センシング用途向けのレーザーアブレーション支援マイクロパターンスクリーン印刷変換電極

Scientific Reports volume 12、記事番号: 6928 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

この研究では、センシング用途のためのいくつかの容量性変換電極を製造するための簡単な方法を紹介します。 電極を準備するには、一般的な工房のレーザー彫刻機を使用して、ポリメタクリル酸メチル (PMMA) 基板上に最大 300 \(\upmu\)m の線幅を作成しました。 レーザーアブレーションプロセスで作成された形状は、一貫性と精度を確保するために光学顕微鏡によって特徴付けられました。 その後、ジオメトリは、湿度検知用の機能性ポリマー多孔質セルロースで装飾された検知層でコーティングされました。 得られたセンサーは、さまざまな相対湿度 (RH) レベルでテストされました。 一般に、0.13 ～ 2.37 pF/%RH の範囲の感度を備えたセンサーによって、良好な感知応答が得られました。 周囲条件では、製造されたすべてのセンサーで 10 秒の応答時間が認められました。 さらに、実験結果は、作製したセンサーの感度が形状に大きく依存し、電極形状を変更することで、同じ感知層で最大 5 倍の感度の増加が達成できることを示しています。 製造プロセスの簡素化と電極設計による高い感度により、提案された電極は空気質センサーだけでなく、タッチセンサーや触覚センサーなどの他の多くの分野にも応用できると期待されています。

新しい機能、優れたデバイス応答および能力を達成するセンサーの変換スキームを形成するための、数多くの製造技術が文献で報告されている。 しかし、ほとんどの技術では、そのようなセンサーを製造するために複雑なプロセスと高価な設備が必要です。 たとえば、従来の微小電気機械システム (MEM) フォトリソグラフィ プロセスは、検出電極を製造するためのトップダウン アプローチであり、クリーンルームと化学エッチング プロセスを必要とします 1,2。 プロセス全体は化学物質の浪費につながり、環境問題を引き起こし3、4、5、製品コストが製造の規模とバッチサイズに大きく依存するため、電極設計のカスタマイズには費用がかかることがよくあります。 そこで、近年、研究開発においては、クリーンルームの設置を必要としない非接触印刷やコンタクト印刷が注目されている。 コンタクト印刷は、製紙業界や印刷媒体で広く使用されています。 これらの印刷戦略の利点は、印刷フィーチャーの最大 50 \(\upmu\)m の精度を備えた高いスループットです。 一般に、すべてのコンタクト プリンティング方法では、ロールツーロール技術を使用して基板にパターンをインプリントします6、7、8。 しかし、相互接続の位置合わせ制御は、公差が厳しく、高速および圧力下での基板の弾性特性により、本質的に複雑です。 大量生産の場合、ロールツーロール技術による印刷フィーチャのコストは、非接触印刷方法よりも安くなります。 ただし、少量の生産バッチやカスタマイズされたインプリントの場合、アイテムあたりのコストは非接触印刷よりもはるかに高くなります。 非接触印刷の中でも、インクジェット印刷は、資本コストが低く、広く入手可能であるため、電子印刷アプリケーションに広く使用されています。 さらに、ロールツーロール印刷技術と比較して、カスタマイズされたパターン印刷は、フィーチャを印刷したり、以前に印刷されたフィーチャ上にインクを追加したりする機能を使用して簡単に実行できます。 サーマルおよび圧電インクジェット技術ではインクの配合が必要であり、印刷プロセスに適合する必要があります。 インクが熱劣化しやすい材料で構成されている場合、サーマルインクジェット印刷プロセスでインクが劣化することが多く、さらに高粘度インクは圧電インクジェットプリンタでは使用できません9、10。 単純な研究室ベースの研究開発セットアップのためのスクリーン印刷は、上記の製造プロセスと比較してはるかに安価なコストで変換電極を製造するための可能な解決策であると思われます。 スクリーン印刷にはステンシルが必要で、プロセスは単純ですが、変換電極を低コストでカスタマイズすることが大きな課題であり、メッシュ上に大量のインクを塗り広げるプロセスが必要です。 前述の問題を回避するには、導電性インクのスクリーン印刷のための単純なレーザーアブレーションプロセスが、変換電極の製造のより簡単な方法であると思われます。 市販のレーザー切断機によるレーザーアブレーションプロセスは、変換電極の実装を容易にするだけでなく、従来のインクのスクリーン印刷と比較してインクの無駄も少なくなります。 この研究では、検体の電気化学的挙動を感知するための印刷された容量性構造がレーザーアブレーション技術によって形成されます。 静電容量センサーの利点は、消費エネルギーが低く、放射線の影響を受けにくく、感度が高く、応答が速いことです11、12、13、14、15、16。 容量性応答を測定するための最もよく知られた設計は、電気端子が誘電体材料によって絶縁されている平行平板 (PP) 電極です 17、18。 センシング用途、特に薄膜容量性センサーでは、インターデジタル電極 (IDE) がおそらく最も広く使用されている電極であり、その主な理由は、主にその単純な設計、分析および数値モデリングです 19、20、21、22。