CN101733209A - 定向挤压圆珠的控制 - Google Patents

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Abstract

一种在微挤压系统中用于在基底上形成平行的挤压材料线的微挤压印刷头组件，包括用于将材料推/吸出该印刷头组件中限定的挤压喷管的送料系统，Z轴定位机构和底座。该微挤压印刷头包括夹在背部和前部板结构之间的分层喷管结构。该分层喷管结构包括堆叠的板，其包括中间夹有喷管出口板的顶部和底部喷管板。根据各实施方式，修改该印刷头组件的该喷管结构材料、该印刷头组件的输出几何形状以及该印刷头组件的内部导管的几何形状中的至少一项以使穿过该挤压喷管移动的圆珠在离开该印刷头喷管孔时被可靠地朝该目标基底引导(偏斜)。

Description

定向挤压圆珠的控制
技术领域
本发明涉及挤压系统，更具体地说，涉及用于在基底上挤压功能性材料的紧密间隔线的微挤压系统。
背景技术
共挤压用于多种应用，包括指间pn结连线、太阳能电池的导电栅格线、用于电气化学器件的电极等。
为了满足对低成本大面积半导体的需要，发展出了微挤压方法，其包括将携带掺杂物的材料(掺杂墨水)与牺牲材料(非掺杂墨水)一起挤压在半导体基底的表面上，然后加热该半导体基底从而该掺杂墨水中配置的掺杂物扩散到该基底中以形成期望的一个或多个掺杂区域。对比屏幕印刷技术，掺杂材料在该基底上的挤压提供了对该掺杂区域的特征分辨率的高级控制，并有利于不接触该基底的沉积，由此避免了对晶片的破坏。例如，申请号为20080138456的美国申请揭示了这种制造技术，其内容通过参考全部并入此处。
在基底上的功能性材料(例如，掺杂墨水或金属栅格线材料)线的挤压印刷中，控制被分配的材料(例如，掺杂墨水)的圆珠(bead)在离开该印刷头喷管之后去到哪里是必要的。弹性不稳定性、表面效应、基底相互作用和各种其它影响可能使该圆珠去往许多不希望的方向。这个问题通常是通过使该沉积(印刷头)喷管非常靠近该基底，从而该圆珠在偏离方向之前粘在该基底上而解决的。不幸的是，这导致印刷头被墨水污染，而且在包含许多喷管且基底具有明显的厚度差异(＞50微米)的高速(＞100毫米/秒)生产沉积设备中，非常靠近的打印是不实际的。
所需要的是一种用于以太阳能电池行业可以接受的很低的成本形成挤压材料圆珠，并解决上述问题的微挤压印刷头和相关设备。尤其是，所需要的是一种包括用于控制该挤压的圆珠的方向从而它向下偏斜到该基底上并远离该印刷头的机构的印刷头组件。
发明内容
本发明大体上涉及一种在微挤压系统中用于在基底表面上形成功能性材料的平行挤压线的微挤压印刷头组件。该微挤压系统包括用于将材料从该印刷头组件中限定的挤压喷管中推/吸(挤压)出去的送料系统，用于相对该基底定位该印刷头组件的X-Y-Z轴定位机构，以及用于在该挤压过程中将该基底支撑在该印刷头组件下方的底座。本发明尤其涉及对该微挤压印刷头组件的修改，其在挤压过程中可靠地将该圆珠朝该基底偏斜，从而通过使该挤压圆珠尽早固定于该基底而改善印刷质量。通过将该圆珠朝该基底偏斜，使得该圆珠在离开该印刷头喷管之后可靠地立即撞击该基底，所以该印刷操作比较不可能由于集束或振荡行为而变得不稳定，并可以避免污染该印刷头。进一步，因为该圆珠被可靠地导向该基底，将该印刷头组件定位为与该基底具有更大的工作距离并在该印刷头的高度上有更宽松的机械容差(也就是说，隔开该印刷头与该基底的距离)是可能的，这对于高速生产操作非常关键。材料的圆珠，在后续处理中，可以形成用于太阳能电池制造，包括但不限于，太阳能电池栅格线、太阳能电池汇流排、太阳能电池的背面电场金属化以及半导体结的掺杂区域的有用结构。
