CN106248266B - 基于3d打印加工的电阻应变式传感器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及传感器技术领域，尤其是一种基于3D打印加工的电阻应变式传感器及其制造方法，制造方法包括以下步骤：在弹性元件的应变区制备绝缘基底；将电阻敏感材料打印到所述绝缘基底上，打印头与弹性元件相对移动，打印出目标图案的敏感栅；打印出连接敏感栅的导电线和导电接点，形成应变片。本发明直接将电阻敏感材料打印到覆盖在弹性元件表面的绝缘基底上制成应变片，同时导电线和导电接点也同时打印到弹性元件上，传感器的制造方法自动化程度高、适用范围广、成本低且传感器的稳定性高。

Description

基于3D打印加工的电阻应变式传感器及其制造方法

技术领域

本发明一般来说涉及传感器技术领域，确切的说是一种基于3D打印加工的电阻应变式传感器及其制造方法。

背景技术

现有技术制造电阻应变式传感器的方法为：在一定形状的弹性元件上粘贴或溅射沉积电阻应变敏感元件(一般称作应变片)。当力学量作用在弹性元件上时，弹性元件产生变形，应变片的电阻值随之发生变化，接着由变换电路将电阻值变化转化成电压变化输出，根据电压变化量即可得知力学量大小。目前常见的电阻应变敏感元件有金属箔式电阻应变片、半导体应变片以及在弹性元件上直接溅射沉积薄膜电阻再通过蚀刻制成的应变片。电阻应变式传感器以检测力学量变化为基础可以制成各种不同具体应用的传感器，比如称重测力传感器、扭矩(扭力)传感器、多轴力传感器、张力传感器、压力传感器等，应用十分广泛。

目前，在弹性元件上粘贴应变片是制造电阻应变式传感器广泛应用的方法，其存在以下问题：

1、为了保持传感器的精度和稳定性，对粘贴应变片的工艺要求很高，且自动化程度较低，降低了生产效率，产品受人为因素影响也较大。

2、目前应变片都是采用的热压，曝光，蚀刻等传统工艺制成，工序复杂，生产过程中使用的化学品会产生污染物。

3、传统应变片必须包含基底，以承载应变片的敏感栅，故降低了应变片传递应变的能力。

而另一种直接在弹性元件上溅射沉积薄膜电阻再通过蚀刻制成应变片的方法，需要在真空或特定气体下操作，首先溅射沉积电阻膜，然后采用和应变片一样的掩膜，蚀刻等工艺，将沉积电阻膜制成所需的图案作为应变片。这种方法投资较大，成本过高，生产流程复杂，工艺通用性差，材料利用率低，不能满足未来绿色、低成本的生产要求。所以一直未能广泛使用。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术制造电阻应变式传感器自动化程度低、工艺通用型性差、材料利用率低且生产成本高的问题，提供一种基于3D打印加工的电阻应变式传感器及其制造方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明公开了一种基于3D打印加工的电阻应变式传感器的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：在传感器的弹性元件的应变区表面制备绝缘基底；

步骤2：将电阻敏感材料打印到所述绝缘基底上，打印头与弹性元件相对移动，打印出目标图案的敏感栅；

步骤3：打印出连接敏感栅的导电线及导电接点，形成应变片。

进一步地，重复步骤2和步骤3，在所述绝缘基底上打印多个所述应变片。

进一步地，完成打印多个应变片后，在所述绝缘基底上打印补偿电阻。

进一步地，对打印好的组件进行热处理固化。

进一步地，热处理固化后，在应变片表面覆盖一层聚合物保护层。

进一步地，热处理固化后，通过导线连接各应变片的导电接点，将多个所述的应变片连接成电桥。

进一步地，所述绝缘基底为涂覆在所述弹性元件上的聚酰亚胺、环氧基树脂、聚醚醚酮PEEK、玻璃纤维和酚醛基树脂中的一种或两种以上的组合形成的绝缘薄膜。

进一步地，通过气流喷印法或喷墨打印法打印敏感栅、导电线和导电接点。

本发明还公开了一种基于3D打印加工的电阻应变式传感器，其特征在于，所述传感器包括弹性元件、覆盖在所述弹性元件表面的绝缘基底、打印在所述弹性元件正面的绝缘基底上的两片应变片S1和S2、以及打印在所述弹性元件背面的绝缘基底上的两片应变片S3和S4；所述应变片S1、S2、S3和S4通过导线连接成惠斯顿电桥。

