CN115428033A - 三维打印电容器 - Google Patents
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Abstract
在根据本公开的一个示例中，描述了一种增材制造系统。增材制造系统包括增材制造设备，增材制造设备用于形成三维(3D)打印物体。增材制造系统还包括控制器，控制器用于在3D打印物体的本体上形成3D打印电容器。控制器通过以下方式来实现这一点：控制导电剂的沉积以形成3D打印电容器的电极，以及控制介电剂在3D打印电容器的电极之间的介电区中的沉积。
Description
背景技术
增材制造系统通过建立材料层来产生(produce)三维(3D)物体。一些增材制造系统被称为“3D打印设备”，并使用喷墨或其他打印技术来施加一些制造材料。3D打印设备和其他增材制造设备使得可以将物体的计算机辅助设计(CAD)模型或其他数字表示直接转换为物理物体。
附图说明
附图图示了本文所描述原理的各种示例并且是本说明书的一部分。所图示的示例仅出于说明的目的给出，而不限制权利要求的范围。
图1是根据本文描述的原理的示例的用于形成3D打印电容器的增材制造系统的框图。
图2是根据本文描述的原理的示例的用于形成3D打印电容器的增材制造系统的简化俯视图。
图3A至图3C是根据本文描述的原理的示例的3D打印电容器的示例的视图。
图4A至图4C是根据本文描述的原理的另一示例的3D打印电容器的示例的视图。
图5A至图5C是根据本文描述的原理的另一示例的3D打印电容器的示例的视图。
图6是根据本文描述的原理的示例的用于形成3D打印电容器的方法的流程图。
图7是根据本文描述的原理的另一示例的用于形成3D打印电容器的方法的流程图。
图8A至图8D是描绘根据本文描述的原理的示例的不同3D打印电容器的各种有效电容量的曲线图。
图9描绘了根据本文描述的原理的示例的用于形成3D打印电容器的非暂态机器可读存储介质。
在所有附图中，相同的附图标记指代相似但不一定相同的要素。附图不一定是按比例绘制的，并且一些部分的尺寸可以被放大以更清楚地图示所示的示例。此外，附图提供了与描述一致的示例和/或实施方式；然而，描述不限于附图中提供的示例和/或实施方式。
具体实施方式
增材制造系统通过固化构建材料层来形成三维(3D)物体。增材制造系统基于例如使用计算机辅助绘图(CAD)计算机程序产品生成的物体的3D模型中的数据来制造物体。模型数据被处理成切片，每个切片定义构建材料层的要固化的部分。
在一个示例中，为了形成3D物体，将构建材料(其可以是粉末)沉积在床(bed)上。然后，将熔融试剂分配到构建材料层的要熔融以形成3D物体的一个层的部分上。执行这种类型的增材制造的系统可以被称为基于粉末和熔融试剂的系统。以期望图案设置的熔融试剂增加了设置有试剂的构建材料层的能量吸收。然后，将构建材料暴露在如电磁辐射等能量下。电磁辐射可以包括红外光、紫外光、激光或其他合适的电磁辐射。由于由熔融试剂赋予的热吸收性质的提高，其上设置有熔融试剂的那些构建材料部分会加热到大于构建材料的熔融温度的温度。
相应地，当能量被施加到构建材料的表面时，已经接纳了熔融试剂并因此能量吸收特性提高的构建材料会熔融，而尚未接纳熔融试剂的构建材料部分保持粉末形式。接纳了试剂并因此热吸收性质提高的那些构建材料部分可以被称为熔融部分。相比之下，施加的热量没有大到将不含试剂的构建材料部分的热量提升到该熔融温度。没有接纳试剂并因此热吸收性质未提高的那些构建材料部分可以被称为未熔融部分。
相应地，预定量的热量被施加到整个构建材料床，接纳了熔融试剂的构建材料部分由于熔融试剂所赋予的热吸收性质的提高而熔融并且形成物体，而构建材料的未熔融部分在存在这种热能量施加的情况下不受影响(即，未熔融)。该工艺以逐层的方式重复进行，以生成3D物体。然后，未熔融的材料部分可以与熔融部分分离，并且未熔融部分被回收用于随后的3D形成操作。
3D形成的另一种方式将粘合剂选择性地施加到松散构建材料的区域。在该示例中，在填充有构建材料的构建床内部准备好“潜在(latent)”零件。构建床可以被转移到炉，在该炉中，第一加热操作去除所施加的粘合剂中存在的溶剂。随着溶剂被去除，剩余的粘合剂硬化并将构建材料胶合在一起以将“潜在”零件转换成“生坯”零件。然后，从床移除生坯零件。由于该操作，残留的构建材料可能会在生坯零件上结块。可能期望在清洁操作中从生坯零件去除残留的构建材料。在一些示例中，生坯零件被装入烧结炉中，在该烧结炉中，所施加的热量可以导致粘合剂分解并且导致构建材料粉末颗粒烧结或熔融在一起而成为耐久的固体形式。
在又一示例中，将激光器或其他能量源选择性地瞄准粉末构建材料或粉末构建材料层，以形成3D打印零件的切片。这种工艺可以被称为选择性激光烧结。在又一示例中，增材制造工艺可以使用选择性激光熔化，其中，粉末材料(其可以是金属的)的部分被选择性地熔化在一起以形成3D打印零件的切片。作为又一示例，在熔融沉积成型中，将熔化的构建材料选择性地沉积在层中，构建材料在该层中冷却。随着构建材料的冷却，其熔融在一起并粘附至前一层。重复进行该工艺以构造3D打印零件。
在又一示例中，增材制造工艺可以涉及使用光源来将液态树脂固化成坚硬物质。这种操作可以被称为立体光刻。虽然这种增材制造操作已经大大扩展了制造和开发的可能性，但是进一步的开发可能会使3D打印成为更多行业的一部分。相应地，执行这些增材制造工艺中的任何一个的设备可以被称为增材制造设备并且在一些情况下被称为打印机。
