A materials and methods study for the fabrication process of thermal actuator microelectromechanical systems

Bjarne Nilis
Persbericht

Sensoren rechtstreeks uit de printer

De kans is groot dat je dit artikel leest op een laptop, gsm of tablet. Het stukje technologie in je handen, zit vol met sensoren. Momenteel worden zulke sensoren grotendeels gemaakt via silicon micromachining, een techniek die ook wordt gebruikt om computerchips te maken. Als je de prijs van zo’n chip kent, weet je dat deze niet goedkoop is. Bijgevolg zijn de sensoren dus ook relatief duur. Het doel van deze scriptie was om andere technologieën te verkennen die het productieproces van sensoren goedkoper en toegankelijker maken.

Het onderzoekscentrum IMO-IMOMEC in Diepenbeek, heeft alle benodigdheden voor proces- en materiaalonderzoek. Ze voeren onder andere onderzoek uit naar productieprocessen van printable electronics. Binnen deze masterproef werd onderzocht welke materialen en technieken toepasbaar zijn voor het printen van sensoren. Het uiteindelijke doel, sensoren printen, was in deze beginfase nog te complex. Daarom werd gezocht naar een product met gelijkaardige afmetingen maar minder complexiteit. Hierdoor werd er gekozen om een thermische actuator te printen. Dit is een klein apparaatje dat zal opwarmen wanneer er er stroom door loopt. Volgens het principe van thermische expansie zal dit apparaat uitzetten en zo voor een beweging zorgen.

De eerste stap was het in kaart brengen van de mogelijke procestechnieken en materialen. Uit eerder wetenschappelijk onderzoek was af te leiden dat print- en coat-technieken zoals blade-coating, zeefdrukken en inkjet printen een mogelijke vervanger zijn voor silicon micromachining. Bladecoating is een techniek waarbij inkt verspreid wordt over een oppervlak door middel van een mesje dat instelbaar is in hoogte, een beetje vergelijkbaar met hoe je deeg uitrolt met een deegrol. Bij zeefdrukken, de tweede techniek, wordt de inkt verspreid over een canvas, in dit canvas zijn bepaalde delen afgedekt. Er wordt dan met een rubbertje over het canvas gestreken waardoor de inkt wordt afgezet op de onbedekte plaatsen. De laatste techniek, inkjet printen, werkt volgens hetzelfde principe als de printer die je thuis hebt staan.

De voorgenoemde technieken hebben allemaal inkt nodig als grondstof. Om de thermische actuator te maken werd er voor zilver gekozen, het is zowel stevig en zet genoeg uit wanneer het warm wordt om de beweging te veroorzaken. Om iets te printen met zilver gebruik je natuurlijk geen gewone inkt maar een speciale oplossing van een draagvloeistof waarin superkleine deeltjes zilver opgelost zijn. Wij testten twee soorten zilverinkt, eentje met microvlokken en eentje met nanopartikels.

Elke inkt moet drogen, zo ook de zilverinkt. Dit gebeurt in een oven op 150°C, de zilverinkt, die wordt afgezet op een glazen plaatje, gaat zich hierdoor vasthechten op het glas waardoor hij niet meer los te krijgen is. Met een actuator die vastzit op een glasplaat kunnen we helaas niets doen. Er moest dus een manier gevonden worden om de zilverinkt los te krijgen. De oplossing hiervoor was om eerst een laagje inkt af te zetten dat na het hele proces kon worden opgelost, hierdoor komt de actuator vrij van de glasplaat. Wij bekeken hiervoor drie polymeren die konden dienen als eerste afzetlaag: PEO, PMMA en PVA.

Nu de technieken en materialen gekozen waren, kon het echte werk beginnen. Als eerste werd er gekeken naar welke techniek het best gebruikt werd om de zilverlaag af te zetten. De kleinste afmetingen in het ontwerp van de gewenste actuator waren 100 micrometer dik en 100 micrometer breed, ongeveer de dikte van een menselijk haar. Omdat er bij bladecoating geen controle is over de afmetingen van de afgezette laag, werd deze techniek al aan de kant geschoven. Inkjetprinten kan laagdiktes printen tot maximaal 4 micrometer, om zo 100 micrometer te behalen moet er 25 keer geprint worden wat niet haalbaar was. Dit brengt ons tot zeefdrukken waarbij laagdiktes tot 20 micrometer mogelijk zijn. Voor de polymeerlaag zorgt zeefdrukken voor een afdruk van het relief van de zeef op de eerste laag, daarom werd gekozen voor bladecoating. De vorm en dikte van de laag is niet van groot belang en als pluspunt kan er een heel erg vlakke laag bekomen worden.

