Gedruckte Sensoren – Das Aerosol-Jet-Druckverfahren für hochminiaturisierte Anwendungen

Additive Fertigungsverfahren bekommen einen immer höheren Stellenwert: Durch sie können Funktionalitäten in kleinstmöglicher Art und Weise integriert werden. Die Cicor Gruppe entwickelt kundenspezifische gedruckte Elektronikanwendungen und Sensoren und setzt hierfür das Aerosol-Jet-Druckverfahren ein. Das von der Firma Optomec entwickelte Verfahren weist verglichen mit Standard-Inkjet Verfahren deutliche Vorteile hinsichtlich der erreichbaren Auflösungen der gedruckten Strukturen auf. Die verwendeten Tinten werden wahlweise mit einem pneumatischen oder einem ultraschallbasierenden Verfahren zerstäubt und damit ein Aerosol erzeugt, in dem die Tröpfchengrösse in einem Bereich zwischen 1 und 5 μm liegt. Als Trägergas dient typischerweise Stickstoff. Die Auswahl der Zerstäubungsmethode beruht auf den spezifischen Eigenschaften der zu verarbeitenden Tinte. Es gibt eine grosse Auswahl an Tinten für gedruckte Elektronikanwendungen, liegen Viskosität und Partikelgrösse im Zielbereich, können diese mit grosser Wahrscheinlichkeit mit der Aerosol-Jet-Technologie verdruckt werden.

Je nach Auswahl der Druckkopfgrösse liegen die erreichbaren Strukturbreiten zwischen 10 μm und 1 mm in einem Druckdurchlauf. Bei Bedarf können auch breitere Leiter gedruckt werden, hierbei druckt man parallele Linien die sich überlappen. Gleiches gilt für sehr hohe Anforderungen an die Präzision, hier ist es vorteilhaft, mit kleineren Druckkopfdurchmessern zu arbeiten, da hiermit eine genauere Konturierung der Strukturen erreicht wird. Die Dicke der Schichten liegt zwischen wenigen 100 nm und 10 μm, sollten grössere Werte gefordert sein, kann man mehrere Lagen Material übereinander abscheiden. Die Aushärtung der Lagen erfolgt entweder mit thermischen Methoden oder, im Fall von nichtleitenden Materialien, mit UV-Licht.

Für die Integration von Sensoren stehen 2 Lösungsansätze zur Auswahl. Entweder druckt man diese direkt auf das Bauteil, oder man nutzt die Technologie, um einen Sensor anzubinden. In beiden Fällen besteht die Möglichkeit die Zuleitungen zu den Bauteilen in den Druckvorgang zu integrieren.

In weiterer Folge werden wir Ihnen Varianten gedruckter Sensoren vorstellen und auch auf Anwendungsbeispiele eingehen.

Chemische Sensoren

Abb. 1: Chemisches Elektrodenarray gedruckt mit biokompatibler Goldtinte; Bild: Cicor GroupEs stehen chemisch inerte Gold- und Platintinten sowie auch Carbonmaterialien zur Verfügung, die als Elektrodenflächen gedruckt werden können. Die anschliessend aufgebrachten reaktiven Substanzen erzeugen in der Interaktion mit der zu prüfenden Lösung ein Messsignal, dass über die Elektroden abgeleitet wird, ohne dieses durch Abgabe von Tintenbestandteilen zu verfälschen. Diese Schichten können auf verschiedenste Trägermaterialien aufgebracht werden. Ein möglicher Anwendungsfall ist z. B. das Drucken solcher Sensoren in Mikrofluidik-Kanäle, diese werden typischerweise für Messungen in der Medizintechnik und Bioanalytik eingesetzt. Verwendet man anstatt chemisch inerter Materialien z. B. Silber- oder Kupfertinten, so können diese als Korrosionssensoren dienen. Die durch die Einwirkung von Schadgasen veränderten Widerstandswerte liefern hier Informationen über den Zustand bzw. die Restlebensdauer von Anlagen und Geräten.

Kapazitive Sensoren

Bedingt durch die Flexibilität der Aerosol-Jet-Technologie können leitfähige Strukturen auf verschiedenste Materialien aufgebracht werden. Die Technologie ist bestens geeignet für die Herstellung von kapazitiven Sensoren. Diese können z. B. auf die Innenseite von Gehäusen aufgedruckt werden und ermöglichen dadurch die Bedienung von Geräten, ohne dass man dazu zusätzliche Bauteile unterbringen muss. Werden solche Sensoren in Geräte gedruckt, die wasserdicht sein müssen, verringert sich das Risiko, dass Flüssigkeiten in das Gerät gelangen. Die Integration erfolgt nahtlos, es gibt keine Schwachstellen wie zum Beispiel Spalte oder Dichtungen, durch die es zu einem Eindringen von Feuchtigkeit kommen kann.

