UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CATANIA FACOLTÀ DI INGEGNERIA

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1 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CATANIA FACOLTÀ DI INGEGNERIA Corso di Laurea in Ingegneria Informatica Sviluppo di sensori in tecnologia inkjet printing Tesi di laurea di: Claudia Bonaccorso Relatore: Prof. Bruno Andò Anno Accademico

2 Capitolo I sensori printed La scoperta, negli anni `80, dei polimeri conduttori, ha stimolato la ricerca nel possibile impiego dei materiali organici per la realizzazione di questi dispositivi elettronici. Comparati al silicio, questi materiali offrono delle prestazioni molto limitate ma il bassissimo costo li rende comunque interessanti per una serie di applicazioni. Nuove tecniche di fabbricazione sono state messe a punto, con l'obiettivo di limitare i costi e realizzare dispositivi elettronici e le relative interconnessioni, con la stessa facilità con cui si stampano i giornali. La fantasia dei ricercatori si spinge ad ipotizzare interi circuiti elettronici, spessi pochi millimetri, completamente realizzati su polimero, con caratteristiche mai viste fino ad allora, quali ad esempio la trasparenza del supporto e dei componenti stessi e la possibilità di fletterli o addirittura arrotolarli. Applicazioni in fase di sviluppo, o già parzialmente commercializzate, riguardano: pannelli solari a basso costo realizzati con tecniche di stampa continue; display elettroforetici (e-ink) fullprinted; etichette identificative a radiofrequenza (RFID) prive di alimentazione propria, per il riconoscimento dei prodotti nei supermercati, per ritrovare bagagli smarriti negli aeroporti con l'ausilio di dispositivi portatili, per accertare la non contraffazione di medicinali, materiali preziosi e prodotti di consumo di vario genere. Il mercato dell'elettronica consumer beneficerà, inoltre, di questa innovazione, offrendo al pubblico prodotti economici dalle prestazioni 8

3 accettabili,con tecnologia ibrida di circuiti e componenti in elettronica stampata, integrati con chip ad alte prestazioni realizzati con tecniche tradizionali, alla ricerca del migliore equilibrio fra prestazioni e riduzione dei costi. 1.2 Tecnologie di stampa Tra le tecniche di prototipazione rapida quelle più diffuse sono lo screen printing e l inkjet printing. Lo screen printing è una tecnica di stampa che prevede l'utilizzo di una maschera o stencil [D]. Lo stencil delimita la zona scoperta dove l'inchiostro [A] è libero di aderire al substrato in seguito ad una pressione meccanica esercitata tipicamente attraverso un rullo [B]. Sono presenti in letteratura numerosi esempi di sensori sviluppati in tecnologia screen printing. Figura 1: Screen Printing 9

4 L'inchiostro richiesto deve essere ad elevata viscosità, affinché possa essere trasferito secondo il pattern pressato, ma una larga varietà di materiali può essere depositata, quali paste conduttive, resistive, di elettriche etc... La cottura in forno permette infine l'indurimento della pasta ed una buona adesione alla superficie. Lo spessore del film ottenuto è legato allo spessore della maschera impiegata ed è tipicamente dell'ordine di 1μm. La risoluzione dipende dalla trama della maglia ed è di circa 20μm. Particolarità di questo metodo è la possibilità di realizzare facilmente collegamenti elettrici fra strati stampati sulle facce opposte del substrato, in quanto la pasta conduttiva viene spontaneamente spinta all'interno dei fori esistenti. La foratura è effettuata tipicamente con laser. In modo analogo, più strati fra i quali è frapposto un isolante possono essere interconnessi se si deposita della pasta conduttiva nelle finestre preventivamente lasciate aperte nell'isolante. Considerata la diffusione di questa tecnologia a livello globale, esiste in commercio un buon assortimento di materiali conduttivi, isolanti e funzionali compatibili con lo screen printing. Inoltre tale tecnica permette di ottenere facilmente strati spessi di materiale, ottimizzando così la conducibilità delle tracce conduttive. Figura 2: Stampante serigrafica 10

5 RapidPrototyping Tuttavia lo screen printing è una tecnica a contatto, richiede la realizzazione di maschere e comporta un elevato consumo di materiali. Nella Tabella 1 sono riportate le differenze tra le varie tecniche di stampa: Tecnologia Vantaggi Svantaggi Screen printing Disponibilità di diversi materiali multistrati complessi Necessita maschere bassa risoluzione tempi di sviluppo alti costi di produzione buona risoluzione Desktop inkjet printers prototipazione rapida sistema a basso costo produzione a basso costo Numero ridotto di materiali disponibili ottima risoluzione Professional inkjet systems prototipazione rapida sistema ad alto costo Disponibilità di diversi materiali produzione a basso costo Tabella 1: Differenze tra diverse tecnologie di stampa Dalla Tabella 1 si evince che la stampa a getto d inchiostro presenta numerosi vantaggi rispetto alla tecnica dello screen printing. La stampa a getto d inchiostro 11

6 (dall inglese Inkjet), è una tecnologia di stampa che consiste nel proiettare minuscole goccioline di inchiostro sul supporto da stampare, può essere effettuata su supporti comuni di largo uso quali per esempio substrati in plastica, carta, vetro, ceramica o silicone. L'assenza di una matrice da dover sostituire al cambio del layout di stampa la rende la tecnica ideale per la realizzazione di prototipi, piccole produzioni industriali e prodotti personalizzati. È preferibile in questo tipo di applicazioni in quanto si riesce a stampare su tutti i tipi di substrati, sia rigidi che flessibili, sia ruvidi che lisci, con velocità, accuratezza, alta risoluzione e tanti altri vantaggi che ne determinano la preferenza rispetto ad altri tipi di stampa. Una caratteristica fondamentale per la deposizione è la tensione superficiale (surface energy) del substrato, in rapporto a quella dell'inchiostro utilizzato. Una tensione superficiale elevata del substrato consente alle gocce di adagiarsi sul piano, mantenendo un'espansione laterale limitata; questo rappresenta un requisito molto importante per consentire la riproduzione di piccoli dettagli. In generale la stampa inkjet può essere di tre tipi: Continua cioè la formazione della stampa avviene in maniera continua una goccia sull altra, ad alta velocità sebbene con l ausilio di costosi inchiostri e a bassa risoluzione. Termica cioè stampa Drop-On-Demand (dall inglese goccia su richiesta) DOD, senza spreco di inchiostro, però a bassa velocità e con un esposizione dell inchiostro stesso ad alta temperatura (300 C) durante la formazione della goccia. Piezoelettrica anche questa DOD, il cristallo piezoelettrico genera una pressione che forza la goccia dell inchiostro a uscire fuori per la stampa. 12