DE102022205866A1 - Method for making and repairing a structure on a surface of a substrate - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Struktur auf einer Oberfläche eines Substrats (5), bei dem ein Auftragswerkstoff (1) in einer lokal definierten Form auf die Oberfläche des Substrats (5) aufgebracht wird, wobei der Auftragswerkstoff (1) einen Binder (3) und einen funktionalen Füllwerkstoff (2) aufweist, und wobei der funktionale Füllwerkstoff (2) einen elektrisch leitfähigen oder halbleitenden Werkstoff mit einer magnetischen Ordnung aufweist oder aus dem elektrisch leitfähigen oder halbleitenden Werkstoff mit der magnetischen Ordnung besteht, und während des Aufbringens und/oder nach dem Aufbringen der Auftragswerkstoff (1) mit einem magnetischen Wechselfeld (6) beaufschlagt wird, so dass ein elektrisch leitfähiges Perkolationsnetzwerk des funktionalen Füllwerkstoffs (2) ausgebildet wird.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen und Reparieren einer Struktur auf einer Oberfläche eines Substrats sowie eine entsprechende Struktur.The present invention relates to a method for producing and repairing a structure on a surface of a substrate and a corresponding structure.
Druckbare elektronische Strukturen basieren in der Regel auf Pasten, die mit funktionalen Füllwerkstoffen wie elektrischen Leitern, Halbleitern oder dielektrischen Werkstoffen sowie Bindern wie beispielsweise Polymeren versehen sind und durch verschiedene Drucktechniken aufgebracht werden. So offenbart beispielsweise die Druckschrift
Nachteilig hieran ist oftmals das Ausbilden eines Perkolationsnetzwerks (d. h. insbesondere das Ausbilden eines Netzwerks von in einer Flüssigkeit enthaltenen Stoffen) funktionaler Füllwerkstoffe, die die Leistungsfähigkeit der somit hergestellten elektronischen Bauteile bestimmt. Hierbei können insbesondere zwei Schwierigkeiten auftreten: Die Füllwerkstoffe sind nicht gleichmäßig in der Paste verteilt, was zu einer unzureichenden Anzahl an Kontaktpunkten führt. Außerdem können einander benachbarte Teilchen des Füllwerkstoffs durch den Binder voneinander (elektrisch) isoliert sein und daher keine Verbindung miteinander herstellen. Aufgrund der großen Unterschiede in der elektrischen Leitfähigkeit von Füllwerkstoff und Binder (z. B. elektrisch isolierende Polymere), kann eine vergleichsweise dünne Binderschicht den elektrischen Pfad zwischen Teilchen des Füllwerkstoffs vollständig blockieren.The disadvantage of this is often the formation of a percolation network (i.e. in particular the formation of a network of substances contained in a liquid) of functional filler materials, which determines the performance of the electronic components produced in this way. Two difficulties in particular can arise here: The filling materials are not evenly distributed in the paste, which leads to an insufficient number of contact points. In addition, neighboring particles of the filler material can be (electrically) insulated from each other by the binder and therefore cannot establish a connection with one another. Due to the large differences in the electrical conductivity of filler material and binder (e.g. electrically insulating polymers), a comparatively thin binder layer can completely block the electrical path between particles of the filler material.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die genannten Nachteile zu vermeiden und ein Verfahren vorzuschlagen, mit dem Strukturen in einfacher und zuverlässiger Weise mit den gewünschten Eigenschaften herstellbar ist.The present invention is therefore based on the object of avoiding the disadvantages mentioned and of proposing a method with which structures with the desired properties can be produced in a simple and reliable manner.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren und eine Struktur nach den unabhängigen Ansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.This object is achieved according to the invention by a method and a structure according to the independent claims. Advantageous refinements and further developments are described in the dependent claims.