根据本发明的一个方面，该微挤压印刷头包括夹在第一(背部)板结构和第二(前部)板结构之间的分层的喷管结构。该分层喷管结构是由堆积的金属(或其它刚性材料)板制成的，该堆积的金属板包括顶部喷管板、可选的底部喷管板和夹在该顶部和底部喷管板之间的(或在该顶部喷管板和该第二板结构之间的)喷管出口板。每一个喷管是由被蚀刻入或用其它方式形成在该喷管出口板中的延长的喷管通道形成的，且该顶部和底部喷管板的部分充当该挤压喷管的上部和下部壁。该上部和下部板结构用于将该挤压材料从入口引导到该分层喷管结构，并刚性支撑该分层喷管结构从而该挤压喷管被以预定角度指向该基底(也就是说，从而沿着该挤压喷管朝该喷管孔移动的该挤压材料被导向该目标基底)。原则上，将该喷管通道以相对该基底表面成90度的夹角直接对准该基底是可能的；然而，这种方式具有不想要的效果：使得该圆珠急转弯，这可能导致该沉积线的不希望的变形。在优选实施方式中，该挤压喷管被保持在一个倾角，比如45度，由此该挤压材料被导向该基底从而其快速地粘着于该基底而不会污染该印刷头。也就是说，在一个实施方式中，该挤压材料从该上部板结构中形成的钻孔/管道穿过该顶部喷管板中限定的入口，并进入该延长的喷管通道的闭合端和喷管孔。一旦进入该挤压喷管内，该挤压材料在第一方向上沿着(或平行于)由该喷管出口板限定的横向挤压平面被引导，并穿过该出口孔(也就是说，该喷管通道的开口端)，其被限定于该分层喷管结构的前缘中。因为该挤压材料在从该喷管孔出去时沿着该挤压平面以该倾角被引导，所以该分层微挤压印刷头可靠地将该挤压材料导向该基底，其方式有利于高容量太阳能板的生产。
根据本发明，修改印刷头组件的喷管结构材料、该印刷头组件的输出的几何形状和该印刷头组件的内部管道的几何形状中的至少一项，以使该圆珠穿过该挤压喷管(也就是说，在该横向挤压平面中或平行于该横向挤压平面)移动以在离开该印刷头喷管孔时被可靠地导向(成角度地)该目标基底。尤其是，修改该分层喷管结构的顶部喷管板、底部喷管板(当使用时)和喷管出口板中的至少一项以便当圆珠从该挤压喷管中出来时(也就是说，该圆珠在横向挤压平面中或从横向挤压平面向下引导时)，该圆珠偏向目标基底。
按照本发明的第一实施方式，使用不同材料形成该顶部和底部喷管板，其中选择该不同材料以影响圆珠离开该印刷头的方向。例如，当该顶部喷管板是由CirlexTM组成，而喷管出口和底部喷管板是由KaptonTM组成时，该圆珠趋向于向上弯曲并在该印刷头上形成不应有的墨水滴。因为在这种情况下两种材料都是由聚酰亚胺形成的，相信该墨水圆珠的优选方向受到该喷管上游的该印刷头内部的通路的影响。一种替代解释是，由于不同的制造过程，较厚的CirlexTM和较薄的KaptonTM层之间在表面性质上有足够的差异，而形成材料对墨水的亲合力的差异，即便两者都是聚酰亚胺。在一个实施方式中，顶部喷管板是使用第一材料(例如CirlexTM)形成的，而该喷管出口板和/或该底部喷管板是由第二材料(例如不锈钢)形成的，其中该第一材料比该第二材料对墨水/涂胶有更小的亲合力。例如，当该顶部喷管板由CirlexTM组成，该喷管出口板由KaptonTM组成，而该底部喷管板由不锈钢组成时，该墨水向上卷曲远离该基底的趋势减少。
