CN107244070A - 一种基于导电油墨的力传感器芯片及其3d打印制作方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于导电油墨的力传感器芯片及其3D打印制作方法，力传感器芯片包括带有悬臂梁的树脂框架结构，在悬臂梁末端制作的银导线与电极以及跨接在银导线与电极上的压阻材料薄膜；制作方法采用3D打印工艺，将银导线与电极、压阻材料薄膜直接制作在树脂框架结构之上，实现了三维复合结构传感器的一体化制造，避免了用胶粘贴所带来的定位误差与检测灵敏度的降低，具有加工成本低、加工周期短、制作简便、材料选择多样化等优点。

Description

一种基于导电油墨的力传感器芯片及其3D打印制作方法
技术领域
本发明属于增材制造以及传感器技术领域，具体涉及一种基于导电油墨的力传感器芯片及其3D打印制作方法。
背景技术
3D打印属于增材制造技术，是一种运用计算机控制的喷头，通过逐层打印材料的方式来构造三维物体的技术。近几年，其在建筑、汽车、航空航天、医学等领域零部件的制作上得到了越来越广泛地商业化应用。3D打印应用的材料主要有金属、陶瓷、复合材料、高分子材料等等。传统的传感器制造技术，以MEMS工艺为例，存在难以加工真三维自由形状的结构、难以利用性能优异的复合功能材料、加工工艺复杂、加工效率低下、成本高等缺点。并且传统的应变片多采用胶贴的方式固定在传感器结构部件的灵敏位置上，从而产生定位误差变大，灵敏性能变弱的弊端。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于导电油墨的力传感器芯片及其3D打印制作方法，实现了三维复合结构传感器的一体化制造，具有加工成本低、加工周期短、制作简便、材料选择多样化等优点。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于导电油墨的力传感器芯片，包括带有悬臂梁的树脂框架结构1，在悬臂梁末端制作的银导线与电极2以及跨接在银导线与电极2上的压阻材料薄膜3；
所述的树脂框架结构1由光固化树脂材料制成；所述的银导线与电极2由导电油墨纳米银墨水制成；所述的压阻材料薄膜3由导电油墨PEDOT:PSS[聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)]制成。
一种基于导电油墨的力传感器芯片的3D打印制作方法，包括以下步骤：
1)运用激光快速成型机固化树脂材料形成预定尺寸的带有悬臂梁的树脂框架结构1；
2)将加工好的树脂框架结构1依次置于酒精、去离子水中各超声清洗处理5min；取出树脂框架结构1后将其置于烘箱中60℃烘烤10min使其完全干燥；
3)将清洁并干燥后的树脂框架结构1置于气动式喷墨打印机下，按设计的银导线与电极2的图案喷印纳米银墨水于树脂框架结构1上悬臂梁末端的预定位置，重复喷印5次；
4)取出喷印好纳米银墨水的树脂框架结构1置于强制对流烘箱中，130℃烘烤30min，取出后自然冷却至室温；
5)将冷却后的树脂框架结构1置于气动式喷墨打印机下，按设计的压阻材料薄膜3的图案喷印PEDOT:PSS墨水于树脂框架结构1上悬臂梁末端的预定位置，重复喷印10次；
6)取出喷印好PEDOT:PSS墨水的树脂框架结构1置于强制对流烘箱中，90℃烘烤30min，取出后自然冷却至室温。
所述的压阻材料薄膜3与银导线与电极2的银导线部分上涂抹一层绝缘硅胶。
所述的银导线与电极2的银电极部分在连接外部测量电路导线后涂抹一层绝缘硅胶。
本发明的有益效果为：
采用3D打印工艺(光固化成型、喷墨打印)为制作方法，将银导线与电极2、压阻材料薄膜3直接制作在树脂框架结构1之上，避免了传统传感器的应变片贴片工艺，即避免了用胶粘贴所带来的定位误差与检测灵敏度的降低。将光固化成型与喷墨打印两种3D打印工艺相结合，可以制作复杂形状的基底以及复杂图案的功能材料，具有加工成本低、加工周期短、制作简便、材料选择多样化、结构一体化等优点。本发明的力传感器可应用在称重测量领域。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的结构俯视图。
图3为本发明的截面示意图。
图4为本发明力传感器芯片的一种惠斯通测量电桥示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明做详细描述。
如图1、图2、图3所示，一种基于导电油墨的力传感器芯片，包括带有悬臂梁的树脂框架结构1，在悬臂梁末端制作的银导线与电极2以及跨接在银导线与电极2上的压阻材料薄膜3。
所述的树脂框架结构1由光固化树脂材料制成，作为传感器芯片结构的敏感元件；银导线与电极2由导电油墨纳米银墨水制成，作为传感器芯片内部导线及与外部测量电路连接的电极；压阻材料薄膜3由导电油墨PEDOT:PSS[聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)]制成，作为传感器芯片的转换元件。
一种基于导电油墨的力传感器芯片的3D打印制作方法，包括以下步骤：
1)运用激光快速成型机SPS450B固化树脂材料形成预定尺寸的带有悬臂梁的树脂框架结构1，尽量保证树脂框架结构1待喷印表面的光洁度；
2)将加工好的树脂框架结构1依次置于酒精、去离子水中各超声清洗处理5min以去除表面杂质及污染物；取出树脂框架结构1后将其置于烘箱中60℃烘烤10min使其完全干燥；
3)将清洁并干燥后的树脂框架结构1置于气动式喷墨打印机DMP3000下，按设计的银导线与电极2的图案喷印纳米银墨水于树脂框架结构1上悬臂梁末端的预定位置，重复喷印5次，形成均质的银导线与电极2图案；
4)取出喷印好纳米银墨水的树脂框架结构1置于强制对流烘箱中，130℃烘烤30min使纳米银墨水完全固化成型以降低其电阻率，取出后自然冷却至室温；
5)将冷却后的树脂框架结构1置于气动式喷墨打印机DMP3000下，按设计的压阻材料薄膜3的图案喷印PEDOT:PSS墨水于树脂框架结构1上悬臂梁末端的预定位置，重复喷印10次，形成1μm左右厚度的PEDOT:PSS薄膜；
6)取出喷印好PEDOT:PSS墨水的树脂框架结构1置于强制对流烘箱中，90℃烘烤30min使PEDOT:PSS薄膜完全固化，取出后自然冷却至室温。
上述步骤完成后，需要在压阻材料薄膜3与银导线与电极2的银导线部分上涂抹一层绝缘硅胶，以防止银导线长期处于在空气中被氧化而削弱或丧失了其导电性能，以及避免压阻材料薄膜3受空气湿度影响其压阻特性稳定性。银导线与电极2的银电极部分在连接外部测量电路导线后也应涂抹一层绝缘硅胶。
本发明力传感器芯片工作原理如下：
如图3所示，当某一集中载荷(集中力)F作用于树脂框架结构1上的悬臂梁悬空端时，悬臂梁受压力作用产生应变，其最大应变产生在悬臂梁与框架连接的位置处，此时，喷印在此位置的压阻材料薄膜3将这种应变转化为自身的阻值变化。这种集中载荷(集中力)F与压阻材料薄膜3阻值变化的关系如下：
式中:ΔR——压阻材料薄膜的电阻值变化值；
R——压阻材料薄膜的初始电阻值；
GP——压阻材料薄膜的应变系数；
εl——压阻材料薄膜位置处的纵向应变；
E——悬臂梁的杨氏模量；
w——悬臂梁的宽度；
t——悬臂梁的厚度；
d——压阻材料薄膜与集中载荷(集中力)F作用点之间的距离。通过外接惠斯通电桥电路(如图4所示，其中Ru为待测压阻材料薄膜电阻)将这一阻值变化转变为电信号输出，从而实现传感器芯片的作用力—电压信号转换，完成对作用力的测量。

