Hybrid für die Herstellung von intelligenten Sensoren drucken

Zusammenfassung

Hier präsentieren wir ein Protokoll für die Herstellung von Inkjet-drucken mehrschichtigen Sensor Strukturen auf additiv hergestellte Substrate und Folie.

Zusammenfassung

Eine Methode, um Additiv kombinieren hergestellt Substrate oder Folien und mehrschichtigen Inkjet-Druck für die Herstellung von Sensor-Geräte vorgestellt. Erste, drei Substraten (Acrylat, Keramik und Kupfer) vorbereitet. Um die daraus resultierenden Materialeigenschaften dieser Substrate zu ermitteln, Profilometer, Randwinkel, Rasterelektronenmikroskop (REM) und fokussierte Ion Beam (FIB) Messungen durchgeführt. Die erreichbare Druckauflösung und geeigneten Drop Volumen für jedes Substrat sind, dann, durch die Fallversuche Größe gefunden. Dann sind Schichten aus isolierenden und leitenden Tinte Tintenstrahldrucker gedruckt abwechselnd um die Zielstrukturen Sensor zu fabrizieren. Nach jedem Druck werden die jeweiligen Schichten durch photonische Aushärten individuell behandelt. Die Parameter für die Aushärtung der einzelnen Layer verwendet werden abhängig von der gedruckten Farbe, sowie die Oberflächeneigenschaften von den jeweiligen Untergrund angepasst. Die daraus resultierende Leitfähigkeit zu bestätigen und zur Bestimmung der Qualität der bedruckten Oberfläche sind Vierpunkt-Sonde und Profilometer Messungen fertig. Schließlich sind eine Messanordnung und durch ein solches alles gedruckt Sensorsystem erzielten Ergebnisse gezeigt, um die erreichbare Qualität demonstrieren.

Einleitung

Additive Manufacturing (AM) ist als ein Prozess standardisiert, wo Materialien verbunden werden, um Objekte von 3D-Modelldaten zu machen. Dies geschieht in der Regel Schicht für Schicht und somit kontrastiert mit subtraktiven Fertigungstechnologien, wie z. B. Halbleiterfertigung. Synonyme sind 3D-Druck, additive Fertigung, additiver Prozess, additive Techniken, additive Layer Manufacturing, Schicht Fertigung und freeform Fabrication. Diese Synonyme werden von der Standardisierung durch die American Society of Testing and Materials (ASTM)¹ eine eindeutige Definition angeben reproduziert. In der Literatur wird 3D-Druck als den Prozess bezeichnet wo Dicke der gedruckten Objekte befindet sich im Bereich von Zentimetern bis sogar m².

Häufigere Verfahren wie Stereolithographie³, ermöglichen das Drucken von Polymeren, aber der 3D-Druck aus Metall ist auch bereits im Handel erhältlich. Die Uhr von Metallen wird in vielfältigen Bereichen, wie z. B. für die Automobil-, Luft-und⁴und medizinische⁵ Sektoren eingesetzt. Für Luft-und Strukturen von Vorteil ist die Möglichkeit, leichtere Geräte durch einfache strukturelle Veränderungen (z.B.durch die Verwendung einer Wabendesign) auszudrucken. Infolgedessen Materialien mit, zum Beispiel größere mechanische Festigkeit, das würde sonst eine erhebliche Menge an Gewicht (z.B. Titan statt Aluminium)⁶hinzufügen, eingesetzt werden.

Während der 3D-Druck von Polymeren bereits gut etabliert ist, Metall 3D-Druck ist immer noch eine lebendige Forschungsthema und eine Vielzahl von Prozessen wurden für den 3D-Druck von Metallkonstruktionen. Grundsätzlich sind die verfügbaren Methoden in vier Gruppen^7,8, nämlich (1) mit einem Laser- oder Elektronenstrahl für Verkleidung in einem Draht-gefüttert-Prozess (2) mit einem Laser- oder Elektronenstrahl, 3) selektiv schmelzen Pulver Sinteranlagen kombinierbar ein Laser oder Elektronen Strahl (Pulver Bett Fusion) und 4) eine Sammelmappe jetten Prozess, wo üblicherweise eine Inkjet-Druckkopf bewegt sich über eine Pulver-Substrat und Bindemittel verzichtet.

