PL241435B1

PL241435B1 - Technology of printing of resistance temperature sensors

Info

Publication number: PL241435B1
Application number: PL428524A
Authority: PL
Inventors: Marek Kiełb
Original assignee: Multipack Spolka Z Ograniczona Odpowiedzialnoscia Spolka Komandytowa
Priority date: 2019-01-08
Filing date: 2019-01-08
Publication date: 2022-10-03
Also published as: PL428524A1

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest technologia druku rezystancyjnych czujników temperatury metodą druku fleksograficznego. Czujniki wytwarzane są tuszem z nanocząstkami srebra. Wydruk warstwy dielektrycznej będzie poprzedzony aktywacją podłoża w plazmie w atmosferze argonu, temperatura podłoża podczas wydruku będzie wynosić 30°C, a wydruk warstwy przewodzącej czujników będzie wykonywany przy użyciu tuszu z nanocząstkami srebra, który przed użyciem będzie przefiltrowany, a następnie odgazowywany, a po wydruku czujniki zostaną pozostawione w odpowiedniej temperaturze, a następnie zostaną umieszczone w suszarce i podgrzane, a po osiągnięciu odpowiedniej temperatury, czujniki zostaną pozostawione w suszarce, a następnie temperatura będzie zwiększana.The subject of the application is the printing technology of resistance temperature sensors using the flexographic printing method. The sensors are made of ink with silver nanoparticles. The printout of the dielectric layer will be preceded by the activation of the substrate in the plasma under argon, the temperature of the substrate during printing will be 30 ° C, and the printout of the conductive layer of the sensors will be made using ink with silver nanoparticles, which will be filtered before use, and then degassed, and after printing the sensors will be left at the correct temperature, then they will be placed in the dryer and heated, and once the temperature is reached, the sensors will be left in the dryer and then the temperature will be increased.

Description

PL 241 435 B1PL 241 435 B1

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest technologia druku rezystancyjnych czujników temperatury, której efektem będzie produkcja inteligentnych opakowań spożywczych z czujnikami temperatury. Czujniki będą drukowane metodą fleksograficzną tj. metodą druku wypukłego za pomocą elastycznej formy przy użyciu szybkoschnących farb.The subject of the invention is the technology of printing resistive temperature sensors, which will result in the production of intelligent food packaging with temperature sensors. The sensors will be printed using the flexographic method, i.e. the relief printing method using a flexible form using quick-drying inks.

Produkcja czujników metodą druku jest znana jednak na dzień złożenia wniosku, druk czujników nie odbywa się na masową skalę. Dzięki technologii będącej przedmiotem wynalazku będzie możliwa masowa produkcja czujników rezystancyjnych temperatury. Znane rozwiązania to m.in. wynalazek o numerze prawa ochronnego EP3177900 - Czujnik i sposób wytwarzania czujników, zgłoszonego przez Forschungszentrum Julich Gmbh. Producentem czujników rezystancyjnych na terenie Polski jest także firma JUMO GmbH & Co (www.jumo.pl), jednakże produkcja przez ww. pomioty nie odbywa się metodą fleksograficzną.The production of sensors by printing is known, however, as of the date of submission of the application, sensors are not printed on a mass scale. Thanks to the technology being the subject of the invention, it will be possible to mass-produce resistance temperature sensors. Known solutions include: invention with protection right number EP3177900 - Sensor and method of manufacturing sensors, submitted by Forschungszentrum Julich Gmbh. The manufacturer of resistance sensors in Poland is also JUMO GmbH & Co (www.jumo.pl), however, the production by the abovementioned offspring is not carried out using the flexographic method.