虽然这种增材制造操作已经大大扩展了制造和开发的可能性，但是进一步的开发可能会使3D打印成为更多行业的一部分。例如，一些物体可以包括电子电路。通常，可以在打印完成后将电气元件放置在表面安装件(mount)或插座式安装件中。然而，这种放置过程可能会在制造工艺中增加附加处理操作、时间和成本，并且可能会对3D打印物体的几何形状带来限制。
因此，本说明书描述了通过对电容器进行打印而在3D打印物体中生成电容器。即，本说明书描述了用于使用增材制造操作来产生3D打印电容器的系统和方法。这些3D打印电容器可以使用任意数量的上述增材制造设备生成，这些设备可以对材料和多流体在粉末床中的放置进行数字控制。这样就可以选择性地控制粉末的哪些部分将被加热和熔融，并提供数十微米规模的独特性能。
3D打印电容器是使用多种试剂形成的。试剂是导电剂(其可以是纳米颗粒油墨)、各种熔融试剂和介电剂。通过利用增材制造工艺的体素控制，可以控制3D打印中可寻址体素的电子性质。使用这种工艺，可以生成3D打印电容器的导电区和介电区，从而创建电容器堆叠体。
这种方法允许直接电容器打印，从而避免与将电子电路放置到打印零件中相关联的复杂性。即，通过形成3D打印电容器，可以简化许多制造操作，并且通过减少放置的元件的数量和工艺操作的数量，3D打印物体的整体设计可以受到更少约束。可以在不受零件的任何几何约束的情况下产生和打印电容器。
具体地，本说明书描述了一种增材制造系统。该增材制造系统包括增材制造设备，该增材制造设备用于形成三维(3D)打印物体。该增材制造系统还包括控制器，该控制器用于在该3D打印物体的本体上形成3D打印电容器。该控制器通过以下方式来实现这一点：控制导电剂的沉积以形成该3D打印电容器的电极，并控制该3D打印电容器的电容板之间的介电区的形成。
本说明书还描述了一种方法。根据该方法，顺序地形成三维(3D)打印物体的切片。通过以下方式在3D打印物体的本体内形成3D打印电容器：1)控制沉积导电剂以形成该3D打印电容器的电极；以及2)控制在该3D打印电容器的电容电极之间形成介电区。
本说明书还描述了一种利用可由处理器执行的指令编码的非暂态机器可读存储介质。该机器可读存储介质包括指令。该指令在由处理器执行时确定要打印的三维(3D)打印电容器的介电区的介电常数。该指令计算用于增材制造设备的电容器形成指令，以用于形成其介电区具有该介电常数的3D打印电容器。该指令在由处理器执行时将电容器形成指令传递给增材制造控制器。
这样的系统和方法1)允许在3D打印物体中打印电子电容器；2)通过减少放置在3D打印物体中/上的元件数量简化了将电子元件纳入到3D打印物体中的过程；3)减少了将集总电容器元件放置在3D打印物体中/上所造成的约束；4)便于全系列电容器的打印，这些电容器在3D打印物体的x-y平面、z方向或3D打印物体内的任何取向上定向；5)通过数字控制介电剂的量和电容器不同元件的几何形状，便于生成具有不同电容量的电容器。然而，设想到的是，本文所公开的系统和方法可以解决多种技术领域中的其他问题和缺陷。
现在转到附图，图1是根据本文描述的原理的示例的用于形成3D打印电容器的增材制造系统(100)的框图。增材制造系统(100)包括增材制造设备(102)，以用于形成三维(3D)打印物体和形成在三维打印物体中的3D打印电容器。如上所述，3D打印物体可以使用任何种类的增材制造设备(102)形成，包括基于熔融试剂的系统、其中“生坯”零件被传递到烧结设备以将颗粒烧结在一起的系统。增材制造设备(102)也可以是非基于试剂的系统，比如选择性激光烧结设备、选择性激光熔化设备、熔融沉积成型设备和立体光刻设备。通常，用于生成三维物体的装置可以被称为增材制造设备(102)。本文描述的增材制造设备(102)可以对应于三维打印系统，该三维打印系统也可以被称为三维打印机。
增材制造系统(100)还包括控制器(104)，以用于在该3D打印物体的本体上形成3D打印电容器。控制器(104)可以包括各种硬件部件，这些硬件部件可以包括处理器和存储器。处理器可以包括用于从存储器取得可执行代码并执行该可执行代码的硬件架构。作为具体示例，如本文所描述的控制器可以包括计算机可读存储介质、计算机可读存储介质和处理器、专用集成电路(ASIC)、基于半导体的微处理器、中央处理单元(CPU)和现场可编程门阵列(FPGA)和/或其他硬件设备。
存储器可以包括计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质可以包含或存储由指令执行系统、装置或设备使用或与其结合使用的计算机可用程序代码。存储器可以采用许多类型的存储器，包括易失性存储器和非易失性存储器。例如，存储器可以包括随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、光学存储器盘和磁盘等。可执行代码当由控制器(104)执行时可以使控制器(104)至少实施如下所述的中断打印和恢复打印的功能。
控制器(104)控制增材制造。即，控制器(104)指示增材制造设备(102)形成3D打印物体。具体地，在基于熔融试剂的系统中，控制器(104)可以指引(direct)构建材料分配器添加构建材料层。进一步地，控制器(104)可以发送指令以指引试剂分配器的打印头将(多种)试剂选择性地沉积到构建材料层的表面上。控制器(104)还可以指引打印头在特定位置处喷射(多种)试剂以形成3D打印物体的切片。
