DE-112019007106-B4 - Hochempfindlicher, flexibler Dehnungssensor basierend auf Direktdruck einer Mischung von Metallnanopartikeln und Kohlenstoffnanoröhrchen und Verfahren zum Herstellen eines solchen

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Abstract

Verfahren zum Herstellen eines flexiblen Dehnungssensors, aufweisend: Platzieren eines flexiblen Substrats auf einer bewegbaren Bühne in einer Arbeitskammer, in welcher die bewegbare Bühne, die für eine erwünschte Bewegung gemäß einem Steuersignal geeignet ist, und eine Düse, welche dazu geeignet ist, in Richtung einer oberen Oberfläche der bewegbaren Bühne zu spritzen, darin installiert sind, und mit welcher eine erste Drucksteuereinheit, welche dazu geeignet ist, einen Innendruck der Arbeitskammer zu steuern, kombiniert ist, und Vorbereiten einer Druckmaterialmischung, welche aufweist Metallnanopartikel und Kohlenstoffnanoröhrchen (CNTs) in einer Form von Pulver, welches in einen Druckmaterialtank eingeführt werden soll, welcher bereitgestellt ist mit einem oberen Auslass, der mit einer Düse durch eine erste Kommunikationsleitung kommuniziert, und einem unteren Einlass, mit welchem eine zweite Drucksteuereinheit, welche dazu geeignet ist, Druck zu steuern, kombiniert ist, Steuern, mittels einer Steuereinheit, einer Bewegung der bewegbaren Bühne mittels Bereitstellens eines vorbestimmten Bewegungssteuersignals an die bewegbare Bühne, um das flexible Substrat mit einer erwünschten Geschwindigkeit entlang eines Pfads zu bewegen, welcher einem vorbestimmten Leiterbahnmuster eines Dehnungssensors entspricht, Ausbilden einer relativen Niedrigdruckatmosphäre innerhalb der Arbeitskammer mittels Betreibens der ersten Drucksteuereinheit und zugleich einer relativen Hochdruckatmosphäre an einem unteren Einlass des Druckmaterialtanks mittels Betreibens der zweiten Drucksteuereinheit, parallel zu dem Steuern der Bewegung der bewegbaren Bühne, zwangsweise Übermitteln der Druckmaterialmischung in einem aerosolierten Zustand durch die erste Kommunikationsleitung vom Druckmaterialtank, um durch die Düse in Richtung einer Oberfläche des flexiblen Substrats mittels einer Kompressionswelle ausgespritzt zu werden, welche mittels einer Druckdifferenz zwischen der Niedrigdruckatmosphäre und der Hochdruckatmosphäre verursacht ist, Direktdrucken eines vorbestimmten Leiterbahnmusters des Dehnungssensors auf das flexible Substrat durch einen Prozess, in welchem die Druckmaterialmischung, welche durch die Düse ausgespritzt wird, mit der Oberfläche des flexiblen Substrats kollidiert, um Risse auf der Oberfläche zu erzeugen, und die CNTs in die Risse eindringen und mechanisch mit dem flexiblen Substrat verankert werden und dann folgende Metallnanopartikel und CNTs der Druckmaterialmischung in einer vorbestimmten Breite und Höhe auf der Oberfläche des flexiblen Substrats abgeschieden werden, Verbinden eines ersten und eines zweiten Zuleitungsdrahtes, welche sich elektrisch erstrecken, um vom flexiblen Substrat vorzustehen, mit beiden Enden des vorbestimmten Leiterbahnmusters des Dehnungssensors und Binden einer flexiblen Abdeckung, welche dieselbe Größe hat wie das flexible Substrat, an die Oberfläche des flexiblen Substrats, auf welches das vorbestimmte Leiterbahnmuster gedruckt ist, sodass das vorbestimmte Leiterbahnmuster zwischen dem flexiblen Substrat und der flexiblen Abdeckung eingeschoben ist.