Bei einem Verfahren zum Herstellen einer Struktur auf einer Oberfläche eines Substrats wird ein Auftragswerkstoff auf die Oberfläche des Substrats aufgebracht. Der Auftragswerkstoff weist einen Binder und einen funktionalen Füllwerkstoff auf. Der funktionale Füllwerkstoff umfasst einen elektrisch leitfähigen oder halbleitenden Werkstoff mit einer magnetischen Ordnung oder besteht aus dem elektrisch leitfähigen oder halbleitenden Werkstoff mit der magnetischen Ordnung. Während des Aufbringens und bzw. oder nach dem Aufbringen wird der Auftragswerkstoff mit einem magnetischen Wechselfeld beaufschlagt, so dass ein elektrisch leitfähiges Perkolationsnetzwerk des Füllwerkstoffs ausgebildet wird.In a method for producing a structure on a surface of a substrate, an application material is applied to the surface of the substrate. The application material has a binder and a functional filler material. The functional filler material comprises an electrically conductive or semiconducting material with a magnetic order or consists of the electrically conductive or semiconducting material with the magnetic order. During application and/or after application, the application material is subjected to an alternating magnetic field, so that an electrically conductive percolation network of the filler material is formed.
Durch das magnetische Wechselfeld, d. h. ein oszillierendes elektromagnetisches Feld, werden die Teilchen des Füllwerkstoffs bewegt und ordnen sich selbst justierend auf der Oberfläche des Substrats an. Insbesondere wird eine homogenere Verteilung erreicht, wobei durch die räumliche Neuanordnung ausreichend Kontaktpunkte generiert werden, so dass ein elektrischer Stromfluss zwischen den Teilchen ermöglicht wird. Zudem ist es durch das „Schütteln“ der Teilchen und die Oszillation des Füllwerkstoffs auch möglich, elektrisch isolierende Schichten des Binders oder an den Teilchen durch Oberflächenoxidation ausgebildete Schichten durch Reibung zu entfernen und hierdurch einen unmittelbaren physischen Kontakt zwischen einzelnen der Teilchen herzustellen. Die beiden genannten Effekte ermöglichen ein effizientes Ausbilden eines Perkolationsnetzwerks, das beispielsweise zur Herstellung von druckbaren, elektrisch leitfähigen Strukturen mit hoher elektrischer Leitfähigkeit oder druckbaren magnetoresistiven Sensoren verwendet werden kann. Vorzugsweise wird der Auftragswerkstoff in einer lokal definierten Form auf die Oberfläche des Substrats aufgebracht. Durch die lokal definierte Form, d. h. eine beliebige gewünschte Form, die lediglich durch die Art der Aufbringung begrenzt ist, kann zudem die herzustellende Struktur nahezu beliebig geformt werden.Due to the alternating magnetic field, i.e. H. an oscillating electromagnetic field, the particles of the filler material are moved and arrange themselves in a self-adjusting manner on the surface of the substrate. In particular, a more homogeneous distribution is achieved, with the spatial rearrangement generating sufficient contact points so that an electrical current flow between the particles is enabled. In addition, by “shaking” the particles and oscillating the filler material, it is also possible to remove electrically insulating layers of the binder or layers formed on the particles by surface oxidation by friction and thereby establish direct physical contact between individual particles. The two effects mentioned enable efficient formation of a percolation network, which can be used, for example, to produce printable, electrically conductive structures with high electrical conductivity or printable magnetoresistive sensors. Preferably, the application material is applied to the surface of the substrate in a locally defined form. Due to the locally defined form, i.e. H. any desired shape, which is only limited by the type of application, the structure to be produced can also be shaped almost arbitrarily.
Unter einem Werkstoff mit einer magnetischen Ordnung soll hierbei insbesondere ein ferromagnetischer Werkstoff verstanden werden, d. h. insbesondere ein Werkstoff mit einer magnetischen Permeabilität, die sehr viel größer als 1 ist. Außerdem soll darunter aber auch ein ferrimagnetischer Werkstoff oder ein antiferromagnetischer Werkstoff verstanden werden.A material with a magnetic order should be understood to mean in particular a ferromagnetic material, i.e. H. in particular a material with a magnetic permeability that is much greater than 1. In addition, this should also be understood to mean a ferrimagnetic material or an antiferromagnetic material.
