JP2016206176A - パラジウム錯体インクを備えるセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】基板上に形成された導電性のフィーチャを備える歪み検知素子を備えるセンサの製造方法の提供。
【解決手段】センサはパラジウム錯体インク組成物を基板上に配置して堆積フィーチャを形成することと、堆積フィーチャを加熱して導電性のフィーチャを基板上に形成することとを含む方法により製造される。堆積フィーチャはインクジェット印刷、グラビア、およびフレキソ印刷などの方法で基板上に形成される。導電性のフィーチャは、二次元の基板表面に共形し、または導電性のフィーチャは、三次元の基板表面に共形する。
【選択図】なし

Description

本明細書中で開示されるのは、基板上に形成された導電性のフィーチャを備える検知素子を備えるセンサであり、導電性のフィーチャは、基板上に堆積して堆積フィーチャを形成するパラジウム錯体インク組成物から形成され、堆積フィーチャは加熱されて、基板上に導電性のフィーチャを形成する。さらに開示されるのは、基板上に形成された導電性のフィーチャを備える検知素子を備える歪みゲージセンサであり、導電性のフィーチャは、基板上に堆積して堆積フィーチャを形成するパラジウム錯体インク組成物から形成され、堆積フィーチャは加熱されて、基板上に導電性のフィーチャを形成し、パラジウム錯体インク組成物は、パラジウム塩、パラジウム塩からパラジウム錯体を形成する有機アミン、および少なくとも１つの溶媒を含み、少なくとも１つの溶媒は、沸点がパラジウム錯体の分解温度程度であり、導電性のフィーチャは、二次元の基板表面に共形（ｃｏｎｆｏｒｍ）し、または導電性のフィーチャは、三次元の基板表面に共形する。また開示されるのは、パラジウム錯体インク組成物を基板上に配置して堆積フィーチャを形成することと、堆積フィーチャを加熱して導電性のフィーチャを基板上に形成することとを含む方法である。

歪みセンサが、構造モニタリングおよび力／圧力検知に必要である。市販の歪みゲージは典型的に、試験下で構造体に結合されるプラスチックホイル上にパターン化された金属蛇行トレースでできている。結合工程は、追加的なコストを加え、フォームファクターに制約を加え、かつ測定感度に影響を及ぼす。

米国特許第５，１８４，５１６号明細書は、少なくとも第１の長さの平らな蛇行トレースと、表面に固定可能な、前記少なくとも第１の平らな蛇行トレースを支持し、かつ歪みおよびクラック力を前記表面から前記少なくとも第１の平らな蛇行トレースに送る支持手段と、前記少なくとも第１の平らな蛇行トレースに接続され、前記少なくとも第１の平らな蛇行トレースにおける抵抗変化を測定する回路手段と、前記支持手段および前記少なくとも第１の平らな蛇行トレースに固定され、前記少なくとも第１の長さの蛇行トレースを保護し、かつ前記回路手段を支持する保護層手段とを備える結合歪みゲージを記載している。

厚膜歪みゲージが、例えば、米国特許第５，８６７，８０８号明細書に記載されている。米国特許第５，８６７，８０８号明細書は、その要約において、中心部分と、中心部分から第１および第２の直交力検出軸に沿って外向きに突出する実質的に平らなタブ領域とを有する基板に取り付けられた長寸レバーアームを備える力トランスデューサを記載している。基板はほぼ、タブ領域および中心部分の接合部（外力がレバーアームの自由端部に加えられる）にて、集中歪みを受ける。厚膜歪みゲージ材料が、少なくとも第１の位置および第２の位置において基板上に直接スクリーン印刷されており、基板上の導電性のパッドが、それぞれの位置にて厚膜歪みゲージ材料に電気的に結合されて、第１の力検出軸に沿って向きを定められた第１の歪みゲージおよび第２の力検出軸に沿って向きを定められた第２の歪みゲージを定義する。レバーアームは、自己受容感覚的フィードバックをユーザに提供するように適合した構造体であってよい。

現在入手可能なセンサは、意図する目的に適している。しかしながら、センサの向上が必要とされている。さらに、付加的な印刷によって調製され得る歪みゲージセンサの向上が必要とされている。さらに、インクジェット印刷され得るセンサの向上が必要とされている。さらに、インクジェット印刷され得る共形センサが必要とされている。さらに、二次元および三次元の基板上にインクジェット印刷され得る共形センサが必要とされている。

前述の米国特許および特許出願公開公報のそれぞれに記載の適切な成分およびプロセスの態様は、本開示のためにその実施形態において選択されてよい。さらに、本出願の全体にわたって、種々の刊行物、特許および公開特許出願が、確認引用（ｉｄｅｎｔｉｆｙｉｎｇ ｃｉｔａｔｉｏｎ）によって参照される。

