AT-Technologietag, Cicor Aerosol Jet Druck für die Produktintegration von Sensoren

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Seit einiger Zeit setzt Cicor auf additive Fertigungstechnologien wie dem Aerosol Jet Druck (AJP). AJP ermöglicht neue Fertigungskonzepte für die Herstellung von Elektronikprodukten mit integrierter Sensorik. Die Vorteile liegen in der Integration von Sensoren in kleinste Bauräume und komplexe Umgebungen.

Viele Industriebereiche zeigen einen Trend zu Miniaturisierung und Erhöhung der Funktionsdichte. Die Weiterentwicklung von etablierten Technologien der Elektronikfertigung erreicht dabei oft nur noch inkrementelle Fortschritte. Additive Fertigungstechnologien eröffnen hingegen komplett neue Fertigungskonzepte und -möglichkeiten für die Herstellung von Elektronikprodukten mit integrierter Sensorik. Um seinen Kunden dies zu ermöglichen, setzt Cicor seit einiger Zeit auf die Technologie des Aerosol Jet Drucks (englisch: Aerosol Jet Printing/AJP).

AJP ist eine kontaktlose Drucktechnologie, die es erlaubt, funktionale Tinten auf komplexe dreidimensionale Oberflächen zu drucken. Hierfür wird ein spezieller Druckkopf mittels hochgenauer Bewegungssystemen mit einem Abstand von 1 mm bis 10 mm über ein Substrat bewegt. Dabei wird Tinte in Linien auf das Substrat aufgebracht, wobei eine Linienbreite von 10 µm bis zu 1 mm erreicht wird. AJP ist in der Lage eine Vielzahl verschiedener Tinten mit einem grossen Viskositätsbereich und Partikelgehalt zu verarbeiten. Dadurch lassen sich nicht nur Leiterbahnen, sondern auch resistive, dielektrische und sogar piezoelektrische Strukturen drucken. Je nach Anwendung handelt es sich dabei meist um Tinten basierend auf Silber-, Gold- und Kohlenstoff-Partikeln oder UV-härtenden Polymeren. Der Auswahl des Substratmaterials für den AJP wird typischerweise durch die Art der Tintenaushärtung und -adhäsion Grenzen gesetzt.

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Vereinfachte Fertigung und neue Möglichkeiten mit AJP

Der Einsatz von AJP bietet je nach Anwendung verschiedene Vorteile: Im einfachsten Fall erlaubt es AJP die Fertigung eines Produkts zu vereinfachen und besser zu automatisieren. Ein Beispiel dafür sind gedruckte Dehnmessstreifen. Vorgefertigte Dehnmessstreifen können zwar kostengünstig in der Beschaffung sein, dafür aber hohe Aufwände generieren, wenn es darum geht, diese manuell auf dem Produkt anzubringen. Der direkte Druck eines Dehnmessstreifens kann vollständig automatisiert, hochpräzise und -effizient ausgeführt werden. AJP bietet auch Vorteile in der Miniaturisierung von Geräten. Durch die hohe Auflösung von bis zu 10 µm und die Möglichkeit des Drucks auf nahezu allen Oberflächen, lassen sich zum Beispiel Antennen und Sensoren direkt in Hörgerätegehäuse integrieren und im Vergleich zu anderen Lösungen signifikant Bauvolumen einsparen. AJP kann auch eine Lösung sein, um Sensoren in Produkte zu integrieren, bei denen dies mittels klassischer Elektronikfertigung nur schwer möglich ist. Ein Beispiel dafür ist in Abbildung 1 zu sehen. AJP erlaubt es Elektroden und Sensoren auf kleinsten Stahlwerkzeugen zu drucken und erlaubt es dadurch Sensorik in mechanische Werkzeuge zu integrieren, ohne deren Hauptfunktion zu kompromittieren. Einen weiteren Vorteil kann AJP im Bereich der Nachhaltigkeit liefern. Viele klassische subtraktive Fertigungstechnologien gehen mit einem enorm hohen Ressourcenbedarf einher. Die gezielte additive Fertigung mittels AJP bei moderaten Temperaturen und effizienter Tintennutzung kann hier Vorteile bieten. Generell kann AJP die meisten Vorteile bieten, wenn die Herausforderung darin besteht Sensoren in kleinsten Bauräumen und komplexen Umgebungen zu integrieren.

Die verschiedenen Arten von Sensoren, die mittels AJP realisiert werden können, sollen im Folgenden kurz aufgezeigt werden: AJP ermöglicht es sehr effizient Gold- und Platinelektroden zu drucken, die geeignet sind mittels elektrochemischer Methoden diverse Analyten zu bestimmen. Diese Elektroden 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.

Integration von Sensoren auch in stark verwinkelten Gehäusen

AJP eignet sich auch hervorragend 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 die Notwendigkeit zusätzlicher mechanischer Bauteile. Die Flexibilität von AJP erlaubt die Integration von Sensoren ohne Einschränkungen auch auf stark gekrümmten und verwinkelten Gehäusen.

Für Temperaturmessungen stehen entweder Thermistor basierte oder thermoelektrische Sensoren zur Verfügung. Mögliche Anwendungsfälle sind die permanente Messung der Köpertemperatur, die Messung im Bereich von Wunden oder auch die Kontrolle der Lagerbedingungen von Medikamenten.

Für die Messung von statischen Kräften können mittels AJP Dehnmessstreifen auf Produkte aufgedruckt werden. Für die Messung von dynamischen Kräften eignen sich hingegen oft piezobasierte Sensoren besser. Druckt man diese Sensoren zum Beispiel auf Implantate, kann man aus den Messsignalen Erkenntnisse darüber gewinnen, welchen mechanischen Belastungen diese im Körper ausgesetzt sind. Eine zusätzliche Möglichkeit ist es, eingebettete halbleiter- oder chipbasierende Sensoren anzubinden. Die Verwendung dieses Ansatzes erlaubt es diverse Sensor-ICs da in ein Produkt zu integrieren, wo sie den grössten Mehrwert liefern.

Die Aerosol Jet Technologie bietet aufgrund ihrer Flexibilität eine Vielzahl von Einsatzmöglichkeiten für die Produktintegration von Sensoren. Je nach Anwendung kann die Technologie Vorteile im Bereich der Reduktion der Fertigungskomplexität, der Miniaturisierung oder die Funktionserweiterung bieten. Auf Grund dieser Tatsachen bietet AJP enorme Möglichkeiten für die Integration von Sensoren in kleinste Bauräume und in komplexen Umgebungen.

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