Je nach Verfahren werden die jeweiligen hergestellten Proben verschiedene Oberflächen und strukturellen Eigenschaften⁷aufweisen. Diese unterschiedlichen Eigenschaften müssen zusätzliche Anstrengungen, um die gedruckten Teile (z.B.durch die Herstellung von Sensoren auf ihrer Oberfläche) weiter funktionalisieren betrachtet werden.

Im Gegensatz zu 3D-Druck, der Druck verarbeitet solche Funktionalisierung zu erreichen (zB., Bildschirm und Inkjet-Druck) Abdeckung nur begrenzt Objekthöhen von weniger als 100 nm⁹ bis wenige Mikrometer und sind somit oft auch bezeichnet als 2,5-D-Druck. Alternativ Laser-basierte Lösungen für hochauflösende Musterung wurden auch vorgeschlagene^10,11. Eine umfassende Überprüfung der Druckverfahren, die thermisch abhängigen Schmelzetemperatur von Nanopartikeln und die Anwendungen wird durch Ko¹²gegeben.

Zwar Siebdruck gut etabliert in der Literatur^13,14, bietet Inkjet-Druck eine verbesserte upscaling Fähigkeit, zusammen mit einer erhöhten Auflösung für den Druck von kleineren Größen. Darüber hinaus ist es eine digitale, berührungslose Druckverfahren ermöglicht die flexible Ablagerung von Funktionsmaterialien auf dreidimensionale. Daher konzentriert sich unsere Arbeit auf Inkjet-Druck.

Inkjet-Drucktechnologie wurde bereits in der Herstellung von Messelektroden Metall (Silber, Gold, Platin, etc.) eingesetzt. Anwendungsbereiche sind Temperatur Messung^15,16, Druck und Belastung Fernerkundung^17,18,19, und Biosensoren^20,21, als auch Gas oder Dampf Analyse^22,23,24. Die Aushärtung von solchen gedruckte Strukturen mit begrenzter Höhe Extension kann fertig mit verschiedenen Techniken, basierend auf thermische²⁵, Mikrowelle²⁶, elektrische²⁷, Laser²⁸, und photonischen²⁹ Grundsätze.

Photonische Aushärten für Inkjet-drucken Strukturen erlaubt Forschern, energiereiche, heilbare, leitfähige Tinten auf Substraten mit einem Niedertemperatur-Widerstand zu verwenden. Nutzung dieser Umstand, die Kombination von 2,5 D und 3D-Druck Verfahren einsetzbar, hochflexible Prototypen im Bereich intelligente Verpackungen^30,31,32 und intelligente Sensorik zu fabrizieren.

Die Leitfähigkeit des 3D-gedruckten Metallsubstrate ist von Interesse, der Luft-und Raumfahrt sowie für den medizinischen Bereich. Es verbessert nicht nur die mechanische Stabilität bestimmter Teile aber ist vorteilhaft im Nahfeld-sowie kapazitive Abtastung. Ein 3D-gedruckten Metallgehäuse bietet zusätzliche Abschirmung/Bewachung der Sensor Front-End, da es elektrisch angeschlossen werden kann.

Ziel ist es, Geräte mit AM-Technik herzustellen. Diese Geräte sollen eine ausreichend hohe Auflösung bei der Messung, die, der Sie für die (oft im Mikro- und Nanobereich) beschäftigt sind, und zur gleichen Zeit, sollten sie erfüllen hohe Standards in Bezug auf Zuverlässigkeit und Qualität.

Es hat sich gezeigt, dass AM-Technik bietet dem Benutzer genügend Flexibilität zu fabrizieren optimierte Konstruktionen^33,34 , der Verbesserung der Gesamtqualität der Messung, die erreicht werden kann. Darüber hinaus wurde die Kombination von Polymeren und Einzellagen-Inkjet-Druck in der bisherigen Forschung^35,36,37,38vorgestellt.