開示されるのは、パラジウム錯体インク組成物を基板上に配置して堆積フィーチャを形成することと、堆積フィーチャを加熱して導電性のフィーチャを基板上に形成することとを含む、歪みゲージセンサを形成する方法であり、堆積フィーチャは、歪みゲージセンサを形成する。

また、開示されるのは、基板上に形成された導電性のフィーチャを備える検知素子を備える歪みゲージセンサであり、導電性のフィーチャは、基板上に堆積して堆積フィーチャを形成するパラジウム錯体インク組成物から形成され、堆積フィーチャは加熱されて、基板上に導電性のフィーチャを形成し、堆積フィーチャは、歪みゲージセンサを形成する。

また、開示されるのは、基板上に形成された導電性のフィーチャを備える検知素子を備える歪みゲージセンサであり、導電性のフィーチャは、基板上に堆積して堆積フィーチャを形成するパラジウム錯体インク組成物から形成され、堆積フィーチャは加熱されて、基板上に導電性のフィーチャを形成し、パラジウム錯体インク組成物は、パラジウム塩、パラジウム塩からパラジウム錯体を形成する有機アミン、および少なくとも１つの溶媒を含み、少なくとも１つの溶媒は、沸点がパラジウム錯体の分解温度程度であり、導電性のフィーチャは、二次元の基板表面に共形し、または導電性のフィーチャは、三次元の基板表面に共形する。

図１は、プラスチックホイル上に蛇行幾何構造を有する印刷された抵抗歪みセンサの図である。 図２Ａは、センサが種々の曲率直径で圧縮され、または引っ張られるにつれて生じる、銀印刷センサの、振幅（ｙ軸）対時間（ｘ軸）の歪みセンサ電流変化を示すグラフである。 図２Ｂは、センサが種々の曲率直径で圧縮され、または引っ張られるにつれて生じる、パラジウム印刷センサの、振幅（ｙ軸）対時間（ｘ軸）の歪みセンサ電流変化を示すグラフである。 図３は、抵抗（ｙ軸）対歪み（ｘ軸）の変化の比較である。近似傾斜は、印刷銀歪みゲージ（左のグラフ）および印刷パラジウム歪みゲージ（右のグラフ）のゲージファクターである。 図４は、本センサの実施形態の幾何構造の変異を示す図であり、多方向に印刷された導電性のフィーチャ、三次元の基板上に共形的に配置されたセンサフィーチャコイル、および段状の三次元の基板上に共形的に配置されたセンサが挙げられる。

実施形態において、パラジウム錯体インクが提供されて、市販の歪みゲージよりも感度の良い歪みゲージが付加的にパターン化される。本明細書中の製造方法は、以前の方法で必要であった結合工程を除外する。本明細書中の方法は、薄膜センサの生産を可能にする。さらに、本明細書中の製造方法は、試験下の構造体をおおう共形フォームファクターを有する歪みゲージの調製を可能にする。

実施形態において、パラジウム錯体インクは、従来型の銀インクよりも、プラスチック基板に対する良好な接着を提供する。本明細書中の実施形態によって提供される接着の利点により、以前に利用可能であったセンサよりもスクラッチ耐性があり、かつロバストなセンサとなる。

実施形態において、本明細書中で提供されるパラジウム錯体インクの歪みセンサのゲージファクターは、ゲージファクターが典型的に約２である従来型の金属箔歪みセンサよりも高い。より高いゲージファクターは、ポアソン比変化からの寄与を上回る。理論によって拘束されることを望むものではないが、ゲージファクターは、パラジウム導体の内部微細構造からの寄与があると考えられている。

実施形態において、本明細書中の歪みゲージは、パラジウム導体の薄膜を含む。ゆえに、本実施形態は、厚膜歪みゲージに勝る薄膜の利点を提供する。厚膜歪みゲージの例について、米国特許第５，８６７，８０８号明細書（表題「Ｆｏｒｃｅ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ Ｗｉｔｈ Ｓｃｒｅｅｎ Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｓｔｒａｉｎ Ｇａｕｇｅｓ」）を参照されたい。本実施形態の薄膜は、クラッキング問題を縮小し、材料コストを低くし、薄型の埋込型センサ用途との相性がより良い。

実施形態において、基板上に形成された導電性のフィーチャを備える検知素子を備えるセンサが提供され、導電性のフィーチャは、基板上に堆積して堆積フィーチャを形成するパラジウム錯体インク組成物から形成され、堆積フィーチャは加熱されて、基板上に導電性のフィーチャを形成する。

