研究人員使用混合增材制作技術(shù)，開(kāi)發(fā)了可完全3D打印的壓電加速度計(jì)

2022年8月29日，南極熊獲悉，一組研究人員使用3D打印和噴墨材料沉積的巧妙組合，制造了首個(gè)全3D打印壓電式加速度傳感器。

△采用混合3D打印技術(shù)，開(kāi)發(fā)首個(gè)全3D打印壓電式加速度傳感器

技術(shù)背景
在過(guò)去的幾年里，3D打印作為一種合適的機(jī)電設(shè)備制造方法獲得了極大的關(guān)注，因?yàn)槭褂迷摷夹g(shù)制備的機(jī)械結(jié)構(gòu)具有更強(qiáng)的工藝靈活性、更好的產(chǎn)品定制性。

電子機(jī)械裝置，如加速度計(jì)，通常是由具有機(jī)械可移動(dòng)部件的電氣元件組成。因此，當(dāng)協(xié)同使用不同的增材制造技術(shù)時(shí)，如立體光刻（SLA）和噴墨打印（IJP）被協(xié)同使用時(shí)，對(duì)這類(lèi)設(shè)備的生產(chǎn)特別有利。

例如，具有差分式電容感應(yīng)的全金屬化3D打印加速度計(jì)，所展示的靈敏度與最先進(jìn)的微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS) 加速度計(jì)相當(dāng)或更好。

△對(duì)混合3D打印后的壓電式加速度傳感器進(jìn)行分析

混合3D打印過(guò)程
SLA用于使用光固化THERMA DM500樹(shù)脂打印單軸加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)組件，而IJP用于通過(guò)沉積聚偏二氟乙烯-三氟乙烯（PVDF-TrFE）壓電層和相應(yīng)的導(dǎo)電銀電極，來(lái)制造壓電讀出部分。

之所以選擇THERMA DM500商用樹(shù)脂來(lái)打印加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)部件，是因?yàn)樗�具有高玻璃化轉(zhuǎn)變和熱降解溫度，考慮到高溫用于對(duì)功能性P(VDF-TrFE)層和銀電極進(jìn)行退火，這是必要的。電暈處理用于增加樹(shù)脂表面的親水性。

IJP是一種高效且可擴(kuò)展的沉積技術(shù)，被選擇用于功能層的沉積，因?yàn)樗�提供了一種成本低廉、簡(jiǎn)便且可重復(fù)的圖案化技術(shù)，來(lái)制造壓電材料和相應(yīng)的互連。

所有結(jié)構(gòu)部件和樣品均使用028J Plus SLA機(jī)器進(jìn)行打印，而配10 pL墨盒的Dimatix DMP-2850，用于在基板上噴墨打印底部和頂部電極以及壓電聚合物。在IJP期間，熱床溫度設(shè)置為最大值60 °C，以防止咖啡環(huán)效應(yīng)并確保更快的打印速度。

底部和頂部電極都在沉積后，在130 °C下固化一個(gè)半小時(shí)。將0.7%純固體P(VDF-TrFE)溶解在含有70% wt的混合物中。二甲基亞砜(DMSO)或30%重量甲基乙基酮(MEK)，在壓電聚合物層打印期間獲得最佳液滴噴射。

保持1.5 kHz噴射頻率、35 V打印電壓和45 °C噴嘴溫度，以打印壓電聚合物層。隨后，P(VDF-TrFE)層在140°C下退火兩個(gè)小時(shí)。完全3D打印的加速度計(jì)，與用于表征的參考加速度計(jì)一起安裝在振動(dòng)臺(tái)上。

△該研究已發(fā)表在科學(xué)指導(dǎo)，題目為《利用混合3D打印技術(shù)，制作基于壓電聚合物的慣性傳感器》（傳送門(mén)）

觀察和結(jié)果
使用SLA技術(shù)有效地制造了兩個(gè)3D單軸加速度計(jì)，指定為幾何B和幾何A。兩種設(shè)計(jì)的質(zhì)量懸掛機(jī)制彼此不同。