Inventors

Sunghoon Ahn
Soohong Min
Gilyong Lee

Assignees

SEOUL NATIONAL UNIVERSITY R&DB FOUNDATION

Dates

Publication Date: 20260507
Application Date: 20190806
Priority Date: 20190328

Claims (13)

Verfahren zum Herstellen eines flexiblen Dehnungssensors, aufweisend: Platzieren eines flexiblen Substrats auf einer bewegbaren Bühne in einer Arbeitskammer, in welcher die bewegbare Bühne, die für eine erwünschte Bewegung gemäß einem Steuersignal geeignet ist, und eine Düse, welche dazu geeignet ist, in Richtung einer oberen Oberfläche der bewegbaren Bühne zu spritzen, darin installiert sind, und mit welcher eine erste Drucksteuereinheit, welche dazu geeignet ist, einen Innendruck der Arbeitskammer zu steuern, kombiniert ist, und Vorbereiten einer Druckmaterialmischung, welche aufweist Metallnanopartikel und Kohlenstoffnanoröhrchen (CNTs) in einer Form von Pulver, welches in einen Druckmaterialtank eingeführt werden soll, welcher bereitgestellt ist mit einem oberen Auslass, der mit einer Düse durch eine erste Kommunikationsleitung kommuniziert, und einem unteren Einlass, mit welchem eine zweite Drucksteuereinheit, welche dazu geeignet ist, Druck zu steuern, kombiniert ist, Steuern, mittels einer Steuereinheit, einer Bewegung der bewegbaren Bühne mittels Bereitstellens eines vorbestimmten Bewegungssteuersignals an die bewegbare Bühne, um das flexible Substrat mit einer erwünschten Geschwindigkeit entlang eines Pfads zu bewegen, welcher einem vorbestimmten Leiterbahnmuster eines Dehnungssensors entspricht, Ausbilden einer relativen Niedrigdruckatmosphäre innerhalb der Arbeitskammer mittels Betreibens der ersten Drucksteuereinheit und zugleich einer relativen Hochdruckatmosphäre an einem unteren Einlass des Druckmaterialtanks mittels Betreibens der zweiten Drucksteuereinheit, parallel zu dem Steuern der Bewegung der bewegbaren Bühne, zwangsweise Übermitteln der Druckmaterialmischung in einem aerosolierten Zustand durch die erste Kommunikationsleitung vom Druckmaterialtank, um durch die Düse in Richtung einer Oberfläche des flexiblen Substrats mittels einer Kompressionswelle ausgespritzt zu werden, welche mittels einer Druckdifferenz zwischen der Niedrigdruckatmosphäre und der Hochdruckatmosphäre verursacht ist, Direktdrucken eines vorbestimmten Leiterbahnmusters des Dehnungssensors auf das flexible Substrat durch einen Prozess, in welchem die Druckmaterialmischung, welche durch die Düse ausgespritzt wird, mit der Oberfläche des flexiblen Substrats kollidiert, um Risse auf der Oberfläche zu erzeugen, und die CNTs in die Risse eindringen und mechanisch mit dem flexiblen Substrat verankert werden und dann folgende Metallnanopartikel und CNTs der Druckmaterialmischung in einer vorbestimmten Breite und Höhe auf der Oberfläche des flexiblen Substrats abgeschieden werden, Verbinden eines ersten und eines zweiten Zuleitungsdrahtes, welche sich elektrisch erstrecken, um vom flexiblen Substrat vorzustehen, mit beiden Enden des vorbestimmten