一种基于二维三维混合打印方法的加速度计与流程

本发明涉及电子技术领域，尤其涉及一种加速度计的二维三维混合制造方法。

背景技术：

电子传感器如加速度计、压力传感器、陀螺仪等在工业生产和人们的日常生活中有广泛的应用。这些传感器的制造方法通常是基于硅基微电子工艺如淀积、光刻、刻蚀和金属化等在集中化工厂中制造的，通常需要数月时间，不仅生产周期长，而且产品型号少、运输成本高......难以满足用户对于个性化定制日益增长的需求。分布式三维打印技术为个性化定制提供了一种高效的制造方式。但是，目前三维打印使用的主要是聚合物树脂等绝缘材料，这些虽然能够为电子器件提供良好的机械结构和绝缘隔离，但却无法形成良好的电极和引线互连，因此目前的三维打印技术在电子器件制造领域应用存在困难。

虽然蒸发镀膜、溅射镀膜和湿化学电镀等方法为在绝缘材料表面金属化提供了一些解决手段，但是这些金属化方法不仅工艺复杂，成本高昂，而且不具有选择性，即不能图形化而是整面镀膜。如果先对器件进行光刻、显影等图形化操作，再使用这些传统工艺进行金属化，虽然可以在绝缘材料表面有选择地生长金属图形，但是光刻、显影和剥离等工艺进一步加增了工艺的复杂性和制造成本。

技术实现要素：

本发明的目的在于，提供了一种二维三维混合打印方法，并应用在典型器件加速度计的制造领域。包括三维打印部分和二维打印部分。

上述三维打印部分是用绝缘材料和三维打印机制造器件的机械结构，绝缘材料的熔点应该高于低温导电墨水的烧结温度且具有较低的热收缩率，以保证后续的导电墨水烧结过程中不会导致机械结构变形损坏，同时三维打印部分的粗糙度应该在100微米以下以保证后续导电墨水可以在机械结构的表面形成连续轨迹。

上述二维打印部分是使用与上述三维打印部分共同的打印平台和加热装置在上述已打印的机械结构表面的精确位置用喷墨打印的方式打印低温导电墨水并烧结形成器件的电极和引线互连，上述低温导电墨水采用烧结温度在150℃以下的银离子墨水，以降低二维打印喷头堵塞风险，降低烧结过程中导电轨迹的氧化，避免烧结过程中对上述已三维打印的机械结构造成损害。

所述加速度计具有差分电容式结构，先用上述三维打印方法打印加速度计的机械结构，再把上述低温银离子墨水用二维喷墨打印的方式打印在所述机械结构表面的精确位置并烧结后形成加速度计的电极和引线互连，得到完整器件。

相对于现有技术，本发明具有如下优点：

第一，本发明联合使用三维打印技术和二维打印技术，二维打印部分是使用与上述三维打印部分共同的打印平台，可以实现在三维结构表面精确位置打印二维金属图形，即为三维打印结构提供了一种精确、简捷、高效的选择性金属化方案。

第二，本发明联合使用三维打印技术和二维打印技术，二维打印部分使用与上述三维打印部分共同的加热装置，导电墨水喷墨二维打印完成后不必取出器件另行烧结，可以直接在打印系统中完成烧结，具有良好的兼容性。

第三，本发明联合使用三维打印技术和二维打印技术，二维打印部分使用低温银离子墨水，银离子墨水不仅不易堵塞喷头，而且具有更低的烧结温度，通常低于150℃，烧结过程不会造成三维结构变形损坏，降低烧结过程中导电轨迹的氧化。

附图说明

图1为本发明中加速度计的三维原理图；

图2(a)～(b)为本发明中二维三维混合打印示意图；

图3为本发明加速度计电路系统在重力场中翻转测试的输出电压曲线；

图4为本发明加速度计电路系统的动态响应曲线。

具体实施方式

为使本发明的上述目的，特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明中加速度计的三维原理图。所述加速度计为“三明治”结构的差分电容式工作原理，即上下两个可变平行板电容器构成差分电容。其中，弹簧梁-质量块2与下平板1构成下电容，弹簧梁-质量块2与上平板3构成上电容。下平板1的上表面、弹簧梁-质量块2的质量块上下表面、上平板3的下表面应金属化以形成电容极板。

图2为本发明中二维三维混合打印示意图。图2(a)所示是上述梁-质量块机械结构的三维打印示意图。如图2(a)所示，三维打印喷头4与二维喷墨打印喷头5集成在一台打印机中，先在打印平台7上用三维打印的方式打印所述加速度计的梁-质量块的机械结构6。优选三维打印材料为聚乳酸(pla)，优选打印温度为210℃，打印速度为40mm/s。