根据本发明的第二实施方式，修改该印刷头组件的输出(也就是说，喷管出口)几何形状，方式是减少该墨水水流向上卷曲远离该基底的趋势。例如，这种偏斜机构是通过形成该印刷头组件从而每一个喷管的上部壁比该喷管的下部壁沿着该挤压平面在该挤压的圆珠的下游方向上延伸更远地预定的距离(也就是，更接近该基底)实现的，这具有迫使该挤压的材料在从该喷管孔出去时向下并远离该印刷头组件的效果。在一个具体实施方式中，这种几何形状是通过将该顶部喷管板和该底部喷管板安装在该喷管出口板上而实现的，从而该喷管出口板的第二前缘和该底部喷管板的第三前缘是同平面的并限定印刷头组件的前缘，而且从而该顶部喷管板的第一前缘突出从该印刷头组件的前缘在该下游方向突出更远的预定距离。在另一个具体实施方式中，所要求的几何形状是通过安装该底部喷管板完成的，从而该底部喷管板的第三前缘从由该喷管出口板的第二前缘和该顶部喷管板的第一前缘限定的印刷头组件前缘凹陷该预定距离。在又一个具体实施方式中，形成印刷头组件从而底部倾斜表面(在基片操作期间其保持与该基底平行)平分该底部喷管板和该喷管出口板，由其该喷管出口被限定在该底部倒角中从而该喷管出口的“上部”边缘在该“下部”边缘的下游(也就是说，从而该喷管出口板的第二前缘和该底部喷管板的第三前缘限定同平面的印刷头组件前缘，其平行于该上表面)。在该倒角中形成该喷管出口的一个优点是，该印刷头的表面保持在一个平面内，从而使其与上述突出的/凹陷的板的实施方式相比更加容易清洁。
根据本发明的另一个实施方式，相关的微挤压系统包括共挤压印刷头组件，其被建造为共挤压两种不同的材料以在基底表面上形成紧密间隔的高纵横比栅格线结构或狭窄的包含掺杂物的涂胶的印刷线。类似于上述单一材料挤压的实施方式，该共挤压印刷头组件包括上部和下部板结构，其用于将该两种挤压材料经由独立的导管从相应的入口引导到分层喷管结构；以及根据上述各实施方式形成的分层喷管结构以将该挤压圆珠朝该目标基底偏斜。然而，在该共挤压实施方式中，该挤压圆珠包括牺牲材料和栅格线(功能性)材料，其被布置从而该栅格线材料形成高纵横比栅格线结构，其支撑于两个牺牲材料部分之间(该牺牲部分然后被除去)。这种共挤压的圆珠结构的形成要求两个牺牲材料部分之间的该栅格线材料的压缩，这是通过使用三部分喷管通道完成的，该三部分喷管通道包括中央通道和与该中央通道在靠近该喷管孔(开口)的汇合点汇合的两个侧面通道。该栅格线材料是穿过该中央喷管通道传输的，而该牺牲材料是穿过该两个侧面通道传输的，从而在该汇合点该栅格线材料被压缩在该两个牺牲材料部分之间，并被推动穿过该喷管孔(开口)以形成支撑于该两个牺牲材料部分之间的高纵横比栅格线结构(圆珠)。根据本发明的一个具体实施方式，每个三部分喷管通道的三个汇合的通道包含限定(例如，蚀刻入而不贯穿)于形成该喷管出口板的板材的槽，由其各喷管仅仅由被蚀刻以形成每一个三部分喷管通道的该喷管出口板的该板材，和被置于每个三部分喷管通道的开放表面上方的底部喷管板限定。另外，该喷管出口孔包括汇合/分歧结构，其中相对较窄的部分位于该汇合点和相对较宽的出口孔169F之间从而降低印刷头中的压降。
附图说明
参考下面的具体实施方式、所附权利要求以及附图，可以更好的理解本发明的这些和其它特征、方面和优点，其中
图1是显示根据本发明的一个实施方式形成的包括微挤压印刷头组件的微挤压系统的一部分的侧视图；
图2是更详细地显示图1的微挤压系统的侧视图；
图3是图1的系统中使用的通用微挤压印刷头组件的分解横截面侧视图；
图4是显示，根据本发明第一具体实施方式，在操作过程中的微挤压印刷头组件的一部分的横截面侧视图；
图5是显示，根据本发明第二具体实施方式，在操作过程中的微挤压印刷头组件的一部分的横截面侧视图；
图6是显示，根据本发明第三具体实施方式，在操作过程中的微挤压印刷头组件的一部分的横截面侧视图；
图7是显示，根据本发明第四具体实施方式，在操作过程中的微挤压印刷头组件的一部分的横截面侧视图；
图8是显示，根据本发明的另一个实施方式，包括通用的共挤压印刷头组件的微挤压系统的正视图；
图9是更详细地显示图8的共挤压印刷头组件的分解透视图；