进一步地，所述传感器还包括打印在所述绝缘基底上的零点输出补偿电阻Ra1和Ra2，零点输出温度补偿电阻Rb1和Rb2，以及灵敏度温度补偿电阻Rm1和Rm2。

与现有技术相比，本发明显而易见地具有以下技术效果：

1、采用气流喷印和/或喷墨打印，不对弹性元件施加压力，生产过程中不会在弹性元件中留有残余应力，有利于提高传感器的稳定性。

2、弹性元件的待打印区可以是平面也可以是弧面，适用范围广，是其他传统工艺无法实现的。

3、直接将应变片(电阻敏感元件)打印在覆盖在弹性元件表面的绝缘基底上，无需制作掩膜，避免了热压、掩膜、曝光、蚀刻等传统工艺制备应变片带来的工序复杂、产生污染物等缺点，大大提高了生产效率，降低了生产成本。

4、直接将应变片打印到所述绝缘基底上的传感器，比传统需要粘贴应变片的传感器少了一层应变片基底材料，更容易精确感知弹性元件上的应变，不但提高了传感器的灵敏度和精度，还避免了应变片基底材料的老化，提高了传感器的稳定性和寿命。

5、不但直接打印应变片到所述绝缘基底上，还同时打印导电线、导电接点和补偿电阻，简化了制造流程和时间，自动化程度高。

6、直接打印补偿电阻到所述绝缘基底上，使得补偿电阻可以更直接感知弹性元件的变化，补偿更精准，减少了中间环节干扰。

7、气流喷印法打印的敏感栅线宽最小不足10um，可以大大提高应变片的初始电阻值，降低传感器功耗；并可缩小打印面积，有助减小传感器体积。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是实施例1电阻应变式称重测力传感器的结构示意图；

图2是实施例1电阻应变式称重测力传感器制造工艺流程图；

图3是实施例1弹性元件正面的应变片S1和S2布置及结构示意图；

图4是气流喷印打印机工作原理示意图；

图5是实施例1连接成的电路图；

图6是实施例2应变片S1、S2、S3和S4布置及结构示意图；

图7是实施例2的压力传感器制造工艺流程图；

图8是实施例2连接成的电路图；

图9是实施例2电阻应变式压力传感器的结构示意图。

图中，1、弹性元件，2、正面应变片，3、反面应变片，4、储液罐，5、电阻敏感材料，6、绝缘基底，7、应变片组。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：

如图1所示的基于3D打印加工的电阻应变式称重测力传感器，包括正面应变片2(即应变片S1和S2)和反面应变片3(即应变片S3和S4)，零点输出补偿电阻Ra1和Ra2，零点输出温度补偿电阻Rb1和Rb2，以及灵敏度温度补偿电阻Rm1和Rm2。

结合图2，具体的制造方法为：

S201、采用机械或化学的方法去除油污和残留颗粒以增加弹性元件1表面的结合力。具体地，弹性元件1采用2Cr13材料，打磨清洗弹性元件1表面，经过超声波清洗约15分钟，去除表面油污和残留颗粒后烘干。

弹性元件需要采用金属弹性元件。

根据传感器构型理论建立模型，再对模型进行数值计算并优化，得到设计的应变区结构要求，从而确定弹性元件的尺寸。

S202、在弹性元件1应变区和补偿电阻待打印区涂覆一层环氧胶(即环氧基树脂)厚度不超过50um，然后送入温箱加热固化，温度为160℃，保温4小时，环氧胶固化后形成覆盖在弹性元件1上的绝缘基底6。