在一个特定示例中，控制器(104)控制试剂分配器以形成3D打印电容器。为了构造这些电容器，需要创建两个元件，在一些示例中还会创建第三个元件。第一个元件是电极。电极的形成是通过在某些区沉积导电剂来完成的。因此，控制器(104)控制导电剂的沉积以形成3D打印电容器的电极。即，控制器(104)指示增材制造设备(102)在旨在形成3D打印电容器的电极的区中沉积导电剂。
导电剂可以包括载送流体中的导电纳米颗粒。设置在载送流体中的导电颗粒的示例可以包括银纳米颗粒、铜纳米颗粒、金纳米颗粒、镍纳米颗粒、铂纳米颗粒、导电碳材料(碳纳米管、石墨烯、氧化石墨烯等)、导电有机聚合物、金属有机物盐(甲酸铜、草酸银等)、金属有机分解油墨(这些油墨采用MX形式，其中M是阳离子或正价态的金属，并且X是盐的阴离子，并且可以是一些可以在低温下分解并捐出电子以将金属阳离子还原为金属态的含碳阴离子)。在这些示例中，导电元件的相对加载量可以由电容器的目标导电率决定。
电容器的第二个元件是电极之间的介电区。这是存储电场能量并创建使电容器绝缘的层的区。因此，控制器(104)控制3D打印电容器的电极之间的介电区的形成。这可以以各种方式执行，包括在电极之间不充分熔融(underfuse)粉末状构建材料和/或用掺杂剂掺杂电极之间的粉末状构建材料。控制器(104)可以基于3D打印电容器的目标电容量来指引增材制造。
可以通过各种方式来选择和定制增材制造。例如，可以选择介电区的厚度，其中不同的厚度具有不同的电容。更具体地，将电极放置得更近，从而具有更薄的介电区，导致电容器具有更大的电容量。
另一示例是电极的表面积，其中更大的电极提供更大的电容量。作为又一个示例，可以选择电极的表面粗糙度，其中增加的表面粗糙度提供更大的电容量。
还可以通过控制增材制造设备(102)的试剂分配器的操作来实现目标电容量。作为一个特定示例，可以选择介电区中的熔融程度以实现目标电容量。改变熔融程度可以包括控制在介电区中使用的熔融试剂的量。即，介电剂本身可能不会导致底层构建材料的熔融。因此，可以在其上沉积熔融试剂以促进介电区中的材料硬化。通过改变熔融试剂的量和/或加载量，可以控制熔融程度，熔融程度可以更改电容量，因为不同熔融程度的构建材料具有不同的电容量。熔融程度可以通过构建材料与空气的比率来确定。完全熔融的零件的介电常数可能更接近于构建材料的介电常数，其中熔融程度较低或未熔融的零件中可能含有更多的空气，从而导致电介质更低。更高的熔融程度导致3D打印电容器的电容量更高。
因此，控制聚合物粉末状构建材料的熔融程度允许通过改变3D打印电容器的介电区的材料性质来定制介电性质。
作为另一示例，可以选择所沉积的熔融试剂以实现目标电容量。例如，有不同类型的熔融试剂，每种都以不同的方式触发熔融。作为具体示例，第一熔融试剂可以使零件达到第一温度，而第二熔融试剂可以使零件达到不同的温度。例如，虽然熔融温度是特定于材料的，但不同的熔融试剂以及特定熔融试剂的不同量可能会导致床的沉积熔融试剂的部分吸收不同量的能量并因此升温更多或更少。温度越高，零件将熔融的越多。因此，不同的熔融试剂可能导致粉末状构建材料的熔融程度不同，如上所述，这会更改电容量。
由于沉积在介电区中的熔融试剂可能会影响整体电容量，因此介电剂也是如此。作为起点，粉末状构建材料可以具有特定的介电常数。例如，聚酰胺12的介电常数在2.7至3.5之间。为了获得更高的介电常数，可以将介电剂添加到3D打印电容器的介电区。介电剂的一个特定示例是钛酸钡(BaTiO3)，其介电常数在1,000至7,000之间。
虽然具体提到了特定介电剂，但可以使用各种介电剂，诸如一系列不同的金属氧化物、半导体和宽带隙填料。其中每一个都可以具有不同的介电常数。因此，可以选择设置在介电区中的介电剂以实现目标电容量。除了使用的具体介电剂之外，还可以选择介电区中的介电剂的加载量以实现目标电容量。
在一些示例中，可以在介电区中沉积多种介电剂以扩大可以实现的目标电容量的范围。例如，介电区可以包括包含两种或更多种介电纳米材料的介电层，这些介电层可以是串联的、并联的或两者均有的离散层。
在一些示例中，可以将多种介电剂混合成单个制剂，然后该制剂将包括多种介电纳米材料。在另一示例中，增材制造设备(102)可以使用单独的介电剂进行多次打印，以1)创建介电混合物，或2)创建具有离散介电层的复合电容器——每个介电层包含不同的介电剂以及因此不同的电容量。在这些示例中，3D打印电容器的总电容量是由串联或并联(或两者)配置确定的值。混合电介质和介电层堆叠体提供了定制期望有效电容量的另一种方法。
介电系数和损耗角正切基于介电纳米颗粒的组合以及空隙体积(包含空气)。即，最终的有效介电系数是由纳米颗粒的总和以及空隙率确定的。
作为又一个示例，可以将细化剂插入介电区中，该细化剂可以冷却粉末状构建材料并对抗粉末状构建材料的熔融。即，细化剂可能会导致不充分熔融的粉末，不充分熔融的粉末的介电常数低于熔融粉末。与熔融试剂和介电剂一样，可以使用各种细化剂以通过不同方式影响熔融和电容量。
在一个特定示例中，细化剂是水，其冷却区域并防止粉末状构建粉末变得足够热而熔化。因此，与熔融试剂一样，改变细化剂会导致不同程度的冷却，并可能更改熔融量，与具有更多熔融和完全熔融的介电区的电容器相比，这可能导致电介质密度降低和电容量降低。因此，可以选择沉积在介电区中的具体细化剂以实现目标电容量，也可以选择在介电区中使用的熔融试剂与细化剂的比率。