In diesem Werk vorliegenden Studien werden verlängert, und ein Überblick über die physikalischen Eigenschaften von AM Substraten, mit Fokus auf Metalle und deren Kompatibilität mit mehrschichtigen Inkjet-Druck und photonischen Aushärtung wird zur Verfügung gestellt. Eine beispielhafte mehrlagigen Spule Design steht in ergänzende Abbildung1zur Verfügung. Die Ergebnisse sind für die Bereitstellung von Strategien für den Inkjet-Druck von mehrschichtigen Sensor Strukturen auf AM Metallsubstrate verwendet.

Protokoll

Achtung: Bevor Sie mit dem betrachteten Druckfarben und Klebstoffe, konsultieren Sie bitte relevanten Material Sicherheit Data Sheets (MSDS). Die eingesetzten Nanopartikel Tinte und Klebstoffe möglicherweise giftig oder krebserzeugend, abhängig von der Füller. Bitte verwenden Sie alle geeigneten Sicherheitsmaßnahmen bei der Durchführung von Inkjet-Druck oder die Vorbereitung von Proben und stellen Sie sicher, tragen geeigneten persönlichen Schutzausrüstung (Schutzbrille, Handschuhe, Kittel, in voller Länge Hose, geschlossene Schuhe).

Hinweis: Das Protokoll kann nach jedem Schritt außer Schritte 6.3-6.6 und Schritte 9.2-9.5 angehalten werden.

1. Vorbereitung des 3D-gedruckten Substrate

1. Bereiten Sie Computer aided Design (CAD) Zeichnungen, am besten mit der Stereolithographie-STL-Datei-Format.
   Hinweis: Die verwendeten Designs sind ergänzende Abbildung 2 und ergänzende Abbildung 3illustriert.
2. Wählen Sie den AM Prozess basierend auf die Materialeigenschaften von der Zielanwendung erforderlich (siehe Tabelle 1 für den jeweiligen Prozess-Beschränkungen).
   Hinweis: In diesem Werk verwendet wir Proben von 3D-gedruckten Kupfer sowie 3D-gedruckten Keramik gemacht.
3. Das Kupfer Substrat durch 3D-Druck mit Wachs und Wachsausschmelzverfahren Gießen³⁹zu fabrizieren.
4. Die keramische-Substrat durch Lithographie-basierten Keramik Herstellung (LCM) Technologie⁴⁰ zu fabrizieren (siehe Video 1).
5. Das Acrylat-Substrat mit einer hochauflösenden Polymer 3D-Drucker³⁷ fabrizieren und die unterstützenden Wachs aus dem gedruckten Teil entfernen.
   1. Legen Sie den gedruckten Teil in einem Ofen bei 65 ° C für 1 h, die unterstützenden Wachs zu schmelzen.
   2. Nach dem Entfernen des gedruckten Teil aus dem Ofen, legte es in ein Ultraschall Ölbad bei 65 ° C, um das Wachs zu entfernen, Löcher, kleine Öffnungen, etc.
6. Reinigen Sie die Substrate mit ein Abstreifer mit Aceton, benetzt, wie mögliche Verunreinigungen der Oberfläche einen großen Einfluss auf die späteren Inkjet-Druckqualität.
   Hinweis: Die Vorbereitung AM Substrate möglich ist mit verschiedenen Geräten und Verfahren. Abhängig von der Herstellung Strategie können die Oberfläche und Bulk-Eigenschaften als auch variieren. Deshalb ist es wichtig, diese Eigenschaften mit der Inspektionstechniken später empfohlen (siehe z. B. Abschnitt 4 dieses Protokolls) steuern.

(2) Herstellung von Verbindungen

Hinweis: Die Herstellung von Verbindungen unterscheidet sich je nach Typ (leitfähige/nichtleitend) des Substrats.

