意: 在使用经过深思熟虑的油墨和粘合剂之前, 请参考相关的材料安全数据表 (msds)。所使用的纳米颗粒油墨和粘合剂可能有毒或致癌, 取决于填料。在进行喷墨打印或样品制备时, 请使用所有适当的安全实践, 并确保佩戴适当的个人防护设备 (安全眼镜、手套、实验室外套、全长裤子、闭脚鞋)。

注: 除步骤 6.3-6.6 和步骤 9.2-9.5 之外, 任何步骤后都可以暂停该协议。

1. 3d 打印基板的制备

1. 准备计算机辅助设计 (cad) 图纸, 最好使用立体平版印刷. stl 文件格式。
   注:使用的设计如补充图 2和补充图 3所示。
2. 根据目标应用程序所需的材料属性选择 am 工艺 (有关相应的工艺限制, 请参见表 1 )。
   注: 在这项工作中, 我们使用了由3d 打印的铜以及3d 打印陶瓷制成的样品。
3. 用蜡和失蜡铸造 39, 通过三维印刷制作铜基板。
4. 采用基于光刻的陶瓷制造 (lcm) 技术制造陶瓷基板⁴⁰ (参见视频 1)。
5. 使用高分辨率聚合物3d 打印机37制作丙烯酸酯基板^,并从印刷部件中取出支撑蜡。
   1. 将印刷部件放入65°c 的烤箱内 1小时, 以熔化支撑蜡。
   2. 从烤箱中取出打印的部件后, 将其放入65°c 的超声波油浴中, 将蜡从孔、小开口等中取出.
6. 使用用丙酮润湿的雨刮器清洁基板, 因为表面杂质会极大地影响后期喷墨打印质量。
   注: am 基板的制备可以使用不同的设备和工艺。根据制造策略的不同, 表面和体积特性也可能有所不同。因此, 使用稍后建议的检查技术来控制这些属性至关重要 (例如, 见本协议第4节)。

2. 互连的制造

注: 互连的制造因基板的类型 (导电性/导电性) 而异。

1. 在非导电 (陶瓷) 基板上制造互连。
   1. 将安装在微装配站上的时间压力微分配器分配低温固化导电胶粘剂, 使其进入印刷部件的适当通孔。
   2. 在23°c 和环境压力下, 将制造的互连连接保持干燥10分钟。
      注: 对于陶瓷基板, 也可以使用焊膏和高温固化来制造互连。
2. 在导电基板上制造互连。
   1. 通过时间压力微分配器将绝缘油墨涂在整个孔 (基材上的孔) 周长上。
   2. 按照油墨供应商的建议, 使用强烈的脉冲光进行光子固化。
      1. 打开包含基板的光子固化设备的托盘。
      2. 将铜样品移动到光子固化设备的基板表中, 并使用提供的磁片固定。
      3. 调整设备基板表的高度, 将样品移动到固化设备的焦点平面。
      4. 关闭纸盒并按照材料供应商对设备软件界面中的印刷材料的建议调整固化配置文件, 然后按 "启动" 按钮。
   3. 用低温固化导电浆料 (材料表) 填充。
      注: 一般情况下, 可以使用所有形式的单组分环氧导电胶粘剂, 这些胶粘剂的温度被激活。
   4. 在23°c 下将制造的互连干燥10分钟。

3. 喷墨打印系统的准备

1. 清洁/清洗打印头喷嘴与清洗设置在打印机软件中, 使用相应的化学品为各自的油墨: 使用异丙醇绝缘油墨;使用三乙二醇单甲基醚作为导电油墨。通过按打印机软件界面中的清除按钮来清除喷嘴, 直到从相应的喷嘴弹出的解决方案清除。
   注: 所需的化学量取决于打印机、喷嘴和化学品。在本实验中, 使用了约2毫升。
2. 用大约1.5 毫升的纳米颗粒银墨填充 50 wt% 的金属负载和平均粒径为110纳米的墨水, 例如, 使用一个3毫升的枪管和一个 18 g luer 锁点胶针。
3. 通过按打印机软件界面中的"开始头" 按钮, 使用一个打印头喷墨。
4. 使用打印机的预调整喷射轮廓进行导电油墨的喷射。
   1. 使用打印机软件界面中的 "转到下视图位置" 选项将打印头移动到下拉视图位置, 并观察墨迹的喷射。
   2. 更改为打印头和打印头温度预装的电压分布的参数, 以调整落差速度、形状和体积。调整油墨压力, 避免油墨溢出, 减少卫星液滴的形成。
      注: 对于本协议中使用的打印系统, 操作最大喷射电压设置为 40 v, 并使用10-14 μs 保持时间为 1μs rise/跌幅时间的喷射轮廓。银币在45°c 时喷射。最佳的油墨压力取决于油墨水平。电压分布中的电压必须根据油墨的状态 (例如温度、粘度) 和磁头的当前温度以及使用的打印头的状态而增加或降低。为了实现适当的喷射, 我们建议在 1 v 的小步骤中向上改变电压。如果落差形状没有改善, 在 1 v 的小步骤中降低电压, 按照这个步骤操作, 直到实现稳定的下降。
5. 以与银墨相同的方式调整绝缘油墨的印刷参数。
   1. 使用另一个打印头喷射低 k 介电材料, 这是丙烯酸型单体的混合物。
      注: 同样, 本协议使用了 40 v 的操作喷射电压和具有8μs 保持时间的1μs 上升时间。介质油墨可在50°c 下喷射。最佳油墨压力取决于实际墨水量。通常, 使用的参数在很大程度上取决于油墨的属性, 以及应将其打印到的基板或层的属性。在制造过程中, 可能需要动态调整打印参数。有关如何正确调整打印机参数, 请参阅打印系统的用户手册。

