CN110793683A - 一种基于近场直写技术的微纳电阻应变片制作方法及应变片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及应变片领域，具体为一种基于近场直写技术的微纳电阻应变片制作方法及应变片，该方法包括如下步骤：1)将应变片基底放置于移动平台上；2)将应变片敏感栅形状通过直写装置输入，由系统生成移动平台控制代码；3)将纳米银浆装入注射器中，接通高压电源，负电压接在金属针头上，应变片基底接地或者正电压；4)将写好应变片基底从移动平台上取出，在干燥箱干燥5小时，取出观察形貌并测试电阻值；5)将测试好的应变片使用黏合剂固定，并在上层覆盖环氧树脂胶膜；6)等黏合剂风干后焊接引出线即可。本发明可以根据需求定制个性化的微纳应变片，此工艺灵活，而且省去了合金箔的制作和粘贴这两步工艺，成本低廉。

Description

一种基于近场直写技术的微纳电阻应变片制作方法及应变片

技术领域

本发明涉及应变片领域，具体为一种基于近场直写技术的微纳电阻应变片制作方法及应变片。

背景技术

近场直写技术是将聚合物液体(溶液或熔体)在高压电场作用下生成微纳米纤维的一种方法，提供了一个可以规模化生产纳米纤维的方法。近场直写技术利用电场力对聚合物射流进行牵伸，在极高的场强中，电场力与库仑力相结合对聚合物射流实现了高倍拉伸和点对点传送，射流直径逐渐减小从而形成纳米尺寸的纤维，所形成的微纳纤维材料(电纺膜)可以直接吸附到收集基底上。

应变片可以用来测量弯曲、轴向及扭转载荷或其他应变效应，应变片由电阻薄片制成，该电阻薄片通常通过光刻、电离铣削、蒸镀或溅射法或其他切割方式来形成图案以产生电阻。薄片材料通常是厚度为50-200微英寸的Ni-Cu或Ni-Cr或锰合金。应变片的相应电阻值通常是120欧姆。通常使用环氧树脂或类似树脂或其他接合剂，将薄片图案粘结到非常薄的柔韧性聚合物基底上。例如一个传统的应变片制作工艺流程如下：精密电阻合金箔的轧制→合金箔的切割→通过应变胶黏剂粘贴于基底材料→制作引出线→测试标定。由此可以看出传统的工艺过程比较繁琐，而且这些常规的制造方法难于满足消费电子、航空航天、汽车产业、国防工业等领域中对于定制化应变片的需求.

综上，需要提出一种新的应变片制造工艺。

发明内容

为了解决上述背景技术中的问题，本发明提供了一种基于近场直写技术的微纳电阻应变片制作方法，该方法可以根据需求定制个性化的微纳应变片，可缩短制作工艺流程，且成本低廉。

本发明的第一个目的是提供一种基于近场直写技术的微纳电阻应变片制作方法，包括以下步骤：

1)将应变片基底放置于近场直写装置的移动平台上；

2)在近场直写装置中输入应变片敏感栅形状，并生成控制代码；

3)将纳米银浆放入近场直写装置中，并绘制成预定图案；

4)将绘制完成的应变片基底取出，干燥5小时后测试电阻值；

5)将测试合格的应变片使用黏合剂进行固定，并在上层覆盖环氧树脂胶膜；

6)待黏合剂风干后焊接引出线即完成应变片的制作。

进一步的，步骤3)中的纳米银浆放入注射器中，注射器与近场直写装置连接，注射器下端连接有金属针头，近场直写装置接通高压电源，负电压接在金属针头上，应变片基底接地或者接正电压，纳米银浆在电场的作用下直接吸附在应变片基底上，并随着移动平台的移动形成预定图案

进一步的，步骤3)中金属针头的负电压为-15kv，金属针头与应变片基底的距离为5mm-10mm。

进一步的，步骤3)中应变片基底接地。

进一步的，步骤3)中移动平台的移动速度为10-20mm/s。

进一步的，步骤4)中干燥温度是50℃。

优选的，步骤3)中纳米银浆的浓度为8％-15％，所述金属针头的负电压为-15Kv,所述应变片基底接地，所述金属针头与所述应变片基底的距离为8mm，所述移动平台的移动速度为20mm/s,环境温度为28℃-35℃，环境空气湿度为40％-45％。