1. Fertigen auf nichtleitend (Keramiksubstrate) verbindet.
   1. Ein Zeit-Druck-Microdispenser montiert auf einem Mikromontage-Station in der entsprechenden Vias der gedruckten Teile der niedrigen Temperatur heilbar Leitkleber verzichtet.
   2. Lassen Sie die vorgefertigten verbindet für 10 min bei 23 ° C und mit Umgebungsdruck zu trocknen.
      Hinweis: für die Keramik-Substrat das verbindet kann auch mit Lötpaste und Hochtemperatur-Härtung hergestellt werden.
2. Fabrizieren verbindet auf leitfähigen Untergründen.
   1. Verzichten die isolierende Tinte überall auf den Vias (Löcher/Bohrungen im Substrat) Umfang über eine Zeit-Druck-Microdispenser.
   2. Führen Sie die photonischen Aushärtung mit intensiv gepulstem Licht als von den Farblieferanten vorgeschlagen.
      1. Öffnen Sie das Fach der photonischen Aushärtung Ausrüstung, die die Substrat-Tabelle.
      2. Bewegen die Kupfer Probe der Substrat-Tabelle der photonischen Aushärtung Ausrüstung und befestigen mit den mitgelieferten magnetischen Leuchten.
      3. Passen Sie die Höhe des Gerätes Substrat Tabelle die Probe auf die Fokusebene der Aushärtung Ausrüstung zu verschieben.
      4. Schließen Sie das Fach und passen Sie die Härtung Profil an, wie das Material-Lieferant für die Drucksachen in der Geräte-Software-Schnittstelle empfohlen und drücken Sie die Schaltfläche "Start".
   3. Füllen Sie die über Niedertemperatur-Heilung von leitfähigen bekleben (Table of Materials).
      Hinweis: im Allgemeinen ist es möglich, alle Formen von einkomponentigen, Epoxy-basierte leitfähige Klebstoffe verwenden die Temperatur aktiviert sind.
   4. Trockenen verbindet die fabrizierten für 10 min bei 23 ° C.

3. Vorbereitung der Inkjet-Drucksystem

1. Die Druckkopf-Düsen mit der Säuberung in der Druckersoftware festlegen, mit der entsprechenden chemischen für die jeweiligen Tinte reinigen/Purge: verwenden Isopropanol zur Isolierung von Tinten; Verwenden Sie Triethylene Glycol Monomethyl Äther für leitfähige Tinte. Bereinigen Sie die Düsen mit der Taste löschen in der Drucker-Software-Schnittstelle bis die Lösung aus den jeweiligen Düsen ausgestoßen klar ist.
   Hinweis: Der Umfang der chemischen erforderlich hängt Drucker, Düse und Chemie. In diesem Experiment wurde etwa 2 mL verwendet.
2. Füllung der Farbbehälter mit etwa 1,5 mL der Nanopartikel Silber mit 50 wt.% Metall be- und eine durchschnittliche Partikelgröße von 110 Tinte nm mit einer Spritze, zum Beispiel mit einer 3 mL-Lauf und eine 18 G Luer Lock Verzicht auf Nadel.
3. Verwenden Sie einen Druckkopf, um die Tinte jet durch Drücken der Schaltfläche Start Kopf in der Drucker-Software-Schnittstelle.
4. Verwenden Sie die voreingestellte Sprühvolumen Profil des Druckers für die Bedüsung der Leitlack.
   1. Bewegen Sie den Druckkopf in die Dropview Position mit der Option gehen Sie zu Dropview Position in der Drucker-Software-Schnittstelle, und beobachten Sie die Bedüsung der Tinte.
   2. Ändern Sie die Parameter für die Spannung-Profil, das für den Druckkopf und die Druckkopf-Temperatur vorinstalliert ist, um die Drop-Geschwindigkeit, Form und Volumen zu justieren. Einstellen der Tinte zu vermeiden, verschütten der Tinte und die Bildung von Satelliten Tröpfchen zu reduzieren.
      Hinweis: Für das Drucksystem in diesem Protokoll verwendeten, wurde die maximale Sprühvolumen Betriebsspannung eingerichtet, um 40 V und ein Sprühvolumen Profil von 1 µs steigen/fallen Mal mit 10-14 halten µs Zeit verwendet wurde. Die silberne Farbe war jettete bei 45 ° C. Der optimale Tinte Druck ist abhängig von den Tintenstand. Die Spannung in den Spannungsverlauf muss erhöht oder reduziert je nach Bundesstaat (z.B., Temperatur, Viskosität) die Tinte und die aktuelle Temperatur des Kopfes, sowie den Zustand der gebrauchten Druckkopf. Um korrekte Bedüsung zu erreichen, empfiehlt es sich, ändern die Spannung nach oben in kleinen Schritten von 1 V. Wenn gibt es keine Verbesserung in der Tropfenform, reduzieren der Spannung in kleinen Schritten von 1 V. Folgen dieses Verfahren, bis eine stabile fallen erreicht wird.
5. Passen Sie die Druckparameter für die isolierende Tinte auf die gleiche Weise wie die silberne Tinte.
   1. Verwenden Sie einen anderen Druckkopf, um die Low-k dielektrische Material, jet, eine Mischung aus Acrylat-Art Monomere.
      Hinweis: Wieder, haltet ein Sprühvolumen Betriebsspannung von 40 V und eine 1 µs steigen/fallen Zeit mit 8 µs Zeit in dieses Protokoll verwendet wurde. Die dielektrische Tinte könnte bei 50 ° c Jet Der optimale Tinte Druck ist abhängig von der tatsächlichen Tintenstand. In der Regel hängen die verwendeten Parameter hoch die Eigenschaften der Tinte sowie das Substrat oder Layer, auf dem es gedruckt werden soll. Während der Fertigung müssen die Druckparameter dynamisch angepasst werden. Entnehmen Sie bitte der Bedienungsanleitung des Drucksystems wie Druckparameter richtig einstellen.