Nu de technieken zwaren bepaald moesten de materialen nog gekozen worden. Voor de polymeerlaag bleek PVA de beste optie. PEO smelt op 60°C terwijl de oven waarin de inkt gedroogd wordt 150°C is, het was dus onvermijdelijk dat de PEO laag smolt. Voor PMMA is het probleem dat de laag niet oplost in water, er werd een inkt gemaakt met PMMA opgelost in aceton maar deze vloeistof was veel te vluchtig waardoor de PMMA zich afzette op het mesje van de bladecoater. Dit zorgde echte voor een onregelmatige laag. PVA bleek de beste oplossing, het was makkelijk af te zetten via bladecoating en was nog oplosbaar in warm water op het einde van het proces.

Als laatste moest er nog een keuze gemaakt worden tussen de twee inkten. De criteria waarop ze getest werden, zijn: elektrische en thermische geleidbaarheid onder invloed van toenemende droogtemperatuur, sterkte van de afgezette structuur, uitvloeiing van de inkt en opgewekte hitte. Rekening houdend met voorgaande factoren werd er voorgesteld om een inkt met zilveren micropartikels te gebruiken, deze inkt heeft eigenschappen tussen de nanopartikel inkt die te bros is en de microvlokken inkt die te elastisch is.

De actuator die geprint werd als een proof of concept vertoonde een groot probleem: door interne stress die zich opbouwde tijdens het droogprocess, vervormde de structuur van de actuator wanneer de polymeerlaag opgelost werd en de stroom door de actuator liep. Ondanks dit defect werkt de actuator. Met verder onderzoek kan het proces verfijnd worden zodat de problemen weggewerkt worden. Uit deze studie zijn interessante opties naar voren gekomen die de weg vrijmaken naar verder onderzoek omtrent printable electronics.Geprinte thermische actuator

Bibliografie

References
[1]
Prime Faraday Partnership, An Introduction to MEMS, Loughborough: Loughborough University, 2002.
[2]
“What is MEMS technology?,” MEMS-exchange.org, [Online]. Available: https://www.mems-exchange.org/MEMS/what-is.html. [Accessed 10 September 2020].
[3]
A. Madni and L. Wan, “Microelectromechanical systems (MEMS): an overview of the current state-of-the-art,” in IEEE Aerospace Conference Proceedings, Snowmass, CO, USA, 1998.
[4]
L. Swangoo, P. Sangiun and C. Dong-Il, “The surface/bulk Micromachining (SBM) process: A new Method for fabricating released MEMS in single Crystal silicon,” Journal of Microelectromechanical Systems, vol. 8, no. 4, pp. 409-416, 1998.
[5]
P. M. Nitatigour, “Mechanical sensors,” in Micromanufacturing and Nanotechnology, Berlin, Springer Berlin Heidelberg, 2006, pp. 107-130.
[6]
P. R. Kuppens, J. L. Herder and N. Tolou, “Permanent Stifness reduction by thermal oxidation of silicon,” IEEE journal of Microelectromechanical Systems, vol. 28, no. 5, pp. 900-909, 2019.
[7]
Q. Liang, Y. ZhenChuan and Y. GuiZhen, “A CMOS compatible process for monolithic integration of high-aspect-ratio bulk silicon microstructures,” Science China Information Sciences, vol. 57, no. 8, pp. 1-7, 2014.
[8]
S. Veda, “pMEMS proposal,” Unpublished manuscript, Nitte Meenakshi Institute of Technology, India, 2020.
[9]
J. A. Dziuban and R. Walczak, “Etching Microwave Silicon [EMSi]-Microwave Enhanced Fast Deep Anisotropic Etching of Silicon for Micro-Electromechanical Systems [MEMS],” Sensors and Materials, vol. 13, no. 1, pp. 41-55, 2001.
[10]
R. H. Daniel, P. S. Nathan and M. G. A., “MEMS Lithography and Micromachining Techniques,” in MEMS Materials and Processes Handbook, Boston, MA, Springer, 2011, pp. 667-753.
[11]
P. A. David, S. Monika and Y. Yong-Kyu, “Additive Processes for Metals,” in MEMS Materials and Processes Handbook, Boston, MA, Springer, 2011, pp. 137-191.
[12]
B. A., M. M. and H. Schmidt, “Doctor Blade,” in Sol-Gel Technologies for Glass Producers and Users, Boston, MA, Springer, 2004, pp. 89-92.
[13]
Y. Wei, R. Torah, K. Yang, S. Beeby and J. Tudor, “Screen printing of a capacitive cantilever-based motion sensor on fabric using a novel sacrificial layer process for smart fabric applications,” Measurement Science and Technology, vol. 24, no. 7, pp. 75-104, 2013.