本明細書中のセンサは、任意の適切な、または所望のタイプのセンサを含んでよい。実施形態において、堆積フィーチャは、歪みゲージセンサを形成する。

薄膜センサが本明細書中で提供される。実施形態において、加熱の後、結果として生じた導電線は、厚さが約１００から約２０，０００ナノメートル、または約１５０から約１０，０００ナノメートルに及ぶ。ある実施形態において、加熱の後、結果として生じた導電線は、厚さが約２５０から約５，０００ナノメートルである。

他の実施形態において、堆積フィーチャは、インクの薄膜を含み、薄膜は、加熱後の線厚が約５０ナノメートルから約５００ナノメートルにまで制御可能である。実施形態において、薄膜は、加熱後の線厚が約５００ナノメートル未満である。特定の実施形態において、薄膜は、加熱後の線厚が約１００ナノメートルから約５００ナノメートル未満であり、または約５０ナノメートルから約５００ナノメートル未満である。

任意の適切な、または所望のインク組成物が、本明細書中のセンサを調製する際に利用されてよい。本明細書中で用いられるインク組成物は、米国特許出願第１４／２９２，６１４号明細書に記載されるパラジウムインク組成物を含んでよい。実施形態において、本明細書中の導電性のフィーチャを形成するインク組成物は、パラジウム塩、パラジウム塩からパラジウム錯体を形成する有機アミン、および少なくとも１つの溶媒を含み、溶媒は、沸点がパラジウム錯体の分解温度程度である。実施形態において、インクは、有効沸点が約１４０℃から約１９０℃の範囲である１つまたは複数の溶媒を含む。

本明細書中で用いられるインク組成物は、米国特許第８，９８６，８９１号明細書に記載されるパラジウムインク組成物を含んでよい。実施形態において、本明細書中のインク組成物は、一緒にアモルファス錯体を形成するパラジウム塩およびオルガノアミンを含む非触媒パラジウム前駆体組成物を含んでよく、組成物は、還元剤および水を実質的に含まず、オルガノアミンは、オクチルアミン、ノニルアミン、デシルアミン、ウンデシルアミン、ドデシルアミン、トリデシルアミン、テトラデシルアミン、ヘキサデシルアミン、ジペンチルアミン、ジヘキシルアミン、ジヘプチルアミン、ジオクチルアミン、ジノニルアミン、ジデシルアミン、プロピルペンチルアミン、ブチルペンチルアミン、トリブチルアミンおよびトリヘキシルアミンからなる群から選択される水不混和性モノアミンであり、化合したパラジウム塩およびオルガノアミン中の炭素原子の総数は、少なくとも１２個である。

実施形態において、インクに利用される特定のパラジウム塩、有機アミンおよび溶媒の組合せは、インクが印刷されることになっている基板との熱的適合性について、標的分解温度に調整されてよい。インク、およびインクを用いる方法は、強い化学薬剤（強酸、塩基または強還元剤が挙げられる）の使用を回避するので、中性の熱的条件により、普通であれば厳しい（ｃｈａｌｌｅｎｇｉｎｇ）基板（限定されないが、ポリエステル、ポリイミド、ＰＥＥＫ、ＰＳＮ等）上へのパラジウム回路の印刷が利用できるようになる。

本明細書中で用いられる「パラジウム塩」は、ゼロでない酸化状態にあるパラジウムの任意の塩を指す。パラジウムの共通の酸化状態は、０（即ち、ゼロ価の金属）、＋１、＋２および＋４であり、＋２のパラジウム塩が、現在最も一般的に市販されている塩である。

本明細書中で用いられる「有機アミン」は、アミン（第１級ＮＨ_２または第２級ＮＨＲ（Ｒは典型的にＣ_１−Ｃ_４の低級アルキルフラグメントである））官能性が、金属中心上でリガンドの役目を果たすことができる有機化合物を指す。特定の実施形態において、「有機アミン」は脂肪族アミンである。脂肪族アミンは、アルカン、アルケンおよびアルキンを含む。

本明細書中で用いられる「錯体」は、本来の付与（ｄａｔｉｖｅ）、イオン、配位、または共有結合であってよい結合を介して１つまたは複数の有機リガンドが結合した金属原子を指す。結合の性質は典型的に、それぞれの成分の電子親和力および周囲ｐＨによって支配され、あらゆる結合モチーフの特徴があってよい。