因此，本发明的增材制造系统(100)控制增材制造工艺的各种特性，使得可以通过选择任何数量的上述特性的具体值来实现任何预定电容量。这将允许用户在粉末材料(PA12，介电常数约3.5)与空气(介电常数＝1)的大量性质之间调节有效介电常数。
应当注意，在控制器(104)的控制下，增材制造设备(102)可以将3D打印电容器定位在3D打印物体的表面上或3D打印物体的内部。即，3D打印电容器可以嵌入在3D打印物体内。在任一情况下，控制器(104)还控制增材制造以形成电触点，使得3D打印电容器可以耦接到其他电子电路。这可以包括通过沉积和熔融导电剂来形成电迹线和/或接触垫。
图2是根据本文描述的原理的示例的用于形成3D打印电容器(210)的增材制造系统(100)的简化俯视图。通常，用于生成3D物体(206)的装置可以被称为增材制造系统(100)。本文描述的增材制造系统(100)可以对应于三维打印系统，三维打印系统也可以被称为三维打印机。增材制造系统(100)可以使用各种操作。例如，增材制造系统(100)可以是基于熔融试剂的系统(如图2所描绘的)或基于粘合试剂的系统。虽然图2描绘了基于试剂的系统(100)的具体示例，但是增材制造系统(100)可以是上述任何系统(100)或另一种类型的增材制造系统(100)。
在增材制造工艺的示例中，可以在构建区域中形成构建材料层。如在本说明书和所附权利要求中所使用的，术语“构建区域”是指其中形成3D打印物体(206)的空间区域。构建区域可以指由床(208)界定的空间。构建区域可以被限定为其中增材制造系统(100)可以制造、产生或以其他方式生成嵌入有3D打印电容器(210)的3D打印物体(206)的三维空间。即，构建区域可以占据床(208)的表面之上的三维空间。在一个示例中，构建区域的宽度和长度可以是床(208)的宽度和长度，并且构建区域的高度可以是床(208)可以在z方向上移动的范围。尽管未示出，但是诸如活塞等致动器可以控制床(208)的竖直位置。
床(208)可以容纳任何数量的构建材料层。例如，床(208)可以容纳多达4,000层或更多层。在示例中，多个构建材料供应容器可以定位在床(208)旁边。这种构建材料供应容器提供以逐层方式放置在床(208)上的构建材料。
在增材制造工艺中，可以将熔融试剂沉积在便于粉末构建材料硬化的构建材料层上。在该具体示例中，可以将熔融试剂以3D打印物体(206)的层的图案选择性地分配在构建材料层上。能量源可以临时对该构建材料层施加能量。能量可以被选择性地吸收到由熔融试剂形成的图案化区域，而没有熔融试剂的空白区域吸收的施加能量较少。这导致构建材料层的选定区域选择性地熔融在一起。然后对多个层重复该过程，直到形成完整的物理物体。
可以形成附加的层，并且可以对每个层执行上述操作，由此生成3D打印物体(206)。3D打印物体(206)的逐层形成可以称为逐层增材制造工艺。
图2清楚地描绘了构建材料分配器(212)。即，在一个示例中，增材制造系统(100)包括构建材料分配器(212)，该构建材料分配器用于将构建材料层连续地沉积到床上。在床(208)上熔融的构建材料的每个层形成3D打印物体(206)的切片，使得多个熔融构建材料层形成整个3D打印物体(206)。构建材料分配器(212)可以从构建材料供应容器获取构建材料，并且将该获取到的材料作为层沉积在床(208)上，该层可以沉积在位于床(208)上的已经加工的其他构建材料层之上。在一些示例中，构建材料分配器(212)可以耦接到扫描托架。在操作中，当扫描托架沿着扫描轴在床(208)上方移动时，构建材料分配器(212)将构建材料放置在床(208)中。虽然图2将构建材料分配器(212)描绘为与试剂分配器(214)正交，但是在一些示例中，构建材料分配器(212)可以与试剂分配器(214)成一条直线。
图2还描绘了形成3D打印物体(206)和3D打印电容器(210)的试剂分配器(214)。试剂分配器(214)通过将至少一种试剂沉积到粉末状构建材料层上来实现这一点。试剂分配器(214)可以分配各种试剂。试剂的一个具体示例是熔融试剂，该熔融试剂提高接纳熔融试剂的构建材料部分的能量吸收，以选择性地使粉末状构建材料层的部分固化。试剂分配器(214)可以沉积用于形成3D打印物体(206)的其他试剂。例如，试剂分配器(214)可以沉积粘合剂以临时将3D打印物体(206)的部分胶合在一起。
试剂分配器(214)也可以沉积用于形成3D打印电容器(210)的试剂。例如，试剂分配器(214)可以沉积细化剂、介电剂和导电剂。虽然图2描绘了代表试剂分配器(214)的单个框，但是试剂分发器(214)可以包括不同的子组件，每个子组件分配上述试剂中的不同试剂。
在一些示例中，试剂分配器(214)包括至少一个液体喷射设备，该液体喷射设备用于将功能试剂分配到多个构建材料层上。液体喷射设备可以包括至少一个打印头(例如，基于热喷射的打印头、基于压电喷射的打印头等)。在一些示例中，试剂分配器(214)耦接到扫描托架，并且扫描托架在床(208)上方沿着扫描轴移动。在一个示例中，在喷墨打印设备中使用的打印头可以用于试剂分配器(214)。在该示例中，熔融试剂可以是打印液体。在其他示例中，试剂分配器(214)可以包括选择性地喷射少量液体的其他类型的液体喷射设备。