Leiterbahnmusters des Dehnungssensors und Binden einer flexiblen Abdeckung, welche dieselbe Größe hat wie das flexible Substrat, an die Oberfläche des flexiblen Substrats, auf welches das vorbestimmte Leiterbahnmuster gedruckt ist, sodass das vorbestimmte Leiterbahnmuster zwischen dem flexiblen Substrat und der flexiblen Abdeckung eingeschoben ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1 , wobei das flexible Substrat und die flexible Abdeckung die gleiche Shore-Härte von 10 bis 70 basierend auf Shore A haben oder die gleiche Shore-Härte von 22 oder weniger basierend auf Shore D haben.
Verfahren gemäß Anspruch 1 , wobei das flexible Substrat und die flexible Abdeckung aus Polydimethylsiloxan (PDMS) hergestellt sind.
Verfahren gemäß Anspruch 1 , wobei das vorbestimmte Leiterbahnmuster eine Mehrzahl an linearen Leiterbahnen aufweist, welche sich jeweils linear mit einer vorbestimmten Länge in eine erste Richtung erstrecken, und die Mehrzahl an linearen Leiterbahnen nebeneinander angeordnet sind, um eine Reihenschaltung auszubilden, während eine vorbestimmte Distanz zwischen einander in einer zweiten Richtung senkrecht zur ersten Richtung aufrechterhalten wird, und wobei eine Querschnittsstruktur der Mehrzahl an linearen Leiterbahnen aufweist eine Keimschicht, welche mechanisch an der Oberfläche des flexiblen Substrats verankert ist, welche ausgebildet ist, indem die CNTs dazu gebracht werden, in die unregelmäßig auf der Oberfläche des flexiblen Substrats ausgebildeten Risse einzudringen und sich darin zu fixieren; und eine Mischschicht der Metallnanopartikel und der CNTs, welche mittels Abscheidens der Metallnanopartikel und der CNTs auf der Keimschicht ausgebildet ist, um eine bestimmte Breite und Höhe zu haben.
Verfahren gemäß Anspruch 1 , wobei das Direktdrucken des vorbestimmten Leiterbahnmusters aufweist: Ausbilden einer Keimschicht, welche mechanisch an der Oberfläche des flexiblen Substrats verankert ist, indem die Druckmaterialmischung der Metallnanopartikel und der CNTs von der Düse dazu gebracht wird, mit der Oberfläche des flexiblen Substrats zu kollidieren, um unregelmäßige Risse auszubilden, sodass die CNTs in die Risse auf der Oberfläche des flexiblen Substrats eindringen und sich darin fixieren; und Drucken des vorbestimmten Leiterbahnmusters auf die Oberfläche des flexiblen Substrats mittels Aufbringens der Druckmaterialmischung, welche nachfolgend auf die Keimschicht mit einer hohen Geschwindigkeit gespritzt wird, um auf der Keimschicht in einer vorbestimmten Breite und Höhe abgeschieden zu werden durch Binden mit den CNTs der Keimschicht.
Verfahren gemäß Anspruch 5 , wobei das Direktdrucken des vorbestimmten Leiterbahnmusters aufweist: Überwachen, mittels einer Überwachungseinheit, einer Größe der Druckmaterialmischung, die auf der Oberfläche des flexiblen Substrats abgeschieden wird, um der Steuereinheit bereitgestellt zu werden; und Steuern, mittels der Steuereinheit, einer Bewegungsgeschwindigkeit der bewegbaren Bühne, auf welcher das flexible Substrat platziert ist, basierend auf den überwachten Informationen von der Überwachungseinheit.