图10是更详细地显示图9的该印刷头组件的一部分的分解的局部透视图；
图11是显示图8的共挤压印刷头组件中使用的通用的分层喷管结构的一部分的简化分解局部透视图；
图12是显示通过图8的共挤压印刷头组件在基底表面上产生的示例性共挤压的栅格线结构的横截面侧视图；
图13是显示，根据本发明的另一个具体实施方式，在共挤压印刷头组件中使用的分层喷管结构的喷管出口板的透视图；
图14是显示图13的喷管出口板中形成的三部分的喷管通道的放大的透视图；
图15是图14的三部分喷管通道的俯视图；
图16是图15中沿剖面线16-16的横截面端视图；
图17(A)、17(B)和17(C)是显示由根据本发明制造的各种印刷头形成的平行的栅格线的照片。
具体实施方式
本发明涉及微挤压(micro-extrusion)系统的改进。介绍下面的实施方式，以使本领域的普通技术人员能够制造和使用本发明，如在特定应用背景下及其要求中所提供的。此处所使用的方向词汇，比如“上部”、“顶部”、“下部”、“底部”、“前部”、“后部”和“横向”意在提供相对位置以进行说明，而不是意在标明绝对参考系。另外，此处所用的短语“整体连接”和“一体成型”是为了描述单独成型的机械加工结构的两个部分之间的连接关系，而不同于词汇“连接”或“耦合”(没有修饰语“整体”)，其意在指示通过，例如粘着剂、紧固件、夹子或活动关节等方式连接在一起的两个独立结构。优选实施方式的各种修改对于本领域的技术人员来说是显而易见的，而此处所限定的一般原理可应用于其它的实施方式。因此，本发明不是意在限定于所描绘和描述的特定实施方式，而应当被赋予与此处所揭露的原理和新颖特征相符合的最宽的保护范围。
图1是微挤压系统50的一部分的简单侧视图，该微挤压系统52用于在基底51的上部表面52上形成平行的挤压的材料线55。微挤压系统50包括挤压印刷头组件100，其通过至少一个送料管68和相关的紧固件69可操作地耦合于送料系统60。材料是通过推动和/或吸引技术(例如，热的和冷的)施加的，其中该材料被推动(例如，挤出)和/或吸引(例如，通过真空等)，穿过挤压印刷头组件100，并从一个或多个出口孔(退出口)出去，其中，该出口孔是限定于印刷头组件100的下部部分中的。微挤压系统50还包括X-Y-Z轴定位机构70(其包括用于刚性支撑并相对于基底51定位该印刷头组件100的安装板76)，以及底座80，其包括用于当印刷头组件100在基底51上方的预定方向(例如，Y轴)被移动时，在固定位置中的支撑基底51的平台82。在替代实施方式(未示)中，印刷头组件100是固定的，而底座80包括X-Y轴定位机构，以在印刷头组件100下方移动基底51。
图2更详细地显示了微挤压系统50的送料系统60、X-Y-Z轴定位机构70和底座80。图2中所示的组件代表用于制造小规模的太阳能电池的实验性布置，而本领域的技术人员可以意识到，其它的布置可以通常被用于制造更大规模的太阳能电池。参考图2的右上部，送料系统60包括外壳62，其支撑气动缸64，该气动缸64可操作地耦合于药筒66，从而材料从药筒66通过送料管68被推动到印刷头组件100。参考图2的左侧，X-Y-Z轴定位机构70包括Z轴台72，其可以使用已知技术通过外壳/致动器74相对于目标基底51在Z轴(竖直)方向移动。安装板76刚性连接于Z轴台72的下部一端，并支撑印刷头组件100，而安装架78刚性连接于Z轴台72并从Z轴台72向上延伸，并支撑气动缸64和药筒66。参考图2的下部部分，底座80包括支撑平台82，当X-Y机构使用已知技术在基底51的上表面上方在X轴和Y轴方向(以及一对旋转轴)上移动印刷头组件100时，该支撑平台82支撑目标基底51。
