研究人员使用混合增材制作技术，开发了可完全3D打印的压电加速度计

2022年8月29日，南极熊获悉，一组研究人员使用3D打印和喷墨材料沉积的巧妙组合，制造了首个全3D打印压电式加速度传感器。

△采用混合3D打印技术，开发首个全3D打印压电式加速度传感器

技术背景
在过去的几年里，3D打印作为一种合适的机电设备制造方法获得了极大的关注，因为使用该技术制备的机械结构具有更强的工艺灵活性、更好的产品定制性。

电子机械装置，如加速度计，通常是由具有机械可移动部件的电气元件组成。因此，当协同使用不同的增材制造技术时，如立体光刻（SLA）和喷墨打印（IJP）被协同使用时，对这类设备的生产特别有利。

例如，具有差分式电容感应的全金属化3D打印加速度计，所展示的灵敏度与最先进的微机电系统 (MEMS) 加速度计相当或更好。

△对混合3D打印后的压电式加速度传感器进行分析

混合3D打印过程
SLA用于使用光固化THERMA DM500树脂打印单轴加速度计的结构组件，而IJP用于通过沉积聚偏二氟乙烯-三氟乙烯（PVDF-TrFE）压电层和相应的导电银电极，来制造压电读出部分。

之所以选择THERMA DM500商用树脂来打印加速度计的结构部件，是因为它具有高玻璃化转变和热降解温度，考虑到高温用于对功能性P(VDF-TrFE)层和银电极进行退火，这是必要的。电晕处理用于增加树脂表面的亲水性。

IJP是一种高效且可扩展的沉积技术，被选择用于功能层的沉积，因为它提供了一种成本低廉、简便且可重复的图案化技术，来制造压电材料和相应的互连。

所有结构部件和样品均使用028J Plus SLA机器进行打印，而配10 pL墨盒的Dimatix DMP-2850，用于在基板上喷墨打印底部和顶部电极以及压电聚合物。在IJP期间，热床温度设置为最大值60 °C，以防止咖啡环效应并确保更快的打印速度。

底部和顶部电极都在沉积后，在130 °C下固化一个半小时。将0.7%纯固体P(VDF-TrFE)溶解在含有70% wt的混合物中。二甲基亚砜(DMSO)或30%重量甲基乙基酮(MEK)，在压电聚合物层打印期间获得最佳液滴喷射。

保持1.5 kHz喷射频率、35 V打印电压和45 °C喷嘴温度，以打印压电聚合物层。随后，P(VDF-TrFE)层在140°C下退火两个小时。完全3D打印的加速度计，与用于表征的参考加速度计一起安装在振动台上。

△该研究已发表在科学指导，题目为《利用混合3D打印技术，制作基于压电聚合物的惯性传感器》（传送门）

观察和结果
使用SLA技术有效地制造了两个3D单轴加速度计，指定为几何B和几何A。两种设计的质量悬挂机制彼此不同。

几何体A，由8mm x 11mm x 4mm的质量块组成，并使用两个7mm x11 mm x345 μm的细长底部和顶部弹簧悬挂。尺寸为17mm x 10mm x 6mm的锚提供固定基板和弹簧之间的连接。

包含两个银电极和一个P(VDF-TrFE)层的压电传感元件，使用JP沉积在顶部弹簧的宽而平坦的上表面上，托管并在高温下退火，以获得第一个完全3D打印的压电加速度计。

加速度计基于第一个弯曲模式发生变形，并且在压电聚合物中产生电压信号，检测该电压信号以确定作用在加速度计上的外部加速度。

同样，几何结构B，由11毫米x 8毫米x 2毫米的质量块组成，并通过两个7mmx 11mmx 345μm的细长左右弹簧悬挂。

使用两个尺寸为19mm x 7mm x 6mm的锚，将两个弹簧连接到固定基板。传感元件放置在弹簧的顶面上，外部加速度的确定方式与几何A类似。

P(VDF-TrFE)层在退火和极化后表现出有效的压电行为。沉积50个P(VDF-TrFE)层以制备5μm 厚的连续且无针孔的P(VDF-TrFE)薄膜，以确保顶部和底部电极之间的完全绝缘，以防止短路。

在SLA打印过程中引入了支撑，并一直保持到IJP工艺结束，以提供机械支撑以防止聚合物结构不受控制的变形，这归因于为固化功能层和热床温度而进行的退火。

与水平打印样品相比，使用SLA的垂直打印树脂样品的表面粗糙度更高，这需要沉积多个银层以完全覆盖树脂表面。

尽管两层银层足以覆盖树脂表面，但沉积三层以获得具有额外厚度的底部银电极。银沉积后，树脂表面略微平整。与压电层和底部电极相比，顶部银电极的厚度保持较小，以避免短路。

电晕处理后获得高度亲水的树脂表面以防止图案破损。具体来说，银油墨在处理过的树脂样品表面上的分布明显更好，具有高润湿性，因为该表面限制了油墨材料的局部聚集并减少了产生微裂纹的机会。

银纳米粒子墨水IJP期间的液滴速度，和喷射频率分别设置为6ms -1和5kHz，以确保总树脂覆盖率、优化层均匀性、最大化图案精度和最小化打印时间。

打印结构的收缩主要在后固化过程30分钟内观察到，后固化过程后的平均收缩率为3.76%。此外，宽度较小的梁的收缩值较大。

在几何A加速度计中，观察到从实验获得的固有频率值，与外部加速度5g和1.8g的数值预测之间存在相当大的差异，这归因于材料特性和几何形状的不确定性。

然而，通过模态分析估计的几何B加速度计的固有频率值，与从实验中获得的值非常一致，即使在考虑了制造缺陷和材料特性的不确定性之后也是如此。

综上所述，两种设备的灵敏度都比COMSOL Multiphysics v.5.6的数值预测低一个数量级，本研究结果有效地证明了3D打印压电加速度计对加速度的感知能力，以及利用所提出的混合3D打印技术制造中尺度机电传感器的可行性。