Abstract

This thesis investigates how printing methods can be used to fabricate components for optics and electronics applications. Three different components were chosen, in order to demonstrate the technology’s versatility: a microlens array, a memristor and a double-sided capacitive sensor. While the work focused on design and fabrication aspects, the components’ functionality was also verified through appropriate methods.

Polymer microlens arrays were fabricated by inkjet printing on both polyethylene terephthalate and glass substrates, and their physical characteristics were inspected. After additional investigation, the lens array fabricated on a glass substrate was determined to have imaging quality equal to the commercial glass reference, thus becoming a viable cost-effective alternative to an expensive glass lens array.

The memristors were fabricated solely through inkjet printing. The fabricated structure had a TiO_x layer printed between two silver electrodes. The physical and electrical properties of the fabricated samples were characterized. The memristivity of the component was proven functional, making the memristor one of the first fully inkjet printed ones.

The third component was a screen-printed double-sided capacitive sensor. It was fabricated on an air filter to monitor the filter’s dirtiness level. One side of the sensor reacted to the particle accumulation, and the other side acted as a reference to provide better selectivity. By measuring the capacitance difference between the two sides, the dirtiness level could be determined case-by-case. The sensor concept was evaluated with a simple lint-placement test, and with a vacuum cleaner to achieve proper air flow through the filter. The experiments complemented each other, as an increase in the capacitance difference was observed in both tests.

The obtained results and implemented components exemplify the great potential and variety of printed intelligence in many fields of research, and their eventual impact on our everyday life.

Tiivistelmä

Tässä väitöskirjassa tutkitaan, kuinka painomenetelmillä voidaan valmistaa komponentteja optiikan ja elektroniikan sovelluksiin. Tutkimukseen valittiin kolme erilaista komponenttia osoittamaan painomenetelmien monipuolisuutta: mikrolinssimatriisi, memristori ja kaksipuolinen kapasitiivinen anturi. Suunnittelu ja valmistus pidettiin työn painopisteenä, mutta myös komponenttien toimivuus varmistettiin asianmukaisin menetelmin.

Polymeerimikrolinssit valmistettiin mustesuihkutulostuksella sekä polyetyleenitereftalaatti- että lasisubstraatille, ja niiden fyysisiä ominaisuuksia tutkittiin. Lasisubstraatille valmistetun linssimatriisin kuvantamisominaisuuksia tutkittaessa todettiin niiden olevan samantasoisia kuin kaupallisella lasilinssimatriisilla. Huomattavasti matalampien valmistuskustannuksien vuoksi polymeerilinssit ovat kustannustehokas vaihtoehto kalliille lasilinsseille.

Memristorien valmistukseen käytettiin pelkästään mustesuihkutulostusta. Memristorin kerrosrakenteessa on kahden hopeakerroksen välissä ohut TiO_x-kerros. Valmistettujen näytteiden fyysisiä ja sähköisiä ominaisuuksia tutkittiin. Komponentti todettiin memristiiviseksi, ja oli näin ollen yksi ensimmäisistä täysin mustesuihkutulostuksella valmistetuista.

Kolmas komponentti oli silkkipainolla valmistettu kaksipuolinen kapasitiivinen anturi, joka painettiin ilmansuodattimen pintaan havainnoimaan suodattimen likaisuutta. Anturin toinen puoli reagoi hiukkasten kertymiseen suodattimen pintaan ja toinen puoli toimii referenssinä selektiivisyyden parantamiseksi. Mittaamalla kapasitanssiero puolien välillä, likaisuus voidaan määrittää tapauskohtaisesti. Konseptia testattiin yksinkertaisella nukkatestillä ja pölynimurilla, jolla saatiin ilmavirta suodattimen läpi. Testit täydensivät toisiaan, sillä kapasitanssieron kasvu havaittiin molemmissa testeissä.

Työn tulokset ja toteutetut komponentit havainnollistavat painettavan älykkyyden loistavia mahdollisuuksia ja monipuolisuutta niin tieteen eri aloilla kuin ihmisten arkipäivän elämässä.

Osajulkaisut / Original papers

Osajulkaisut eivät sisälly väitöskirjan elektroniseen versioon. / Original papers are not included in the electronic version of the dissertation.

1. Vilmi, P., Myllylä, R., & Fabritius, T. (2013). Inkjet printed microlens array on patterned substrate. In G. von Freymann, W. V. Schoenfeld, & R. C. Rumpf (Eds.), Advanced Fabrication Technologies for Micro/Nano Optics and Photonics VI. SPIE. https://doi.org/10.1117/12.2001045

2. Vilmi, P., Varjo, S., Sliz, R., Hannuksela, J., & Fabritius, T. (2015). Disposable optics for microscopy diagnostics. Scientific Reports, 5(1). https://doi.org/10.1038/srep16957

3. Vilmi, P., Nelo, M., Voutilainen, J.-V., Palosaari, J., Pörhönen, J., Tuukkanen, S., Jantunen, H., Juuti, J., & Fabritius, T. (2016). Fully printed memristors for a self-sustainable recorder of mechanical energy. Flexible and Printed Electronics, 1(2), 025002. https://doi.org/10.1088/2058-8585/1/2/025002

4. Vilmi, P., Sliz, R., & Fabritius, T. (2020). Double-sided environmental sensor for high-efficiency particulate air filter. 2020 IEEE International Instrumentation and Measurement Technology Conference (I2MTC). https://doi.org/10.1109/i2mtc43012.2020.9128647

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

5. Vilmi, P., Schuss, C., Hannila, E., Sliz, R., & Fabritius, T. (2021). Printed dust accumulation sensing system for air filters. Manuscript in preparation.