[14]
F. Zicarelli and A. Mesh, “Capability, limits and considerations for screen printing,” printedelectronics.com, 8 November 2012. [Online]. Available: https://www.printedelectronicsworld.com/articles/4885/capability-limits…. [Accessed 4 October 2020].
[15]
L. Jiantong, M. Lemme and M. Östling, “Ink-jet Printing of 2D Layered Materials,” ChemPhysChem, vol. 15, no. 16, pp. 3427-3434, 2014.
[16]
G. Jabbour, R. Radspinner and N. Peyghambarian, “Screen printing for the fabrication of organic light-emitting devices,” IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 7, no. 5, pp. 769-773, 2001.
[17]
D. Chen, L. Zhao, H. Diao, W. Zhang and G. Wang, “Rheological properties and related screen-printing performance of low-temperature silver pastes for a-Si:H/c-Si heterojunction solar cells,” Journal of Materials Science. Materials in Electronics, vol. 25, no. 12, pp. 5322-5330, 2014.
[18]
S. Abbott, How to be a great screen printer, Wantage: Macdermid Autotype Limited, 2008.
[19]
C. Clasen, P. M. Phillips, L. Palangetic and J. Vermant, “Dispensing of rheologically complex fluids: The map of misery,” AICHE Journal, vol. 58, no. 10, pp. 3242-3255, 2012.
[20]
V. S. and Z. Wang, “Fine line screen printed electrodes for polymer microfluidics,” in 2010 12th Electronics Packaging Technology Conference, Singapore, 2010.
[21]
L. Riadh, D. Hélène, D. Isabelle and L. Claude, “Force Sensors Based on Screen-Printed Cantilevers,” IEEE Sensors Journal, vol. 10, no. 6, pp. 1133-1137, 2010.
[22]
S. P. Eung, C. Yenhao, K. L. Tsu-Jae and S. Vivek, “A New Switching Device for Printed Electronics: Inkjet-Printed Microelectromechanical Relay,” Nano Lett., vol. 13, no. 11, p. 5355–5360, 2013.
[23]
AZOM, “Silver - Applications and Properties of Silver,” AZO Materials, 21 July 2001. [Online]. Available: https://www.azom.com/properties.aspx?ArticleID=600. [Accessed 3 March 2021].
[24]
S. P. Eung, C. Yenhao, K. L. Tsu-Jae and S. V., “Inkjet-printed micro-electro-mechanical switches,” in 2011 International Electron Devices Meeting, Washington, DC, 2011.
[25]
E.W. Lam, H. Li and M. Schmidt, “Silver nanoparticle structures realized by digital surface micromachining,” in TRANSDUCERS 2009 - 2009 International Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems Conference, Denver, CO, 2009.
[26]
R. Almudena, F.-S. José, A.-A. Manuel, A. L.-V. Juan, F. C.-V. Luis and J. P. Alberto, “Improved manufacturing process for printed cantilevers by using water removable sacrificial substrate,” Sensors and Actuators A: Physical, no. 235, pp. 171-181, 2015.