本明細書中で用いられる「分解温度」は、パラジウム塩および有機アミンから形成されたパラジウム錯体に関して用いられる場合、錯体中のパラジウムイオンが、存在する酸化状態からゼロ価の金属酸化状態にまで還元される温度を指す。例えば、パラジウム（ＩＩ）錯体の分解温度は、パラジウム（ＩＩ）がパラジウム（０）に熱的に変換される温度である。本明細書中で開示される実施形態に従えば、この還元は、別々の工程において二次的還元剤を導入する必要なく達成される。理論によって拘束されるものではないが、パラジウム錯体の有機アミンは、この反応について還元剤の役目を果たし得る。「分解温度」は、パラジウムナノ粒子（淡い黄色の、または透明な錯体と対照的に、黒色）および／または金属パラジウムの、それが配置される基板上での出現によって、視覚的に概算され得る。

様々な金属塩がインク製剤において用いられてよいが、そのような金属塩は、容易にアミン錯体を形成して、基板適合性について十分に低い分解温度を実現することを条件とする。特定の実施形態において、結果として生じた錯体が約３０℃または室温にて固体の形態ではなく液体の形態である場合、金属塩−有機アミンの組合せが特に適しているが、インクジェットに相性の良い粘性プロフィールに適した溶媒と併用される場合、固体が用いられてもよい。適切な金属塩として、限定されないが、金属酢酸塩、金属ハロゲン化物、金属アセチルアセトネート、金属ギ酸塩、金属硝酸塩、金属亜硝酸塩、金属酸化物、金属グルコン酸塩、金属フルオロホウ酸塩、金属アルキル硫酸塩、金属硫酸塩、金属亜硫酸塩、金属チオ硫酸塩、金属チオシアン酸塩および金属シアン化物が挙げられる。

実施形態において、金属塩は、酢酸塩または炭酸塩等の弱酸の塩である。金属ギ酸塩が十分に安定している実施形態において、金属ギ酸塩がインク組成物において利用されてよい。そのような実施形態において、ギ酸塩リガンドは、有機アミンリガンドさえ存在しないインクにおいてギ酸塩のみが用いられ得るように、内部還元剤の役目を果たし得るが、それでもやはり、有機アミンの包含が、良好なインクジェット特性を達成するために所望され得る。例えば、有機アミンは、適切な粘性を提供することもできるし、パラジウム錯体を都合の良い液相で提供することもできる。

例示的な金属塩として、限定されないが、酢酸パラジウム、パラジウムアセチルアセトネート、炭酸パラジウム、塩化パラジウム、塩化パラジウムナトリウム、塩化パラジウムカリウム、塩化パラジウムアンモニウム、硫酸パラジウム、硝酸パラジウム、および酸化パラジウムが挙げられる。実施形態において、選択されるパラジウム塩は、酢酸パラジウムまたは炭酸パラジウムである。特定の実施形態において、パラジウム塩は酢酸パラジウムである。１，２−ジアミノプロパン、１，３−ジアミノプロパン、ジエチレントリアミン、１，４−ジアミノブタン、１，６−ジアミノヘキサン、Ｎ，Ｎ’−ジメチル−１，３−プロパンジアミン、Ｎ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−テトラメチルエチレンジアミン、および２−ヒドロキシ−１，３−ジアミノプロパン。

実施形態において、インクは、パラジウム塩と錯体を形成し得る有機アミン成分を含む。そのようなアミンは、一座、二座、三座リガンド等、即ち任意の多座リガンドであってよい。例示的な多座リガンドとして、限定されないが、１，２−ジアミノプロパン、１，３−ジアミノプロパン、ジエチレントリアミン、１，４−ジアミノブタン、１，６−ジアミノヘキサン、Ｎ，Ｎ’−ジメチル−１，３−プロパンジアミン、Ｎ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−テトラメチルエチレンジアミン、２−ヒドロキシ−１，３−ジアミノプロパンが挙げられる。