图2还描绘了控制器(104)，其控制构建材料分配器(212)和试剂分配器(214)以形成3D打印物体(206)和3D打印电容器(210)。
图3A至图3C是根据本文描述的原理的示例的3D打印电容器(210)的示例的视图。具体地，图3A是包括3D打印电容器(210)的3D打印物体(206)的一部分的等距视图，图3B是3D打印物体(206)中的3D打印电容器(210)的透明视图，并且图3C是3D打印物体(206)中的3D打印电容器(210)的剖视图。
如上所述，为了创建3D打印电容器(210)，两个电极(318-1，318-2)被介电区(316)隔开。这些元件和区可以具有各种形状、尺寸和取向。因此，图3A至图5C描绘了不同的3D打印电容器(210)形式。具体地，图3A至图3C描绘了平行板3D打印电容器(210)。即，增材制造设备(图1，102)形成3D打印电容器(210)的平行电极(318-1，318-2)。图4A至图4C描绘了叉指3D打印电容器(210)，并且图5A至图5C描绘了垂直3D打印电容器(210)，其中电极(318-1，318-2)彼此垂直。对于如图3A至图4C中描绘的平行和叉指电容器(210)，电极(318-1，318-2)和介电区(316)由被试剂分配器(图2，214)向下喷射的试剂限定，并且随后通过形成连续的层直到获得最终的电容器高度而在z维度上建立。在如图5A至图5C所描绘的垂直3D打印电容器(210)中，打印层用于隔离电极(318-1，318-2)和介电区(316)。虽然具体参考了三个特定示例，但可以将3D打印电容器(210)形成为具有任何种类的尺寸、形状和取向，并且所有三个示例的性质可以组合以形成充分利用零件的可寻址3D体积的电容器。
图3A至图3C还描绘了用于将电极(318-1，318-2)耦接到不同电路元件的触点(320-1，320-2)。如图3B和图3C所描绘的，这些触点(320-1，320-2)经由电迹线耦接到电极(318-1，318-2)。虽然3D打印电容器(210)的一些元件设置在表面上，但诸如电迹线等其他元件可以是表面下元件。
如上所述，这些元件的不同特性可能会影响3D打印电容器(210)的电容量。例如，考虑到电容量与电极(318-1，318-2)的面积成正比，在平行电极(318)的情况下，这由关系式C＝εrε0A/d表示，其中A是电极(318)区域的表面积，d是这两个电极(318)之间的距离，并且可以包括介电区(316)和任何势垒区，并且εrε0是材料的相对介电系数和自由空间的介电系数的乘积，可以通过调整电极(318)的面积和/或介电区(316)的厚度来实现各种各样的电容量。
此外，例如，通过例如选择要使用的特定细化剂、介电剂和熔融试剂来控制增材制造设备(图1，102)的操作，可以达到目标电容量。也可以选择这些不同试剂的数量和比例以实现目标电容量。因此，本发明的增材制造系统(图1，100)允许通过打印而不是放置电容器来生成电容器，并且可以促进生成具有任何电容值的电容器。
图4A至图4C是根据本文描述的原理的另一示例的3D打印电容器(210)的示例的视图。具体地，图4A是包括3D打印电容器(210)的3D打印物体(206)的一部分的等距视图，图4B是3D打印物体(206)中的3D打印电容器(210)的透明视图，并且图4C是3D打印物体(206)中的3D打印电容器(210)的剖视图。
如上所述，为了创建3D打印电容器(210)，两个电极(318-1，318-2)被介电区(316)隔开。这些元件和区可以具有各种形状、尺寸和取向。图4A至图4C描绘了叉指3D打印电容器(210)，或介电区(316)编织或成蛇形的电容器(210)。即，增材制造设备(图1，102)形成3D打印电容器(210)的叉指电极(318-1，318-2)。如上所述，电容器的电容量部分地基于电极(318)的表面积来限定。如图4A至图4C所描绘的叉指电极(318)增加了电极(318)的表面积而不增加它们在3D打印物体(206)的表面上或内部占据的空间。
图4A至图4C还描绘了用于将电极(318-1，318-2)耦接到不同电路元件的触点(320-1，320-2)。如在图3A至图3C中描绘的示例中，触点(320-1，320-2)可以经由如图4B和图4C中描绘的表面下迹线连接到电极(318-1，318-2)。
图5A至图5C是根据本文描述的原理的另一示例的3D打印电容器(210)的示例的视图。具体地，图5A是包括3D打印电容器(210)的3D打印物体(206)的一部分的等距视图，图5B是3D打印物体(206)中的3D打印电容器(210)的透明视图，并且图5C是3D打印物体(206)中的3D打印电容器(210)的截面视图。在图5A至图5C中描绘的示例中，电极(318-1，318-2)在增材制造设备(图1，100)的构建区域内垂直定向。即，打印层用于隔离电极(318-1，318-2)和介电区(316)。
由于图5A至图5C描绘了垂直定向的3D打印电容器(210)，因此触点(320-1，320-2)可以在3D打印物体(206)的相反表面上，如图5C所示。