Es kann auch vorgesehen sein, das Verfahren auf bereits auf dem Substrat angeordnete Strukturen anzuwenden, d. h. einen elektrischen Kontakt zwischen bereits vorhandenen elektrisch leitfähigen Strukturen durch das Verfahren herzustellen. Unter einem elektrisch leitfähigen Werkstoff soll hierbei ein Werkstoff verstanden werden, dessen elektrische Leitfähigkeit mindestens 104 S/m beträgt. Der Wert für die Leitfähigkeit sollte in einem für die Anwendung relevanten Temperaturbereich erzielt werden, beispielsweise bei Raumtemperatur. Als halbleitender Werkstoff soll insbesondere ein Werkstoff verstanden werden, dessen elektrische Leitfähigkeit typischerweise weniger als 104 S/m und mehr als 10-8 S/m in dem für die Anwendung relevanten Temperaturbereich, zum Beispiel bei Raumtemperatur, beträgt.Provision can also be made to apply the method to structures already arranged on the substrate, ie to produce electrical contact between existing electrically conductive structures using the method. An electrically conductive material should be understood to mean a material whose electrical conductivity is at least 10 4 S/m. The conductivity value should be achieved in a temperature range relevant to the application, for example at room temperature. A semiconducting material is to be understood in particular as a material whose electrical conductivity is typically less than 10 4 S/m and more than 10 -8 S/m in the temperature range relevant to the application, for example at room temperature.
Es kann vorgesehen sein, den Auftragswerkstoff nach dem Aufbringen auf das Substrat von dem Substrat zu entfernen, d. h., dass die Struktur nach dem Ausbilden auf der Oberfläche des Substrats von diesem getrennt wird, d.h. den bisherigen direkten Kontakt zu dieser Oberfläche aufzuheben und die Struktur räumlich getrennt von dem Substrat weiterzuverwenden bzw. weiterzuverarbeiten. Alternativ oder zusätzlich kann die Struktur bzw. der Auftragswerkstoff nach dem Entfernen auch auf das gleiche Substrat oder ein anderes Substrat, beispielsweise aus Papier, einem keramischen Werkstoff, einem Polymer oder einem Textil, aufgebracht werden.It can be provided that the application material is removed from the substrate after it has been applied to the substrate, that is, that the structure is separated from the surface of the substrate after it has been formed, that is, the previous direct contact with this surface is eliminated and the structure spatially to be further used or further processed separately from the substrate. Alternatively or additionally, after removal, the structure or the application material can also be applied to the same substrate or a different substrate, for example made of paper, a ceramic material, a polymer or a textile.
Der elektrisch leitfähige oder halbleitende Werkstoff mit einer magnetischen Ordnung kann hierbei entweder aus homogenen Partikeln aufgebaut sein oder aus Partikeln, die einen Kern und eine den Kern umgebende, typischerweise vollständig umgebende Hülle aufweisen. Die Hülle kann hierbei auch aus einem nichtmagnetischen Werkstoff, d. h. einem Werkstoff ohne magnetische Ordnung, ausgebildet sein und beispielsweise ein Polymer, ein Metall, ein Oxid oder einen halbleitenden Werkstoff umfassen. Der Kern kann in diesem Fall magnetisch sein, d. h. einen Werkstoff mit einer magnetischen Ordnung aufweisen, und kann elektrisch leitfähig sein (wie beispielsweise Kobalt oder Legierungen aus Eisen und Nickel) oder elektrisch isolierend sein (wie das magnetische Oxid Fe2O3). Unter einem elektrisch isolierenden Werkstoff soll hierbei ein Werkstoff mit einer elektrischen Leitfähigkeit von weniger als 10-8 S/m in dem für die jeweilige Anwendung relevanten Temperaturbereich, beispielsweise bei Raumtemperatur, verstanden werden. Falls die Partikel homogen, d. h. aus einem einzigen Werkstoff ausgebildet sind, muss dieser Werkstoff eine magnetische Ordnung aufweisen und elektrisch leitfähig oder halbleitend sein. Die Hülle kann aus einem Metall wie Gold, Silber oder auch Kohlenstoff ausgebildet sein, d. h. dieses aufweisen oder daraus bestehen, bei halbleitenden Werkstoffen für die Hülle kann diese beispielsweise aus Silizium, ZnO, InGaZnO, GaAs oder ZnS ausgebildet sein. Alternativ oder zusätzlich können auch elektrisch leitfähige oder halbleitende Polymere hierfür verwendet werden.The electrically conductive or semiconducting material with a magnetic order can be made up either of homogeneous particles or of particles that have a core and a shell surrounding the core, typically completely surrounding it. The shell can also be made of a non-magnetic material, ie a material without magnetic order, and can include, for example, a polymer, a metal, an oxide or a semiconducting material. The core in this case can be magnetic, ie a material with a magnetic order, and can be electrically conductive (such as cobalt or alloys of iron and nickel) or electrically insulating (such as the magnetic oxide Fe 2 O 3 ). An electrically insulating material should be understood to mean a material with an electrical conductivity of less than 10 -8 S/m in the temperature range relevant to the respective application, for example at room temperature. If the particles are homogeneous, ie formed from a single material, this material must have a magnetic order and be electrically conductive or semiconducting. The shell can be made of a metal such as gold, silver or carbon, that is, have it or consist of it. In the case of semiconducting materials for the shell, it can be made of silicon, ZnO, InGaZnO, GaAs or ZnS, for example. Alternatively or additionally, electrically conductive or semiconducting polymers can also be used for this.