Czujniki drukowane są metodą fleksograficzną. Forma do drukowania czujników wykonana jest zazwyczaj z polimerów lub z gumy, a jej elastyczność pozwala na drukowanie na szerokiej gamie podłoży, nawet jeżeli nie są one idealnie równe. Dzięki zastosowaniu cylindrycznego kształtu formy, możliwy jest nadruk na materiał podłożowy o dowolnej długości zwinięty w duże rolki (technika roll2roll). Czujniki będą charakteryzować się współczynnikiem α = 1,777 K-1 z odchyleniem standardowym ok. 0,080 K-1. Ich rezystancja początkowa R0 będzie wynosiła 100,00 Ω ok. 3,33 Ω. Wpływ warstwy dielektrycznej, a przede wszystkim wilgotności otoczenia na czujniki będzie akceptowanie mały.The sensors are printed using the flexographic method. The sensor printing plate is usually made of polymers or rubber, and its flexibility allows printing on a wide range of substrates, even if they are not perfectly even. Thanks to the use of a cylindrical shape of the form, it is possible to print on a base material of any length rolled into large rolls (roll2roll technique). The sensors will have a coefficient of α = 1.777 K-1 with a standard deviation of approx. 0.080 K-1. Their initial resistance R0 will be 100.00 Ω approx. 3.33 Ω. The influence of the dielectric layer and, above all, the ambient humidity on the sensors will be acceptably small.

Zgłaszający zamierza zastosować czujniki ze srebra. Współczynnik α dla srebra wynosi około 1,777-10-3 K-1. Współczynnik ten jest mniejszy od standardowego współczynnika α dla srebra, który wynosi 4,1-10^-3 K^-1. Jest to spowodowane ziarnistą strukturą ścieżek przewodzących wykonanych z nanocząstek srebra. W czasie wygrzewania i spiekania w suszarce cząstki srebra łączą się ze sobą, ale nie tworzą jednorodnej struktury. W związku z tym czujniki te będą stabilniejsze wraz z upływem czasu oraz odziaływania wyższych temperatur.The applicant intends to use silver sensors. The coefficient α for silver is about 1.777-10-3 K-1. This coefficient is lower than the standard coefficient α for silver, which is 4.1-10 ^-3 K ^-1 . This is due to the grainy structure of the conductive paths made of silver nanoparticles. During heating and sintering in a dryer, silver particles combine with each other, but they do not form a homogeneous structure. Therefore, these sensors will be more stable with time and higher temperatures.

Wydrukowane czujniki będą charakteryzowały się rezystancją w temperaturze 0°C - 100 Ω. Rezystancja charakterystyczna drukowanych ścieżek srebrnych będzie wynosić 0,06 Ω. Długość rezystora będzie wynosić około 1800 „kwadratów”. W związku z tym, przy założeniu szerokości ścieżek 334,5 μm, całkowita długość ścieżek w części aktywnej czujnika będzie wynosić ok. 540 mm. Długość pól kontaktowych to 3,9 mm x 3,9 mm.The printed sensors will have a resistance of 0°C - 100 Ω. The characteristic resistance of the printed silver tracks will be 0.06 Ω. The length of the resistor will be about 1800 "squares". Therefore, assuming a track width of 334.5 μm, the total track length in the active part of the sensor will be approximately 540 mm. The length of the contact pads is 3.9 mm x 3.9 mm.

Formą połączenia dla czujników rezystancyjnych w technologii wnioskodawcy jest układ 4-przewodowy. W takim układzie pomiarowym czujnik rezystancyjny zasilany będzie prądem pomiarowym poprzez jedną parę zacisków, a spadek napięcia na rezystancji czujnika będzie mierzony na drugiej parze zacisków (pól kontaktowych). Spadek napięcia określany tą drogą jest niezależny od właściwości przewodów łączących.The form of connection for resistive sensors in the applicant's technology is a 4-wire system. In such a measuring system, the resistance sensor will be supplied with the measuring current through one pair of terminals, and the voltage drop on the resistance of the sensor will be measured on the other pair of terminals (contact pads). The voltage drop determined in this way is independent of the properties of the connecting wires.

