Applikationsbeispiele

Die Entwicklungsaktivitäten der Gruppe Dickschichttechnik mit Schwerpunkt Functional Printing führten im Laufe der Jahre zu einem umfangreichen Portfolio funktioneller Sonderpasten und -tinten für Anwendungen in Hybridbaugruppen und -komponenten sowie Sensoren in Elektronik, Leistungselektronik, Mikrosystemtechnik, Energie- und Umwelttechnik.

Die folgenden Beispiele illustrieren aktuelle Entwicklungsthemen, die z. B. im Thema Additive Fertigung und 3D-Druck angesiedelt sind. Neben Sonderpasten und -tinten für die Oberflächenfunktionalisierung von additiv hergestellten 3D-Komponenten entwickeln wir auch Pasten für den additiven 3D-Druck keramischer Bauteile. Weitere aktuelle Themen unserer Arbeiten sind die gedruckte Elektronik (printed electronics) sowie die Entwicklung elektrochemischer pH-Sensoren für die Wasseranalyse.

Schwermetallionensensor

In dem vom BMWi geförderten ZIM-Projekt »SSB-Chalk« (KF2087359KM4) entwickelt das Fraunhofer IKTS gemeinsam mit Partnern aus Industrie und Forschung ein wirtschaftlicheres Verfahren zur Herstellung von miniaturisierten Dickschicht-basierten Schwermetallionen- Selektiven Elektroden (ISE). Derartige Sensoren werden in der Wasseranalyse eingesetzt (Umwelt- und Prozesswassermonitoring).

Die Herausforderung besteht insbesondere in der Material-und Prozessentwicklung für die Abscheidung von Chalkogenidglas-Dickschichtmembranen auf einem keramischen Substrat. Vorteile des dickschichtbasierten Schwermetallionensensors sind seine mechanische Robustheit, hohe chemische Beständigkeit und Dichtheit sowie seine kostengünstige Fertigung in großen Stückzahlen.

Basierend auf den Kupferchalkogenidgläsern CuAgAsSe und CuAsSe sind dickschichtbasierte potentiometrische ISEs zur Bestimmung von Kupfer in wässrigen Lösungen entwickelt worden. Entsprechend dem thermochemischen, Kristallisations- und Sinterverhalten der Gläser wurden die aus den Gläsern hergestellten Dickschichtpasten so prozessiert, dass dünne Glasmembranen auf Keramik abgeschieden worden sind, welche Kupferionen-sensitiv sind. Die Empfindlichkeit einer CuAgAsSe-Dickschichtelektrode liegt im Messbereich von 10^-2 M bis 10^-6 M Cu(NO₃)₂-Lösung bei 27,3 mV/pCu²⁺. Dieser Wert entspricht dem Nernst‘schen Verhalten für zweiwertige Ionen und korreliert sehr gut mit der Sensitivität des Bulkmaterials.

© Fraunhofer IKTS
Empfindlichkeit der CuAgAsSe-Chalkogenidglaselektroden.

© Fraunhofer IKTS
Sinterkurven der Kupferchalkogenidgläser.

© Fraunhofer IKTS
Mikroskopaufnahme eine ionenselektiven Elektroden.

Elektrochemische Sensoren für die Wasseranalyse: Mini-pH-Sensor

Das Potenzial, das die keramische Multilagentechnologie material- und technologieseitig bietet, ist für die Entwicklung elektrochemischer Sensoren insbesondere für die Messgröße »pH-Wert« vorteilhaft nutzbar. Vorteile keramischer multilagenbasierter Sensoren sind deren durch den 3D-Aufbau bedingte hohe Integrationsrate, mechanische Robustheit, hohe chemische Beständigkeit sowie Dichtheit und die damit verbundene geringe Störanfälligkeit gegenüber Quereinflüssen. Unter Nutzung der keramischen Multilayertechnolgie wurde ein miniaturisierter All-Solid-State-pH-Sensor (siehe Downloads) hergestellt, der eine sehr gute Messperformance bezüglich Empfindlichkeit, Ansprechzeit und Potentialstabilität aufweist.

