CN112135443A - 一种基于绝缘带的应变片阵列电路直书写打印方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于绝缘带的应变片阵列电路直书写打印方法，涉及应变片领域和3D打印分层电路领域，该方法在第一电路层打印固化完成以后，在其上层打印数条绝缘带，然后在绝缘带处打印第二电路层，应变片的功能层打印覆盖在其上并且不与绝缘带接触，功能层的首尾电极分别与两层电路层连接，最后打印一层绝缘材料进行封装；利用直书写完成整个流程打印，较为方便、简单，且行列复合电路在两条银线路交叉部位，采用一种新型的绝缘方式，改局部点胶为走线区域打印绝缘带的形式，可以有效的完成阵列应变片的打印以及确保测量的稳定性，同时保障了应变片基底到功能层的应变传递效率。

Description

一种基于绝缘带的应变片阵列电路直书写打印方法
技术领域
本发明涉及应变片领域和3D打印分层电路领域，尤其是一种基于绝缘带的应变片阵列电路直书写打印方法。
背景技术
电阻应变片是一种将被测物体上的应变变化转换成一种电信号的传感器件，单个电阻应变片只能测量单个点的应变，因此为了实现多点应变的测量需要进行阵列化设计形成应变片阵列电路。
矩阵式电路为应变片阵列电路的设计提供了一种思路，横向电路和纵向电路相互交叉，各个交叉位置形成测量点，通过行扫描或者列扫描的形式即可获得每个测量点的电信号。然而，矩阵式电路不可避免会存在横向电路和纵向电路之间的交叉绝缘问题，为了保证电路之间的绝缘，目前的做法通常是在打印第一层线路的时候在横向电路和纵向电路的交叉位置进行搭桥点胶，但这样会在点胶部位产生凸起状的台阶，对于第二层线路的打印精度会产生影响，在拉伸受力情况下容易产生断路。
发明内容
本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种基于绝缘带的应变片阵列电路直书写打印方法，本发明的技术方案如下：
一种基于绝缘带的应变片阵列电路直书写打印方法，该方法包括：
利用绝缘材料在平面基底上直书写打印形成第一绝缘层；
利用导电银浆在绝缘层上直书写打印m条平行间隔的第一银线路形成第一电路层，每条第一银线路的一端均包含电极引出端；
利用绝缘材料在第一电路层上直书写打印n条平行间隔的绝缘带形成第二绝缘层，绝缘带垂直于第一银线路且连续覆盖所在区域内的m条第一银线路，相邻两条绝缘带之间区域内的第一银线路相对于第二绝缘层外露；
利用导电银浆在第二绝缘层的每条绝缘带处分别打印一条第二银线路形成第二电路层，每条第二银线路分别包括一条主路及其相连的m条支路且各条第二银线路分别间隔；每条第二银线路的主路分别位于对应的绝缘带上、垂直于第一银线路且一端包含电极引出端，第二银线路的每条支路部分位于对应的绝缘带上、部分在绝缘带外且位于第一绝缘层上；
利用导电碳浆直书写打印m*n个应变片首电极、m*n个应变片尾电极和m*n个连接线形成功能层，每条第一银线路在相邻两条绝缘带之间外露的区域处以及电极引出端与相邻的绝缘带之间外露的区域处分别打印有一个应变片首电极，第二电路层上的每个第二银线路的每条支路的末端分别打印有一个应变片尾电极，每个应变片首电极分别与一个应变片尾电极对应且通过连接线相连；
利用绝缘材料打印形成第三绝缘层完成封装，第三绝缘层覆盖除第一电路层的电极引出端、第二电路层的电极引出端以及功能层上的应变片首电极和应变片尾电极之外的其他区域。
其进一步的技术方案为，用于形成功能层的各个应变片首电极、各个应变片尾电极以及各个连接线均打印在第一绝缘层上且不与绝缘带接触。
其进一步的技术方案为，在打印第二电路层时，对同一条第二银线路的同一条支路进行重复两次直书写打印。
其进一步的技术方案为，该方法还包括：