Wydruk warstwy przewodzącej czujników będzie wykonywany przy użyciu tuszu z nanocząstkami srebra. Tusz przed użyciem będzie przefiltrowany filtrem o średnicy oczek 0,20 μm, a następnie odgazowywany przez 10 min. Procedura filtracji ma na celu usunięcie zagregowanych konglomeratów cząstek srebra, które mogłyby zatkać dysze głowicy drukującej. Odgazowywanie ma na celu pozbycie się bąbli powietrza, aby zapewnić właściwą strukturę tuszu i wydruk jednorodnych kropli. W celu zapewnienia odpowiednio szybkiego odparowania rozpuszczalnika tuszu i niedopuszczenia do nadmiernego rozpływania się wydrukowanych kształtów, temperatura podłoża podczas wydruku ścieżek będzie ustawiana na 60°C. Wydruk będzie wykonywany przy użyciu 3 dysz. Parametry drukarki do wydruku tuszu będą następujące: amplituda napięcia sterującego dyszami wynosiła około 23-24 V, temperatura dyszy ok. 34°C, częstotliwość generowania kropli 5 kHz, rozdzielczość wy druku (odległość kolejnych kropli tuszu na podłożu) 20 μm. Po wydruku, w celu utwardzenia nadrukowanego kształtu ścieżek przewodzących i spieczenia znajdujących się w tuszu cząstek srebra, podłoże będzie wygrzewane w suszarce przez 2 godz. w temperaturze 200°C.The conductive layer of the sensors will be printed using ink with silver nanoparticles. Before use, the ink will be filtered with a filter with a mesh size of 0.20 μm, and then degassed for 10 minutes. The filtration procedure is designed to remove aggregated conglomerates of silver particles that could clog the printhead nozzles. Degassing is designed to get rid of air bubbles to ensure the proper structure of the ink and the printing of homogeneous drops. In order to ensure a sufficiently fast evaporation of the ink solvent and to prevent excessive spreading of the printed shapes, the temperature of the substrate during the printing of the tracks will be set to 60°C. Printing will be done using 3 nozzles. The parameters of the printer for printing the ink will be as follows: the amplitude of the voltage controlling the nozzles was about 23-24 V, the temperature of the nozzle was about 34°C, the droplet generation frequency was 5 kHz, the print resolution (the distance of successive ink drops on the substrate) was 20 μm. After printing, in order to harden the printed shape of the conductive paths and sinter the silver particles in the ink, the substrate will be heated in the dryer for 2 hours. at 200°C.

W celu zapewnienia dobrej adhezji do podłoża oraz do ścieżek srebrnych, wydruk warstwy dielektrycznej będzie poprzedzony aktywacją podłoża w plazmie w atmosferze argonu przez 3 min i przy mocy generatora 40 W. Temperatura podłoża podczas wydruku będzie wynosiła 30°C. Wydruk będzie wykonywany przy użyciu 3 dysz.In order to ensure good adhesion to the substrate and to the silver tracks, the printing of the dielectric layer will be preceded by activation of the substrate in plasma in an argon atmosphere for 3 minutes and with the generator power of 40 W. The temperature of the substrate during printing will be 30°C. Printing will be done using 3 nozzles.

Parametry drukarki do wydruku tuszu będą następujące: amplituda napięcia sterującego wynosiła około 25-26 V, temperatura dyszy 44°C, częstotliwość generowania kropli 5 kHz, rozdzielczość wy-The parameters of the printer for ink printing will be as follows: the control voltage amplitude was about 25-26 V, the nozzle temperature was 44 ° C, the drop generation frequency was 5 kHz, the output resolution was