其中，加热固化的温度范围可控制在20-300℃。

其中，绝缘基底可以是涂覆在弹性元件上的聚酰亚胺、环氧基树脂、聚醚醚酮PEEK、玻璃纤维和酚醛基树脂中的一种或两种以上的组合形成的绝缘薄膜，。也可以是弹性元件自身表面形成的氧化物薄膜。另外，也可使用气流喷印或喷墨打印上述绝缘基底材料，形成绝缘基底。

S203、在弹性元件1正面的绝缘基底6上打印应变片S1和S2，并在弹性元件1背面的绝缘基底6上打印应变片S3和S4，图3为本实施例应变片S1和S2布置及结构示意图，其中，E和G分别为应变片S1的敏感栅和导电接点；F和H分别为应变片S2的敏感栅和导电接点。应变片S3和S4的布置和结构同图3中的应变片S1和S2。使用气流喷印机打印出目标图案的敏感栅、导电线和导电接点。其中敏感栅采用的电阻敏感材料5为康铜，导电线和导电接点采用的材料为银。

其中，电阻敏感材料5可为康铜、镍合金、铂合金、铌合金、钽、锗或半导体晶体材料硅。

其中，导电线和导电接点可为铜、银、铝、金、铂、或镍等。

为了更好的规划打印路线，敏感栅、导电线和导电接点也可采用同一种材料，沿着预先设计的图案直接打印出来。

气流喷印打印机的原理参见图4，依据气体动力学原理，通过气动(或超声波)装罝将储液罐4内的电阻敏感材料5雾化，生成3-5微米小液滴(也包括部分纳米颗粒)，这种气液固混合气体被称为气溶胶，借助气体将气溶胶传输至喷印头；喷印头配罝有高压气墙，气溶胶通过高压气墙的环形约束压缩聚集成很小的一束(直径小于300um)，喷印头距离弹性元件1-5mm，配合dxf导入文件直接驱动控制下，把雾化的电阻敏感材料5精确喷印在弹性元件1上的绝缘基底6上，打印出目标图案的应变片和/或补偿电阻。同时，气流喷印法打印的最小线宽不超过50um。

S204、在弹性元件1的正面的绝缘基底6上利用气流喷印机打印出零点输出补偿电阻Ra1和Ra2，零点输出温度补偿电阻Rb1和Rb2，灵敏度温度补偿电阻Rm1和Rm2以及导电接点A、B、C、D。其中，Ra1和Ra2采用的材料为锰铜，Rb1和Rb2采用的材料为铜，Rm1和Rm2采用的材料是镍。

打印的线宽和厚度，取决于所打印材料的电导率和产品设计之初就确定的电阻值。根据公式R＝ρ*l/(a*b)。其中R是产品设计时确定的电阻值，ρ是所打印材料的电导率，l是打印长度，其主要受到待打印面积大小的限制。a是打印的线宽，b是打印的厚度。根据打印机本身所能打印的最小线宽和最小厚度，并综合考虑到生产效率等，合理设置a，b参数值。

S205、将上述步骤打印完成的产品放入温箱中保温2小时，温度为200℃。

S205中在温箱中保温的温度可控制在50℃～300℃，且保温时可将产品置于高压环境中，压力范围控制在0.1MPa～3.5MPa。

需要声明的是：S202中的在温箱中固化和S205中温箱中保温采用的方式包括：温箱(烘箱)加热、光波加热或微波加热方式中的中一种或多种组合。

S206、利用真空气相沉积工艺在应变片S1、S2、S3、S4，以及灵敏度温度补偿电阻Rm1和Rm2上沉积一层聚合物保护层。

另外，聚合物保护层可以是硅酮、硅橡胶、环氧密封胶或聚酰亚胺等，也可将聚合物保护层通过涂覆覆盖在应变片S1、S2、S3、S4，以及灵敏度温度补偿电阻Rm1和Rm2上。

S207、通过导线将应变片S1、S2、S3、S4，零点输出补偿电阻Ra1和Ra2，零点输出温度补偿电阻Rb1和Rb2，以及灵敏度温度补偿电阻Rm1和Rm2按照图5所示的电路图组成惠斯顿电桥电路，其中，Vi是电路的供电输入，Vo是电路的信号输出。