进一步的，应变片基底选用环氧树脂胶膜，厚度为15-16um。

进一步的，注射器的一端连接有推动注射器运动的高精度注射泵，高精度注射泵通过步进电机传动，注射器的内径为15mm，注射器的另一端连接有金属针头。

本发明的第二个目的是提供一种应变片，该应变片由上述任意一项基于近场直写技术的微纳电阻应变片制作方法制作而成。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)本发明可以根据需求定制个性化的微纳应变片，此工艺灵活，而且省去了合金箔的制作和粘贴这两步工艺，工艺简单，成本低廉。

(2)本发明的金属针头连接-15Kv的电压，不会产生放电现象，金属针头与应变片基底的距离在5mm-10mm之间，更易于成丝，喷出的纺丝连续性较好。

(3)本发明的应变片基底接地，可以保护移动平台，防止移动平台带电。

(4)本发明的移动平台的移动速度设置为10-20mm/s，使应变片敏感栅的成型质量更好。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1为本发明的近场直写装置简图；

图2为本发明的近场直写装置的工作示意图；

图3为本发明的应变片的结构图；

其中，1-高压电源，2-注射器，3-控制器，4-金属针头，5-应变片基底，6-移动平台，7-应变片敏感栅，8-应变片上薄膜。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1至2所示为本发明的近场直写装置简图以及工作示意图，该近场直写装置包括高压电源1、注射器2、控制器3、金属针头4、应变片基底5以及移动平台6和应变片敏感栅7，应变片基底5置于移动平台上，注射器2位于应变片基底5的正上方，且注射器2下端连接有金属针头4，控制器3用于控制移动平台6的运动以及注射器5的喷射工艺参数，具体工作过程在下文描述。

本发明提供一种基于近场直写技术的微纳电阻应变片制作方法，包括以下步骤：

1)将应变片基底5放置于近场直写装置的移动平台6上，所选基底材料为环氧树脂胶膜，形状为长方形，长10mm，宽5mm，当然形状和大小均可以根据需要进行定制；选用环氧树脂胶膜成本低廉，容易制备，同时兼具柔韧性，其厚度为15um。

2)将应变片敏感栅7的形状通过近场直写装置的输入端输入，由系统自动生成移动平台6所需的控制代码，一般代码为G代码；

3)将配制好的纳米银浆装入近场直写装置的注射器中，并接通高压电源1，负电压接在与注射器2相连接的金属针头4上，应变片基底5接地或者接正电压，注射器2喷射出来的纳米银浆在电场的作用下可直接吸附在应变片基底5上，随着移动平台6的运动，形成预定图案；

4)将写好应变片基底5从移动平台6上取出，放置于干燥箱干燥5小时，干燥后观察形貌并测试电阻值；

5)将测试好的应变片使用环氧树脂类黏合剂进行固定，并在上层覆盖一层环氧树脂胶膜；

6)等黏合剂在室温下风干后焊接引出线即可，引出线是普通的金属导线，通常为铜丝。

具体的，步骤3)中金属针头4的负电压为-15kv(-15kv是通过实验得出的一个较常用的数字，随着金属针头4与应变片基底5之间距离的变远，电压需要更大，-15kv对应的距离约为5-10mm，选用15kv的电压使纳米银浆更容易成丝，不会产生放电现象，更高的电压很容易产生放电现象，进而容易造成纺丝不连续)。

具体的，步骤3)中注射器2的一端接有推动注射器运动的高精度注射泵，注射泵通过步进电机传动，使用注射泵可以使流量稳定，使生成的应变片敏感栅7尺寸稳定，注射器2的内径大小为15mm，通过调节步进电机的进给速率，可以调节注射溶液流量的大小，进而调整敏感栅的尺寸。本发明的注射器2本身是塑料注射器，但是注射器2另一端接有金属针头4，金属针头4接通高压电源，负电压接在金属针头4上。