有機アミンは、脂肪族の直鎖または分枝状のモノアミンまたはジアミン（エチレンジアミン等）またはトリアミンであってよい。実施形態において、有機アミンは、７個から１８個の炭素原子を有する脂肪族アミンである。有機アミンは、プロピルアミン、ブチルアミン、ペンチルアミン、ヘキシルアミン、ヘプチルアミン、オクチルアミン、ノニルアミン、デシルアミン、ウンデシルアミン、ドデシルアミン、トリデシルアミン、テトラデシルアミン、ペンタデシルアミン、ヘキサデシルアミン、ヘプタデシルアミン、オクタデシルアミン、Ｎ，Ｎ−ジヘキシルアミン、Ｎ，Ｎ−ジヘプチルアミン、Ｎ，Ｎ−ジオクチルアミン、Ｎ，Ｎ−ジノニルアミン、Ｎ，Ｎ−ジデシルアミン、Ｎ，Ｎ−ジウンデシルアミン、Ｎ，Ｎ−ジドデシルアミン、メチルプロピルアミン、エチルプロピルアミン、プロピルブチルアミン、エチルブチルアミン、エチルペンチルアミン、プロピルペンチルアミン、ブチルペンチルアミン、トリメチルアミン、トリプロピルアミン、トリブチルアミン、トリペンチルアミン、トリヘキシルアミン、トリヘプチルアミン、トリオクチルアミン、１，２−エチレンジアミン、Ｎ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−テトラメチルエチレンジアミン、プロパン−１，３−ジアミン、Ｎ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−テトラメチルプロパン−１，３−ジアミン、ブタン−１，４−ジアミン、Ｎ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−テトラメチルブタン−１−４−ジアミン、およびそれらの混合物からなる群から選択されてよい。

有機アミンの選択は、溶媒と組み合わされる場合に、とりわけ、特定の金属塩および標的粘性によって決まり得る。実施形態において、アミンは、約３０℃または室温（約２３℃から約２５℃）にて液体である金属錯体を形成するように選択される。アミンの選択における別の要因として、その揮発性が挙げられ得る。理論によって拘束されるものではないが、高い温度にて、アミンは内部還元剤の役目を果たし得る。ゆえに、あまり容易に揮発しない十分な分子量のアミンを有することが有益であり得る。揮発性はまた、水素結合の程度によって調節され得る。他方では、パラジウム錯体の、ゼロ価のパラジウムへの還元後、最小の炭素質残さしか取り残されないようにアミン関連副産物が十分に揮発性であることもまた有益であり得る。これらの影響のバランスをとるために、有機アミンは、約７個から９個の炭素原子を有する脂肪族アミンであってよい。実施形態において、有機アミンはｎ−オクチルアミンである。

本明細書中に開示される実施形態が、熱的に分解可能なパラジウム錯体を提供するための有機アミンの使用を記載するが、当業者は、本明細書中の案内により、実質的に同じ機能を実行する他のリガンドが利用され得ることを認識するであろう。そのようなリガンドとして、限定されないが、有機チオール（即ち、メルカプタン）、チオエーテル、およびキサントゲン酸が挙げられ得る。

実施形態において、１つまたは複数の溶媒は、沸点が約１４０℃から約２２０℃（約１４０℃から約１９０℃、約１４０℃から約１８０℃、または約１４０℃から約１６０℃等）である。パラジウムゼロへの滑らかな熱的分解が、約１４０℃にて始まる。

実施形態において、溶媒として、ヒドロキシル溶媒も他のプロトン性溶媒も挙げられない。実施形態において、溶媒として、リガンドが金属中心に結合するのに競合する虞がある溶媒は挙げられないので、さらに極性非プロトン性溶媒が除外される。実施形態において、１つまたは複数の溶媒は、炭化水素ベースの溶媒、そして特定の実施形態において、芳香族炭化水素の溶媒である。実施形態において、溶媒は、ｔ−ブチルベンゼン、ｍ−キシレン、エチルベンゼン、プロピルベンゼン、ペンチルベンゼンおよびそれらの混合物からなる群から選択される。

実施形態において、完全に製剤化されたインクは、ニュートン流体である。実施形態において、インクは、粘性が、約４０℃にて約５センチポイズ（ｃＰｓ）から約３０ｃＰｓ（約５ｃＰｓから約２５ｃＰｓ、または約５ｃＰｓから約２０ｃＰｓが挙げられる）の範囲である。即ち、粘性範囲は、インクジェット印刷用途のために適切に選択される。標的粘性は、有機アミン、１つまたは複数の溶媒、またはこれらの双方を変えることによって得られ得る。例えば、直鎖アルキルアミンの炭素鎖長の増大を利用して、粘性を増大させることができる。

実施形態において、本明細書中の方法は、パラジウム錯体インクを基板上に堆積させて画像を形成することと、堆積画像を、パラジウム錯体の分解温度にまで加熱することとを含み、堆積画像は実質的に、加熱中、膨張（ｂｕｌｇｉｎｇ）もディウェッティングもなく保存される。実施形態において、堆積は、インクジェット、グラビア、フレキソ印刷等が挙げられる付加的な印刷方法によって実行される。