4. Prüfung der Oberflächeneigenschaften der jeweiligen Substrate für Bedruckbarkeit und die Einstellung der Druckparameter für die erste Schicht

1. Messungen Sie Profilometer, um festzustellen, die Rauheit der Oberfläche.
   1. Setzen Sie die Probe auf dem Substrat-Tisch (Bühne) von der Profilometer.
   2. Wenn nicht referenziert, Heimat der Bühne mit den home-Button in der Softwareoberfläche.
   3. Wählen Sie die jeweilige Auflösung und Gebiet, das in die Software-Schnittstelle zugeordnet ist.
   4. Legen Sie den Messkopf an der Startposition und starten Sie die Messung mit der Option "Jog" und start-Taste in die Software-Schnittstelle.
   5. Nachdem die Messung abgeschlossen ist, überprüfen Sie das Ergebnis für Konsistenz (z. B.sind die gezeigten Höhen plausibel für die Anzahl der gedruckten Schichten) und sichern Sie Ihre Daten.
2. Inspektionen Sie SEM-gemäß der Bedienungsanleitung, die Oberflächenqualität zu analysieren.
3. Durchführen Sie Kontaktwinkel Messungen, wie beschrieben in der Bedienungsanleitung der SEM-Station, die Benetzbarkeit Eigenschaften bestimmen.
4. Fixieren Sie das Substrat auf dem Substrat-Tisch mit Klebeband und markieren Sie die Position entsprechend.
5. Einstellen Sie die Düse und Druckparametern in den Einstellungen der Software-Oberfläche durch Bearbeiten der Eigenschaften des Druckkopfes in der Drucker-Software-Schnittstelle.
   1. Wieder, bewegen Sie den Druckkopf in die Dropview Position mit der Option gehen Sie zu Dropview Position in der Drucker-Software-Schnittstelle, und beobachten Sie die Bedüsung der Tinte. Passen Sie ggf. die Druckparameter um die Bedüsung zu optimieren.
   2. Wählen Sie eine Düse, die klar definierte und homogene Tropfen Tinte für den Druck wird ausgeworfen.
   3. Geben Sie die Anzahl der gewählten Düse in den Druckereinstellungen.
6. Führen Sie die Fallversuche Größe um die Größe eines gedruckten Tropfens auf den jeweiligen Untergrund bestimmen.
   1. Drucken Sie eine Drop-Muster, mit einer bekannten Druckerkonfiguration.
   2. Die erzielten Tropfengröße mit einem kalibrierten Mikroskop oder die eingebaute Kamera-System des Druckers zu bestimmen.
   3. Sicherstellen, dass die anschließend verwendete Druckauflösung geeignet für die beobachteten Tinte Benetzung eine homogene und geschlossene Oberfläche herzustellen (z.B., wählen Sie eine Druckauflösung von 900-1.000 dpi für eine Tropfengröße von 40-50 µm).
7. Führen Sie eine FIB-Analyse (Table of Materials), gemäß den Anweisungen des Herstellers, um eine ausreichende Masse Homogenität für leitfähige Substrate zu gewährleisten.