具体的，步骤3)中应变片基底5接地，从而在金属针头4和应变片基底5之间形成电场(相当于在0v和-15kv之间形成电场)，而纳米银浆处于电场之中是可以受到电场力的，纳米银浆在电场作用下形成泰勒锥，场力与库仑力相结合对纳米银浆射流实现了高倍拉伸和点对点传送，射流直径逐渐减小从而形成纳米尺度的纤维(0.5μm-20μm)，所形成的纳米银纤维可以直接吸附到应变片基底5上，随着移动平台6的运动，形成预定的图案,本发明的应变片基底5接地是因为要保护移动平台6，防止移动平台6带电，同时可以使金属针头4与应变片基底5间形成电场。当然本发明的应变片基底5也可以接正高压，同样可以在金属针头4和应变片基底5上形成电场，达到本发明的技术效果。

此处需要对静电纺丝的形成过程进行说明：金属针头4接-15kv的负高压，收集基底(即应变片基底5)接地(相当于零电势即0v)，那么在收集基底和金属针头4之间就会形成一个电场，金属针头4中的纳米银浆可以导电，在高压电的作用下纳米银浆的离子会积聚在靠近收集基底的一端，当集聚的离子足够多的时候，纳米银浆在电场中所受到的力也就越大，从而可以克服溶液本身的黏着力，向下喷射到收集基底上。在黏着力与电场力的共同作用下，纳米银浆会被拉成细丝，靠近金属针头4一端呈现出上大下小的锥形，即“泰勒锥”，落在收集基底上的微纳细丝也会由于黏着力吸附于收集基底上，同时由于细丝直径很小，因此比表面积很大，很快便凝固成固体。微纳纤维的尺寸大小与电压大小，金属针头4与收集基底距离的大小，还有温湿度等因素有关，很难进行具体量化，一般规律是电压越大，金属针头4与收集基底的距离越大，细丝直径就越小，但是电压太大会有放电现象，金属针头4与收集基底距离太大可能导致纳米银浆难以成丝，继而影响应变片的质量。

具体的，步骤3)中移动平台6的移动速度为10-20mm/s，通常移动平台6的移动速度也会影响应变片敏感栅7的成型质量，通过实验验证本发明移动速度设置在10-20mm/s，应变片敏感栅7的成型质量较好。

具体的，步骤4)中干燥箱的干燥温度是50℃，通过干燥箱的干燥使溶液中的溶质挥发干净，同时使溶液固化成型，然后使用电镜观测其形貌是否符合要求(要求纳米银纤维大小一致，纤维连续)，最后使用专用仪器测试其电阻值是否符合设计要求。

优选的，步骤3)中纳米银浆的浓度为8％-15％，所述金属针头4的负电压为-15Kv,应变片基底5接地，金属针头4与应变片基底5的距离为8mm，移动平台6的移动速度为20mm/s,环境温度为28℃-35℃，环境空气湿度为40％-45％。

这里需要说明的是，上述工艺参数是从实验得出的典型的工艺参数，但是纳米银浆浓度、电压大小、收集距离等都会对微纳纤维的尺寸有影响，没有固定的公式可以描述他们的一般关系，只能通过试验方法不断调整工艺，达到要求的纤维尺寸。

本发明还提供一种应变片，该应变片由上述任意一项基于近场直写技术的微纳电阻应变片制作方法制作而成，如图3所示，应变片包括应变片基底5、应变片敏感栅7和应变片的上薄膜8，通过本发明的方法制作的应变片可满足消费电子、航空航天、汽车产业、国防工业等领域中对于定制化应变片的需求，此应变片的制作工艺简单，成本低廉，可大范围推广应用。

具体实施例：

本实施例所用应变片制作方法及流程如下：

S01：环境温湿度分别为30℃和40％，将厚度为15um，长宽为10mmx5mm的环氧树脂胶膜放置于近场直写装置的移动平台上，环氧树脂胶膜通过双面胶粘贴于移动平台上；