Sensoreigenschaften

pH-Messbereich: 1 bis 9 pH
pH-Empfindlichkeit: NERNST-Verhalten
Ansprechzeit t90: ≤ 1 s
Temperaturbereich: 25 bis 45 °C

© Fraunhofer IKTS
Potentiometrischer Mini-pH-Sensor in HTCC-Technologie.

© Fraunhofer IKTS
Sensorkennlinie eines Mini-pH-Sensors.

© Fraunhofer IKTS
Fertigung der Mini-pH-Sensoren im Mehrfachnutzen.

Funktionalisierung keramischer 3D-Komponenten

Aktuelle 3D-Drucktechnologien ermöglichen extrem komplexe, bisher nicht fertigbare keramische Komponenten. Die Gruppe Dickschichttechnik mit Schwerpunkt Functional Printing entwickelt für den 3D-Druck (Dispensen, Dispens-Jet, Aerosol-Jet) adaptierte Pasten und Tinten, um z. B. Elektroden, Sensoren oder Heizelemente auf den Oberflächen additiv hergestellter Keramikkomponenten abzuscheiden. Der Druck kann sowohl auf tubularen Substraten, sphärischen Freiformflächen als auch in Vertiefungen (Kavitäten, Kanäle) erfolgen. Solche keramische Produkte mit intelligent funktionalisierten 3D-Komponenten (siehe Downloads) halten auch harschen Umweltbedingungen stand.

© Fraunhofer IKTS
Fluidmischer mit Heizmäander zur Temperierung (max > 130 °C).

© Fraunhofer IKTS
Fluidmischer mit Heizmäander zur Temperierung, Design und Realisierung der 3D-Komponente.

© Fraunhofer IKTS
Bedruckte Membran eines keramischen Flow-Sensors (Wandstärke dW < 0,3mm).

Niedertemperatur-Pasten für Printed Electronics

Das Anwendungsfeld der gedruckten Elektronik (printed electronics) stellt an die Pasten Anforderungen, welche die klassische Dickschichttechnologie bisher nicht erfüllen konnte. Im Gegensatz zu konventionellen Dickschichtpasten muss die thermische Formierung der gedruckten Pasten zu funktionellen Schichten bei Temperaturen unterhalb von 300 °C erfolgen. Hierfür entwickeln wir am Fraunhofer IKTS Niedertemperatur-Pasten.

Die zentrale Komponente solcher Pasten für gedruckte Elektronik ist das Polymer. Es stellt zum einen die Haftfestigkeit zum Substrat her, zum anderen fixiert es die Partikel der funktionellen Phase. Die Kriterien für die Polymerauswahl sind neben der Härtungstemperatur die Einsatzbedingungen der späteren funktionellen Schicht hinsichtlich Temperatur, Feuchte und Substratbeschaffenheit.

Je nach Schichtabscheidungstechnologie (maskenbasiert oder digital) und erforderlichem Härtungsprofil werden entsprechende Lösungsmittel oder -kombinationen verwendet. Mit deren Hilfe wird die erforderliche Rheologie der funktionellen Suspension eingestellt. Als Funktionsphasen können je nach Einsatzgebiet Metallpulver für die Erzeugung von Leitschichten, keramische Pulver für Isolationsschichten sowie Kohlenstoffmodifikationen für Widerstandsschichten verwendet werden. Im Gegensatz zu herkömmlichen Dickschichtpasten erfolgt während der thermischen Härtung nicht in jedem Fall eine Sinterung der Funktionspulver. Die Eigenschaften werden entweder durch eine Perkolation der eingebrachten Partikel im finalen Schichtverbund oder bei der Verwendung von Nanopartikeln durch die Ausbildung von Sinterhälsen erreicht. Hierfür sind insbesondere bei Leitpasten hohe Volumenanteile und eine optimale Dispergierung der Funktionsphase nötig.