Verfahren gemäß Anspruch 1 , wobei die relative Niedrigdruckatmosphäre in der Arbeitskammer eine Druckatmosphäre von 1 Torr (133,322 Pa) bis 10 Torr (13,3322 Pa) ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1 , wobei das Steuern der Bewegung der bewegbaren Bühne aufweist Anpassen, mittels der Steuereinheit, einer Distanz von der Düse zur bewegbaren Bühne, sodass die Druckmaterialmischung aerodynamisch auf die Oberfläche des flexiblen Substrats fokussiert ist, wenn die Druckmaterialmischung durch die Düse ausgespritzt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1 , wobei das Mischverhältnis zwischen den Metallnanopartikeln und den CNTs in der Druckmaterialmischung in einem Bereich von 60 Gew.-% - 90 Gew.-% zu 40 Gew.-% - 10 Gew.-% ist.
Flexibler Dehnungssensor, aufweisend: ein flexibles Substrat, ein vorbestimmtes Leiterbahnmuster, welches auf eine Oberfläche des flexiblen Substrats direktgedruckt ist, und eine flexible Abdeckung, welche die Oberfläche des flexiblen Substrats, auf welche das vorbestimmte Leiterbahnmuster gedruckt ist, abdeckt und daran gebunden ist, sodass das vorbestimmte Leiterbahnmuster zwischen der flexiblen Abdeckung und dem flexiblen Substrat eingeschoben ist, wobei das vorbestimmte Leiterbahnmuster eine Mehrzahl an linearen Leiterbahnen aufweist, welche sich jeweils linear mit einer vorbestimmten Länge in einer ersten Richtung erstrecken, und die Mehrzahl an linearen Leiterbahnen nebeneinander angeordnet sind, um eine Reihenschaltung auszubilden, während eine vorbestimmte Distanz zwischen einander in einer zweiten Richtung senkrecht zur ersten Richtung aufrechterhalten wird, und wobei eine Querschnittsstruktur der Mehrzahl an linearen Leiterbahnen aufweist eine Keimschicht, welche mechanisch an der Oberfläche des flexiblen Substrats verankert ist und ausgebildet ist, indem Kohlenstoffnanoröhrchen (CNTs) dazu gebracht werden, in Risse, welche auf der Oberfläche des flexiblen Substrats ausgebildet sind, einzudringen und sich darin zu fixieren; und eine Mischschicht von Metallnanopartikeln und der CNTs, welche ausgebildet ist mittels Abscheidens der Metallnanopartikel und der CNTs auf der Keimschicht, um eine vorbestimmte Breite und Höhe zu haben.
Flexibler Dehnungssensor gemäß Anspruch 10 , wobei das flexible Substrat und die flexible Abdeckung die gleiche Shore-Härte von 10 bis 70 basierend auf Shore A haben oder die gleiche Shore-Härte von 22 oder weniger basierend auf Shore D haben.
Flexibler Dehnungssensor gemäß Anspruch 10 , wobei das flexible Substrat und die flexible Abdeckung aus Polydimethylsiloxan (PDMS) hergestellt sind.
Flexibler Dehnungssensor gemäß Anspruch 10 , wobei das Mischverhältnis zwischen den Metallnanopartikeln und den CNTs in der Mischschicht in einem Bereich von 60 Gew.-% - 90 Gew.-% zu 40 Gew.-% - 10 Gew.-% ist.