5. Heilung Parametereinstellungen für die erste Schicht

1. Drucken Sie mehrere Strukturen, mit einer Schicht aus der Tinte verwendet für das erste Geräteschicht auf einem Dummy-Substrat (d. h., eine Probe aus dem gleichen Material, später entsorgt werden und dient nur zu Testzwecken).
2. Thermische Aushärtung im Backofen bei 130 ° C für mindestens 30 min bei Umgebungsdruck für die gedruckten leitfähige Silber Muster auf einem Keramiksubstrat zu verwenden.
   Hinweis: Abhängig von der Größe der Stichprobe, verwenden Sie eine Schote, um die Probe im Inneren des Ofens zu halten.
3. Verwenden Sie die photonischen Aushärtung für die isolierende Tinte auf dem metallischen Substrat.
   1. Öffnen Sie das Fach der photonischen Aushärtung Ausrüstung, die die Substrat-Tabelle.
   2. Die Probe zur Substrat Tabelle der photonischen Aushärtung Ausrüstung wechseln und entsprechend zu beheben (sofern verwenden, zum Beispiel magnetische Befestigungen).
   3. Passen Sie die Höhe des Gerätes Substrat Tabelle, mit der Tabelle Spindel die Probe auf die Fokusebene der Aushärtung Ausrüstung zu verschieben.
   4. Schließen Sie das Fach und passen Sie die Härtung Profil an, wie durch den Lieferanten für die Drucksachen in der Geräte-Software-Schnittstelle empfohlen und drücken Sie die Schaltfläche "Start".
4. Kontrolle der Homogenität der Oberfläche ein Mikroskop qualitativ und quantitativ mit Hilfe einer Profilometer.
   1. Setzen Sie die Probe auf dem Substrat-Tisch (Bühne) von der Profilometer.
   2. Wenn nicht referenziert, Heimat der Bühne mit den entsprechenden Button in der Software.
   3. Wählen Sie die jeweilige Auflösung und Bereich zugeordnet werden sollen.
   4. Legen Sie den Messkopf an der Startposition und starten Sie die Messung.
   5. Nachdem die Messung abgeschlossen ist, überprüfen Sie das Ergebnis für die Konsistenz und speichern Sie die Daten zu.
5. Photonische wiederholen oder thermische Härtung mit Verfahren Aushärtung Parameter bei Bedarf.
   1. Verwendeten Photonenenergie in kleinen Schritten von beispielsweise 5 V in die Software-Schnittstelle der photonischen Aushärtung Ausrüstung zu erhöhen, wenn die erzielten Widerstand zu hoch ist. Die verbrauchte Energie zu verringern, wenn die Probe Anzeichen von brennen zeigt.
6. Stellen Sie die Geräteparameter für die Aushärtung der ersten Schicht der funktionalen Gerät, so dass eine Leitfähigkeit reicht für die Anwendung bei der hand ist erreicht, aber noch kein Brennen der gedruckten Struktur tritt.

(6) Inkjet-Druck und Aushärtung der ersten Geräteschicht

1. Fixieren Sie das Substrat auf dem Substrat-Tisch mit Klebeband und markieren Sie die Position entsprechend.
2. Wie die erste Schicht leitfähig ist, für die Keramik- und Acrylat Art Substrat verwenden Sie Substrat Tabelle Heizung von 60 ° C.
   Hinweis: Die Temperatur darf nicht überschreiten eine Temperatur, die den jeweiligen Untergrund beeinträchtigen könnten (z. B.das Acrylat verträgt nur bis zu 65 ° C). Diese Einstellung kann in den Druckereinstellungen vorgenommen werden.
3. Passen Sie die Düse und Druckparameter in den Einstellungen der Software-Oberfläche.
   1. Bewegen Sie den Druckkopf der Dropview positionieren und beobachten die Bedüsung der Tinte.
   2. Wählen Sie eine Düse, die klar definierte und homogene Tropfen Tinte für den Druck wird ausgeworfen.
   3. Geben Sie die Anzahl der gewählten Düse in den Druckereinstellungen.
4. Passen Sie die verwendete Auflösung des Druckkopfes, eine homogene Farbschicht nach den zuvor festgelegten Substrat Eigenschaften hinterlegen: für Low-Benetzbarkeit Substrate, zum Beispiel eine große Kontaktwinkel und kleine Tropfengröße erhöhen den Druck Auflösung. Verringern Sie die Auflösung für hohe Benetzbarkeit Substrate.
   