图5B和图5C描绘了3D打印电容器(206)的另一个元件。即，在一些示例中，3D打印电容器(206)包括在介电区(316)的两侧上的势垒区(522-1，522-2)。势垒区(522-1，522-2)隔离电极(318-1，318-2)和介电区(316)。势垒区(522-1，522-2)防止电极(318-1，318-2)跨介电区(316)短路并控制电极(318-1，318-2)与介电区(316)之间的界面粗糙度。
势垒区(522-1，522-2)还确保了3D打印电容器(206)的性能，特别是在导电剂和介电剂的加载量很高的情况下。这是因为导电剂和介电剂的高加载量会产生局部冷却，这会阻碍介电区(316)中的粉末状构建材料和3D打印电容器(206)周围的粉末状构建材料的熔融。
即，导电剂可以包括金属纳米颗粒，诸如银纳米颗粒。沉积导电剂的区可能无法达到粉末状构建材料的熔融温度，该温度可能约为180摄氏度(C)。然而，银纳米颗粒本身在160 C左右烧结，因此即使该区中的粉末状构建材料未完全熔融，仍会产生凝结的固体结构。
介电剂(诸如BaTiO3)也可能导致局部冷却，但可能不具有相同的烧结性质。因此，该区中的粉末状构建材料可能流动，而不是凝结的固体结构。该性质允许介电剂更容易地渗透到3D打印电容器(210)的更多孔部分，并导致短路或降低打印部件的尺寸精度。具体地，在垂直定向的3D打印电容器(210)中，介电剂可能渗入第二电极(318-2)区，从而降低其导电率。
此外，由于热渗漏，由介电剂沉积产生的低温可能影响相邻体素的温度，无论相邻体素是形成3D打印物体(206)的随后沉积的电极(318-1)部分还是相邻的非电容器部分。例如，由于热渗漏，沉积在介电剂之上并旨在形成第一电极(318-1)的粉末状构建材料在存在热能的情况下可能不会上升到适当的温度，因此可能无法正确固化，从而导致与预期不同的电导量。这种不充分熔融可能影响3D打印电容器(210)的性能可预测性并且可能影响3D打印电容器(210)的性能能力。类似地，这种局部冷却可能会降低相邻的非电容器粉末状构建材料熔融的能力，这会降低3D打印物体(206)的尺寸精度。
因此，势垒区(522-1，522-2)在电极(318-1，318-2)与介电区(316)之间形成缓冲区。具体地，势垒区(522-1，522-2)隔离介电区(316)和电极(318-1，318-2)，使得介电剂不会渗入电极(318)中以降低该部分中的有效介电常数。势垒区(522-1，522-2)还防止热渗漏到3D打印物体(206)的非电容器区，从而提高尺寸精度。
如上所述，电容量至少部分地基于介电区(316)的厚度。即，电极(318-1，318-2)彼此越接近，电容量越大。势垒区(522-1，522-2)允许减小介电区(316)的厚度，同时避免该区中的热渗漏和亚熔融温度，从而提高可以有效实现的电容量范围。
在一些示例中，势垒区(522-1，522-2)由熔融构建材料形成。在该示例中，势垒区(522-1，522-2)可以具有与3D打印物体(206)的非电容器区相似的介电常数。因此，势垒区(522-1，522-2)的厚度可以作为两个电极(318-1，318-2)之间的整体有效电介质的因素。因此，控制器(图1，104)可以选择每个电极(318)与介电区(316)之间的势垒区(522)的厚度以实现目标电容量。即，与3D打印电容器(210)的其他部分一样，可以控制势垒区(522)的厚度以定制整体有效介电常数。
虽然图5A至图5C描绘了垂直定向的3D打印电容器(210)中的势垒区(522)，但势垒区(522)也可用于其他3D打印电容器(210)，比如平行和叉指3D打印电容器(210)。然而，这样的势垒区(522)可以在垂直定向的3D打印电容器(210)中实施，因为具有高加载量导电剂的层之间容易通过更多多孔介电区(316)而短路。
下面的表(1)、(2)和(3)分别呈现了基于介电剂(在该示例中是钛酸钡(BaTiO3))的体积百分比加载量的平行(P)、叉指(I)和垂直(V)3D打印电容器(210)的电气特性结果。
表(1)
表(2)
表(3)
如所示的，当介电剂的体积百分比增加时，平行和叉指3D打印电容器(210)都显示出电容量的增加。3D打印电容器(210)的不同样本之间测量的电容量中的一些噪声导致叉指样本在趋势中表现出一些可变性。垂直3D打印电容器(210)在多个样本中显示出类似的趋势。即，随着介电剂的体积百分比增加，电容量也增加。此外，水平几何形状的电容器面积更大，导致3D打印电容器(210)的测量电容量更高。
图6是根据本文描述的原理的示例的用于形成3D打印电容器(图2，210)的方法(600)的流程图。如上所述，增材制造涉及构建材料的逐层沉积和该层的特定部分的硬化/固化/烧结/熔融，以形成3D打印物体(图2，206)的切片。相应地，在该示例中，方法(600)包括顺序地形成(框601)3D打印物体(图2，206)的切片。在一些示例中，这包括顺序地沉积构建材料层和熔融试剂以形成3D打印物体(图2，26)的切片。这包括对于每个切片顺序地激活构建材料分配器(图2，212)和试剂分配器(图2，214)以及这两个分配器可以耦接到的扫描托架，使得每个分配器都在表面上分配其相应的成分。
根据该方法，在一些示例中，还在3D打印物体(图2，206)的本体内形成3D打印电容器(图2，210)。以类似的方式，以分层方式形成3D打印电容器(图2，210)。形成3D打印物体(图2，206)的切片(其包括3D打印电容器(图2，210)的切片)包括沉积粉末状构建材料，并在3D打印物体(图2，206)的切片的与电极(图3，318)相对应的部分上沉积(框602)导电剂，从而形成3D打印电容器(图2，210)的电极(图3，318)。