实施例2

实施例2为一种基于直接3D打印加工的电阻应变式压力传感器，如图9所示，结构示意图如图9所示，其中1为弹性元件，7为应变片组，应变片组7包括四个应变片S1、S2、S3和S4，四个应变片的布置及结构如图6所示，其中O、P、Q、S为导电接点。

实施例2的电阻应变式压力传感器的制造方法，包括以下步骤：

S701、弹性元件1采用2024-T4铝合金材料，表面经过阳极氧化处理，故弹性元件表面已有金属氧化物的绝缘基底。经过超声波清洗约15分钟，去除表面油污和残留颗粒后烘干。

S702、使用气流喷印打印机按照如图6所示的四个敏感栅、导电线以及四个导电接点O、P、Q、S的图案在弹性元件1上打印，直接打印连接组成惠斯顿电桥。电路图如图8所示，其中，敏感栅采用的材料为电阻敏感材料，可为康铜、镍合金、铂合金、铌合金、钽、锗或半导体晶体材料硅、碳等。导电线和导电接点为铜等其他导电材料，一般可为银、铝、金、铂或镍等。Vi是电路的供电输入，Vo是电路的信号输出。

S703、将上述步骤打印完成的产品，送入温箱中保温，设定温度为50℃，时间为6小时。

S704、采用真空气相沉积工艺在应变片表面沉积一层聚酰亚胺保护层。

实施例3

与实施例1的不同之处在于，使用喷墨打印法打印敏感栅，导电线和导电接点。

作为一种优选的实施方式，在气流喷印或喷墨打印过程中，可将待打印件(弹性元件)预热，加热温度范围控制在30-200度，提高打印精度。

另外，在温箱中保温的温度可设置为150℃，保温4个小时，这里并不需要严格的限制，可根据生产需要和实际情况调整。

作为一种优选的实施方式，使用气流喷印机打印敏感栅，使用喷墨打印机打印导电线和导电接点。

另外需要指出的是，电阻式传感器可以包括至少一个应变片，而不限于上述实施例中的四个，也并不限于组成惠斯顿电桥电路，电阻式传感器的组成和结构已经是非常成熟的技术，这里不再赘述。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于3D打印加工的电阻应变式传感器的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：通过计算确定弹性元件(1)的应变区的结构和尺寸；

步骤2：在弹性元件(1)的应变区制备绝缘基底(6)；

步骤3：将弹性元件进行预热提高打印精度；

步骤4：将电阻敏感材料(5)打印到所述绝缘基底(6)上，打印头与弹性元件相对移动，打印出目标图案的敏感栅；

所述电阻敏感材料(5)为康铜、镍合金、铂合金、铌合金、钽、碳、锗或硅中的一种；

步骤5：打印出连接敏感栅的导电线及导电接点，形成应变片；

重复步骤4和步骤5，在所述绝缘基底(6)上打印多个所述应变片；

步骤6：对打印好的组件进行热处理固化。

2.根据权利要求1所述的基于3D打印加工的电阻应变式传感器的制造方法，其特征在于，完成打印应变片后，在所述绝缘基底(6)上打印补偿电阻。

3.根据权利要求1所述的基于3D打印加工的电阻应变式传感器的制造方法，其特征在于，热处理固化后，在应变片表面覆盖一层聚合物保护层。

4.根据权利要求1所述的基于3D打印加工的电阻应变式传感器的制造方法，其特征在于，热处理固化后，通过导线连接各应变片的导电接点，将多个所述的应变片连接成电桥。

5.根据权利要求1所述的基于3D打印加工的电阻应变式传感器的制造方法，其特征在于，所述绝缘基底(6)为涂覆在所述弹性元件(1)上的聚酰亚胺、环氧树脂、聚醚醚酮PEEK、玻璃纤维和酚醛基树脂中的一种或多种的组合形成的绝缘薄膜。

6.根据权利要求1所述的基于3D打印加工的电阻应变式传感器的制造方法，其特征在于，通过气流喷印法或喷墨打印法打印敏感栅、导电线和导电接点。