Name: hybrid printing for the fabrication of smart sensors
Uploaded: 2019-01-31T13:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Hybrid Printing for the Fabrication of Smart Sensors at JoVE.com

Ce travail a été soutenu par la comète K1 ASSIC autrichien Smart Systems Integration Research Center. Les centres de la comète-compétence d’excellentes Technologies-programme est pris en charge par BMVIT, BMWFW et les provinces de Carinthie et de Styrie.

Attention : Avant d’utiliser les encres réfléchies et colles, veuillez consulter le pertinentes feuilles (signalétique). L’encre de nanoparticules indépendants et adhésifs peuvent être toxiques ou cancérigènes, tributaire de la soutireuse. S’il vous plaît, utilise toutes les pratiques de sécurité qui s’imposent lors de l’impression jet d’encre ou la préparation des échantillons et n’oubliez pas de porter l’équipement de protection individuelle approprié (lunettes, gants, blouse, pantalons ...

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Une façon de fabriquer des structures multicouches capteur sur supports imprimés 3D et sur une feuille est démontrée. AM métal, ainsi que des substrats céramique et l’acrylate de type et de la feuille ne semblent pas convenir à multicouche à jet d’encre d’imprimerie, comme l’adhérence entre le substrat et les différentes couches est suffisante, ainsi que la capacité respective de conductivité ou isolation. Cela pourrait être démontré par des couches d’impression de structures conductrices sur iso...

