我国研究人员提出一种低成本3D打印加速度计的方法

该方法使加速度计从传感器设计到传感器原型只需要几个小时,并且处理成本非常低。

  3D打印技术主要用于制造一系列逐层制造工艺,其优点是成本低、效率高、工艺步骤简单,具有制造复杂结构的能力以及用于制造各种材料的优点。选择3D打印技术的一些典型的例子是立体光刻设备(SLA)、熔融沉积成型(FDM)、选择性激光烧结(SLS)、直接墨迹(DIW)和喷墨印刷。其中,SLA是最早的方法,也是最流行的3D打印技术之一,因为它是1986年由Charles W. Hull首次报道为制造3D结构的工具。

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  在SLA过程中,塑料单体通过光聚合过程直接成型,并基于3D计算机辅助设计(CAD)模型形成复杂的结构。由于其精度高、过程简单和成本低廉,SLA已广泛应用于生物工程、微机电系统(MEMS)以及电子和机械设备等领域。近年来,随着3D印刷技术的悬臂,3D打印已经成为制造力学量传感器(诸如压力传感器、应变传感器和力传感器)的替代手段。作为一个重要的3D印刷技术,SLA技术也成为研究在力学量传感器的制造领域的焦点。

  机械量传感器通常由三部分组成:传感元件、转换元件和测量电路。通常,传感元件是不导电的,而转换元件和测量电路是导电的。因此,在机械量传感器的制造过程中需要多种材料。然而,对于SLA过程中导电性树脂还处于实验室阶段,并没有被商业化,能够进行多种材料印刷的基于SLA的打印机是稀有和昂贵的。为了实现机械量传感器的低成本和高效制造,研究将SLA技术与其他印刷技术相结合的方法非常重要。尽管目前正在研究将SLA技术与丝网印刷技术或喷墨印刷技术结合起来以制造低成本的全印刷传感器,但据我们所知,此类研究仍然相对较少,需要进行扩展。

  鉴于上述几点,近日,西安交通大学制造系统工程国家重点实验室的研究人员刘明杰和张琪等发表了《Design and Development of a Fully Printed Accelerometer with a Carbon Paste-Based Strain Gauge:碳糊应变计全印制加速度计的设计与研制》,提出了一种完全印刷的加速度计。

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  该加速度计利用了不同印刷技术的组合。在制造过程中,研究人员使用高温树脂通过基于SLA的打印机打印传感器基板,并通过丝网印刷或DIW技术在传感器基板的表面上打印基于碳糊的应变计,并与其他分别进行比较。然后,测试通过两种不同方法制成的应变仪的形貌,以选择在树脂基板上制造应变仪的合适方法。此外,从微观的角度阐明了碳糊基应变计的导电机理和压阻机理,并研究了固化条件对碳糊基应变计的电阻和压阻性能的影响。最后,进行了一些初步测试,以验证加速度计的功能。结果表明,丝网印刷工艺在树脂传感器基板上的印刷精度高于DIW工艺,并且两个加速度计都可以执行加速度测量的功能。而且,此3D打印加速度计可用于人体运动测量领域。

  重要的是,由于使用了台式消费者级别的3D打印机,加速度计可以在几个小时内制成,并且处理成本非常低。这也意味着从传感器设计到传感器原型是一种快速简便的方法。总而言之,这项工作为制造加速度计提供了一种经济高效的方法。

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刘小飞

传感器科技领域资深作者,以独特的视角、深度的调查分析看传感器世界。