Der Binder kann vorzugsweise als ein Polymer, besonders vorzugsweise als ein viskoelastisches Polymer, ausgestaltet sein, um geeignete Fleißeigenschaften zu erhalten. In der Regel soll unter dem Binder bzw. Bindemittel eine Kombination eines Lösungsmittels und eines bestimmten Polymers verstanden werden. Der Binder kann aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff oder einem elektrisch leitfähigen Werkstoff ausgebildet sein und beispielsweise als Gel oder flüssiges Metall vorliegen. Alternativ oder zusätzlich kann der Binder aus einem fotosensitiven Werkstoff (wie einem für Lithografie verwendeten Fotolack) ausgebildet sein.The binder can preferably be designed as a polymer, particularly preferably as a viscoelastic polymer, in order to obtain suitable hard-wearing properties. As a rule, the term binder or binder should be understood to mean a combination of a solvent and a specific polymer. The binder can be made of an electrically insulating material or an electrically conductive material and can be present, for example, as a gel or liquid metal. Alternatively or additionally, the binder can be formed from a photosensitive material (such as a photoresist used for lithography).
Es kann vorgesehen sein, das Substrat sowie die darauf aufgebrachte bzw. aufgetragene Struktur mit dem magnetischen Wechselfeld zu beaufschlagen, solange der Auftragswerkstoff noch flüssig ist, es kann aber auch vorgesehen sein, den Auftragswerksoff, d. h. insbesondere den Binder erst Trocknen bzw. Aushärten zu lassen und dann das Substrat mit dem Auftragswerkstoff dem magnetischen Wechselfeld auszusetzen. Das Trocknen oder Aushärten kann hierbei auch durch thermische Verarbeitung des Auftragswerkstoffs, beispielsweise durch Erwärmen durch eine Lampe, erfolgen. In besonders bevorzugter Weise erfolgt ein Erwärmen bzw. Erhitzen über einen Zeitraum von mindestens zwei Stunden auf eine Temperatur von 100 °C bis 150 °C, um den Binder zu verfestigen, d. h. das Lösungsmittel zu entfernen. Zum Verfestigen des Binders kann prinzipiell der Auftragswerkstoff bei einer Temperatur zwischen 50 °C und 450 °C bearbeitet werden, wobei die genauen Parameter binderabhängig sind.Provision can be made to apply the alternating magnetic field to the substrate and the structure applied thereto as long as the applied material is still liquid, but it can also be provided to apply the applied material, i.e. H. In particular, first let the binder dry or harden and then expose the substrate with the applied material to the alternating magnetic field. Drying or curing can also be carried out by thermal processing of the applied material, for example by heating it with a lamp. In a particularly preferred manner, heating takes place over a period of at least two hours to a temperature of 100 ° C to 150 ° C in order to solidify the binder, i.e. H. to remove the solvent. To solidify the binder, the applied material can in principle be processed at a temperature between 50 °C and 450 °C, with the exact parameters depending on the binder.
Der funktionale Füllwerkstoff ist typischerweise ausgewählt aus Eisen, Nickel, Kobalt und bzw. oder Legierungen dieser chemischen Elemente. Alternativ oder zusätzlich kann der funktionale Füllwerkstoff auch magentische Oxide, vorzugsweise Fe2O3, Cr2O3, Fe3O4 aufweisen, die mit einem elektrisch leitfähigen oder halbleitenden Füllwerkstoff umhüllt sind. Besonders vorzugsweise ist der funktionale Füllwerkstoff Permalloy, d. h. insbesondere Ni80Fe20, Ni81Fe19 oder Ni78Fe22.The functional filler material is typically selected from iron, nickel, cobalt and/or alloys of these chemical elements. Alternatively or additionally, the functional filler material can also have magnetic oxides, preferably Fe 2 O 3 , Cr 2 O 3 , Fe 3 O 4 , which are coated with an electrically conductive or semiconductive filler material. The functional filler material is particularly preferably Permalloy, ie in particular Ni 80 Fe 20 , Ni 81 Fe 19 or Ni 78 Fe 22 .