Fabrication additive (AM) est normalisée comme un processus où les matériaux sont rejoints pour fabriquer des objets de données du modèle 3D. Cela se fait généralement de couche après couche et, ainsi, contraste avec les technologies de fabrication soustractive, comme la fabrication des semi-conducteurs. Les synonymes sont fabrication 3D-impression, additive, processus additif, additifs techniques, fabrication additive couche, la couche fabrication et fabrication en formes libres. Ces synonymes sont tirés de la normalisation de l' American Society of Testing and Materials (ASTM)1 de donner une définition unique. Dans la littérature, 3D-impression est dénommé le processus dont l’épaisseur des objets imprimés est de l’ordre de centimètres au même m2.
Processus plus communs tels que la stéréolithographie3, activez l’impression des polymères, mais l’impression 3D de métal est également déjà disponible dans le commerce. L’AM des métaux est employée dans des domaines multiples, comme pour l’automobile, l’aéronautique4et secteurs médicaux5 . Un avantage pour les structures aérospatiales est la possibilité d’imprimer des dispositifs plus légers grâce à simples changements structurels (par exemple, en utilisant un design en nid d’abeille). Par conséquent, de matières avec, par exemple, une plus grande résistance mécanique, qui seraient sinon ajouter une quantité significative de poids (par exemple, titane au lieu de l’aluminium)6, peuvent être employées.
Alors que l’impression 3D de polymères est déjà bien établie, métal 3D-impression est toujours un sujet de recherche dynamique et une variété de procédés ont été développés pour l’impression 3D des structures métalliques. Fondamentalement, les méthodes disponibles peuvent être regroupés en quatre groupes7,8, à savoir 1) en utilisant un laser ou un faisceau d’électrons pour bardage dans un processus alimenté par fil, 2) frittage des systèmes à l’aide d’un laser ou un faisceau d’électrons, fusion 3) de manière sélective à l’aide de poudre un faisceau laser ou électron (fusion lit de poudre) et 4) un liant nettoyage au jet de processus où, généralement, une tête d’impression jet d’encre se déplace au-dessus d’un substrat de poudre et prodigue des agent liant.
Selon le processus, les échantillons respectifs manufacturés exposera différentes propriétés de surface et structurales7. Ces propriétés différentes auront à prendre en considération de nouveaux efforts pour fonctionnaliser davantage les parties imprimées (par exemple, de fabriquer des capteurs sur leurs surfaces).
Contrairement à l’impression 3D, l’impression des processus pour atteindre telle une fonctionnalisation (e.g., écran et impression jet d’encre) couverture limité des hauteurs de l’objet de moins de 100 nm9 jusqu'à quelques micromètres et sont, donc, souvent aussi appelés 2,5 D-impression. alternativement, solutions laser pour la modélisation à haute résolution ont également été proposées10,11. Un examen approfondi des processus d’impression, température des nanoparticules de fonte le thermiquement dépendante, et les applications est donnée par Ko12.
Bien que la sérigraphie est bien établie dans la littérature13,14, impression jet d’encre offre une meilleure capacité d’upscaling, avec une résolution accrue pour l’impression de plus petites tailles de fonctionnalité. En outre, c’est une méthode d’impression numérique, sans contact permettant le dépôt flexible de matériaux fonctionnels sur trois dimensions. Par conséquent, notre travail est axé sur l’impression à jet d’encre.
Technologie d’impression jet d’encre a déjà été utilisée dans la fabrication d’électrodes de détection de métal (argent, or, platine, etc.). Domaines d’application incluent la température mesure15,16, pression et souche télédétection17,18,19et biodétection20,21, ainsi que gaz ou vapeur analyse22,23,24. Le durcissement de telles structures imprimées avec extension de hauteur limitée peut être fait en utilisant diverses techniques, basés thermique25, micro-ondes26, électrique27, laser28et photoniques29 principes.
Polymérisation photoniques pour les structures à jet d’encre permet aux chercheurs d’utiliser des encres de haute énergies, curables, conducteurs sur substrats avec une résistance de basse température. Exploitant cette circonstance, la combinaison de 2.5 processus D et 3D-impression peuvent être utilisés pour fabriquer des prototypes très flexibles dans le domaine de l’emballage intelligent30,31,32 et détection intelligente.
La conductivité des substrats métalliques imprimés 3D présente un intérêt pour le secteur de l’aérospatiale, ainsi que pour le secteur médical. N’améliore pas seulement la stabilité mécanique de certaines parties, il est bénéfique en champ proche ainsi que la détection capacitive. Un boîtier en métal imprimé 3D fournit supplémentaire blindage/gardiennage du capteur frontal puisqu’elle peut être connectée électriquement.
