电子器件结构健康监测传感器的共形印刷制备方法及系统

本发明涉及传感器制备。

背景技术：

1、现有的电子器件常常工作在多种环境应力下，其中芯片的焊点、引脚、壳体，甚至pcb线路板在长期服役过程中不可避免地会产生微裂纹等损伤，并影响器件的工作性能和可靠性，因此其结构健康状态的实时监测对提高服役可靠性、降低维护成本、保障设备稳定运行有重要意义。结构健康监测是通过与结构集成在一起的传感器实现的，通过获取结构的温度、应变、应力等信息，结合材料的本构关系，运用有限元分析、损伤容限分析等技术得到结构的损伤状态或剩余寿命，实现结构损伤程度的准确获取与失效部位的精确捕捉，确定结构维护周期，确保器件安全服役。因此，结构健康传感器的精度以及其与结构的高效可靠集成是确保结构健康检测系统稳定运行的关键。

2、目前结构健康监测传感器主要由刚性分立元件构成，体积较大，多运用于建筑、桥梁、飞机等大型工程设备中的较为大型且形状较为规则的梁，杆、板等结构，而对于诸如板级电路芯片引脚、芯片与电路板间的点胶等小型且形状复杂的结构，传统的结构健康监测传感器难以与其集成，因此无法实现结构健康状态的实时监测，设备运行安全无法保障，存在巨大安全隐患。

3、气溶胶喷印作为一种新兴的喷墨印刷技术，具备喷墨印刷成本低、材料兼容广泛等优点，此外由于鞘气的汇聚气溶胶喷印的工作高度较高，对复杂曲面具有出色的共形性，适用于在微小的复杂结构表面制备电子电路，不增加电子器件体积的前提下设置传感器。然而，现有技术中不具备将气溶胶喷印应用于电子器件传感器制备的成熟技术，容易出现气溶胶无法聚焦、喷印线条断裂、可喷印传感器类型有限等问题，导致无法通过气溶胶喷印传感器以实现电子器件结构健康状态的实时监测。

4、因此，如何提供一种电子器件结构健康监测传感器的共形印刷制备方法，使其能够在不增加电子器件体积的前提下实现电子器件结构健康状态的实时监测，成为本领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的无法实时监测电子器件结构健康状态的技术问题，本发明提供了一种电子器件结构健康监测传感器的共形印刷制备方法及系统，通过气溶胶喷印将用于结构健康监测传感的多种材料直接喷印在待测三维结构表面，实现了对于复杂三维表面的微小局部区域健康信息的实时监测。

2、基于同一发明构思，本发明具有两个独立的技术方案：

3、1、一种电子器件结构健康监测传感器的共形印刷制备方法，所述方法包括如下步骤：

4、在传感材料中加入添加剂进行改性，得到用于气溶胶喷印的传感浆料；

5、基于三维采集分析装置，获取待监测电子器件的3d模型，根据所述3d模型分析得到传感图形和电极，并根据所述传感图形和电极生成喷嘴运动路径；

6、将电极浆料、绝缘浆料以及所述传感浆料雾化形成气溶胶束流；

7、根据所述喷嘴运动路径将所述气溶胶束流喷至待监测电子器件表面，实现传感图形和电极喷印；

8、根据所述传感材料的固化温度对喷印后的传感图形进行加热固化；

9、在所述电极引出导线；

10、根据所述喷嘴运动路径在传感图形和电极上进行绝缘层喷印，完成传感器的制备。

11、进一步地，所述传感材料基于待制备的传感器类型和传感原理进行选择，所述传感器类型包括温度传感器、应变传感器、压力传感器以及湿度传感器，所述传感材料包括导电高分子、石墨烯、银纳米线以及聚酰亚胺。

12、进一步地，向传感材料中加入表面活性剂、稀释剂、流平剂等添加剂，使其满足气溶胶喷印需求并实现与待测结构表面的良好结合，加入添加剂使得所述传感浆料的粘度为0-1000cp，表面张力为12-50mn/m。

13、进一步地，根据所述3d模型分析得到传感图形和电极时，根据待测结构的表面形状、材料热膨胀系数设计所述传感图形和电极。

14、进一步地，根据所述3d模型分析得到传感图形和电极时，采用有限元分析软件调节传感图形参数，所述传感图形参数包括栅数、栅长、间距、线宽以及形状中的一种或几种。

15、进一步地，所述气溶胶束流中气溶胶粒径为5-50μm。

16、进一步地，将电极浆料、绝缘浆料以及所述传感浆料雾化形成稳定的气溶胶束流时，若浆料粘度为0-25cp则采用超声雾化，若浆料粘度为25-1000cp则采用气动雾化。

17、进一步地，进行传感图形和电极喷印之前，还包括：

18、根据所述传感图形宽度选取喷嘴尺寸，并调节喷嘴高度、喷印速度、载气流量以及鞘气流量。

19、进一步地，喷嘴尺寸选取100-450μm，喷印速度为0.5-20mm/s，喷印高度为0.1-8mm，载气流量为0-100sccm，鞘气流量为0-200sccm，且载气流量与鞘气流量之比不低于1.5。