如图1，以及图3中的分解形式中所示，分层的微挤压印刷头组件100包括第一(背部)板结构110、第二(前部)板结构130和连接于二者之间的分层喷管结构150。背部板结构110和前部板结构130用于将来自入口116的挤压材料引导到分层喷管结构150，并刚性支撑分层喷管结构150，从而使分层喷管结构150中限定的挤压喷管163以预定的倾角θ1(例如，45°)指向基底51，由此由该倾角沿着每个挤压喷管163朝相应的喷管孔169向下移动的挤压材料被导向目标基底51。
背部板结构110和前部板结构130中的每一个都包括一个或多个一体成型或机械加工的金属部件。在所揭示的实施方式中，背部板结构110包括成角度的背部板111和背部增压室120，而前部板结构130包括单片金属板。成角度的背部板111包括前表面112、侧面113和后表面114，其中前表面112和后表面114形成预定角度θ2(例如，45°；如图1所示)。成角度的背部板111还限定钻孔115，其从侧壁113中限定的螺纹埋头(countersunk)钻孔入口116延伸到后表面114中限定的钻孔出口117。背部增压室120包括平行的前表面122和后表面124，并限定管道125，其具有由前表面122限定的入口126，以及限定于后表面124中的出口127。如下所述，钻孔115和增压室125共同将挤压材料供给到分层的喷管结构150。前部板结构130包括前表面132和倾斜的下表面134，其形成预定角度θ2(如图1所示)。
分层喷管结构150包括两个或更多堆积板(例如，一种金属，比如铝、钢或塑料)，其结合起来以形成一个或多个挤压喷管163。在图3所示的实施方式中，分层喷管结构150包括顶部喷管板153、底部喷管板156，和夹在顶部喷管板153和底部喷管板156之间的喷管出口板160。顶部喷管板153限定入口(通过孔)155，并具有(第一)前缘158-1。底部喷管板156是大体上实心的(也就是连续的)板，其具有(第三)前缘158-2。喷管出口板160包括(第二)前缘168并限定延长的喷管通道162，其在预定的第一流向F1上从闭合端165延伸到前缘168限定的喷管孔169。当可操作地组装起来时(例如，如图1所示)，喷管出口板160被夹在顶部喷管板153和底部喷管板156之间，从而延长的喷管通道162、顶部喷管板153的前部154和底部喷管板156的前部157联合起来限定延长的挤压喷管163，其从闭合端165延伸到喷管孔169。另外，顶部喷管板153被装配在喷管出口板160上，从而入口155与延长通道162的闭合端165对齐，挤压材料从该处被推动，在方向F1上沿着挤压喷管163通过入口155，并通过喷管孔169从分层喷管结构150排出，以在基底51上形成圆珠55。
再次参考图1，当可操作地组装起来并安装在微挤压系统50上时，印刷头组件100的成角度的背部板111通过一个或多个紧固件(例如，机器螺钉)142刚性连接于安装板76，从而前部板结构130的倾斜表面134被定位为近似平行于目标基底51的上表面52。利用一个或多个第二紧固件144将前部板结构130连接到背部板结构110，其中分层喷管结构150被挤压于前部板结构130的后表面和背部增压室120的后表面之间。另外，使用已知的技术将送料系统60通过送料管68和紧固件69可操作地连接于钻孔115，迫入钻孔115的挤压材料通过管道125进入钻孔115。排出管道125的挤压材料通过入口155和闭合端165(两者都在图3显示)进入喷管163的闭合端，并以方向F1沿喷管163流向出口169。参考图3，在该喷管中(也就是在方向F1上沿着通道162)流动的挤压材料在由该喷管出口板160限定的横向挤压平面E中(或平行于横向挤压平面E)流动，并被引导穿过该出口孔(印刷头喷管)169。回头参考图1，因为当该挤压材料从喷管口169中出去时，它被沿着该挤压平面E以倾角θ2引导，所以分层微挤压印刷头100将该挤压材料可靠地导向基底51，其方式有利于促进高容量太阳能电池的生产。