L’objectif est de fabriquer des dispositifs utilisant la technologie AM. Ces dispositifs devraient fournir une résolution suffisamment élevée dans la mesure qu’ils sont employés pour (souvent à la micro - ou nano) et, en même temps, ils devraient s’acquitter de normes élevées concernant la qualité et la fiabilité.
Il a été démontré que la technologie AM présente à l’utilisateur avec suffisamment de flexibilité pour fabriquer des conceptions optimisées33,34 , qui améliorent la qualité globale de mesure qui peut être atteints. En outre, la combinaison de polymères et d’impression jet d’encre simple couche a été présentée dans la précédente recherche35,36,37,38.
Dans ce travail, les études disponibles sont étendus, et un examen sur les propriétés physiques des substrats AM, avec un focus sur les métaux et leur compatibilité avec l’impression jet d’encre multicouche et durcissement photoniques est fourni. Complémentaire Figure 1donne une conception exemplaire bobine multicouche. Les résultats sont utilisés pour fournir des stratégies pour l’impression jet d’encre des structures multicouches capteur sur substrats métalliques AM.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>PiXDRO LP 50</td>
			<td>Meyer Burger AG</td>
			<td></td>
			<td>Inkjet-Printer with dual-head assembly.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SM-128 Spectra S-class</td>
			<td>Fujifilm Dimatix</td>
			<td></td>
			<td>Printheads with nozzle diameter of 50 &#181;m, 50 pL calibrated dropsize and 800 dpi maximum resolution.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DMC-11610/DMC-11601</td>
			<td>Fujifilm Dimatix</td>
			<td></td>
			<td>Disposable printheads with nozzle diameter 21.5 &#181;m, 1 or 10 pL calibrated dropsize</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sycris I50DM-119</td>
			<td>PV Nanocell</td>
			<td></td>
			<td>Conductive silver nanoparticle ink with 50 wt.% silver loading, with an average particle size of 120 nm, in triethylene glycol monomethyl ether.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Solsys EMD6200</td>
			<td>SunChemical</td>
			<td></td>
			<td>Insulating, low-k dielectric ink which is a mixture of acrylate-type monomers. Viscosity is 7-9 cps.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dycotec DM-IN-7002-I</td>
			<td>Dycotec</td>
			<td></td>
			<td>UV curable insulator, Surface Tension: 37.4 mN/m</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dycotec DM-IN-7003C-I</td>
			<td>Dycotec</td>
			<td></td>
			<td>UV curable insulator, Surface Tension: 29.7 mN/m</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dycotec DM-IN-7003-I</td>
			<td>Dycotec</td>
			<td></td>
			<td>UV curable insulator, Surface Tension: 31.4 mN/m</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dycotec DM-IN-7004-I</td>
			<td>Dycotec</td>
			<td></td>
			<td>UV curable insulator, Surface Tension: 27.9 mN/m</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pulseforge 1200</td>
			<td>Novacentrix</td>
			<td></td>
			<td>Photonic curing/sintering equipment.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DektatkXT</td>
			<td>Bruker</td>
			<td></td>
			<td>Stylus Profiler with stylus tip of 12.5 &#181;m diameter and constant force of 4 mg.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>C4S</td>
			<td>Cascade Microtech</td>
			<td></td>
			<td>Four-point-probe measurement head.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>2000</td>
			<td>Keithley</td>
			<td></td>
			<td>Multimeter to evaluate the measurements using the four-point-probe.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Helios NanoLab600i</td>
			<td>FEI</td>
			<td></td>
			<td>Focused Ion Beam analysis station which provides high-energy gallium ion milling.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SeeSystem</td>
			<td>Advex Instruments</td>
			<td></td>
			<td>Water contact angle measurement device.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Projet 3500 HDMax</td>
			<td>3D Systems</td>
			<td></td>
			<td>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</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Polytec PU 1000</td>
			<td>Polytec PT</td>
			<td></td>
			<td>Electrically conductive adhesive based on Polyurethane, available</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Microdispenser</td>
			<td>Musashi</td>
			<td></td>
			<td>Needle for microdispensing.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Micro-assembly station</td>
			<td>Finetech</td>
			<td></td>
			<td>Equipment for assembly of, e.g., printed circuit boards (PCBs) and placing of chemicals (e.g. solder) and SMD parts.</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