Claims (4)

1.一种基于导电油墨的力传感器芯片，其特征在于：包括带有悬臂梁的树脂框架结构(1)，在悬臂梁末端制作的银导线与电极(2)以及跨接在银导线与电极(2)上的压阻材料薄膜(3)；
所说的树脂框架结构(1)由光固化树脂材料制成；所述的银导线与电极(2)由导电油墨纳米银墨水制成；所述的压阻材料薄膜(3)由导电油墨PEDOT:PSS[聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)]制成。
2.一种基于导电油墨的力传感器芯片的3D打印制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)运用激光快速成型机固化树脂材料形成预定尺寸的带有悬臂梁的树脂框架结构(1)；
2)将加工好的树脂框架结构(1)依次置于酒精、去离子水中各超声清洗处理5min；取出树脂框架结构(1)后将其置于烘箱中60℃烘烤10min使其完全干燥；
3)将清洁并干燥后的树脂框架结构(1)置于气动式喷墨打印机下，按设计的银导线与电极(2)的图案喷印纳米银墨水于树脂框架结构(1)上悬臂梁末端的预定位置，重复喷印5次；
4)取出喷印好纳米银墨水的树脂框架结构(1)置于强制对流烘箱中，130℃烘烤30min，取出后自然冷却至室温；
5)将冷却后的树脂框架结构(1)置于气动式喷墨打印机下，按设计的压阻材料薄膜(3)的图案喷印PEDOT:PSS墨水于树脂框架结构(1)上悬臂梁末端的预定位置，重复喷印10次；
6)取出喷印好PEDOT:PSS墨水的树脂框架结构(1)置于强制对流烘箱中，90℃烘烤30min，取出后自然冷却至室温。
3.根据权利要求2所述的一种基于导电油墨的力传感器芯片的3D打印制作方法，其特征在于：所述的压阻材料薄膜(3)与银导线与电极(2)的银导线部分上涂抹一层绝缘硅胶。
4.根据权利要求2所述的一种基于导电油墨的力传感器芯片的3D打印制作方法，其特征在于：所述的银导线与电极(2)的银电极部分在连接外部测量电路导线后涂抹一层绝缘硅胶。
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