[27]
R. Lakhmi, “Determination of Young’s Moduli for free-standing screenprinted thick film layers used in MEMS,” in 20th workshop on micromachining, micro mechanics and micro systems, Toulouse, 2009.
[28]
E. Andreas and L. Wilfried, “Solution-deposited PEDOT for transparent conductive applications,” MRS Bulletin, vol. 36, no. 10, pp. 794-798, 2011.
[29]
K. Jong‐Seon, H. Jeon, Y. Hae‐Wook, B. Youn‐Kyoung, H. K. Kyoung, W. K. Dae and J. Hee‐Tae, “Generation of Monodisperse, Shape‐Controlled Single and Hybrid Core–Shell Nanoparticles via a Simple One‐Step Process,” Advanced functional materials, vol. 24, no. 6, pp. 841-847, 2014.
[30]
V. Evangelos, S. Sotirios, P. Nikolaos, E. Konstantinos and A. C. Stelios, “Conductivity Degradation Study of PEDOT: PSS Films under Heat Treatment in Helium and Atmospheric Air,” Open Journal of Organic Polymer Materials, vol. 2, no. 1, pp. 7-11, 2012.
[31]
“Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-poly(styrenesulfonate),” ChemicalBook, 2017. [Online]. Available: https://www.chemicalbook.com/chemicalproductproperty_en_cb3165285.htm. [Accessed 1 May 2021].
[32]
R. V. Silvano, C. L. Patrícia, L. P. Alessandra, A. H. J. Marco, G. N. Miguel and C. S. C. Carla, “Thermal Properties of Poly (Methyl Methacrylate)/Organomodified Montmorillonite Nanocomposites Obtained by in situ Photopolymerization,” Materials Research, vol. 17, no. 1, pp. 265-270, 2014.
[33]
“POLY(METHYL METHACRYLATE) ISOTACTIC,” ChemicalBook, 2017. [Online]. Available: https://www.chemicalbook.com/ProductList_en.aspx?kwd=PMMA. [Accessed 2 May 2021].
[34]
V. Laura, S. Dagmar, A. Osmo, K. Karin, H. Jyrki and L. Ivo, “3D-printability of aqueous poly(ethylene oxide) gels,” European Polymer Journal, vol. 120, 2019.
[35]
“Poly(ethylene glycol),” ChemicalBook, 2017. [Online]. Available: https://www.chemicalbook.com/ProductList_En.aspx?kwd=PEO. [Accessed 2 May 2021].
[36]
B. Holland and J. Hay, “The thermal degradation of poly(vinyl alcohol),” Polymer, vol. 42, no. 16, pp. 6775-6783, 2001.
[37]
“Polyvinyl alcohol,” PubChem, [Online]. Available: https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/Polyvinyl-alcohol#section=Boi…. [Accessed 2 May 2021].
[38]
UHasselt, “imo-imomec services,” UHasselt, [Online]. Available: https://www.uhasselt.be/UH/IMO-services/AMS/Algemeen. [Accessed 10 March 2021].
[39]
"NanoFab Tool: Bruker Dektak XT Profilometer," NIST, 9 November 2020. [Online]. Available: https://www.nist.gov/laboratories/tools-instruments/nanofab-tool-bruker….. [Accessed 26 May 2021].
[40]
R. Goodall and A. Mortensen, “24- porous metals,” in Physical Mettalurgy (fifth edition), Elsevier, 2014, pp. 2399-2595.
[41]
L. Dae-Geon, K. Dong Keun, M. Yoon-jae and M. Seung-Jae, “Effect of temperature on electrical conductance of inkjet-printed silver nanoparticle ink during continuous wave laser sintering,” Thin Solid Films, vol. 546, pp. 443-447, 2013.
[42]
R. Almudena, F.-S. José, A. Manuel, L.-V. Juan A., F. C.-V. Luis and J. P. Alberto, “Design and characterization of a low thermal drift capacitive humidity sensor by inkjet-printing,” Sensors and Actuators B: Chemical, vol. 195, pp. 123-131, 2014.
[43]
"Free Vibration of a Cantilever Beam (Continuous System)," AMRITA, 2011. [Online]. Available: https://vlab.amrita.edu/?sub=3&brch=175&sim=1080&cnt=1. [Accessed 30 March 2021].
[44]
M. Fateri, J.-S. Hötter and A. Gebhardt, “Experimental and theoretical investigation of buckling,” Physics Procedia, vol. 39, pp. 464-470, 2012.
[45]
J. Polansky, N. Jeffers and J. Punch, “A hybrid approach for predicting the effective thermal conductivity of sintered porous materials,” International Journal of Thermal Sciences, vol. 148, pp. 106-130, 2020.
[46]
hyperphysics, “Thermal Expansion Coefficients at 20 C,” hyperphysics, [Online]. Available: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Tables/thexp.html. [Accessed 18 March 2021].
[47]
T. Shailendra Kumar, B. Someshekara and M. Krishna K., “Design and fabrication of screen printed microheater,” Microsystem Technologies, vol. 24, pp. 3273-3281, 2018.
[48]
Dupont, "Dupont ME602 TDS," 2019. [Online]. Available: https://www.dupont.com/content/dam/dupont/amer/us/en/products/ei-transf…. [Accessed 10 October 2020].
[49]
LOCTITE, “LOCTITE ECI1011 E&C,” November 2016. [Online]. Available: http://tds.henkel.com/tds5/Studio/ShowPDF/243%20NEW-EN?pid=ECI%201011%2…. [Accessed 10 October 2020].
[50]
E. W. Lam, “Fabrication and Material Characterization of Silver Cantilevers via Direct Surface Micromachining,” M.S. Thesis, Massachusetts Institute of Technology, Washington, 2008.
[51]
“Performing van der Pauw Sheet,” 2012. [Online]. Available: https://download.tek.com/document/S530_VanDerPauwSheetRstnce.pdf. [Accessed 10 March 2021].