Der Auftragswerkstoff kann als Paste, als Gel, als Dispersion oder als Suspension ausgebildet sein und weist typischerweise den funktionalen Füllwerkstoff in Form eines Pulvers auf. Die mittlere Partikelgröße des Füllwerkstoffs beträgt dabei typischerweise zwischen 10 nm und 100 µm, vorzugsweise zwischen 100 nm und 10 µm.The application material can be in the form of a paste, a gel, a dispersion or a suspension and typically has the functional filler material in the form of a powder. The average particle size of the filler material is typically between 10 nm and 100 μm, preferably between 100 nm and 10 μm.
Der Auftragswerkstoff kann mittels eines additiven Fertigungsverfahrens und Drucken, insbesondere Siebdrucken, Pipettieren, Aufmalen, Tauchbeschichten, Tintenstrahldrucken, Sprühstrahldrucken, Rakeldrucken, dreidimensionalem Filamentdrucken und bzw. oder Schleuderbeschichten auf die Oberfläche des Substrats aufgebracht werden. Das Aufbringen kann hierbei insbesondere auch ein Pressen, Stempeln, Aufmalen, Ausstreichen, Aufsprühen oder Lithografie umfassen. Falls der Binder als Fotolack ausgebildet ist, kann die Struktur auch alternativ oder zusätzlich zu den beschriebenen Verfahren durch Lithografie strukturiert werden.The application material can be applied to the surface of the substrate by means of an additive manufacturing process and printing, in particular screen printing, pipetting, painting, dip coating, inkjet printing, spray jet printing, squeegee printing, three-dimensional filament printing and/or spin coating. The application can in particular also include pressing, stamping, painting, spreading, spraying or lithography. If the binder is designed as a photoresist, the structure can also be structured by lithography as an alternative or in addition to the methods described.
Der Auftragswerkstoff wird vorzugsweise mit einem magnetischen Wechselfeld mit einer Frequenz von 1 mHz bis 100 MHz, vorzugsweise 40 Hz bis 80 Hz, besonders vorzugsweise 50 Hz beaufschlagt, um eine ausreichend hohe Bewegung der Partikel des Füllwerkstoffs zu ermöglichen. Typischerweise erfolgt eine Beaufschlagung mit dem magnetischen Wechselfeld für mindestens 1 Millisekunde bis 10 Stunden, vorzugsweise für 10 Sekunden. Die Feldstärke des magnetischen Wechselfelds beträgt hierbei typischerweise 1 µT bis 5 T, vorzugsweise 100 mT.The applied material is preferably exposed to an alternating magnetic field with a frequency of 1 mHz to 100 MHz, preferably 40 Hz to 80 Hz, particularly preferably 50 Hz beats to enable a sufficiently high movement of the particles of the filler material. Typically, exposure to the alternating magnetic field takes place for at least 1 millisecond to 10 hours, preferably for 10 seconds. The field strength of the alternating magnetic field is typically 1 µT to 5 T, preferably 100 mT.
Das Substrat kann als ein Glas, ein Halbleiter, vorzugsweise Silizium, eine Keramik, Papier, ein Textil, ein Gummi und bzw. oder ein Polymer oder ein Kompositwerkstoff ausgebildet sein. Außerdem kann auf der Oberfläche des Substrats auch zumindest eine Hilfsschicht vorgesehen sein, auf der die beschriebene Struktur aufgebracht wird. Diese Hilfsschicht kann beispielsweise eine Glättungsschicht und bzw. oder eine Adhäsionszwischenschicht sein.The substrate can be designed as a glass, a semiconductor, preferably silicon, a ceramic, paper, a textile, a rubber and/or a polymer or a composite material. In addition, at least one auxiliary layer on which the structure described is applied can also be provided on the surface of the substrate. This auxiliary layer can be, for example, a smoothing layer and/or an intermediate adhesion layer.
Die Struktur ist typischerweise eine elektrische oder elektronische Struktur.The structure is typically an electrical or electronic structure.