Description

HINTERGRUND 1. Technisches Gebiet Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Herstellungstechnologie eines Dehnungssensors, und insbesondere der Technologie des Herstellens eines Dehnungssensors mittels Direktdruckens einer Mischung von leitfähigen Nanopartikeln und Kohlenstoffnanoröhrchen (CNTs) auf ein flexibles Substrat. 2. Diskussion der verwandten Technik Der Dehnungssensor, auch ein Dehnungsmesser genannt, ist ein Sensor zum Messen einer Veränderung einer Länge, wie z.B. Verlagerung oder Deformierung eines Objekts, und wird dazu verwendet, kleinste Verlagerungen in den meisten Fällen zu detektieren. Der Dehnungssensor ist im Allgemeinen aus einem Widerstand aufgebaut und wird in einer Form verwendet, welche an einem zu messenden Objekt befestigt ist und die physikalische Dehnung des Objekts in ein elektrisches Signal zum Messen konvertiert. Wenn ein Widerstand des Dehnungssensors aufgrund der Deformierung des zu messenden Objekts derart deformiert wird, dass er lang und dünn wird, kann ein Widerstand des Widerstands zunehmen. Wenn er dicker und kürzer wird, verringert sich sein Widerstandswert. Deshalb, mittels Messens der Veränderung des Widerstandswerts des Dehnungssensors, ist es möglich eine kleinste Deformierung des zu messenden Objekts zu messen. Für den Dehnungssensor sind Empfindlichkeit und Messbereich wichtige Leistungsindikatoren. Er sollte empfindlich den Deformierungsgrad des zu messenden Objekts messen können. Ein Dehnungssensor mit guter Empfindlichkeit kann akkurat den Deformierungsgrad des zu messenden Objekts messen. Abhängig von den Eigenschaften des zu messenden Objekts kann der Deformierungsgrad hoch sein. Um auf ein solches zu messendes Objekt angewendet zu werden, muss der Messbereich des Dehnungssensors groß genug sein, um den Deformierungsbereich des zu messenden Objekts ausreichend abzudecken. Es muss ein Dehnungssensor entwickelt werden, der diese beiden Faktoren gut erfüllt. Zusätzlich ist eine Technik zum Drucken von Leiterbahnen, welche ein Messgitter eines Dehnungssensors auf einem Substrat ausmachen, mittels eines Tintenstrahldruckverfahrens bekannt. Jedoch erfordert das Verfahren zum Herstellen des Dehnungssensors mittels des üblichen Tintenstrahldruckverfahrens eine vorbestimmte chemische Nachbehandlung nach dem Drucken. Dies liegt daran, dass, aufgrund der Eigenschaften des Tintenstrahldruckverfahrens, zusätzlich zu Metallnanopartikeln ein organisches Lösemittel zum rohen Tintenmaterial zugesetzt wird. Zusätzlich muss die Leiterbahn des Dehnungssensors fest an das Substrat gebunden sein. Die Deformierung des zu messenden Objekts wird zur Leiterbahn durch das Substrat übertragen. Trotz häufiger Deformierung oder großer Deformierung des zu messenden Objekts muss der Bindungszustand zwischen der Leiterbahn und dem Substrat gut erhalten bleiben. Üblicherweise, wenn flüssige Tinte mit einem organischen Lösemittel vermischt als ein Material für die Leiterbahn verwendet wird, wird die flüssige Tinte einfach auf die Oberfläche des Substrats aufgetragen und dann durch chemische Nachbehandlung und Wärmebehandlungsprozess getrocknet, sodass die Leiterbahn an das Substrat gebunden wird. Bei dieser Art des Bindens kann die Leiterbahn nicht in die Oberfläche des Substrats eindringen und somit kann die Bindung der mechanisch und fest verankerten Strukturen miteinander nicht erreicht werden. Wenn die Anzahl oder der Grad der Expansion und Kontraktion des Substrats gemäß der Deformierung des zu messenden Objekts zunimmt, kann die Bindungsbeständigkeit zwischen dem Substrat und der Leiterbahn geschwächt werden. Übliche Techniken zum Herstellen des Dehnungssensors können lediglich einen Teil von hoher Empfindlichkeit, einem weiten Messbereich und hoher Beständigkeit aufgrund einer starken Kopplung zwischen den Leiterbahnen und dem Substrat erfüllen, aber nicht alles davon gleichzeitig. Es scheint, dass dies daran liegt, dass das optimale Material und Herstellungsverfahren, welche diese Bedingungen gleichzeitig erfüllen können, nicht gefunden worden sind. Zum Stand der Technik werden folgende Druckschriften genannt: US 2015 / 0 174 909 A1, US 2017 / 0 226 362 A1. KURZFASSUNG Einige Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung stellen ein Verfahren zum Herstellen eines Dehnungssensors mit Erfassungseigenschaften bereit, welcher aufgrund seiner exzellenten Empfindlichkeit akkurat die Deformierung eines zu messenden Objekts messen und wegen seines breiten Messdeformierungsbereichs auch bei einem Objekt mit einem breiten Deformationsgrad angewendet werden kann. Zusätzlich wird die vorliegende Offenbarung den Dehnungssensor bereitstellen, welcher durch dieses Verfahren hergestellt ist. Einige Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung stellen ein Verfahren zum Herstellen eines Dehnungssensors bereit, der einfach hergestellt werden kann ohne die Notwendigkeit einer chemischen Nachbehandlung und separaten Wärmebehandlung, mittels aerodynamischen Spritzens einer pulverförmigen Druc