4. 检查不同基板的表面性能的印刷性和第一层打印机参数的调整

1. 执行轮廓计测量, 以确定表面粗糙度。
   1. 将样品放在轮廓仪的基板 (级) 上。
   2. 如果没有回家, 家庭阶段使用软件界面中的家庭按钮。
   3. 选择在软件界面中映射的相应分辨率和区域。
   4. 将测量头放在起始位置, 并使用软件界面中的慢跑选项和启动按钮开始测量。
   5. 测量完成后, 检查结果是否一致 (例如, 打印图层数量的显示高度是合理的), 并保存数据。
2. 根据用户手册执行 sem 检查, 以分析表面质量。
3. 按照 sem 站的用户手册中的说明执行接触角测量, 以确定润湿性特性。
4. 使用胶带将基板固定在基板上, 并适当地标记其位置。
5. 通过在打印机的软件界面中编辑打印头的属性, 调整软件界面设置中的喷嘴和打印参数。
   1. 同样, 使用打印机软件界面中的 "转到下视图位置" 选项将打印头移动到下拉视图位置, 并观察墨迹的喷射。如有必要, 调整打印参数以优化喷射。
   2. 选择一个喷嘴, 它可以弹出定义明确且均匀的墨滴进行打印。
   3. 在打印机的首选项中输入所选喷嘴的编号。
6. 执行落差尺寸测试, 以确定各自基板上的一个打印下拉的大小。
   1. 使用已知的打印机配置打印放置图案。
   2. 使用校准的显微镜或打印机的内置摄像系统确定所实现的落差尺寸。
   3. 确保随后使用的印刷分辨率适用于观察到的油墨润湿, 以制造均匀和封闭的表面 (例如, 选择 10-1, 000 dpi 的打印分辨率, 以40-50μm 的落差大小)。
7. 按照制造商的指示进行 fib 分析 (材料表), 以确保导电基板具有足够的体积均匀性。

5. 第一层的固化参数调整

1. 使用用于第一设备层的墨层将多个结构打印到虚拟基板上 (即, 以后可以处置并仅用于测试目的的同一材料的样品)。
2. 在130°c 的烤箱中, 在环境压力下对陶瓷基板上的导电银图案进行至少30分钟的热固化。
   注: 根据样品的大小, 使用吊舱将样品固定在烤箱内。
3. 对金属基板上的绝缘油墨使用光子固化。
   1. 打开包含基板的光子固化设备的托盘。
   2. 将样品移动到光子固化设备的基板表中, 并相应地进行固定 (例如, 使用提供的磁片)。
   3. 调整设备基板的高度, 使用工作台主轴将样品移动到固化设备的焦点平面。
   4. 关闭纸盒并按照供应商的建议调整设备软件界面中的印刷材料的固化配置文件, 然后按 "启动" 按钮。
4. 用电镜定性地控制表面的均匀性, 用轮廓计定量控制。
   1. 将样品放在轮廓仪的基板 (级) 上。
   2. 如果没有回家, 使用软件中相应的按钮将舞台定位。
   3. 选择应映射的相应分辨率和区域。
   4. 将测量头放在起始位置并开始测量。
   5. 测量完成后, 检查结果是否一致并保存数据。
5. 如有必要, 请重复使用所采用的固化参数的光子或热固化程序。
   1. 增加使用的光子能量在小的步骤, 例如, 5 v 的软件界面的光子固化设备, 如果达到的电阻过高。如果样品显示出燃烧的迹象, 则减少使用的能量。
6. 调整用于第一个功能设备层固化的设备参数, 以便达到足够的电导率, 从而满足手边的应用, 但打印结构不会发生燃烧。

6. 喷墨打印和第一器件层的固化

1. 使用胶带将基板固定在基板上, 并适当地标记其位置。
2. 由于第一层是导电的, 对于陶瓷和丙烯酸酯型基板, 请使用基板工作台加热60°c。
   注: 温度不得超过可能影响相应基板的温度 (例如, 丙烯酸酯只能承受 65°c)。此调整可以在打印机设置中完成。
3. 调整软件界面设置中的喷嘴和打印参数。
   1. 将打印头移动到下视图位置, 并观察墨迹的喷射。
   2. 选择一个喷嘴, 它可以弹出定义明确且均匀的墨滴进行打印。
   3. 在打印机的首选项中输入所选喷嘴的编号。
4. 根据先前确定的基材性能调整打印头的使用分辨率, 以沉积均匀的油墨层: 对于低润湿性基板, 例如, 较大的接触角和较小的落差尺寸增加了印刷分辨率。降低高润湿性基板的分辨率。
   