Neben dem beschriebenen Verfahren kann auch ein Verfahren zur Reparatur einer auf einer Oberfläche des Substrats aufgebrachten Struktur durchgeführt werden. Die zuvor genannten Eigenschaften des bereits erläuterten Verfahrens sind entsprechend auch auf das nachfolgend noch näher beschriebene Verfahren anwendbar. Die Struktur, die in besonders bevorzugter Weise mittels des bereits beschriebenen Verfahrens auf die Oberfläche des Substrats aufgebracht wurde, indem der Auftragswerkstoff, der einen Binder und einen funktionalen Füllwerkstoff mit dem bereits genannten elektrisch leitfähigen oder halbleitenden Werkstoff mit einer magnetischen Ordnung aufweist oder aus dem elektrisch leitfähigen oder halbleitenden Werkstoff mit der magnetischen Ordnung besteht, aufgebracht wurde, kann bei Vorliegen einer mechanischen Beschädigung der Struktur, beispielsweise eines Risses oder eines Kratzers, durch die insbesondere die elektrische Leitfähigkeit der Struktur nicht mehr wie gewünscht gegeben ist, durch Beaufschlagen mit einem magnetischen Wechselfeld repariert werden, da durch das magnetische Wechselfeld ein Perkolationsnetzwerk des funktionalen Füllwerkstoffs der Struktur elektrisch leitfähig geschlossen wird.In addition to the method described, a method for repairing a structure applied to a surface of the substrate can also be carried out. The aforementioned properties of the method already explained can also be applied to the method described in more detail below. The structure, which was applied to the surface of the substrate in a particularly preferred manner by means of the method already described, in that the application material, which has a binder and a functional filler material with the already mentioned electrically conductive or semiconducting material with a magnetic order or from the electrical conductive or semiconducting material with the magnetic order was applied, can be applied if there is mechanical damage to the structure, for example a crack or a scratch, as a result of which in particular the electrical conductivity of the structure is no longer as desired, by applying an alternating magnetic field be repaired because the alternating magnetic field closes a percolation network of the functional filler material of the structure in an electrically conductive manner.
Die Erfindung betrifft auch eine Struktur, die mit einem Auftragswerkstoff gebildet ist, wobei der Auftragswerkstoff einen Binder und einen funktionalen Füllwerkstoff aufweist. Der funktionale Füllwerkstoff weist einen elektrisch leitfähigen oder halbleitenden Werkstoff mit einer magnetischen Ordnung auf oder besteht aus dem elektrisch leitfähigen oder halbleitenden Werkstoffmit der magnetischen Ordnung. Zudem weist die Struktur ein elektrisch leitfähiges Perkolationsnetzwerk des funktionalen Füllwerkstoffs auf. Typischerweise wird diese Struktur durch das erläuterte Verfahren hergestellt oder mittels des beschriebenen Verfahrens repariert. Der Auftragswerkstoff ist typischerweise auf einer Oberfläche eines Substrats in einer lokal definierten Form, d.h. insbesondere als definierte Struktur, aufgebracht, kann aber auch als von dem Substrat abgelöste freie Struktur vorliegen. Falls der Auftragswerkstoff durch Schleuderbeschichten aufgebracht wird, kann auch eine flächige kontinuierliche Beschichtung der Substratoberfläche, auf der der Auftragswerkstoff aufgebracht wird, erreicht werden.The invention also relates to a structure formed with an application material, the application material having a binder and a functional filler material. The functional filler material has an electrically conductive or semiconducting material with a magnetic order or consists of the electrically conductive or semiconducting material with the magnetic order. In addition, the structure has an electrically conductive percolation network of the functional filler material. Typically, this structure is manufactured by the method explained or repaired using the method described. The application material is typically applied to a surface of a substrate in a locally defined form, i.e. in particular as a defined structure, but can also be present as a free structure detached from the substrate. If the application material is applied by spin coating, a flat, continuous coating of the substrate surface on which the application material is applied can also be achieved.