幾何體A，由8mm x 11mm x 4mm的質(zhì)量塊組成，并使用兩個(gè)7mm x11 mm x345 μm的細(xì)長(zhǎng)底部和頂部彈簧懸掛。尺寸為17mm x 10mm x 6mm的錨提供固定基板和彈簧之間的連接。

包含兩個(gè)銀電極和一個(gè)P(VDF-TrFE)層的壓電傳感元件，使用JP沉積在頂部彈簧的寬而平坦的上表面上，托管并在高溫下退火，以獲得第一個(gè)完全3D打印的壓電加速度計(jì)。

加速度計(jì)基于第一個(gè)彎曲模式發(fā)生變形，并且在壓電聚合物中產(chǎn)生電壓信號(hào)，檢測(cè)該電壓信號(hào)以確定作用在加速度計(jì)上的外部加速度。

同樣，幾何結(jié)構(gòu)B，由11毫米x 8毫米x 2毫米的質(zhì)量塊組成，并通過(guò)兩個(gè)7mmx 11mmx 345μm的細(xì)長(zhǎng)左右彈簧懸掛。

使用兩個(gè)尺寸為19mm x 7mm x 6mm的錨，將兩個(gè)彈簧連接到固定基板。傳感元件放置在彈簧的頂面上，外部加速度的確定方式與幾何A類(lèi)似。

P(VDF-TrFE)層在退火和極化后表現(xiàn)出有效的壓電行為。沉積50個(gè)P(VDF-TrFE)層以制備5μm 厚的連續(xù)且無(wú)針孔的P(VDF-TrFE)薄膜，以確保頂部和底部電極之間的完全絕緣，以防止短路。

在SLA打印過(guò)程中引入了支撐，并一直保持到IJP工藝結(jié)束，以提供機(jī)械支撐以防止聚合物結(jié)構(gòu)不受控制的變形，這歸因于為固化功能層和熱床溫度而進(jìn)行的退火。

與水平打印樣品相比，使用SLA的垂直打印樹(shù)脂樣品的表面粗糙度更高，這需要沉積多個(gè)銀層以完全覆蓋樹(shù)脂表面。

盡管兩層銀層足以覆蓋樹(shù)脂表面，但沉積三層以獲得具有額外厚度的底部銀電極。銀沉積后，樹(shù)脂表面略微平整。與壓電層和底部電極相比，頂部銀電極的厚度保持較小，以避免短路。

電暈處理后獲得高度親水的樹(shù)脂表面以防止圖案破損。具體來(lái)說(shuō)，銀油墨在處理過(guò)的樹(shù)脂樣品表面上的分布明顯更好，具有高潤(rùn)濕性，因?yàn)樵摫砻嫦拗屏擞湍�材料的局部聚集并減少了產(chǎn)生微裂紋的機(jī)會(huì)。

銀納米粒子墨水IJP期間的液滴速度，和噴射頻率分別設(shè)置為6ms -1和5kHz，以確保總樹(shù)脂覆蓋率、優(yōu)化層均勻性、最大化圖案精度和最小化打印時(shí)間。

打印結(jié)構(gòu)的收縮主要在后固化過(guò)程30分鐘內(nèi)觀察到，后固化過(guò)程后的平均收縮率為3.76%。此外，寬度較小的梁的收縮值較大。

在幾何A加速度計(jì)中，觀察到從實(shí)驗(yàn)獲得的固有頻率值，與外部加速度5g和1.8g的數(shù)值預(yù)測(cè)之間存在相當(dāng)大的差異，這歸因于材料特性和幾何形狀的不確定性。

然而，通過(guò)模態(tài)分析估計(jì)的幾何B加速度計(jì)的固有頻率值，與從實(shí)驗(yàn)中獲得的值非常一致，即使在考慮了制造缺陷和材料特性的不確定性之后也是如此。

綜上所述，兩種設(shè)備的靈敏度都比COMSOL Multiphysics v.5.6的數(shù)值預(yù)測(cè)低一個(gè)數(shù)量級(jí)，本研究結(jié)果有效地證明了3D打印壓電加速度計(jì)對(duì)加速度的感知能力，以及利用所提出的混合3D打印技術(shù)制造中尺度機(jī)電傳感器的可行性。