Die voranschreitende Miniaturisierung, beziehungsweise die Integration von immer mehr Funktionen in einem Bauteil, bringt konventionelle Fertigungsmethoden an die Grenzen des Machbaren. Die Cicor Gruppe, Bronschhofen, Schweiz, entwickelt und fertigt kundenspezifische gedruckte Elektronikanwendungen und setzt dafür das Aerosol Jet Druckverfahren ein.
Bei diesem von der US-amerikanischen Optomec Inc., Albuquerque, entwickelten Prozess werden die zu druckenden Materialien zerstäubt und als Aerosol auf die Substratoberfläche aufgebracht, dies im Gegensatz zur Inkjet-Technologie welche mit einzelnen Tintentropfen arbeitet. Für die Herstellung von Leiterstrukturen kommen typischerweise Tinten mit Metallnanopartikeln zum Einsatz, es sind jedoch eine Vielzahl anderer Tinten verfügbar, wie beispielsweise dielektrische, chemisch reaktive und nichtmetallisch leitfähige Tinten.
Abhängig von der Viskosität der Tinten stehen verschiedene Zerstäubungsverfahren zur Auswahl. Der Düsendurchmesser kann an die Auflösung der zu druckenden Strukturen angepasst werden, wodurch es möglich ist, Breiten zwischen 10 µm und 1 mm in einem Durchgang aufzubringen. Die Dicke der aufgebrachten Schichten bewegt sich in einem Bereich von mehreren 100 nm bis zu 50 µm. Für die Aushärtung der gedruckten Schichten müssen diese auf Temperaturen über 120 °C erhitzt werden. Für temperatursensitive Materialien stehen Verfahren bereit, die es ermöglichen die Strukturen selektiv zu erhitzen, dadurch nimmt das Trägermaterial keinen Schaden.
Chemische Sensoren für Mikrofluidik-Kanäle
Die moderne Medizintechnologie verlangt nach vermehrtem Einsatz von Sensoren, sei es für die Analytik von Körperflüssigkeiten, das Erkennen von Infektionen oder vereinfachter beziehungsweise permanenter Kontrolle von Vitalfaktoren wie zum Beispiel der Körpertemperatur. Durch die Vielfalt an verfügbaren Tinten, die jeweils auf den Anwendungszweck abgestimmt sind, eröffnen sich gänzlich neue Möglichkeiten, solche Sensoren herzustellen, beziehungsweise diese auch in bereits bestehende Geräte zu integrieren.
Um Sensoren zu drucken, die nicht mit den zu prüfenden Substanzen reagieren, stehen beispielsweise chemisch inerte und biokompatible Gold- und Platintinten zur Verfügung. Die Schichten lassen sich auf beliebige Trägermaterialien aufgbringen. Ein möglicher Anwendungsfall ist zum Beispiel das Drucken von Sensoren in Mikrofluidik-Kanälen. Die Elektroden werden in weiterer Folge mit Reagenzien beschichtet, die mit bestimmten Substanzen, die im zu prüfenden Medium enthalten sind, reagieren. Das so erzeugte elektrische Signal wird über die gedruckte Elektrode an die Auswerteeinheit weitergeleitet. Die Ergebnisse dieser Tests liegen in der Regel innerhalb von wenigen Minuten vor. Diese Technologie kann für verschiedenste gasförmige und flüssige Medien eingesetzt werden, wie beispielsweise für Körperflüssigkeiten. Es können verschiedene chemische Substanzen detektiert werden. Auch der Einsatz im Bereich der Infektionstests ist denkbar.
Kapazitive Sensoren – auch als Schalter nutzbar
Ein weiteres Beispiel sind kapazitive Sensoren: Bedingt durch die Flexibilität der Aerosol Jet Technologie können leitfähige Strukturen auf verschiedenste Kunststoffe aufgebracht werden. Handelt es sich hierbei um kapazitive Sensoren. Sie lassen sich auf die Innenseite von Gerätegehäusen drucken und als Schalter nutzen. Eine weitere Möglichkeit ist, diese als Näherungssensoren zu verwenden, damit erkennt das Gerät, ob es am Körper getragen wird. Diese Funktion kann zum Beispiel für Medikamentendosierungssysteme, wie Insulinpumpen, genutzt werden.
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. Dabei wird das Bimetallprinzip angewendet. Mögliche Anwendungsfälle hier sind die permanente Messung der Körpertemperatur, die Messung im Bereich von Wunden oder aber auch die Kontrolle der Lagerbedingungen von Medikamenten.
Körper mit verschiedenen Sensoren überwachen
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 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, was den Heilungsverlauf negativ beeinflussen kann, beziehungsweise es verhindert, das gewünschte Endergebnis zu erzielen.
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 einem Lötverfahren deutlich geringer.
Die Aerosol Jet Technologie bietet aufgrund ihrer Flexibilität eine Vielzahl von Einsatzmöglichkeiten In der Medizintechnik. Die Fähigkeit, auf verschiedenen 2- und 3-dimensonalen Oberflächen zu drucken, in Kombination mit der Integration von leitfähigen Strukturen in bestehende Systeme, kann einen wesentlichen Faktor in der fortschreitenden Miniaturisierung von Medizingeräten darstellen, oder die Herstellung dieser erst ermöglichen. Das große Materialportfolio verschiedenster Tinten wird fortwährend erweitert. Diese lassen sich im Bedarfsfall genau an die Applikation beziehungsweise die geforderten Schichteigenschaften angepassen.
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Kontakt zum Hersteller:
Cicor Management AG
Gebenloostr. 15
9552 Bronschhofen
www.cicor.com