Vorzugsweise ist die Struktur als ein Magnetoimpedanzsensor oder als Hall-Effekt-Sensor ausgebildet, wobei hierunter insbesondere ein Sensor verstanden werden soll, der auf einem Magnetoimpedanzeffekt beruht, bei dem sich eine elektrische Impedanz des jeweiligen Werkstoffs bei Anlegen eines konstanten oder zeitlich alternierenden Magnetfelds ändert und eine Messung mit dem Sensor durchgeführt werden kann, wenn der Sensor mit elektrischem Gleichstrom oder Wechselstrom oder elektrischer Gleichspannung oder Wechselspannung versorgt wird (die Wahl der Versorgung hängt von dem gewählten Anschlussplan ab). Insbesondere soll hierunter der gewöhnliche Magnetowiderstandseffekt, der Anisotropiemagnetowiderstandseffekt (AMR-Effekt), der Riesenmagnetowiderstandseffekt (GMR-Effekt), der kollosale Magnetowiderstandseffekt (CMR-Effekt), der Tunnelmagnetowiderstandseffekt (TMR-Effekt) sowie der planare Hall-Effekt und Magnetoimpedanz sowie Riesenmagnetoimpedanzeffekt verstanden werden. Zudem sollen darunter auch Änderungen der elektrischen Spannung aufgrund eines gewöhnlichen und bzw. oder eines anomalen Hall-Effekts verstanden werden, wenn der Werkstoff in einer Hall-Effekt-Anordnung gemessen wird.. Die Struktur kann allerdings auch als Temperatursensor, als elektrische Leitung, als Feuchtigkeitssensor oder als elektronische Struktur, vorzugsweise als Diode oder als Transistor, ausgebildet sein.The structure is preferably designed as a magneto-impedance sensor or as a Hall effect sensor, which is to be understood in particular as a sensor which is based on a magneto-impedance effect, in which an electrical impedance of the respective material changes when a constant or time-alternating magnetic field is applied and A measurement can be carried out with the sensor if the sensor is supplied with electrical direct current or alternating current or electrical direct voltage or alternating voltage (the choice of supply depends on the connection plan selected). In particular, this should be understood to mean the ordinary magnetoresistance effect, the anisotropy magnetoresistance effect (AMR effect), the giant magnetoresistance effect (GMR effect), the collosal magnetoresistance effect (CMR effect), the tunnel magnetoresistance effect (TMR effect) as well as the planar Hall effect and magnetoimpedance as well as giant magnetoimpedance effect become. In addition, this should also be understood to mean changes in the electrical voltage due to a normal and/or an anomalous Hall effect when the material is measured in a Hall effect arrangement. However, the structure can also be used as a temperature sensor, as an electrical line, as Humidity sensor or as an electronic structure, preferably as a diode or as a transistor.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend anhand der
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1 eine schematische Darstellung von Verfahrensschritten zum Ausbilden eines Perkolationsnetzwerks; -
2 eine schematische Darstellung von Verfahrensschritten zum Reparieren eines Perkolationsnetzwerks und -
3 eine schematische Darstellung der Herstellung und des Reparierens eines magnetoresistiven Sensors sowie Aufnahmen und Messwerte der Probe.
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1 a schematic representation of method steps for forming a percolation network; -
2 a schematic representation of process steps for repairing a percolation network and -
3 a schematic representation of the production and repair of a magnetoresistive sensor as well as recordings and measured values of the sample.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Paste auch aus Ni81Fe19-Pulver, also aus Permalloypulver, Borsäure, hydroxyl-terminiertem Polydi-methylsiloxane mit einer Viskosität von 18000-20000 cSt, n-Hexan und Polydimethylsiloxan (184 Silikonelastomer) hergestellt werden. Um das Bindemittel bzw. den Binder 3 herzustellen, werden 0,9 g hydroxyl-terminiertes Polydimethylsiloxan, 0,5 mg Borsäure und 0,1 g Polydimethylsiloxan (mit einem Verhältnis Basis:Härter von 10:1) zu 4 ml n-Hexan zugefügt. Polydimethylsiloxan dient als Gerüst, um stabile Strukturen herzustellen, während das hydroxyl-terminierte Polydimethylsiloxan die Möglichkeit zur Selbstausheilung aufgrund seiner dynamischen Bor-Sauerstoff-Bindung zwischen benachbarten Ketten aufweist. Das Lösemittel n-Hexan wird zum Justieren der Viskosität der Paste beigefügt, so dass die Permalloy-Mikropartikel möglichst gleichmäßig ohne sich zu ballen dispergiert sind und somit vollständig zum Ausbilden einer elektrisch leitfähigen Matrix beitragen. Außerdem kann das Lösemittel die Viskosität der Bindemittellösung beeinflussen, so dass unterschiedliche Anforderungen an die Viskosität bei verschiedenen Aufbringungsverfahren erfüllt werden können.In a further exemplary embodiment, the paste can also be made from Ni 81 Fe 19 powder, i.e. from permalloy powder, boric acid, hydroxyl-terminated polydimethylsiloxane with a viscosity of 18,000-20,000 cSt, n-hexane and polydimethylsiloxane (184 silicone elastomer). To produce the binder or
Die Paste kann durch dreißigminütiges magnetisches Rühren bei Raumtemperatur, d. h. bei 20 °C hergestellt werden. Durch präzises Zugeben von Permalloypulver zur Binderlösung können Pasten mit unterschiedlichen Konzentrationen von magnetoresistiven Füllwerkstoffen für den nachfolgenden Druckvorgang erhalten werden.The paste can be prepared by magnetic stirring for thirty minutes at room temperature, i.e. H. be produced at 20 °C. By precisely adding permalloy powder to the binder solution, pastes with different concentrations of magnetoresistive filler materials can be obtained for the subsequent printing process.