方法(600)还包括在3D打印电容器(图2，210)的电极(图3，318)之间形成(框603)介电区(图3，316)。介电区(图3，316)可以以各种方式形成。例如，如上所述，电极之间的粉末状构建材料(图3，318-1，318-2)可以掺杂有介电剂。即，介电剂可以沉积在3D打印物体(图2，206)的切片的与介电区(图3，316)相对应的部分上。
如所述的，用介电剂掺杂粉末状构建材料可以包括用多种介电剂掺杂粉末状构建材料，这些介电剂可以作为混合物沉积，或单独沉积以形成混合物。在另一示例中，用多种介电剂掺杂粉末状构建材料可以包括顺序地形成不同的介电层，每个介电层具有不同的介电常数。
在一些示例中，除了在介电区(图3，316)中沉积介电剂之外，还可以在介电区(图3，316)中沉积熔融试剂。在一些示例中，沉积在介电区(图3，316)中的熔融试剂可以与介电剂混合。在其他示例中，这两种试剂可以单独沉积在介电区(图3，316)中。
在介电区中沉积熔融试剂可以增强3D打印电容器(图2，210)和整个3D打印物体(图2，210)的形成。即，如上所述，导电剂和介电剂可能降低3D打印物体(图2，206)的各个部分的温度。导电剂中的金属纳米颗粒将烧结。然而，在介电区(图3，316)中，温度下降是通过沉积熔融试剂以补偿该区的温度下降来解决的。熔融试剂还沉积在周围部分中，以防止来自较冷介电区(图3，316)的热渗漏效应。换言之，熔融试剂沉积在3D打印物体(图2，206)的切片的非电极部分中，其中非电极部分包括3D打印物体(图2，206)的介电区(图3，316)和周围非电容器区。为了实现一些目标电容量，试剂分配器(图2，214)可以多次通过介电区(图3，316)，每次沉积一层介电剂。
在另一示例中，形成(框603)介电区(图3，316)可以包括在电极(图3，318)之间不充分熔融粉末状构建材料。即，粉末状构建材料的熔融程度会影响其电容量。例如，对于特定的板尺寸和距离，未熔融的构建材料可能具有在1至2皮法(pF)之间的电容量，而熔融的构建材料可能具有在2至4(pF)之间的电容量。因此，在一些示例中，可以通过改变粉末状构建材料的熔融程度来定制电容量。这可以包括调整沉积在介电区(图3，316)中的熔融试剂的量。
在另一示例中，形成(框603)介电区(图316)可以包括在电极(图3，318)之间形成气穴。在该示例中，可以沉积在暴露于热能时不会熔融的细化剂。然后可以去除细化剂以形成气穴。
图7是根据本文描述的原理的另一示例的用于形成3D打印电容器(图2，210)的方法(700)的流程图。根据方法(700)，顺序地形成(块701)3D打印物体(图2，206)的切片。这可以如以上结合图6所述的那样来执行。
如上所述，可以改变(框702)增材制造以实现目标电容量。即，电容器形成指令可以包括指示将由增材制造设备(图1，102)用于形成3D打印电容器(图2，210)的特定板尺寸/间距和/或流体加载量的数据。这些电容器形成指令可以指示诸如以下各项可以选择以实现目标电容量的内容：介电区(图3，316)的厚度；电极(图3，318)的表面积；电极(图3，318)的表面粗糙度；每个电极(图3，318)与介电区(图3，316)之间的势垒区(图5，522)的厚度；介电区(图3，316)中的熔融程度；沉积在介电区(图3，316)中的熔融试剂；沉积在介电区(图3，316)中的熔融试剂的加载量；沉积在介电区(图3，316)中的介电剂；介电区(图3，316)中的介电剂的加载量；沉积在介电区(图3，316)中的细化剂；以及在介电区(图3，316)中使用的熔融试剂与细化剂的比率。
沉积(框703)导电剂以形成3D打印电容器(图2，210)的电极(图3，318)，并在电极(图3，318)之间形成(框704)介电区(图3，316)。这些操作可以如以上结合图7所述的那样来执行。
在一些示例中，势垒区(图5，522)形成在介电区(图3，316)的两侧上、介电区(图3，316)与对应电极(图3，318)之间。即，出于上述原因，势垒区(图5，522)增强了3D打印电容器(图2，210)的性能和性能可靠性。即，在3D打印物体(图2，206)的非电容器部分中实现了足够的熔融温度(例如，大于180 C)，而在沉积导电剂和介电剂的区中温度下降，可以产生不会导致熔融的温度。这种温度下降可能会妨碍3D打印电容器(图2，210)的性能和3D打印物体(图2，206)的尺寸精度。因此，当形成(框705)势垒区(图5，522)时，温度下降会减少，从而提高3D打印电容器(图2，210)的可靠性和性能可预测性和3D打印物体(图2，206)的尺寸精度。
图8A至图8D是描绘根据本文描述的原理的示例的不同3D打印电容器(图2，210)的各种有效电容量的曲线图。如圆圈所示，数据值用指数函数进行拟合，并且都显示出高R2值(接近1)。如这些曲线图所示，可以有效地预测以皮法(pF)为单位测量的电容量，从而可以相对成功和可预测地实现目标电容量。