在优选实施方式中，如图1所示，可硬化的材料被注入印刷头组件100的钻孔115和管道125，注入方式如申请序列号为12/267,147，名称为“DEAD VOLUME REMOVAL FROM ANEXTRUSION PRINTHEAD”的共同拥有和共同待定的美国专利申请中所述，其内容通过参考全部并入此处。这种可硬化材料形成部分170，其填充管道125的任何死区，否则这些死区会困住挤压材料并导致阻塞。
根据本发明，修改印刷头组件100的喷管结构材料、输出的几何形状和内部管道的几何形状中的至少一项，以使该挤压材料(圆珠)穿过挤压喷管163(也就是说，在该横向挤压平面E中或平行于该横向挤压平面E)移动以在离开该印刷头喷管孔时被可靠地导向(成角度地)该目标基底。尤其是，修改该分层喷管结构的顶部喷管板153、底部喷管板156和喷管出口板160中的至少一项以便当挤压材料从该挤压喷管中出来时(也就是说，该圆珠在横向挤压平面E中或从横向挤压平面E向下引导时)，该挤压材料被导向基底51。对印刷头组件100的修改参考根据下面阐述的具体实施方式描述的一些形式。在下面的说明中，使用相同的基本参考标号表示各种实施方式的相应结构，对被选定的参考标号添加后缀“A”到“F”，以表示与各具体实施方式相关的差异。
图4是显示，根据本发明的第一具体实施方式，印刷头组件100A的一部分的简单的横截面侧视图。根据该第一具体实施方式，发明人确定，圆珠从喷管中出去时的方向受用于形成该喷管的上部、下部和侧壁表面的材料的影响。例如，发明人发现，当该顶部喷管板是由第一聚酰亚胺材料(例如，CirlexTM)组成而喷管出口和底部喷管板是由第二聚酰亚胺材料(例如，KaptonTM)组成时，该圆珠趋向于向上倾斜并在该印刷头上形成不应有的墨滴。因为在这种情况下，两种材料都是由聚酰亚胺形成的，人们相信，该墨珠的优选方向是受该喷管的上游的、该印刷头内部的通路(也就是说，在挤压之前由通道壁导致的挤压材料中产生的应力的不对称性)影响的。一种替代解释是，由于不同的制造过程，较厚的CirlexTM和较薄的KaptonTM层之间在表面性质(例如表面能)上有足够的差异，而形成该材料对墨水的亲合力的差异，即便两者都是聚酰亚胺。相反，发明人还发现，当在特定的装置中将不同材料互换时，结果是所产生的印刷头形成圆珠的可靠的向下的流动。这说明，材料的相异性不必是整体性质上的，而是说，表面性质是最关键的。
参考图4，印刷头组件100A包括夹在背部增压室120和前部板结构130A之间的分层喷管结构150A，类似于前面参考图3所述的。背部增压室120限定管道125，其经由穿过顶部喷管板153A的入口155A连通喷管163A的闭合端165A。联合由喷管出口板160A(未示)形成的侧壁，顶部喷管板153A的部分154A和底部喷管板156A的部分157A分别形成喷管163A上部和下部壁，从管道125进入喷管163A的挤压材料由其沿着该虚线F1流到出口孔169A。注意，喷管出口板160A的前缘168A、顶部喷管板153A的前缘158-1A和底部喷管板156A的前缘158-2A是与背部增压室120的前缘128同平面的，形成印刷头组件100A的前缘101A。在一个示例性实施方式中，顶部喷管板153A的厚度为300微米，底部喷管板156A的厚度是25微米，喷管出口板160A的厚度是50微米，喷管孔169A的宽度是200微米，而喷管163A的长度是2000微米。