利用行星搅拌机将银浆材料以2000rpm搅拌3分钟后装入打印针筒，再以3000rpm离心3分钟去除银浆材料中的气泡，制备得到用于打印形成第一电路层和第二电路层的导电银浆。
其进一步的技术方案为，在利用导电银浆打印形成第一电路层和第二电路层时，将导电银浆盛装在打印针筒中进行打印、打印导电银浆后完成固化形成相应的电路层，导电银浆的黏度为10000cP，打印针筒的打印针头内径为110μm，打印线距为100μm，打印速度为3mm/s，挤出气压为0.65Mpa，固化时利用烘箱以70℃烘干15～30分钟。
其进一步的技术方案为，在利用绝缘材料打印形成第一绝缘层、第二绝缘层和第三绝缘层时，绝缘材料盛装在打印针筒中进行打印、打印绝缘材料后完成固化形成相应的绝缘层，打印针筒的打印针头的内径为110μm、打印线距为100μm、打印速度为10mm/s、挤出的气压为0.1MPa，固化时在UV固化灯下固化10min。
其进一步的技术方案为，该方法还包括：
利用行星搅拌机将碳浆材料以2000rpm搅拌2分钟后装入打印针筒，再以3000rpm离心3分钟去除碳浆材料中的气泡，制备得到用于打印形成功能层的导电碳浆。
其进一步的技术方案为，在利用导电碳浆打印形成功能层时，导电碳浆盛装在打印针筒中进行打印，导电碳浆的黏度为30000cP，打印针筒的打印针头内径为110μm，打印线距为100μm，打印速度为10mm/s，挤出气压为0.65Mpa。
其进一步的技术方案为，在利用导电碳浆打印形成功能层时，在打印导电碳浆后利用烘箱以120℃烘干15分钟或在室温下放置3天完成固化形成功能层。
本发明的有益技术效果是：
本申请公开了一种基于绝缘带的应变片阵列电路直书写打印方法，该技术可以解决行列复合电路在两条银线路交叉部位的绝缘问题，与以往在交叉部位点胶的方式不同，本发明是在第一电路层打印固化完成以后，在其上层打印数条绝缘带，再打印第二电路层，应变片的功能层打印覆盖在其上并且不与绝缘带接触，功能层的首尾电极分别与两层横纵向电路连接，最后打印一层绝缘材料进行封装。该流程利用直书写完成整个流程打印，较为方便、简单，且可以有效的完成阵列应变片的打印以及确保测量的稳定性，在阵列电路的交互部位采用一种新型的绝缘方式，改局部点胶为走线区域打印绝缘带的形式，解决了局部点胶造成的相关位置精度差、多次固化打印的流程中针筒定位误差过大以及横纵向电路互相干涉的问题，同时保障了应变片基底到功能层的应变传递效率。
附图说明
图1是本申请公开的新型直书写打印方法的流程图。
图2是本申请的方法中层叠打印的各层的爆炸示意图。
图3是本申请打印完第一电路层后的结构图。
图4是本申请打印完第二绝缘层后的结构图。
图5是本申请打印完第二电路层后的结构图。
图6是本申请打印完功能层后的结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
本申请公开了一种基于绝缘带的应变片阵列电路直书写打印方法，请参考图1所示的流程图以及图2所示的层叠打印示意图，该方法包括如下步骤：
步骤S1，利用绝缘材料在平面基底上直书写打印形成第一绝缘层1。在打印第一绝缘层1之前，首先使用无水乙醇和脱脂棉充分清洁平面基底然后进行打印。
本申请使用的绝缘材料为光敏树脂(Anycubic)，在正式打印之前，将一定量的光敏树脂装入不透光的打印针筒，将打印针筒与气压控制阀相连厚，夹持在数控三轴运动平台上用3D打印直书写的方式在平面基底进行打印。经过调试，针对此类型的光敏树脂，本申请设置打印针筒的打印针头的内径为110μm、打印线距为100μm、打印速度为10mm/s、挤出的气压为0.1MPa，此时可以取得较好的打印质量。打印绝缘材料后在UV固化灯下固化10min进行固化，最后形成第一绝缘层1，本申请形成的第一绝缘层1的厚度范围为45～75μm。该层打印可以有效保证第一绝缘层的平整性及保证将打印的电路与平面基底之间的绝缘。
步骤S2，利用导电银浆在绝缘层上直书写打印m条平行间隔的第一银线路2形成第一电路层，每条第一银线路2的一端均包含电极引出端3。如图3以m＝4且第一银线路2为横向电路为例。本申请中第一银线路2末端的电极引出端3的尺寸为1mm×1mm。
在利用导电银浆打印之前，首先需要制备得到本申请中使用的高导电率的导电银浆，制备方法为：利用行星搅拌机将银浆材料(XRK-8000H)以2000rpm搅拌3分钟后装入打印针筒，再以3000rpm离心3分钟去除银浆材料中的气泡，制备得到用于打印形成第一电路层和第二电路层的导电银浆。该制备导电银浆的步骤可以在打印电路层之前执行，也可以在正式开始打印也即步骤S1之前执行，本申请对此不做限定。
在打印第一电路层时，将一定量的导电银浆装入不透光的打印针筒，将打印针筒与气压控制阀相连厚，夹持在数控三轴运动平台上用3D打印直书写的方式进行打印。经过调试，针对黏度为10000cP的导电银浆，本申请设置打印针筒的打印针头内径为110μm，打印线距为100μm，打印速度为3mm/s，挤出气压为0.65Mpa，此时可以取得较好的打印质量。打印导电银浆后在利用烘箱以70℃烘干15～30分钟，最后形成第一电路层。
步骤S3，利用绝缘材料在第一电路层上直书写打印n条平行间隔的绝缘带4形成第二绝缘层，绝缘带4垂直于第一银线路2且连续覆盖所在区域内的m条第一银线路2，在打印绝缘带4时，所使用的绝缘材料、打印步骤、打印参数以及固化参数均与步骤S1中打印第一绝缘层1相同，本申请不再赘述。实际操作时，m和n的取值通常是相同，如图4以m＝n＝4为例。相邻两条绝缘带4之间区域内的第一银线路2相对于第二绝缘层外露，第一银线路2一端的电极引出端3也相对于第二绝缘层外露，且电极引出端3与相邻的一条绝缘带之间区域内的第一银线路2也相对于第二绝缘层外露。
绝缘带4的长度大于m条第一银线路2形成的总宽度，且大于后续所要打印的第二银线路的长度，本申请对绝缘带4的具体形状不做限定，在常规情况下其为矩形带结构，则在本申请中，当第二银线路的长度为21mm时，每条绝缘带4的尺寸为2mm×26mm。
步骤S4，利用导电银浆在第二绝缘层的每条绝缘带4处分别打印一条第二银线路5形成第二电路层，每条第二银线路5分别包括一条主路6及其相连的m条支路7且各条第二银线路5分别间隔不相连。每条第二银线路5的主路6分别位于对应的绝缘带4上、垂直于第一银线路2且一端包含电极引出端8，电极引出端8的宽度小于绝缘带4的宽度从而完全位于绝缘带4上，第二银线路5的每条支路6部分位于对应的绝缘带4上、部分在绝缘带4外且位于第一绝缘层1上。且在本申请中，在打印第二电路层时，对同一条第二银线路5的同一条支路7进行重复两次直书写打印，以保证电路能够有效连通。
如图5所示，在第一银线路2为横向线路、n＝4的基础上，第二电路层具有四条主路为纵向的第二银线路2。本申请中第二银线路5的主路6长度为21mm，主路上间隔6.5mm设置一条支路7，每条支路长2mm，主路6一端的电极引出端8的尺寸为1mm×1mm，宽度小于绝缘带4的宽度2mm。在打印第二电路层时，所使用的导电银浆、打印步骤、打印参数以及固化参数均与步骤S2中打印第一电路层相同，本申请不再赘述。
步骤S5，利用导电碳浆直书写打印m*n个应变片首电极9、m*n个应变片尾电极10和m*n个连接线11形成功能层，请参考图6。每条第一银线路2在相邻两条绝缘带4之间外露的区域处以及第一银线路2的电极引出端3与相邻的绝缘带4之间外露的区域处分别打印有一个应变片首电极9，第二电路层上的每个第二银线路5的每条支路的末端分别打印有一个应变片尾电极10，每个应变片首电极9分别与一个应变片尾电极10对应且通过连接线11相连。各个应变片首电极9、各个应变片尾电极10以及各个连接线11均打印在第一绝缘层1上且不与绝缘带4接触，从而使得整个功能层在第一绝缘层1上打印而不与绝缘带接触。在本申请中，应变片首电极9和应变片尾电极10的尺寸均为1mm×1mm，连接线11的长度为1.5mm。
在利用导电碳浆打印之前，首先需要制备得到本申请中使用的高导电率的导电碳浆，制备方法为：利用行星搅拌机将碳浆材料(CH-8，JELCON)以2000rpm搅拌2分钟后装入打印针筒，再以3000rpm离心3分钟去除碳浆材料中的气泡，制备得到用于打印形成功能层的导电碳浆。该制备导电碳浆的步骤可以在打印功能层之前执行，也可以在正式开始打印也即步骤S1之前执行，本申请对此不做限定。
在打印功能层时，将一定量的导电碳浆装入不透光的打印针筒，将打印针筒与气压控制阀相连厚，夹持在数控三轴运动平台上用3D打印直书写的方式进行打印。经过调试，针对黏度为30000cP的导电碳浆，打印针筒的打印针头内径为110μm，打印线距为100μm，打印速度为10mm/s，挤出气压为0.65Mpa，此时可以取得较好的打印质量。打印导电碳浆后利用烘箱以120℃烘干15分钟或在室温下放置3天完成固化形成功能层。
步骤S6，利用绝缘材料打印形成第三绝缘层完成封装，第三绝缘层覆盖除第一电路层的电极引出端3、第二电路层的电极引出端8以及功能层上的应变片首电极9和应变片尾电极10之外的其他区域。在打印第三绝缘层时，所使用的绝缘材料、打印步骤、打印参数以及固化参数均与步骤S1中打印第一绝缘层1相同，本申请不再赘述。第三绝缘层为封装层，保证样品的工作性能，而两个电路层上的电极引出端以及功能层上的各个电极均相对于第三绝缘层外露、方便向外引线测量。
以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于绝缘带的应变片阵列电路直书写打印方法，其特征在于，所述方法包括：
利用绝缘材料在平面基底上直书写打印形成第一绝缘层；
利用导电银浆在所述绝缘层上直书写打印m条平行间隔的第一银线路形成第一电路层，每条所述第一银线路的一端均包含电极引出端；
利用绝缘材料在所述第一电路层上直书写打印n条平行间隔的绝缘带形成第二绝缘层，所述绝缘带垂直于所述第一银线路且连续覆盖所在区域内的m条第一银线路，相邻两条绝缘带之间区域内的第一银线路相对于所述第二绝缘层外露；
利用导电银浆在所述第二绝缘层的每条绝缘带处分别打印一条第二银线路形成第二电路层，每条第二银线路分别包括一条主路及其相连的m条支路且各条第二银线路分别间隔；每条所述第二银线路的主路分别位于对应的绝缘带上、垂直于所述第一银线路且一端包含电极引出端，所述第二银线路的每条支路部分位于对应的绝缘带上、部分在绝缘带外且位于所述第一绝缘层上；
利用导电碳浆直书写打印m*n个应变片首电极、m*n个应变片尾电极和m*n个连接线形成功能层，每条所述第一银线路在相邻两条绝缘带之间外露的区域处以及电极引出端与相邻的绝缘带之间外露的区域处分别打印有一个应变片首电极，所述第二电路层上的每个第二银线路的每条支路的末端分别打印有一个应变片尾电极，每个应变片首电极分别与一个应变片尾电极对应且通过连接线相连；
利用绝缘材料打印形成第三绝缘层完成封装，所述第三绝缘层覆盖除所述第一电路层的电极引出端、第二电路层的电极引出端以及所述功能层上的应变片首电极和应变片尾电极之外的其他区域。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，用于形成所述功能层的各个应变片首电极、各个应变片尾电极以及各个连接线均打印在所述第一绝缘层上且不与绝缘带接触。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在打印所述第二电路层时，对同一条第二银线路的同一条支路进行重复两次直书写打印。
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