   注: 可以在打印机设置中进行打印参数的调整。
5. 选择适当的参考点以打印图案并存储其坐标。
6. 加载各自的可扩展矢量图形 (. svg) 文件, 并根据所需的模式和打印机软件中的基板尺寸选择适当的分辨率和大小。
7. 执行打印。重复打印一层油墨, 直到打印的均匀性令人满意。
8. 使用校准的显微镜或使用打印机内置的摄像系统来控制打印层的均匀性。
   1. 将打印机的相机移动到打印位置, 并观察打印机软件界面中给出的打印质量。
9. 使用本协议第5节中确定的参数来治疗第一层。
   1. 对于聚合物基板上的银墨水 (丙烯酸酯、箔), 请在 250 v 时使用1毫秒脉冲, 并减少能量 (525 mjcm 2)。
   2. 对于陶瓷基板上的银墨水, 请按照油墨的建议在烤箱中进行热固化 (例如, 130°c 30分钟)。
   3. 用1毫秒脉冲将印刷的介质油墨固化在 200 v, 并以 1 hz 的频率重复脉冲8倍。
      注: 光子固化中使用的发射光的光谱相当宽 (紫外-近红外 [uv-nir])。然而, 紫外线的量足以启动光聚合和固化绝缘层。

7. 检查不同基板的表面性能的印刷性和后续层打印机参数的调整

注: 请参考测量设备的用户手册, 以执行轮廓计测量和显微镜检查。

1. 执行轮廓计测量, 以确定印刷层的粗糙度和厚度。
   1. 将样品放在轮廓仪的基板上。
   2. 如果没有回家, 使用软件中相应的按钮将舞台定位。
   3. 选择需要映射的相应分辨率和区域。
   4. 将测量头放在起始位置并开始测量。
   5. 测量完成后, 检查结果是否一致并保存数据。
2. 执行接触角测量, 以确定润湿性特性。
   注: 有关如何正确执行接触角测量, 请参阅手边测量设备的用户手册。
3. 执行落差尺寸测试, 以确定各自基板上的一个打印下拉的大小。
   1. 使用已知的打印机配置打印放置图案。
   2. 使用校准的显微镜或打印机内置的检测系统确定所实现的落差尺寸。
4. 调整打印头的使用分辨率, 以实现均匀的油墨层: 对于低润湿性基材, 例如, 大接触角和小落差尺寸增加了印刷分辨率。降低高润湿性基板的分辨率。
5. 控制第一层的电性能: 对于导电第一层, 使用四点探头来确定所实现的导电性。
   1. 将样品放在基板上。
   2. 将测量头降低到导电轨道上, 确保探头与印刷结构有良好的接触, 并进行分析。
6. 对于绝缘第一层, 请确保表面均匀地覆盖下面的导体。使用显微镜进行确认。使用万用表验证绝缘性能。

8. 后续图层的固化参数调整

1. 使用用于下一个设备图层的墨层将多个结构打印到具有等效的前一层的虚拟基板上。
2. 仅对所有基材使用光子固化。
3. 固化后, 控制印刷层的电气和结构特性: 要确定电导率是否足够, 请使用四点探头测量。
4. 用电镜定性地控制表面的均匀性, 用轮廓计定量控制。
5. 如有必要, 重复光子固化程序。
6. 调整用于后续功能设备层固化的设备参数。

9. 喷墨打印和后续设备层的固化

1. 将基板适当地固定在基板上的先前标记的位置。
2. 根据上一步确定的调整喷嘴和打印参数。
3. 选择适当的参考点打印图案, 并确保打印的图案彼此对齐, 以确保设备随后具有适当的功能。
4. 加载相应的. svg 文件与适当的分辨率和大小。
5. 执行打印。重复打印一层油墨, 直到打印的均匀性令人满意。
6. 在显微镜下控制打印层的均匀性 (此处使用打印机的内置相机系统)。
7. 使用光子固化仅用于固化这一层。使用事先为绝缘层或绝缘体上的导电层确定的参数。
8. 固化后, 控制印刷层的电气和结构特性: 要确定导电层的电导率范围是否可以接受, 请使用万用表。

结果

从图 1所示的扫描电镜图像中, 可以得出有关各个基板上的可打印性的结论。由于表面粗糙度的不同范围, 刻度条是不同的。在图1a 中, 显示了铜基板的表面, 这是迄今为止最平滑的。另一方面, 图 1c显示了由于孔隙率高和接触角不稳定而无法使用喷墨打印的钢基板 (另见表 2)。在...

讨论

演示了一种在三维印刷基板和铝箔上制造多层传感器结构的方法。am 金属以及陶瓷和丙烯酸酯型和箔基板被证明适用于多层喷墨打印, 因为基板与不同层之间的附着力是足够的, 以及各自的导电性或绝缘能力。这可以通过在绝缘材料上印刷导电结构的层来显示。此外, 所有层的打印和固化过程都成功地执行了, 而不会相互损害。

本研究提出的制造策略对不同材料和表面性能的相...

材料

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.