Eine weitere Möglichkeit ist, die gedruckten Strukturen als Näherungssensoren zu verwenden, damit erkennt das Gerät, ob es z. B. am Körper getragen wird oder nicht. Diese Funktion für Medikamenten-Dosierungssysteme, wie z. B. Insulinpumpen, genutzt werden.

Abb. 2: Auf der Innenseite eines Plastikgehäuses gedruckte Schaltung mit integrierten kapazitiven Schaltern und Wischsensoren; Bild: Covestro

Temperatursensoren

Für Temperatursensoren stehen zwei verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung. Entweder kommen sogenannte Thermistortinten zum Einsatz, bei denen das Messprinzip auf der temperaturbedingten Widerstandsänderung der Leiterstrukturen beruht. Oder es werden zwei Metalltinten gedruckt, wobei hier der thermoelektrische Effekt Anwendung findet. Mögliche Anwendungsfälle hier sind die permanente Messung der Köpertemperatur, die Messung im Bereich von Wunden oder auch die Kontrolle der Lagerbedingungen von Medikamenten.

Werden die Sensoren auf medizinische Geräte wie z. B. Bohrer, gedruckt, kann durch die Temperaturüberwachung eine Überhitzung und eine damit verbundene Gewebeschädigung verhindert werden.

Biege-, Dehnung- und Kraftsensoren

Werden spezielle Tinten, die ihren Widerstand bei Dehnung oder Biegung verändern genutzt, können diese in Bereichen Verwendung finden, wo es darum geht, diese Belastungen zu überwachen. Für die die Messung von dynamischen Kräften oder Dehnungen besteht die Möglichkeit Piezotinten zwischen zwei Elektroden aufzubringen und anhand des generierten elektrischen Signals lokale Veränderungen zu messen. Druckt man diese Dehnungssensoren zum Beispiel auf Implantate, kann man aus den Messsignalen Erkenntnisse darüber gewinnen, ob diese im Körper mechanischem Stress ausgesetzt sind. Dadurch kann der Heilungsverlauf negativ beeinflusst werden, bzw. es wird verhindert, das gewünschte Endergebnis zu erzielen.

Eingebettete Sensoren

Eine zusätzliche Möglichkeit ist, eingebettete halbleiter- oder chipbasierende Sensoren anzubinden. Diese können zum Beispiel direkt im Werkzeug positioniert und anschliessend mit Kunststoff hinterspritzt werden. Die Anbindung kann dann direkt über den Aerosol-Jet-Druck erfolgen. Die Temperaturbelastung für die Sensoren ist, verglichen mit bekannten Lötverfahren, deutlich geringer und erlaubt es, diese schonend anzubinden.

Zusammenfassung

Die Aerosol-Jet-Technologie bietet aufgrund ihrer Flexibilität eine Vielzahl an Möglichkeiten, Sensoren in verschiedenste elektronische Geräte zu integrieren, sei es durch die Anbindung von Sensorbauteilen oder durch den direkten Druck spezieller funktionaler Tinten. Die Einsatzmöglichkeiten erstrecken sich über einen grossen Bereich von Anwendungen in allen Industriesegmenten. Das gilt für hochminiaturisierte Geräte im Medizinalbereich bis hin zu Anwendungen, die in ihrem Einsatz herausfordernden Umgebungsbedingungen ausgesetzt sind. Es werden fortwährend neue Tinten entwickelt, deren Eigenschaften exakt auf den jeweiligen Anwendungsbereich abgestimmt sind. Liegt die Viskosität dieser Materialien in dem vorgegebenen Bereich und überschreitet die Partikelgrösse nicht ein bestimmtes Mass, können diese mit grosser Wahrscheinlichkeit mit dem Aerosol-Jet-Druckverfahren verarbeitet werden. Die verschiedenen Aushärte- bzw. Sintermethoden ermöglichen deren Funktionalisierung auf einem breiten Portfolio von Trägermaterialien. Um die sich durch den Einsatz dieser Technologie bietenden Möglichkeiten bestmöglich nutzen zu können, ist in der Produktentwicklung eine enge Zusammenarbeit zwischen dem Anwender und dem zukünftigen Fertigungspartner essenziell.