图2(b)所示是上述梁-质量块电极的二维打印示意图。用二维喷墨打印喷头5将低温导电墨水精确地打印在上述梁-质量块的机械结构6的表面，并用打印机的加热装置烧结上述低温导电墨水形成梁-质量块的电极8。优选以乙酸银与乙醇胺等为主成分络合法制备的低温导电墨水，由于金属银以离子形式存在于所述墨水中，因此不存在堵塞喷头的问题。且所述银离子墨水有较低的烧结温度，不会造成上述梁-质量块的机械结构变形损坏。优选低温导电墨水的烧结条件为150℃，30分钟。

图3为本发明加速度计电路系统在重力场中翻转测试的输出电压曲线。把所述差分电容式加速度计接入优选电容放大读出电路ms3110，把加速度作用下的微小的电容变化转化、放大成电压信号，并在重力场中用分度头翻转测试正负一个重力加速度载荷下的所述加速度计电路系统的输出电压。得到加速度计系统具有较低的非线性误差4％和灵敏度50mv/g。

图4为本发明加速度计电路系统的动态响应曲线。优选一位成年人穿戴所述加速度计电路系统并进行跑步以测试动态性能。图4所示为2秒内的输出电压变化的实时记录。所述动态响应曲线有6个明显的波峰表明所述成年人在过去的2秒钟内跑了6步。证明所述的加速度计具有良好的动态性能。

以上对本发明所提供的一种基于二维三维混合打印方法的加速度计进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

技术特征：

1.一种基于二维三维混合打印方法的加速度计，其特征在于，包括三维打印部分和二维打印部分，

上述三维打印部分是用绝缘材料和三维打印机制造器件的机械结构，

上述二维打印部分是在上述器件机械结构的表面用低温导电墨水二维打印器件电极及引线互连结构，

上述三维打印部分和二维打印部分应集成在同一打印机中，共用同一打印平台和加热装置以实现混合打印时精确对准和精确控制，

上述的加速度计是先用上述三维打印方法打印机械结构，再用上述的二维打印方法打印电极及引线互连。

2.根据权利要求1所述的三维打印部分，其特征在于，用绝缘材料和三维打印机制造器件的机械结构，绝缘材料的熔点应该高于低温导电墨水的烧结温度且具有较低的热收缩率，以保证后续的导电墨水烧结过程中不会导致机械结构变形损坏，同时三维打印部分的粗糙度应该在100微米以下以保证后续打印的导电墨水可以在机械结构的表面形成连续轨迹。

3.根据权利要求1所述的二维打印部分，其特征在于，使用与上述三维打印部分共同的打印平台和加热装置在上述已三维打印的机械结构表面的精确位置用喷墨打印的方式打印低温导电墨水并烧结形成器件的电极和引线互连，上述低温导电墨水优选乙酸银和乙醇胺为主成分络合反应生成的银离子墨水，其烧结温度在150℃以下，以降低二维打印喷头堵塞风险，降低烧结过程中导电轨迹的氧化，避免烧结过程中对上述已三维打印的机械结构造成损害。

4.根据权利要求1所述的加速度计，其特征在于，所述加速度计具有差分电容式结构，优选弹簧梁-质量块结构作为敏感单元与上下两个盖板分别构成上下两个可变平板电容器，先用上述三维打印方法打印加速度计的机械结构，再把上述低温银离子墨水用二维喷墨打印的方式打印在所述机械结构表面的精确位置并在150℃以下烧结后形成加速度计的电极和引线互连，得到完整器件。

技术总结
本发明公开了一种基于二维三维混合打印方法的加速度计，三维打印部分和二维打印部分应集成在同一打印机中，共用同一打印平台和加热装置以实现混合打印时精确对准和精确控制，用绝缘材料和三维打印部分制造器件的机械结构，绝缘材料的熔点应该高于低温导电墨水的烧结温度且具有较低的热收缩率，同时三维打印部分的粗糙度应该在100微米以下以保证后续导电墨水可以在机械结构的表面形成连续轨迹，然后在上述器件机械结构的表面用低温导电墨水打印器件的电极及引线互连结构，最后得到完整器件。

技术研发人员：刘冠东;贾志立
受保护的技术使用者：中国计量科学研究院;赫瑞瓦特大学
技术研发日：2020.04.30
技术公布日：2020.12.04