Claims

PL 241 435 B1 of 20 μm printing. After printing, in order to cure the dielectric ink, the sensor structures will be left for 10 minutes at room temperature. They will then be placed in an oven at 50°C and heated to 65°C at a speed of 2°C/min. Once this temperature is reached, the sensors will be left in the dryer for 10 minutes and then the temperature will be increased to 95°C at a rate of 2°C/min. The sensors will remain at 95°C for 30 minutes. The temperature in the dryer will then be lowered to room temperature at a rate of 2°C/min. After the first thermal cycle, the sensors should be irradiated with UV light for 1 min, then a second heating cycle should be carried out as follows: after exposure, the sensors will be left for 10 min at room temperature, then their temperature will be gradually increased to 65°C at a speed of 2 °C/min. The sensors will remain in the oven at 65°C for 10 minutes. The temperature in the dryer will then be raised to 120°C at a rate of 2°C/min and the sensors will remain at this temperature for 30 minutes. Finally, the temperature in the dryer will be lowered to room temperature at a rate of 2°C/min.

Changes in the characteristics of the sensors in terms of changes in relative humidity are very small. The coefficient α increases very little and increases with increasing air humidity. The resistance R0 remains practically the same.

Thanks to the method described above, the range of measured temperatures in the manufactured sensors will be in the range from -5 to 60°C. This assumption will change the resistance of the sensor by approx. 26 Ω. To ensure the appropriate resolution of the temperature measurement, the measurement of the resistance of the sensors will be carried out with high resolution and will be about 0.1 Ω.

The sensors will be mechanically stable. Bending of the sensors will have a negligible effect on the change of the coefficient α (at the level of 0.4%). Mechanical loads of the sensors will cause changes in the resistance R0 by about 0.8%. The impact of mechanical load through repeated bending by an angle of approx. 90° will not affect the metrological parameters of these sensors.

The object of the invention is the production of resistance temperature sensors by means of the printing method. Thanks to this method, the dispersion of the coefficient α allows for temperature measurement with an accuracy better than 1 K. Thanks to the annealing process, the dispersion of the R0 resistance values is of lesser importance. The resistance of the printed sensors with a resolution of 0.1 Ω makes it possible to measure the temperature with an accuracy of approx. 0.5 K. The resolution of the temperature measurement depends mainly on the measurement method used, and the accuracy mainly depends on the repeatability of printing individual sensor structures.

Patent claims

1. A method of manufacturing resistance temperature sensors by flexographic printing with ink with silver nanoparticles, characterized in that the printing of the dielectric layer is preceded by activation of the substrate in plasma in an argon atmosphere, the temperature of the substrate during printing is 30°C, and the printing of the conductive layer of the sensors is made using ink with silver nanoparticles, which before use is filtered with a filter with a mesh size of 0.20 μm, and then degassed, and after printing, in order to harden the dielectric ink of the sensor structure, they are left for 10 minutes at room temperature, and then placed in a dryer at temperature of 50°C and heated to 65°C at a speed of 2°C/min., after reaching this temperature, the sensors are. left in the oven for 10 minutes, then the temperature is increased to 95°C at a rate of 2°C/min, the sensors remain at 95°C for 30 minutes, then the temperature in the oven is lowered to room temperature at a rate of 2°C /min.

2. The method of claim 1, characterized in that the printout is made using 3 nozzles.

3. The method of claim 1, characterized in that the sensors, after the first thermal cycle, are irradiated with UV light, and then the second heating cycle is carried out as follows: after exposure, the sensors are left for 10 minutes at room temperature, then their temperature is gradually increased to 65°C from speed 2°C/min. the sensors stay in the dryer at 65°C for 10 minutes, then the temperature in the dryer is raised to 120°C at a rate of 2°C/min and the sensors stay at this temperature for 30 minutes, finally the temperature in the dryer is lowered to room temperature from speed 2°C/min.

PL 241 435 B1

4. The method of claim A method according to claim 1, characterized in that the temperature of the substrate during the printing of the tracks is 60°C.

5. The method of claim The method according to claim 1, characterized in that after printing the substrate is annealed in a dryer for 2 hours at a temperature of 200°C.