Dank der intrinsischen Klebrigkeit des Binders 3 bleibt die Paste auch auf verschiedenen Typen von Substraten 5 zuverlässig haften. Hierzu kann die Paste auf ganz verschiedene Typen, beispielsweise flache flexible Kabel, Siliziumsubstrate, Glassubstrate, Papiersubstrate oder Keramiksubstrate durch unterschiedliche Drucktechniken wie Rotationsbeschichtung oder Siebdrucken aufgebracht werden. Nach Verdampfen des n-Hexans als Lösemittel, was innerhalb von 2 Minuten nach dem Aufbringen erfolgt, wird die Paste in der aufgedruckten lokal definierten Form, d. h. als lokal definierte Struktur für 10 Sekunden in ein magnetisches Wechselfeld 6 mit einer Frequenz von 50 Hz eingebracht. Hierdurch werden die Partikel des Füllwerkstoffs 2 magnetisch geführt zu einer elektrisch leitfähigen Matrix angeordnet. Das magnetische Wechselfeld 6 wird im diskutierten Ausführungsbeispiel durch eine Induktionsspule erzeugt. Schließlich wird die hierdurch aus der Paste hergestellte Struktur bei 120 °C zwei Stunden lang erhitzt, um den Binder 3 auszuhärten.Thanks to the intrinsic stickiness of the
Durch dieses Verfahren können somit gedruckte elektronische Strukturen einfach hergestellt und repariert werden, wobei nicht nur magnetische Werkstoffe, sondern auch magnetische Materialen, die beispielsweise Heteroübergänge mit nicht-magnetischen Werkstoffen eingehen, verwendet werden können. In weiteren Ausführungsbeispielen kann die Struktur nach Ausführen des in
Die Beweglichkeit des viskoelastischen Bindemittels 3 (die durch Wärme und bzw. oder Licht angeregt werden kann) führt zwar generell die Partikel des funktionalen Füllwerkstoffs 2 zur beschädigten Stelle des Perkolationsnetzwerks. Allerdings sind Partikel aufgrund ihrer Dichte und ihres Gewichts schwerer zu Beschädigungen geführt werden, so dass erst durch das magnetische Wechselfeld 6 die Partikel des Füllwerkstoffs 2 zur Beschädigung geführt werden können. Hierbei kann auch eine gegebenenfalls vorhandene isolierende Lage des Binders 3 abgetragen werden und das Perkolationsnetzwerk wird wieder hergestellt.The mobility of the viscoelastic binder 3 (which can be stimulated by heat and/or light) generally leads the particles of the
Durch das oszillierende Magnetfeld werden die Partikel des Füllwerkstoffs 2 magnetische Polarisiert und üben eine anziehende Kraft aufeinander aus, so dass sie sich selbst wie gewünscht anordnen, ohne dass eine kostenintensive manuelle Anordnung erfolgen muss. Durch Einstellen der maximalen Feldstärke und Frequenz des magnetischen Wechselfelds 6 kann somit das Verfahren auf ganz unterschiedliche praktische Anforderungen ausgelegt werden.Due to the oscillating magnetic field, the particles of the filling
Lediglich in den Ausführungsbeispielen offenbarte Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen können miteinander kombiniert und einzeln beansprucht werden.Only features of the various embodiments disclosed in the exemplary embodiments can be combined with one another and claimed individually.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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