图9描绘了根据本文描述的原理的示例的用于形成3D打印电容器(图2，210)的非暂态机器可读存储介质(924)。为了实现其期望功能，计算系统包括各种硬件部件。具体地，计算系统包括处理器和机器可读存储介质(924)。机器可读存储介质(924)通信地耦接到处理器。机器可读存储介质(924)包括用于执行指定功能的多个指令(926，928，930)。机器可读存储介质(924)使处理器执行指令(926，928，930)的指定功能。机器可读存储介质(924)可以存储数据、程序、指令或可以用于操作增材制造系统(图1，100)的任何其他机器可读数据。机器可读存储介质(924)可以存储控制器(图1，104)的处理器可以处理或执行的计算机可读指令。机器可读存储介质(924)可以是包含或存储可执行指令的电子设备、磁设备、光学设备或其他物理存储设备。机器可读存储介质(924)可以是例如随机存取存储器(RAM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、存储设备、光盘等。机器可读存储介质(924)可以是非暂态机器可读存储介质(924)。
参考图9，确定指令(926)当由处理器执行时使处理器确定要打印的3D打印电容器(图2，210)的介电区(图3，316)的介电常数。计算指令(926)当由处理器执行时可以使处理器计算用于增材制造设备(图1，102)的电容器形成指令，以用于形成其介电区(图3，316)具有所述介电常数的3D打印电容器(图2，210)。这样的电容器形成指令可以包括要施加在介电区(图3，316)中的熔融试剂、细化剂和介电剂中的至少一种的量。当由处理器执行时，传递指令(930)可以使处理器将电容器形成指令传递给增材制造控制器。
这样的系统和方法1)允许在3D打印物体中打印电子电容器；2)通过减少放置在3D打印物体中/上的元件数量简化了将电子元件纳入到3D打印物体中的过程；3)减少了将集总电容器元件放置在3D打印物体中/上所造成的设计约束；4)便于全系列电容器的打印，这些电容器在3D打印物体的x-y平面、z方向或3D打印物体内的任何取向上定向；5)通过数字控制介电剂的量和电容器不同元件的几何形状，便于生成具有不同电容量的电容器。然而，设想到的是，本文所公开的系统和方法可以解决多种技术领域中的其他问题和缺陷。
Claims (15)
1.一种增材制造系统，包括：
增材制造设备，所述增材制造设备用于形成三维(3D)打印物体；以及
控制器，所述控制器用于通过以下方式在所述3D打印物体的本体上形成3D打印电容器：
控制导电剂的沉积以形成所述3D打印电容器的电极；以及
控制所述3D打印电容器的所述电极之间的介电区的形成。
2.如权利要求1所述的增材制造系统，其中，所述增材制造设备用于为所述3D打印电容器形成平行电极。
3.如权利要求1所述的增材制造系统，其中，所述增材制造设备用于为所述3D打印电容器形成叉指电极。
4.如权利要求1所述的增材制造系统，其中，所述控制器基于所述3D打印电容器的目标电容量来更改增材制造。
5.如权利要求4所述的增材制造系统，其中，所述增材制造通过调整从由以下各项构成的组中选择的分量来更改增材制造：
所述介电区的厚度；
所述电极的表面积；
所述电极的表面粗糙度；
每个电极与所述介电区之间的势垒区的厚度；
所述介电区中的熔融程度；
沉积在所述介电区中的熔融试剂；
沉积在所述介电区中的所述熔融试剂的加载量；
沉积在所述介电区中的介电剂；
所述介电区中的所述介电剂的加载量；
沉积在所述介电区中的细化剂；以及
在所述介电区中使用的熔融试剂与细化剂的比率。
6.一种方法，包括：
顺序地形成打印三维(3D)打印物体的切片；以及
通过以下方式在所述3D打印物体的本体内形成3D打印电容器：
沉积导电剂以形成所述3D打印电容器的电极；以及
在所述3D打印电容器的所述电极之间形成介电区。
7.如权利要求6所述的方法，还包括改变所述增材制造以实现目标电容量。
8.如权利要求6所述的方法，其中，形成所述介电区包括以下至少一项：
在所述电极之间不充分熔融粉末状构建材料；
在所述电极之间形成气穴；以及
用所述介电剂掺杂所述电极之间的粉末状构建材料。
9.如权利要求8所述的方法，其中，掺杂所述电极之间的粉末状构建材料包括用多种介电剂掺杂粉末状构建材料。
10.如权利要求6所述的方法，还包括在所述介电区的两侧上、所述介电区与所述电极之间形成势垒区。
11.如权利要求6所述的方法，其中，所述电极在增材制造设备的构建区域内垂直定向。
12.如权利要求6所述的方法，还包括通过以下方式形成所述3D打印物体的切片，所述切片包括3D打印电容器的切片：
沉积粉末状构建材料；
将所述导电剂沉积在所述3D打印物体的所述切片的与所述电极相对应的部分上；
将介电剂沉积在所述3D打印物体的所述切片的与所述介电区相对应的部分上；以及
在所述切片的非电极部分上沉积熔融试剂，所述非电容部分至少包括所述介电区。
13.如权利要求6所述的方法，其中，沉积在所述介电区中的介电剂与熔融试剂混合。
14.一种利用可由处理器执行的指令编码的非暂态机器可读存储介质，所述机器可读存储介质包括用于进行以下操作的指令：
确定要打印的三维(3D)打印电容器的介电区的介电常数；
计算用于增材制造设备的电容器形成指令，以用于形成其介电区具有所述介电常数的3D打印电容器；以及
将所述电容器形成指令传递给增材制造控制器。
15.如权利要求14所述的非暂态机器可读存储介质，其中，所述电容器形成指令包括要施加在所述介电区中的熔融试剂、细化剂和介电剂中的至少一种的量。
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