20、2、一种应用于上述方法的电子器件结构健康监测传感器的共形印刷制备系统，包括：雾化装置、三维采集分析装置、喷印运动平台、喷嘴以及加热固化装置；

21、所述雾化装置用于将传感浆料、电极浆料以及绝缘浆料雾化形成气溶胶束流；

22、所述三维采集分析装置用于获取待监测电子器件的3d模型，分析得到传感图形和电极，并生成喷嘴运动路径；

23、所述喷印运动平台用于获取来自所述三维采集分析装置的喷嘴运动路径，并根据所述喷嘴运动路径控制所述喷嘴实现喷印；

24、所述加热固化装置用于对所述传感图形加热固化。

25、本发明提供的电子器件结构健康监测传感器的共形印刷制备方法及系统，至少包括如下有益效果：

26、(1)本发明提供的制备方法通过气溶胶喷印将用于结构健康监测传感的多种材料直接喷印在待测三维结构表面，实现了对于复杂三维表面的微小局部区域健康信息的实时监测，采用气溶胶喷印在微小结构上制备精密传感器，在不增加电子器件体积，不影响其原有性能的基础上实现其结构健康状态的实时监测，提前预测器件失效时间，能够保障设备安全稳定运行。

27、(2)本发明提供的制备方法兼容性广泛，在结构兼容性上，气溶胶喷印适用于各种复杂三维曲面以及金属、陶瓷、树脂等多种基底，具备出色的共形能力；在材料兼容性上，由于可以根据需要通过加入添加剂进行浆料改性，因此只要可以发生雾化的浆料均可以进行喷印，能够制备的传感器类型更加广泛；在工艺兼容性上，传感器线路尺寸受气体流量、喷嘴直径、打印速度等多种参数影响，可以根据需要改变不同参数控制图形尺寸，工艺窗口较宽。

28、(3)通过设置喷嘴尺寸并调节参数喷嘴高度、喷印速度、载气流量以及鞘气流量等参数，有效避免了气溶胶喷印过程中气溶胶束流无法聚焦的问题以及喷印线条开裂的问题，确保了电子器件结构健康监测传感器的共形印刷制备能够实现。

技术特征：

1.一种电子器件结构健康监测传感器的共形印刷制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述传感材料基于待制备的传感器类型和传感原理进行选择，所述传感器类型包括温度传感器、应变传感器、压力传感器以及湿度传感器，所述传感材料包括导电高分子、石墨烯、银纳米线以及聚酰亚胺。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述添加剂包括活性剂、稀释剂、流平剂中的一种或几种，加入添加剂使得所述传感浆料的粘度为0-1000cp，表面张力为12-50mn/m。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述3d模型分析得到传感图形和电极时，根据待测结构的表面形状、材料热膨胀系数设计所述传感图形和电极。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，根据所述3d模型分析得到传感图形和电极时，采用有限元分析软件调节传感图形参数，所述传感图形参数包括栅数、栅长、间距、线宽以及形状中的一种或几种。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述气溶胶束流中气溶胶粒径为5-50μm。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将电极浆料、绝缘浆料以及所述传感浆料雾化形成稳定的气溶胶束流时，若浆料粘度为0-25cp则采用超声雾化，若浆料粘度为25-1000cp则采用气动雾化。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进行传感图形和电极喷印之前，还包括：

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，喷嘴尺寸选取100-450μm，喷印速度为0.5-20mm/s，喷印高度为0.1-8mm，载气流量为0-100sccm，鞘气流量为0-200sccm，且载气流量与鞘气流量之比不低于1.5。

10.一种应用于如权利要求1-9任意一项所述方法的电子器件结构健康监测传感器的共形印刷制备系统，其特征在于，包括：雾化装置、三维采集分析装置、喷印运动平台、喷嘴以及加热固化装置；

技术总结
一种电子器件结构健康监测传感器的共形印刷制备方法及系统，涉及传感器制备技术领域，解决的技术问题为“如何在不增加电子器件体积的前提下实现电子器件结构健康状态的实时监测”，所述方法包括：在传感材料中加入添加剂进行改性，得到用于气溶胶喷印的传感浆料；基于三维采集分析装置，获取待监测电子器件的3D模型，根据所述3D模型分析得到传感图形和电极，并根据所述传感图形和电极生成喷嘴运动路径；将电极浆料、绝缘浆料以及所述传感浆料雾化形成稳定的气溶胶束流；根据所述喷嘴运动路径将所述气溶胶束流喷至待监测电子器件表面；该方法通过气溶胶喷印将多种传感材料直接喷印在待测三维结构表面，实现了微小局部区域健康信息的实时监测。

技术研发人员：王尚,李庚,田艳红,冯佳运,张贺
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12