S02：将应变片敏感栅形状通过近场直写装置的输入端输入，由系统自动生成移动平台所需的控制代码；

S03：将配置好的纳米银浆装入注射器中，并接通高压电源，-15kv电压接在与注射器相连的金属针头上，应变片基底接地，金属针头与应变片基底的距离为8mm，纳米银浆浓度为10％，移动平台的运动速度为20mm/s，在敏感栅拐角处运动平台的运动速度降到10mm/s，同时高精度注射泵的供液量减小一半，以保持敏感栅的宽度一致，移动平台的速度从20mm/s降到10mm/s的过程并不是突然的，而是线性平滑的下降，本实施例在敏感栅拐角处的特殊工艺是为了减小移动平台的移动速度突变对敏感栅的成型造成影响；纳米银浆通过注射器在电场作用下被拉成细丝，落在环氧树脂胶膜上表面，形成宽度为5um左右的敏感栅；

S04：当敏感栅制作完成之后，将环氧树脂胶膜取下，移至干燥箱在50℃的温度下干燥5个小时，去除残留的溶剂，使敏感栅固化定型，并观察形貌并测试电阻值。

S05：将烘干后的符合要求的半成品取出，在敏感栅上面再覆盖一层环氧树脂胶膜，厚度为15um，最后焊接引出线，引出线为细小的铜丝，直径约为100um。焊接好引出线的应变片经过标定，即可使用，使用时将其粘贴于所测物件的表面即可。

以上借助具体实施例对本发明做了进一步描述，但是应该理解的是，这里具体的描述，不应理解为对本发明的实质和范围的限定，本领域内的普通技术人员在阅读本说明书后对上述实施例做出的各种修改，都属于本发明所保护的范围。

Claims (10)

1.一种基于近场直写技术的微纳电阻应变片制作方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

1)将应变片基底放置于近场直写装置的移动平台上；

2)在所述近场直写装置中输入应变片敏感栅的形状，并生成控制代码；

3)将纳米银浆放入所述近场直写装置中，并绘制成预定图案；

4)将绘制完成的应变片基底取出，干燥5小时后测试电阻值；

5)将测试合格的应变片使用黏合剂进行固定，并在上层覆盖环氧树脂胶膜；

6)待黏合剂风干后焊接引出线即完成应变片的制作。

2.根据权利要求1所述的基于近场直写技术的微纳电阻应变片制作方法，其特征在于，所述步骤3)中的纳米银浆放入注射器中，所述注射器与所述近场直写装置连接，所述注射器下端连接有金属针头，所述近场直写装置接通高压电源，负电压接在所述金属针头上，所述应变片基底接地或者接正电压，纳米银浆在电场的作用下直接吸附在应变片基底上，并随着移动平台的移动形成预定图案。

3.根据权利要求2所述的基于近场直写技术的微纳电阻应变片制作方法，其特征在于，所述步骤3)中金属针头的负电压为-15kv，所述金属针头与所述应变片基底的距离为5mm-10mm。

4.根据权利要求3所述的基于近场直写技术的微纳电阻应变片制作方法，其特征在于，所述步骤3)中应变片基底接地。

5.根据权利要求2所述的基于近场直写技术的微纳电阻应变片制作方法，其特征在于，所述步骤3)中移动平台的移动速度为10-20mm/s。

6.根据权利要求1所述的基于近场直写技术的微纳电阻应变片制作方法，其特征在于，所述步骤4)中干燥温度是50℃。

7.根据权利要求2所述的基于近场直写技术的微纳电阻应变片制作方法，其特征在于，所述步骤3)中纳米银浆的浓度为8％-15％，所述金属针头的负电压为-15Kv,所述应变片基底接地，所述金属针头与所述应变片基底的距离为8mm，所述移动平台的移动速度为20mm/s,环境温度为28℃-35℃，环境空气湿度为40％-45％。

8.根据权利要求1所述的基于近场直写技术的微纳电阻应变片制作方法，其特征在于,所述应变片基底选用环氧树脂胶膜，厚度为15-16um。

9.根据权利要求2所述的基于近场直写技术的微纳电阻应变片制作方法，其特征在于,所述注射器的一端连接有推动所述注射器运动的高精度注射泵，所述高精度注射泵通过步进电机传动，所述注射器的内径为15mm，所述注射器的另一端连接有所述金属针头。

10.一种应变片，其特征在于，所述应变片由权利要求1至9任意一项所述的基于近场直写技术的微纳电阻应变片制作方法制作而成。

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