   Hinweis: Die Einstellung der Druckparameter kann in den Druckereinstellungen erfolgen.
5. Wählen Sie den entsprechenden Hinweis das Muster drucken und Speichern der Koordinaten.
6. Laden Sie die jeweiligen skalierbare Vektor Grafik (.svg) Datei, und wählen Sie eine geeignete Auflösung und Größe, abhängig von dem gewünschten Muster und die Abmessungen des Substrats in der Druckersoftware.
7. Führen Sie drucken. Wiederholen Sie den Druck von einer Farbschicht, bis die Homogenität des Druckes befriedigend ist.
8. Kontrolle der Homogenität der Druckschicht mit einem kalibrierten Mikroskop oder mit der eingebauten Kamera-System des Druckers.
   1. Bewegen Sie die Kamera an den Drucker an die Druckposition und beobachten Sie die Qualität des Drucks in der Drucker-Software-Schnittstelle gegeben.
9. Die erste Schicht mit den Parametern bestimmt in Abschnitt 5 dieses Protokolls zu heilen.
   1. Für Silber Tinte auf ein Polymer-Substrat (Acrylat, Folie), verwenden Sie eine 1 ms Puls bei 250 V mit einer reduzierten Menge an Energie (525 mJ/cm²).
   2. Verwenden Sie für Silber Tinte auf einem Keramiksubstrat Hitze aushärten im Backofen wie empfohlen mit der Tinte (z.B.130 ° C für 30 min).
   3. Die gedruckten dielektrische Tinte bei 200 V mit 1 ms Impulsen zu heilen, und wiederholen Sie die Impulse 8 X mit der Frequenz von 1 Hz.
      Hinweis: Die Spektren des emittierten Lichts verwendet bei der Heilung von photonischen ist sehr breit gefächert (Ultra-violett-Nah-Infrarot-[UV-NIR]). Dennoch ist die Menge an UV-Licht ausreicht, um die Photopolymerisation zu initiieren und die isolierende Schicht zu heilen.

7. Inspektion die Oberflächeneigenschaften der jeweiligen Substrate für Bedruckbarkeit und die Einstellung der Druckparameter für nachfolgende Schichten

Hinweis: Lesen Sie bitte die Bedienungsanleitungen von Messgeräten, die Profilometer Messungen und Mikroskopie Überprüfungen.

1. Messungen Sie zur Bestimmung der Rauheit und gedruckte Schichtdicke Profilometer.
   1. Setzen Sie die Probe auf das Substrat Inhaltsverzeichnis der Profilometer.
   2. Wenn nicht referenziert, Heimat der Bühne mit den entsprechenden Button in der Software.
   3. Wählen Sie die jeweilige Auflösung und Bereich, der zugeordnet werden muss.
   4. Legen Sie den Messkopf an der Startposition und starten Sie die Messung.
   5. Nachdem die Messung abgeschlossen ist, überprüfen Sie das Ergebnis für die Konsistenz und speichern Sie die Daten zu.
2. Messungen der Kontaktwinkel um die Benetzbarkeit Eigenschaften bestimmen.
   Hinweis: Finden Sie die Bedienungsanleitung des Messgeräte zur hand wie man richtig Kontaktwinkel Messungen durchführen.
3. Führen Sie Fallversuche Größe um die Größe eines gedruckten Tropfens auf den jeweiligen Untergrund bestimmen.
   1. Drucken Sie eine Drop-Muster mit einer bekannten Druckerkonfiguration.
   2. Die erzielten Tropfengröße mit einem kalibrierten Mikroskop oder den Drucker eingebaute Kontrollsystem zu bestimmen.
4. Passen Sie die verwendete Auflösung des Druckkopfes, eine homogene Farbschicht zu erreichen: für Low-Benetzbarkeit Substrate, zum Beispiel eine große Kontaktwinkel und kleine Tropfengröße erhöhen die Druckauflösung. Verringern Sie die Auflösung für hohe Benetzbarkeit Substrate.
5. Die elektrischen Eigenschaften der ersten Schicht zu steuern: für eine erste Leitschicht verwenden die Vierpunkt-Sonde erreichte Leitfähigkeit zu bestimmen.
   1. Setzen Sie die Probe auf dem Substrat-Tisch.
   2. Niedriger der Messkopf auf die Leiterbahn, sicherstellen, dass die Sonde hat guten Kontakt mit der gedruckten Struktur analysiert werden.
6. Sicherstellen Sie für eine erste Isolierschicht, dass die Oberfläche homogen der Dirigent unten bedeckt. Verwenden Sie ein Mikroskop für die Bestätigung. Überprüfen Sie die isolierenden Eigenschaften mit einem Multimeter.