本明細書中のセンサは、実施形態において、パラジウム錯体インクにより付加的に印刷されてよい。導電性のフィーチャは、基板上に直接印刷されてもよいが、拘束されることを望むものではない。任意の適切な、または所望の基板が、本明細書中のセンサに選択されてよい。実施形態において、インクが堆積する基板は、あらゆる絶縁材料（絶縁プラスチック、ガラス等）であってよい。実施形態において、基板は多層であってよい。多層構造における基板最上層は、絶縁していてよく、場合によっては、この最上層は、不連続性、即ち、下層を露出して、印刷されたパラジウムインクと１つ以上の下層との間で電気通信を可能とするエリア（正孔、線等）を有してよい。一部の実施形態において、別個のパターンが、絶縁基板または多層基板の対向する側面上に印刷されてよい。一部のそのような実施形態において、１つまたは複数の介在する絶縁層があってよい。対向する側面上に印刷されるパターン（複数）は、場合によっては、互いと電気通信するように構成されてよい。実施形態において、基板上の画像は、印刷回路、薄膜等であってよい。

実施形態において、基板は二次元の基板である。即ち、基板は、長さおよび幅を有しているが、深さを有していない（または本質的に有していない）二次元の表面（平坦なプラスチックフィルム等）を備える。

実施形態において、基板は三次元の基板である。即ち、基板は、長さ、幅および深さを有する三次元の容積を含む。実施形態において、基板は、三次元の基板であり、検知素子は、基板の形状に共形である導電性のフィーチャを備える。導電性の共形フィーチャは、インクジェット印刷等によって基板上に配置されるが、基板への結合を必要としない。

実施形態において、導電性のフィーチャは、二次元の基板表面に共形する。他の実施形態において、基板は、三次元の基板であり、検知素子は、三次元の基板の形状に共形である導電性のフィーチャを備える。

導電性のフィーチャは、任意の適切な、または所望の幾何学的構成を含んでよい。実施形態において、導電性のフィーチャは、多方向の蛇行トレース、同心コイル、三次元の物体（基板）上に配置される同心コイル、段状の構成を有する基板上に配置されるセンサ、およびそれらの組合せを含む。

実施形態において、本明細書中のセンサは、歪みゲージセンサを含む。歪みゲージのゲージファクター（ＧＦ）または歪みファクターは、機械的歪みεに対する電気抵抗Ｒの相対的変化の比率である。ゲージファクターは、以下のように定義される：

式中、ε＝歪み＝ΔＬ／Ｌｏ
ΔＬ＝長さの絶対変化
Ｌｏ＝元の長さ
ｖ＝ポアソン比
ρ＝抵抗
ΔＲ＝歪みゲージ抵抗の変化
Ｒ＝歪みゲージの無歪み（ｕｎｓｔｒａｉｎｅｄ）抵抗

本明細書中の歪みゲージセンサは、ゲージファクターが、圧縮歪みについて約２．９８であり、引っ張り歪みについて約４．９５である。実施形態において、本明細書中のセンサは、ゲージファクターが約２．５よりも大きい歪みゲージセンサを含む。実施形態において、センサは、ゲージファクターが約３．０よりも大きい共形歪みゲージセンサを含む。実施形態において、二次元の表面または三次元の容積に及ぶゲージファクターが約３．０よりも大きい共形センサデバイス構造が提供される。

特定の実施形態において、本明細書中の歪みゲージセンサは、基板上に形成された導電性のフィーチャを備える検知素子を備え、導電性のフィーチャは、基板上に堆積して堆積フィーチャを形成するパラジウム錯体インク組成物から形成され、堆積フィーチャは加熱されて、基板上に導電性のフィーチャを形成し、パラジウム錯体インク組成物は、パラジウム塩、パラジウム塩からパラジウム錯体を形成する有機アミン、および少なくとも１つの溶媒を含み、少なくとも１つの溶媒は、沸点がパラジウム錯体の分解温度程度であり、導電性のフィーチャは、二次元の基板表面に共形し、または導電性のフィーチャは、三次元の基板表面または容積に共形する。

本明細書中の方法は、パラジウム錯体インク組成物を基板上に配置して堆積フィーチャを形成することと、堆積フィーチャを加熱して導電性のフィーチャを基板上に形成することとを含む。

ある実施形態において、堆積フィーチャは、歪みゲージセンサを形成するように配置される。

インク組成物の配置は、基板上にインク組成物を堆積させて所望のフィーチャを形成するための任意の適切な、または所望の方法によってよい。実施形態において、インク組成物の配置は、インクジェット印刷を含む。