[52]
“Emissivity Coefficient Materials,” Engineering ToolBox, 2003. [Online]. Available: https://www.engineeringtoolbox.com/emissivity-coefficients-d_447.html. [Accessed 11 May 2021].
[53]
“Linear Thermal Expansion,” Engineering ToolBox, 2008. [Online]. Available: https://www.engineeringtoolbox.com/linear-thermal-expansion-d_1379.html. [Accessed 20 May 2021].
[54]
P. Sudeshna, Y. Munaiah, D. Piyush and N. Tharangattu, “Anisotropic Mechanical Responses of Poly(Ethylene Oxide)‐Based Lithium Ions Containing Solid Polymer Electrolytes,” 2019. [Online]. Available: https://www.researchgate.net/publication/336258671_Anisotropic_Mechanic…. [Accessed 28 March 2021].
[55]
F. Urushizaki, “Swelling and mechanical properties of poly(vinyl alcohol) hydrogels,” International Journal of Pharmaceutics, vol. 58, no. 2, pp. 135-142, 1990.
[56]
G. Han‐Wen, Y. Rong‐Jie, H. g Ji‐Yu and Y. Lei, “Rheological behaviors of PVA/H2O solutions of high‐polymer concentration,” Journal of Applied Polymer Science, vol. 116, no. 3, pp. 1459-1466, 2010.
[57]
I. Biesmans and D. Reenaers, “Optimaliseren van het sintergedrag voor printbare elektronica,” UHasselt, M.S. Thesis, Diepenbeek, 2017.
[58]
E. Olevsky, T. Tadesse Molla, H. Lund Frandsen, R. Bjørk, V. Esposito, D. Wei Ni, A. Ilyina and N. Pryds, “Sintering of Multilayered Porous Structures: Part I‐Constitutive Models,” Journal of the Amercian Ceramic Society, vol. 96, no. 8, pp. 2657-2665, 2013.
[59]
R. A. Coutu, R. S. LaFleur, J. P. K. Walton and L. A. Starman, “Thermal Management Using MEMS Bimorph Cantilever Beams,” Experimental Mechanics, no. 56, p. 1293–1303, 2016.
[60]
G. Cleas, “Study of surface-micromachined poly-silicon-germanium cantilevers,” M.S. Thesis, Eindhoven University of Technology, Eindhoven, 2005.
[61]
H. M. Cronin, S. Zlatka, M. Brown, M. Shkunov and S. R. P. Silva, “Photonic Curing of Low-Cost Aqueous Silver Flake Inks for Printed Conductors with Increased Yield,” ACS Appl. Mater. Interfaces, vol. 10, no. 25, p. 21398–21410, 2018.
[62]
D. Sougata, B. Joydeep and B. Santanu, “How does spacer length of imidazolium gemini surfactants control the fabrication of 2D-Langmuir films of silver-nanoparticles at the air–water interface?,” Journal of Colloid and Interface Science, vol. 430, pp. 85-92, 2014.

Universiteit of Hogeschool
master in de industriële wetenschappen: energie
Publicatiejaar
2021
Promotor(en)
Prof. dr. ir. Wim DEFERME, ing. Dieter REENAERS
Kernwoorden
Share this on: