CN112188759B - 一种应变片阵列电路的直书写打印方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种应变片阵列电路的直书写打印方法，涉及应变片领域和3D打印分层电路领域，通过3D打印的方法首先将整个电路进行一个分层，在第一电路层上不是打印一个绝缘桥，而是打印一层薄的绝缘材料形成第二绝缘层，在需要与之接触的部位不打印，留下一个通孔然后再打印第二电路层，最后覆盖应变片的功能层，功能层上的电极可以与第二电路层接触也可以通过通孔与第一电路层接触，即保证了功能层与两个电路层的接触，又保证矩阵式电路交叉部位的绝缘问题，可以解决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，有效的完成阵列应变片的打印以及确保测量的稳定性。

Description

一种应变片阵列电路的直书写打印方法
技术领域
本发明涉及应变片领域和3D打印分层电路领域，尤其是一种应变片阵列电路的直书写打印方法。
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，提出了一种应变片阵列电路的直书写打印方法，本发明的技术方案如下：
一种应变片阵列电路的直书写打印方法，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除各个电极引出端之外的其他区域上直书写打印形成第二绝缘层，第二绝缘层在正对每条第一银线路处分别间隔开设有n个通孔，且所有通孔形成m*n的行列结构，第一银线路的各个电极引出端以及各个通孔处的第一银线路均相对于第二绝缘层外露；
利用导电银浆在第二绝缘层上打印n条平行间隔的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，第二银线路的主路垂直第一银线路且一端包含电极引出端；
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，第二绝缘层的每个通孔处分别打印有一个应变片首电极，应变片首电极通过第二绝缘层上的通孔与第一电路层上的第一银线路连通，第二电路层上的每个第二银线路的支路的末端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，第二绝缘层上正对每条第一银线路的各个通孔之间的间距为3mm。
其进一步的技术方案为，第二绝缘层上的每个通孔为0.5mm×0.5mm方孔。
其进一步的技术方案为，每根第二银线路打印于第二绝缘层上并与对应的一排m个通孔对应打印，与第二银线路对应的一排m个通孔分别正对m条第一银线路，第二银线路的各条支路平行于第一银线路打印于其中一个通孔的一侧。
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。
其进一步的技术方案为，第一绝缘层的厚度范围为45～75μm。
其进一步的技术方案为，在平面基底上直书写打印形成第一绝缘层之前，使用无水乙醇和脱脂棉充分清洁平面基底。
本发明的有益技术效果是：
本申请公开了一种应变片阵列电路的直书写打印方法，通过3D打印的方法首先将整个电路进行一个分层，在第一电路层上不是打印一个绝缘桥，而是打印一层薄的绝缘材料形成第二绝缘层，在需要与之接触的部位不打印，留下一个通孔，改局部点胶为区域点胶局部留孔的形式，利用该通孔可以保证应变片的功能层与两个电路层的接触，又保证矩阵式电路交叉部位的绝缘问题，可以解决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，有效的完成阵列应变片的打印以及确保测量的稳定性。
附图说明
图1是本申请公开的直书写打印方法的流程图。
图2是本申请打印完第一电路层后的结构图。
图3是本申请打印完第二绝缘层后的结构图。
图4是本申请打印完第二电路层后的结构图。
图5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。
本申请公开了一种应变片阵列电路的直书写打印方法，请参考图1所示的流程图，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2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除各个电极引出端3上直书写打印形成第二绝缘层4，如图3所示。在打印第二绝缘层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。
打印得到的第二绝缘层4在正对每条第一银线路2处分别间隔开设有n个通孔5，所有通孔形成m*n的行列结构，实际操作时，m和n的取值通常是相同，如图3以m＝n＝4为例。在本申请中，第二绝缘层4上的每个通孔为0.5mm×0.5mm方孔，且正对每条第一银线路2的各个通孔之间的间距为3mm。
如图3所示，实际第二绝缘层4除了覆盖第一银线路2除电极引出端3之外的区域，还覆盖第一绝缘层1相对于第一电路层外露的区域，则在打印完第二绝缘层4后，第一银线路2的各个电极引出端3以及各个通孔处的第一银线路2均相对于第二绝缘层4外露。
步骤S4，利用导电银浆在第二绝缘层4上打印n条平行间隔的第二银线路6形成第二电路层，每条第二银线路6分别包括一条主路61及其相连的m条支路62，第二银线路6的主路61垂直第一银线路2且一端包含电极引出端63，通常每条支路52平行于第一银线路2。在第一银线路2为横向线路、n＝4的基础上，如图4所示，第二电路层具有四条主路为纵向的第二银线路6。本申请中第二银线路的主路61长度为21mm，每条第二银线路上间隔6.5mm设置一条支路62，每条支路长2mm，电极引出端63的尺寸为1mm×1mm。
在本申请中，每根第二银线路6打印于第二绝缘层4上并与对应的一排m个通孔对应打印，与第二银线路6对应的一排m个通孔分别正对m条第一银线路2，第二银线路6的各条支路平行于第一银线路2打印于其中一个通孔的一侧，如图4示出了各条支路分别打印于其中一个通孔的下方。
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7、m*n个应变片尾电极8和m*n个连接线9形成功能层，请参考图5。第二绝缘层4的每个通孔5处分别打印有一个应变片首电极7，应变片首电极7通过第二绝缘层4上的通孔5与第一电路层上的第一银线路2连通，第二电路层上的每个第二银线路6的支路62的末端打印有一个应变片尾电极8，每个应变片首电极7分别与一个应变片尾电极8对应且通过连接线9相连。在本申请中，应变片首电极7和应变片尾电极8的尺寸均为1mm×1mm，连接线9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62以及功能层上的应变片首电极7和应变片尾电极8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 (5)

1.一种应变片阵列电路的直书写打印方法，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除各个电极引出端之外的其他区域上直书写打印形成第二绝缘层，所述第二绝缘层在正对每条第一银线路处分别间隔开设有n个通孔，且所有通孔形成m*n的行列结构，第一银线路的各个电极引出端以及各个通孔处的第一银线路均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上打印n条平行间隔的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，所述第二银线路的主路垂直所述第一银线路且一端包含电极引出端，每根第二银线路与对应的一排m个通孔对应；
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，所述第二绝缘层的每个通孔处分别打印有一个应变片首电极，所述应变片首电极通过所述第二绝缘层上的通孔与所述第一电路层上的第一银线路连通，所述第二电路层上的每个第二银线路的支路的末端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所述的直书写打印方法，其特征在于，所述第二绝缘层上正对每条第一银线路的各个通孔之间的间距为3mm。
3.根据权利要求1所述的直书写打印方法，其特征在于，所述第二绝缘层上的每个通孔为0.5mm×0.5mm方孔。
4.根据权利要求1所述的直书写打印方法，其特征在于，每根所述第二银线路打印于所述第二绝缘层上并与对应的一排m个通孔对应打印，与所述第二银线路对应的一排m个通孔分别正对m条第一银线路，所述第二银线路的各条支路平行于所述第一银线路打印于其中一个通孔的一侧。
5.根据权利要求1所述的直书写打印方法，其特征在于，所述第一绝缘层的厚度范围为45～75μm。
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