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BayWISS-Kolleg Produktionstechnik www.baywiss.de

Projekte im Kolleg Produktionstechnik

Alternative Verdichtungsverfahren für die Herstellung gedruckter resistiver Sensorik

In dieser Arbeit werden Wechselwirkungen zwischen Materialien (Substratmaterialart, dielektrischen Materialien, funktionellen Tinten), Druckprozessen (Digitaldruck vs. Siebdruck) und Nachbehandlungsstrategien (Trocknen, Verdichten mit photonischen Verfahren) untersucht, um zu klären welche Wechselwirkungen signifikanten Einfluss auf Sensorkennwerte sowie Lebensdauer aufweisen.

Eine genauere Analyse des Standes der Technik zeigt unter anderem Erkenntnisdefizite in folgenden Bereichen auf:
• Druckbarkeit: Bis dato wurde vornehmlich Ag als Material für gedruckte resistive Sensorstrukturen eingesetzt. Aufgrund seiner guten Leitfähigkeit geht damit aber die Notwendigkeit einer sehr genauen und präzisen Applikation (Strukturbreiten von unter 100 μm) einher Strukturlängen im Bereich zwischen 40 mm bis über 120 mm zur Erzielung der gewünschten Widerstandswerte erforderlich. Dies erfordert vertiefte Untersuchungen von digitalen Drucktechniken wie dem Aerosoljetdruck, der feine Linien im Bereich 20 μm bis 50 μm ermöglicht. Mittlerweile gibt es auf dem Markt Konstantan-Legierungen (CuNi) als Tinten oder Pasten, die kaum untersucht wurden. Dieses Funktionsmaterial ist besonders interessant, da Messgitter kommerziell verfügbarer Folien-DMS aus sehr ähnlichen Legierungen bestehen. Hierdurch wäre ein direkter Vergleich zwischen kommerziellen Folien-DMS und gedruckten DMS möglich. Alternative Materialien mit geringeren spezifischen Leitfähigkeiten wie leitfähige Polymere oder carbonhaltige Materialien wurden bisher wenig untersucht.
• Prozessstabilität: Aus publizierten Ergebnissen ist nicht ersichtlich, wie reproduzierbar ein Druckprozess ist, um Sensoren mit bestimmten elektrischen Eigenschaften zu erzeugen.
• Dielektrikum: Bei metallischen Messobjekten ist zwischen sensierender Schicht und Messobjekt eine elektrisch isolierende Schicht notwendig. Insbesondere gibt es hier Erkenntnisbedarf zu:
a. Einfluss der Druck- und Nachbehandlungsstrategie auf Oberflächeneigenschaften (z.B. Rauheit).
b. Trocknen des Dielektrikums über photonische Sinterverfahren (meist sind Dielektrika weiss und stark reflektierend).
c. Haftung zwischen Dielektrikum und metallischer Oberfläche des Messobjekts.
d. Sintern sensierender Schichten auf (stark reflektierendem) Dielektrikum.
e. Wechselwirkung zwischen sensierender und isolierender Schicht (Haftung, Homogenität des Leiterquerschnitts (z.B. Engstellen durch Verfließen)).
• Sinterprozesstechnik: Gedruckte Strukturen werden meist konvektiv gesintert (Ofen). Dies erfordert metallgefüllter Funktionsmaterialien teilweise sehr hohe Sintertemperaturen und lange Prozesszeiten (≥ 200 °C, 1 h) durch zusätzliche Prozessschritte. Es wird teilweise über photonisches Sintern gedruckter Sensorik berichtet, jedoch findet dies meist außerhalb des Druckprozesses statt. Hier ist es besonders interessant zu untersuchen, ob gedruckte Sensoren in einem Multiachs-Drucksystem mit photonischen Sintermodulen bereits während bzw. unmittelbar nach dem Druck gesintert werden können.
• Sensoreigenschaften: Der erzielbare k-Faktor als eine der wesentlichen Sensoreigenschaften wird in den betrachteten Quellen sehr unterschiedlich dargestellt. So werden für den k-Faktor gedruckter Ag-Strukturen auf Basis von Nano-Silber Werte zwischen 0,35 bis etwa 10 und höher genannt. Die diesen Ergebnissen zugrundeliegenden Wirkzusammenhänge sind heute nicht endgültig verstanden.
• Sensorschutz: Es liegen bis dato kaum Aussagen über die Eignung von Passivierungsmaterialien zum Schutz der hergestellten Sensoren vor äußeren Einflüssen vor. Deshalb sollen hier Sensoren im ungeschützten sowie geschützten Zustand charakterisiert werden und dadurch der Einfluss des Schutzmaterials auf elektrische bzw. mechanische Eigenschaften ermittelt werden.
Jewgeni Roudenko FAPS: Prof. Dr.-Ing. Jörg Franke 04.10.2021 Seite 9 von 15
CMP: Prof. Dr.-Ing. Marcus Reichenberger
• Langzeitverhalten: Durchgeführte Untersuchungen des Langzeitverhaltens unter verschiedenen Belastungen wie Hochtemperaturlagerung, Temperaturwechselbelastung oder Lagerung unter feuchter Wärme führen speziell für Ag als Material für Sensorstrukturen zu widersprüchlichen Ergebnissen.
Durch diese Arbeit sollen Wechselwirkungen zwischen Materialien (Substratmaterialart, dielektrischen Materialien, funktionellen Tinten), Druckprozessen (Digitaldruck vs. Siebdruck) und Nachbehandlungsstrategien (Trocknen, Verdichten mit photonischen Verfahren) untersucht werden, um zu klären welche Wechselwirkungen signifikanten Einfluss auf Sensorkennwerte sowie Lebensdauer aufweisen. Dabei liegt der Fokus auf resistiver Sensorik auf metallischen Messobjekten. Weiterhin soll geklärt werden, ob resistive Sensoren in einer einzigen Anlage generiert werden können und wie reproduzierbar die Prozesse sind. Dadurch soll ein besseres Verständnis zur Realisierung von resistiver Sensorik auf 2D- und 3D-Oberflächen geschaffen werden.

MITGLIED IM KOLLEG

seit

Betreuer Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg:
M.Sc. Jewgeni Roudenko

Jewgeni Roudenko

Technische Hochschule Nürnberg

Koordination

Treten Sie mit uns in Kontakt. Wir freuen uns auf Ihre Fragen und Anregungen zum Verbundkolleg Produktionstechnik.

Dr. Jens Helbig

Dr. Jens Helbig

Koordinator BayWISS-Verbundkolleg Produktionstechnik

Technische Hochschule Nürnberg Georg Simon Ohm
Institut für Chemie, Material- und Produktentwicklung (OHM-CMP)
Keßlerplatz 12, Gebäude KB, Raum KB.306a
90489 Nürnberg

produktionstechnik.vk@baywiss.de