根据该第一具体实施方式，顶部喷管板153A是使用第一聚酰亚胺材料(例如Cirlex)的实心板形成的，底部喷管板156A是使用不锈钢的实心板形成的，而喷管出口板160A是使用第二聚酰亚胺材料(例如Kapton)的实心板形成的。由于形成喷管163A的的上部壁部分154A和下部壁部分157A的两种材料的不同的表面性质，远离基底51的圆珠55的不想要的卷曲被有利地减少或消除。尤其是，因为形成上部壁部分154A的Cirlex的表面能与形成下部壁部分157A的不锈钢的表面能相比，对墨水/涂胶具有较小的亲合力，所以圆珠55在离开出口孔169A之后被可靠地向下引导，从而有利于高容量太阳能电池板的生产。本领域的技术人员可以意识到，所选定的材料(也就是说Cirlex、不锈钢和Kapton)是示范性的而不是限制性的。
根据实现本发明的圆珠偏斜特性的另一种方式，修改该印刷头组件的输出(也就是说，喷管出口)的几何形状，其方式将该挤压的圆珠朝该基底偏斜。在下面参考图5-7的具体实施方式中，这种偏斜机构是由形成该印刷头实现的，从而该孔(出口开口)的上部边缘比该孔的下部边缘沿着该横向挤压平面在该挤压的圆珠的下游方向(也就是说，更靠近该基底)向下游更远地延伸。
根据图5中所示的具体实施方式，印刷头组件100B包括夹在背部增压室120和前部板结构130之间的分层喷管结构150B，类似于上面参考图3所描述的。管道125经由限定穿过顶部喷管板153B的入口155B与喷管163B的闭合端165B连通。顶部喷管板153B的部分154B和底部喷管板156B的部分157B分别形成喷管163B的上部和下部壁，从管道125进入喷管163B的挤压材料由此大体上沿着虚线F1流向出口孔169B。根据此具体实施方式，顶部喷管板153B和底部喷管板156B被安装在喷管出口板160B上，从而喷管出口板160B的前缘168B和底部喷管板156B的前缘158-2B是与背部增压室120的前缘128同平面的，形成印刷头组件100B的前缘101B，但是顶部喷管板153B的前缘158-1B比前缘158B-2和168B更往下游伸出距离T，该距离T等于或大于该喷管的高度的一半(例如，30微米或以上，优选为50微米)。由于顶部喷管板153B的延伸带来的约束，该挤压材料流被偏斜为远离该延伸的上部壁154B，本发明的发明人发现，这可以可靠地减少或消除圆珠55远离基底51的卷曲(也就是说，在箭头F2方向的)。上部壁154B的延伸具有在该挤压材料从该喷管口169B出去时，将该挤压材料向下、向远离印刷头组件100B推的效果。这部分是由挤压材料(墨水)在出去时的挤出胀大(die swell)导致的。由于所涉及的很大的切变速率(1000s-1)和所使用的复合流变性流体的弹性，在这种布置中该挤出胀大效应可以是很显著的。
根据图6中所示的具体实施方式，印刷头组件100C包括在背部增压室120和前部板结构130之间的分层喷管结构150C，而管道125经由限定穿过顶部喷管板153C的入口155C与喷管163C的闭合端165C连通，如上所述。顶部喷管板153C的部分154C和底部喷管板156C的部分157C分别形成喷管163C的上部和下部壁。根据此具体实施方式，顶部喷管板153C和底部喷管板156C是安装在喷管出口板160C上的，从而喷管出口板160C的第二前缘168C和顶部喷管板153C的第一前缘158-1C是同平面的，并限定印刷头组件100C的前缘101C，而且底部喷管板156C的第三前缘158-2C是凹陷的，从而前缘101C比第三前缘158-2C向下游方向更远地伸出预定距离T(也就是说，30微米或更多，优选为50微米)。类似于前面顶部喷管板延伸的实施方式，凹陷的下部喷管板156C在圆珠55的上部区域产生向下的压力，这可靠地减少或消除了圆珠55远离板51的不想要的卷曲。
