研究者らはハイブリッド積層造形法を用いて完全に3Dプリント可能な圧電加速度計を開発

この投稿は Bingdunxiong によって 2022-8-29 15:22 に最後に編集されました

2022年8月29日、Antarctic Bearは、研究者グループが3Dプリントとインクジェット材料堆積の巧妙な組み合わせを使用して、初めて完全に3Dプリントされた圧電加速度計を作成したことを知りました。

△ハイブリッド3Dプリント技術を使用して、初の完全3Dプリント圧電加速度計が開発されました
技術的背景<br /> 過去数年間、3D プリンティングは、この技術を使用して作成された機械構造がプロセスの柔軟性が高く、製品のカスタマイズ性が向上するため、電気機械デバイスを製造するための適切な方法として大きな注目を集めています。

加速度計などの電気機械装置は、通常、機械的に可動な部品を備えた電気部品で構成されています。したがって、このようなデバイスの製造は、ステレオリソグラフィー (SLA) やインクジェット印刷 (IJP) などのさまざまな積層製造技術を相乗的に使用すると特に有益です。

たとえば、差動容量センシングを備えた完全に金属化された 3D プリント加速度計は、最先端のマイクロエレクトロメカニカルシステム (MEMS) 加速度計と同等かそれ以上の感度を実証しています。

△ハイブリッド3Dプリント後の圧電加速度計の解析
ハイブリッド3Dプリントプロセス
SLA は光硬化性 THERMA DM500 樹脂を使用して一軸加速度計の構造部品を印刷するために使用され、一方、IJP はポリフッ化ビニリデン-トリフルオロエチレン (PVDF-TrFE) 圧電層と対応する導電性銀電極を堆積することによって圧電読み出し部分を製造するために使用されました。

加速度計の構造部品の印刷には、ガラス転移温度と熱分解温度が高いことから、市販の THERMA DM500 樹脂が選択されました。これは、機能性 P(VDF-TrFE) 層と銀電極をアニールするために使用される高温を考慮すると必要なことです。コロナ処理は樹脂表面の親水性を高めるために用いられます。

効率的でスケーラブルな堆積技術である IJP は、圧電材料と対応する相互接続を製造するための低コストで簡単かつ再現性の高いパターン形成技術を提供するため、機能層の堆積に選択されました。

すべての構造部品とサンプルは 028J Plus SLA マシンを使用して印刷され、10 pL インクカートリッジを備えた Dimatix DMP-2850 を使用して、基板上の下部電極と上部電極、および圧電ポリマーをインクジェット印刷しました。 IJP 中は、コーヒーリング効果を防ぎ、印刷速度を上げるために、ホットベッドの温度を最大 60 °C に設定しました。

下部電極と上部電極の両方を堆積し、130 °C で 1 時間半硬化させました。 0.7% の純粋な固体 P(VDF-TrFE) を 70% wt. を含む混合物に溶解しました。圧電ポリマー層の印刷中に最適な液滴吐出を得るために、ジメチルスルホキシド (DMSO) または 30 wt% メチルエチルケトン (MEK) が使用されました。

1.5 kHz の噴射周波数、35 V の印刷電圧、45 °C のノズル温度を維持して、圧電ポリマー層を印刷します。続いて、P(VDF-TrFE)層を140℃で2時間アニールした。完全に 3D プリントされた加速度計が、特性評価に使用される基準加速度計とともに振動テーブルに取り付けられています。

△この研究は「ハイブリッド3Dプリント技術を用いた圧電ポリマーベースの慣性センサーの製造」というタイトルでサイエンスガイドに掲載されました（ポータル）
観察と結果<br /> ジオメトリ B とジオメトリ A として指定された 2 つの 3D 一軸加速度計が、SLA 技術を使用して効率的に製造されました。 2 つの設計の質量サスペンション機構は互いに異なります。

ジオメトリ A は、7 mm x 11 mm x 345 μm の 2 つの細長い下部スプリングと上部スプリングを使用して吊り下げられた 8 mm x 11 mm x 4 mm の質量で構成されます。 17mm x 10mm x 6mm のアンカーが固定ベースプレートとスプリングを接続します。

2 つの銀電極と P(VDF-TrFE) 層で構成される圧電センシング素子は、JP を使用して上部スプリングの広くて平らな上面に堆積され、共存して高温でアニールされ、初めて完全に 3D プリントされた圧電加速度計が得られました。

加速度計は第 1 の曲げモードに基づいて変形し、圧電ポリマー内に電圧信号を生成し、これを検出して加速度計に作用する外部加速度を決定します。

同様に、ジオメトリ B は、11 mm x 8 mm x 2 mm の質量で構成され、7 mm x 11 mm x 345 μm の 2 つの細い左右のスプリングによって吊り下げられています。

19mm x 7mm x 6mm のアンカー 2 つを使用して、2 つのスプリングを固定ベースプレートに取り付けます。センシング要素はスプリングの上面に配置され、外部加速度はジオメトリ A と同様の方法で決定されます。

P(VDF-TrFE)層は、アニールおよび分極処理後に効果的な圧電挙動を示します。 50 層の P(VDF-TrFE) を堆積して、5 μm 厚の連続したピンホールのない P(VDF-TrFE) フィルムを準備し、上部電極と下部電極間の完全な絶縁を確保して短絡を防止しました。

サポートは SLA 印刷中に導入され、IJP プロセスの最後まで維持され、機能層を固めるために実行されるアニーリングとホットベッド温度に起因するポリマー構造の制御不能な変形を防ぐための機械的サポートを提供します。

SLA を使用して垂直に印刷された樹脂サンプルの表面粗さは、樹脂表面を完全に覆うために複数の銀層を堆積する必要があった水平に印刷されたサンプルと比較して高くなりました。

樹脂表面を覆うには 2 層の銀で十分ですが、さらに厚い下部銀電極を得るために 3 層を堆積します。銀蒸着後、樹脂表面は若干平坦化されます。短絡を回避するために、上部の銀電極の厚さは、圧電層および下部の電極に比べて小さく保たれます。

コロナ処理後、親水性の高い樹脂表面が得られ、パターンの損傷を防ぎます。具体的には、銀インクは、濡れ性が高い処理済み樹脂サンプルの表面上で大幅に良好に分散され、表面がインク材料の局所的な凝集を制限し、微小亀裂が発生する可能性が減少しました。

銀ナノ粒子インクのIJP中の液滴速度と噴射周波数は、樹脂全体の被覆率を確保し、層の均一性を最適化し、パターン精度を最大化し、印刷時間を最小限に抑えるために、それぞれ6ms−1と5kHzに設定されました。

印刷された構造の収縮は主に後硬化プロセスの 30 分以内に観察され、後硬化プロセス後の平均収縮は 3.76% でした。さらに、梁の幅が狭いほど収縮値は大きくなります。

ジオメトリ A 加速度計では、実験から得られた固有振動数の値と 5 g および 1.8 g の外部加速度に対する数値予測との間にかなりの不一致が見られましたが、これは材料特性とジオメトリの不確実性に起因すると考えられます。

ただし、モード解析によって推定されたジオメトリ B 加速度計の固有振動数の値は、製造上の欠陥や材料特性の不確実性を考慮した後でも、実験から得られた値とよく一致しています。

要約すると、両デバイスの感度は、COMSOL Multiphysics v.5.6 の数値予測よりも 1 桁低くなります。この研究の結果は、3D プリントされた圧電加速度計の加速度検知機能と、提案されたハイブリッド 3D プリント技術を使用したメソスケール電気機械センサーの製造の実現可能性を効果的に実証しています。

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