hybrid printing for the fabrication of smart sensors

Une méthode pour combiner de manière additive fabriqué des clichés ou des substrats et impression jet d’encre multicouches pour la fabrication de dispositifs de détection est présentée. Tout d’abord, trois substrats (acrylate d’éthyle, céramiques et cuivre) sont préparés. Pour déterminer les propriétés matérielles résultantes de ces substrats, profilomètre, angle de contact, microscope électronique à balayage (SEM) et ionique focalisé faisceau (FIB) mesures sont effectuées. La résolution d’impression accessible et le volume de la goutte adapté pour chaque substrat, puis, se trouvent à travers les épreuves de taille de chute. Puis, couches d’encre isolant et conducteur sont jet d’encre imprimée en alternance pour fabriquer les structures de capteur cible. Après chaque étape de l’impression, les couches respectives sont individuellement traités par polymérisation photoniques. Les paramètres utilisés pour le séchage de chaque couche sont adaptés selon l’encre imprimée, ainsi que sur les propriétés de surface du substrat respectif. Pour confirmer la conductivité qui en résultent et de déterminer la qualité de la surface imprimée, sonde de quatre points et profilomètre mesures sont effectuées. Enfin, une mise en place de mesures et les résultats obtenus par un tel système de capteur de tous les imprimés sont indiquées pour démontrer la qualité réalisable.

Partir des images de SEM illustrés à la Figure 1, on peut tirer des conclusions sur l’imprimabilité sur les substrats respectifs. Les barreaux de l’échelle sont différentes en raison des différentes gammes de la rugosité de surface. Dans la Figure 1 a, la surface du substrat cuivre apparaît, qui est de loin la plus lisse. Figure 1 c, en revanche, montre en acier, un substrat qui n’est p...

