供稿人:朱思堯、王玲 供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 發(fā)布日期：2020-06-02
近期，意大利米蘭理工大學(xué)土木環(huán)境工程系的研究員將增材制造方法和濕法金屬化工藝相結(jié)合，制備了三臺(tái)差動(dòng)機(jī)電z軸加速度計(jì)樣機(jī)。其中樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與理論預(yù)測(cè)非常吻合，從而證明了所提出的設(shè)計(jì)流程和制造工藝具有良好的可靠性。相比于傳統(tǒng)硅基微電子機(jī)械系統(tǒng)（Microelectromechanical Systems，MEMS）技術(shù)，其可定制性強(qiáng)、成本低，是慣性傳感器向新的應(yīng)用領(lǐng)域邁出的重要一步。
這三個(gè)加速度計(jì)的設(shè)計(jì)是為了測(cè)量作用在平面外（z-）方向上的外部加速度。其中一個(gè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)兩個(gè)彈簧懸掛。兩個(gè)電極位于驗(yàn)證質(zhì)量上下兩處，測(cè)量靜電差分。三種設(shè)計(jì)方案在懸掛彈簧的形狀上各不相同。Acc.I顯示了兩個(gè)拉長(zhǎng)的懸掛彈簧（見(jiàn)圖1a），其平面外厚度為300μm，允許2mm厚的驗(yàn)證質(zhì)量沿著z軸方向運(yùn)動(dòng)。Acc.I I采用折疊式懸掛彈簧（見(jiàn)圖1b）設(shè)計(jì)，減小總占地面積減少1.42倍。最后，Acc.III（見(jiàn)圖1c）利用懸掛彈簧的不同折疊幾何結(jié)構(gòu)，包括對(duì)角線折疊，以允許驗(yàn)證質(zhì)量的z軸運(yùn)動(dòng)。
圖1. 三個(gè)3D打印加速計(jì)的幾何結(jié)構(gòu)示意圖。出于對(duì)稱原因，僅顯示一半幾何體
圖1所示的z軸加速度計(jì)是通過(guò)適當(dāng)?shù)亟Y(jié)合立體光刻（stereolithography, SL）3D打印和濕金屬化技術(shù)兩步制備的。外部加速度電容傳感用銅電極在金屬化后最終安裝在外部框架上（見(jiàn)圖2）。為獲得最高的打印分辨率，Acc.I和Acc.II分別以平行于和垂直于打印平臺(tái)的縱向彈簧方向進(jìn)行打印，而Acc.III采用45°傾斜打印?？紤]最佳印刷條件，并避免彈簧的卷曲現(xiàn)象。最后，通過(guò)開(kāi)發(fā)了橫向和縱向分辨率分別為22μm（激光光斑直徑）和10μm的DWS028JPlus SL機(jī)，采用DL260?（DWS Systems）樹(shù)脂材料（楊氏模量和密度分別等于1.8GPa和1290 kg/m3）在30分鐘內(nèi)成功地制備z軸加速度計(jì)，并在專用烤箱固化處理。
在堿性環(huán)境下對(duì)DL260樹(shù)脂表面進(jìn)行了預(yù)處理，并對(duì)其進(jìn)行了化學(xué)沉積活化。在3D打印結(jié)構(gòu)上沉積了第一層0.5μm的化學(xué)鍍銅層和第二層1.5μm的電解銅層（見(jiàn)圖2）。將兩個(gè)100μm的聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（Polyethylene Terephthalate, PET）片材放置在裝置的印刷框架和兩個(gè)銅片材之間，以提供電氣隔離，并在驗(yàn)證質(zhì)量和銅基之間提供200μm的氣隙（見(jiàn)圖2）。
圖2. 以Acc.I的幾何結(jié)構(gòu)為例的制造過(guò)程的主要步驟
實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果顯示，此類加速度計(jì)占地面積相對(duì)較小（最小尺寸約為數(shù)百μm），性能優(yōu)良（靈敏度>12ff/g，滿標(biāo)度誤差小于11g，理論噪聲估計(jì)為幾十ng/√Hz），數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好，表明所提出的設(shè)計(jì)流程和制造工藝具有良好的可靠性，所顯示的優(yōu)勢(shì)也有助于激發(fā)慣性傳感器界對(duì)極端定制新應(yīng)用領(lǐng)域的想法。