実施形態において、導電性のフィーチャは、基板上にインク組成物をインクジェットしてから加熱することによって形成される。

堆積インク組成物の加熱は、任意の適切な、または所望の温度（約７０℃から約２５０℃、または「アニーリング」即ちフォトニック焼結を誘導することで、電子デバイスにおける導電性要素としての使用に適した導電層を形成するのに十分な任意の温度等）にまでなされてよい。加熱温度は、以前に堆積した層または基板の特性に有害な変化を引き起こさない温度である。実施形態において、低い加熱温度の使用は、可撓性のある基板（アニーリング温度が２００℃未満である低コストのプラスチック基板が挙げられる）の使用を可能とする。

実施形態において、導電性のフィーチャは、基板上にインク組成物をインクジェットしてから、堆積フィーチャを約１９０℃から約２５０℃、または約２００℃から約２５０℃の温度に加熱することによって形成される。特定の実施形態において、加熱温度は、約２００℃未満（約１９０℃から２００℃未満等）である。

加熱は、任意の適切な、または所望の時間（約０．０１秒から約１０時間等）なされてよい。加熱は、空気中で、不活性雰囲気中で、例えば窒素またはアルゴン下で、または還元雰囲気で、例えば水素を約１から約２０体積パーセント含有する窒素下で実行されてよい。加熱はまた、標準的な大気圧下で、または減圧下で（例えば、約１０００ｍｂａｒから約０．０１ｍｂａｒにて）実行されてよい。

加熱は、（１）金属ナノ粒子をアニールするのに、かつ／または（２）金属ナノ粒子から任意選択的な安定化剤を取り除くのに十分なエネルギーを加熱材料または基板に与えることができる任意の技術を包含する。加熱技術の例として、熱的加熱（例えば、ホットプレート、オーブン、およびバーナー）、赤外線（「ＩＲ」）放射、レーザービーム、閃光、マイクロ波放射、もしくは紫外線（「ＵＶ」）放射またはそれらの組合せが挙げられる。

実施形態において、本明細書中のセンサは、薄膜センサを含む。実施形態において、パラジウム錯体インク組成物の配置は、インクの薄膜を配置することを含み、薄膜は、先に記載されたように、加熱後に線厚を有する。

実施形態において、本方法は、三次元の物体上に堆積する共形フィーチャを含む堆積フィーチャを形成することを含み、堆積フィーチャは、三次元の物体（基板）の形状に共形する。

実施形態において、本方法は、多方向の蛇行トレース、同心コイル、三次元の物体上に配置される同心コイル、段状の物体上に配置されたセンサ、フィーチャの任意の他の適切な、または所望の幾何構造、およびそれらの組合せを含む堆積フィーチャを形成することを含む。

以下の実施例は、本開示の様々な種をさらに定義するために提示されている。これらの実施例は、説明することを意図しているだけであり、本開示の範囲を制限することを意図していない。また、部およびパーセントは、特に明記しない限り、重量による。

約２００℃の低温にて導電性のパラジウムに熱的に分解され得るパラジウム錯体インク組成物を用いて、デジタル的に印刷された、ゲージファクターが高い歪みゲージセンサを調製した。

実施例１
５．０グラムの酢酸パラジウムを、１２グラムのオクチルアミン中に溶解して、透明な黄色の錯体を形成した。４．２５グラムのこの錯体を、１．５グラムのｔ−ブチルベンゼンで希釈して、ジェット可能なインクを形成した。

実施例２
実施例１の４．２５グラムの酢酸パラジウムおよびオクチルアミンの錯体を、１．０グラムのｔ−ブチルベンゼンおよび０．５グラムのｍ−キシレンで希釈した。

インクジェット印刷した抵抗歪みセンサを、パラジウム錯体インクによりプラスチック基板上に形成した。図１は、プラスチックホイル上に蛇行幾何構造に印刷した抵抗歪みセンサを説明する。線幅は３５０マイクロメートル（μｍ）であり、蛇行構造は１センチメートルの長さが１０ターンである。Ｍｉｃｒｏｆａｂエジェクタ（ＭｉｃｒｏＦａｂ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ｉｎｃ．）および銀のナノ粒子インクまたはパラジウム錯体インクのいずれかを含む導電性のインクを用いたインクジェット印刷により、金属トレースを堆積させた。

先に記載したように、基板の選択は制限されず、任意の適切な、または所望の基板を含んでよい。基板は、プラスチックフィルムを含んでもよいし自由な形式の構造であってもよく、歪みセンサが構造体上に直接パターン化されるか、構造体中に埋め込まれる。導電性のトレースを印刷した後に、厚さ約２００ナノメートルのポリマー（ポリビニルフェノール等）の層を金属上に堆積させて、金属酸化を長時間防止した。