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Hybrid Printing for the Fabrication of Smart Sensors

Hybride d’impression pour la Fabrication de capteurs intelligents

Nous présentons ici un protocole pour la fabrication de structures de capteur multicouches à jet d’encre sur les substrats additivement manufacturés et clinquant.

A method to combine additively manufactured substrates or foils and multilayer inkjet printing for the fabrication of sensor devices is presented. First, ...

Nous nous concentrons sur la combinaison de substrats imprimés 3D et d’impression à jet d’encre qui fait l’objet de recherches approfondies. Nous croyons que leur combinaison peut permettre un concept complet et normal de système de censure dans les lignes de production automatisées en robotique collaborative. Ainsi, le principal avantage de cette technique est son utilisation.Bien qu’il soit encore assure une haute qualité des mesures obtenues. Qui sont réunis avec les prototypes du système de télé-adoption. Lors de la combinaison de l’impression 3D et jet d’encre pour la fonctionnalisation.Il est important de tenir compte des propriétés du substrat ainsi que des propriétés d’encre pour les couches individuelles. En outre, la dose de séchage dépend d’une combinaison des deux. Fabriquez le substrat en céramique par la technologie de fabrication de céramique basée sur la lithographie.Pour fabriquer des interconnexions sur des substrats non conductrices, distribuez l’adhésif conductrice curable à basse température, avec un micro-distributeur de pression de temps monté sur une station de micro-assemblage dans les vias appropriés des pièces imprimées. Laissez sécher les interconnexions fabriquées pendant dix minutes à vingt-trois degrés Celsius et avec une pression ambiante. Après la préparation du système d’impression à jet d’encre et l’inspection des propriétés de surface pour la capacité d’impression tel que décrit dans le protocole texte.Fixez le substrat sur la table du substrat à l’aide de ruban adhésif et marquez sa position de façon appropriée. Ajustez la buse et les paramètres d’impression dans les paramètres de l’interface logicielle en modifiant les propriétés de la tête d’impression dans l’interface logicielle des imprimantes. Déplacez la tête d’impression vers la position de vue de chute à l’aide de l’option aller pour laisser tomber la position de vue dans l’interface logicielle des imprimantes et observez le mouillage de l’encre.Si nécessaire, ajustez les paramètres d’impression pour optimiser le jetting. Choisissez la buse qui éjecte des gouttes d’encre bien définies et homogènes pour l’impression. Entrez le numéro de la buse choisie dans les préférences des imprimantes.Effectuez les tests de taille de chute pour déterminer la taille d’une goutte imprimée sur le substrat pour ce faire imprimer un modèle de chute à l’aide d’une configuration d’imprimante connue. Déterminez la taille de chute atteinte, à l’aide d’un microscope calibré ou du système de caméra intégré de l’imprimante. Assurez-vous que la résolution d’impression utilisée par la suite est appropriée pour que l’encre observée mouiller pour fabriquer une surface homogène et fermée.Imprimez plusieurs structures avec une couche d’encre utilisée pour la première couche d’appareil sur un substrat factice. Utilisez le processus de séchage photonique pour l’encre isolante sur le substrat métallique. Ouvrez le plateau de l’équipement photonique contenant la table de substrat.Déplacez l’échantillon sur la table de substrat de l’équipement photonique de séchage et fixez-le en conséquence. Ajustez la hauteur de la table de substrat de l’équipement à l’aide du fuseau de table pour déplacer l’échantillon vers le plan de mise au point de l’équipement de séchage. Fermez le plateau, ajustez le profil de séchage tel que recommandé par le fournisseur pour le matériel imprimé et l’interface logicielle de l’équipement et appuyez sur le bouton de démarrage.Ajustez la buse et les paramètres d’impression tels que décrits dans le protocole de texte, puis effectuez l’impression. Répétez l’impression d’une couche d’encre jusqu’à ce que l’homogénéité de l’impression soit satisfaisante. Contrôler l’homogénéité de la couche imprimée à l’aide d’un microscope calibré.Ou en utilisant le système de caméra intégré de l’imprimante. Déplacez la caméra de l’imprimante vers la position d’impression et observez la qualité de l’impression donnée dans l’interface logicielle de l’imprimante. Pour l’encre d’argent sur un substrat en céramique, utiliser le séchage thermique dans un four.Comme recommandé avec l’encre. Pour guérir l’encre électrique de teinture imprimée, utilisez l’équipement photonique de séchage avec une tension bancaire de 200 volts et avec des impulsions d’une milliseconde, et répétez les impulsions huit fois à une fréquence d’un hertz. Effectuez des mesures de profilomètre pour déterminer la rugosité et l’épaisseur de la couche imprimée.Mettez l’échantillon sur la table de substrat du profilomètre. S’il n’est pas aiguisé, aiguisez la tête de mesure à l’aide du bouton respectif du logiciel. Choisissez la résolution et la zone, qui doivent être cartographiées.Placez la tête de mesure à la position de départ et commencez la mesure. À la fin de la mesure, vérifiez la cohérence du résultat et enregistrez les données. Après ajustement de l’imprimante et paramètres de séchage, pour les couches ultérieures telles que décrites dans le protocole de texte.Fixer la sustrate sur la table de substrat à la position précédemment marquée. Ajustez la buse et les paramètres d’impression comme avant. Sélectionnez le point de référence approprié pour imprimer le motif et assurez-vous que les motifs imprimés sont bien alignés les uns avec les autres afin d’assurer une fonctionnalité appropriée de l’appareil par la suite.Chargez le fichier SVG respectif avec une résolution et une taille appropriées. Effectuez l’impression. Répétez la peintine d’une couche d’encre jusqu’à ce que l’homogénéité de l’impression soit satisfaisante.Contrôler l’homogénéité de la couche imprimée au microscope. Ici, le système de caméra intégré de l’imprimante est utilisé. Utilisez le séchage photonique uniquement pour le durcissement de cette couche.Utilisez les paramètres déterminés à l’avance, pour une couche isolante ou une couche conductrice sur l’isolateur. Après le séchage, contrôler les propriétés électriscales et structurelles de la couche imprimée. Pour déterminer si la plage de conductivité de la couche conductrice est acceptable, utilisez un multimitor.Déterminer la qualité de surface des substrats imprimés en 3D. L’analyse de microscopie électronique de balayage sont faites. La surface du substrat de cuivre est montrée, qui est de loin la plus lisse.Inversement, l’acier comme substrat qui n’est pas utilisable pour l’impression à jet d’encre, en raison de la porosité élevée et l’angle de contact instable. En outre, sont montrés des images SEM du substrat en bronze et la surface de l’échantillon de titane. Les tracts conductrices du substrat céramique à base d’aluminium ont une bonne homogénéité de surface.Aussi visualisé ici que la douceur des courbes bleues. En outre, les surfaces qui perduent leur intégrité structurelle peuvent être identifiées par les grands gradients dans leurs profils de hauteur. Ces résultats de mesure sont recueillis à l’aide d’un démonstrateur, qui utilise un principal de détection capacitif.Ici, la douceur des courbes illustre la haute qualité réalisable malgré les déficiences structurelles qui pourraient résulter des processus d’impression. Les étapes les plus cruciales sont d’assurer une homogénéité suffisante et de contrôler les propriétés de surface des structures imprimées. Ces mesures sont des facteurs habilitants cruciaux pour les étapes ultérieures.La combinaison de substrats imprimés 3D et d’impression à jet d’encre comme moyen de fonctionnalisation est d’une grande importance commence le développement de futurs dispositifs robotiques et la production automatisée. Ces techniques permettent d’utiliser la fabrication de systèmes de capteurs adaptables pour la modernisation et dans des systèmes conformes. Qui sont considérés comme l’avenir de la robotique collaborative.

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