8. Heilung Parametereinstellungen für die nachfolgenden Schichten

1. Drucken Sie mehrere Strukturen, mit einer Schicht aus die Druckfarbe für die nächste Geräteschicht auf einem Dummy-Substrat mit einer entsprechenden vorherigen Schicht.
2. Verwenden Sie nur photonische Heilung für alle Untergründe.
3. Nach dem Aushärten, Steuern die elektrischen und strukturellen Eigenschaften der Druckschicht: um festzustellen, ob die Leitfähigkeit ausreicht, verwenden Sie eine Vierpunkt-Sonde-Messung.
4. Kontrolle der Homogenität der Oberfläche ein Mikroskop qualitativ und quantitativ mit Hilfe der Profilometer.
5. Wiederholen Sie photonische heilende Verfahren gegebenenfalls.
6. Passen Sie die Geräteparameter für die Aushärtung der nachfolgenden funktionellen Geräteschicht.

(9) Inkjet-Druck und Aushärtung des nachfolgenden Geräts Schichten

1. Befestigen Sie das Substrat auf dem Substrat Tisch angemessen an der zuvor markierten Stelle.
2. Stellen Sie die Düse und Druck Parameter wie aus dem vorherigen Schritt bestimmt.
3. Wählen Sie den entsprechenden Referenzpunkt zu drucken das Muster und stellen sicher, dass die gedruckten Muster gut abgestimmten miteinander um die Funktionsfähigkeit des Gerätes danach zu gewährleisten sind.
4. Laden Sie die jeweiligen .svg Datei mit geeigneten Auflösung und Größe.
5. Führen Sie drucken. Wiederholen Sie den Druck von einer Farbschicht, bis die Homogenität des Druckes befriedigend ist.
6. Die Homogenität der Druckschicht unter dem Mikroskop zu steuern (hier, die eingebaute Kamera-System des Druckers wird verwendet).
7. Verwenden Sie photonische Aushärten nur für die Heilung dieser Schicht. Verwenden Sie die Parameter für eine isolierende Schicht oder einer leitfähigen Schicht auf dem Isolator im Voraus bestimmt.
8. Nach dem Aushärten, Steuern die elektrischen und strukturellen Eigenschaften der Druckschicht: um festzustellen, ob die Leitfähigkeit der Leitschicht akzeptabel ist, verwenden Sie ein Multimeter.

Ergebnisse

Aus die SEM Bilder in Abbildung 1dargestellt können Rückschlüsse auf die Bedruckbarkeit der jeweiligen Substrate gezogen werden. Der Maßstabsbalken unterscheiden sich durch die verschiedenen Bereiche der Oberflächenrauheit. In Figur 1azeigt die Oberfläche des Substrats Kupfer, das ist bei weitem die glatte. Abbildung 1 c, auf der anderen Seite zeigt Stahl, ein Substrat ist nicht geeignet für I...

Diskussion

Eine Möglichkeit, mehrschichtige Sensor Strukturen auf 3D-gedruckten Substrate und auf Folie zu fabrizieren ist unter Beweis gestellt. AM Metall, sowie Keramik und Acrylat-Typ und Folie Substrate erweisen sich als geeignet für mehrschichtige Inkjet-Druck, da die Haftung zwischen dem Substrat und die verschiedenen Schichten ausreicht, sowie die jeweiligen Leitfähigkeit oder Isolierung Fähigkeit. Dies konnte durch Druck Schichten aus leitenden Strukturen auf Dämmmaterial gezeigt werden. Darüber hinaus wurde die Druck...

Materialien

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.