パラジウム錯体インクは、プラスチック表面への接着の向上を示し、ゲージファクターが約３から約４．５に及び、典型的にはゲージファクターが約２である市販の歪みゲージ、およびゲージファクターが０．９から１．２である印刷銀歪みゲージよりも高い。図２Ａおよび図２Ｂは、センサが４０、３０、２０および１０ミリメートルの曲率直径で段階的に圧縮され、または引っ張られるにつれて生じる、歪みセンサ電流の変化を示す。図２Ａは、印刷銀歪みゲージの測定結果を示す。図２Ｂは、印刷パラジウム錯体インク歪みゲージの測定結果を示す。図３は、印刷銀センサ（左のグラフ）および印刷パラジウム錯体インク歪みゲージ（右のグラフ）についてのゲージファクターの比較を示す。パラジウムは、銀よりもかなり硬い金属であり、パラジウムは銀よりも良好な基板接着を示す。理論によって拘束されることを望むものではないが、これらのファクターが、本パラジウム錯体インクのセンサの優れたゲージファクターに寄与していると考えられる。

図４は、本センサの実施形態の幾何構造の変異を示す図であり、多方向に印刷された導電性のフィーチャ、三次元の基板上に共形的に配置されたセンサフィーチャコイル、および段状の三次元の基板上に共形的に配置されたセンサが挙げられる。本明細書中のセンサは、あらゆる幾何学的構成を含んでよく、例示的な実施形態に限定されない。幾何学的な変異は限定されず、蛇行トレース、二重にループ化された同心コイル、平面形状以外に、限定されないが階段パターンが挙げられる物体に共形である設計、または任意の適切な、もしくは所望の二次元もしくは三次元の形状を含んでよい。

Claims (10)

1. パラジウム錯体インク組成物を基板上に配置して堆積フィーチャを形成することと、
   堆積フィーチャを加熱して導電性のフィーチャを基板上に形成することとを含む、歪みゲージセンサを形成する方法であって、堆積フィーチャは、歪みゲージセンサを形成する、方法。
2. パラジウム錯体インク組成物の配置は、インクの薄膜を配置することを含み、薄膜は、加熱後の線厚が約５０ナノメートルから約５００ナノメートル未満である、請求項１に記載の方法。
3. パラジウム錯体インク組成物は、パラジウム塩、パラジウム塩からパラジウム錯体を形成する有機アミン、および少なくとも１つの溶媒を含み、少なくとも１つの溶媒は、沸点がパラジウム錯体の分解温度程度である、請求項１に記載の方法。
4. インク組成物の配置は、インクジェット印刷、グラビア、およびフレキソ印刷からなる群から選択される印刷方法を含む、請求項１に記載の方法。
5. 基板上に形成された導電性のフィーチャを備える検知素子を備える歪みゲージセンサであって、
   導電性のフィーチャは、基板上に堆積して堆積フィーチャを形成するパラジウム錯体インク組成物から形成され、堆積フィーチャは加熱されて、基板上に導電性のフィーチャを形成し、
   堆積フィーチャは、歪みゲージセンサを形成する、歪みゲージセンサ。
6. 堆積フィーチャは、インクの薄膜を含み、薄膜は、加熱後の線厚が約５０ナノメートルから約５００ナノメートル未満である、請求項５に記載のセンサ。
7. パラジウム錯体インク組成物は、パラジウム塩、パラジウム塩からパラジウム錯体を形成する有機アミン、および少なくとも１つの溶媒を含み、少なくとも１つの溶媒は、沸点がパラジウム錯体の分解温度程度である、請求項５に記載のセンサ。
8. 基板上に形成された導電性のフィーチャを備える検知素子を備える歪みゲージセンサであって、
   導電性のフィーチャは、基板上に堆積して堆積フィーチャを形成するパラジウム錯体インク組成物から形成され、堆積フィーチャは加熱されて、基板上に導電性のフィーチャを形成し、
   パラジウム錯体インク組成物は、パラジウム塩、パラジウム塩からパラジウム錯体を形成する有機アミン、および少なくとも１つの溶媒を含み、少なくとも１つの溶媒は、沸点がパラジウム錯体の分解温度程度であり、
   導電性のフィーチャは、二次元の基板表面に共形し、
   導電性のフィーチャは、三次元の基板表面に共形する、歪みゲージセンサ。
9. 堆積フィーチャは、約１９０℃から２００℃未満の低温に加熱されて、基板上に導電性のフィーチャを形成する、請求項８に記載の歪みゲージセンサ。
10. 基板上の堆積フィーチャは、線厚が約５０ナノメートルから約５００ナノメートル未満である導電線を含む、請求項８に記載の歪みゲージセンサ。