根据图7中所示的具体实施方式，印刷头组件100D包括分层喷管结构150D、背部增压室120和前部板结构130D，大体上像上面描述的那样布置。然而，印刷头组件100D不同于先前的实施方式，因为分层喷管结构150D的底部喷管板156D和喷管出口板160D是倾斜的(切角的)，从而喷管出口板160D的前缘168D和该底部喷管板156D的第三前缘158-2D是同平面的，并限定平坦的孔边缘101D，其近似平行于该目标基底51的上表面52，并与前部板结构130D的倾斜的下表面134D同平面。也就是说，由倾斜的下表面134D限定的平面(在该挤压操作过程中其保持大体上平行于表面52)平分底部喷管板156D和喷管出口板160D，该喷管出口由其限定在该底部倒角(bottom chamfer)中从而喷管出口的“下部”喷管出口边缘169D-1在该“上部”喷管出口边缘169D-2的上游并相隔期望距离D。类似于前面的实施方式，其中该顶部/底部喷管板是延伸的/凹陷的，印刷头100D的倾斜布置在圆珠55的上部区域上产生向下的压力，减少或消除了圆珠远离该基底的不应有的卷曲。在该底部倒角中形成喷管出口(也就是说，形成与倾斜的下部表面134D同平面的前缘168D)的进一步的优点是，限定该喷管出口的印刷头组件100D的表面保持平坦，并且使其与上面提到的突出的/凹陷的板的实施方式相比更容易清洁。注意，该倒角的表面可以延伸以包括顶部喷管板153D的前缘158-1D的部分或全部，甚至可以延伸到包括背部增压室120的一部分，以提供更大的平坦的表面孔边缘101D，其更容易清洁。还要注意，层156D是“可选的”，因为该喷管的底部表面可以是由该顶部板130D形成的。
图8-12描绘了根据本发明的另一个实施方式的共挤压系统50E。共挤压系统50E包括Z轴定位机构和X-Y轴定位机构，其构造和运作方式类似于上面参考图1和2所进行的描述。如在下面的段落中将要阐释的，共挤压系统50E不同于上述实施方式，因为它包括具有用于将两种挤压材料供应到印刷头组件100E的工具的送料系统60E，而印刷头组件100E包括用于以产生平行的高纵横比栅格线结构的方式共挤压该两个挤压材料的工具(如下面参考图12进行描述的)。
参考图8，送料系统60E表示用于制造小规模的太阳能电池的示例性的实验布置，而本领域的技术人员可以意识到，其它的布置可通常被用于制造更大规模的太阳能电池。参考图8的上部部分，送料系统60E包括一对外壳62-1和62-2，其分别支撑气压缸64-1和64-2，该气压缸64-1和64-2可操作地耦合于药筒66-1和66-2，从而材料从这些药筒分别被推动穿过送料管68-1和68-2进入印刷头组件100E。如在图8的下部部分中指出的，该Z轴定位机构(部分显示)包括Z轴台72E，其可以使用已知技术经由外壳/致动器74E移动。安装板76E刚性连接于Z轴台72E的下端并支撑印刷头组件100E，而安装架(未示)刚性连接于Z轴台72E并从Z轴台72E向上延伸并支撑气压缸64-1和64-2和药筒66-1和66-2。
图9是更详细地显示微挤压印刷头100E的分解透视图。微挤压印刷头100E包括第一(背部)板结构110E、第二(前部)板结构130E和连接在二者之间的分层喷管结构150E。
背部板结构110E和前部板结构130E用以将该挤压材料从相应的入口116-1和116-2引导到分层喷管结构150E，并用以刚性支撑分层喷管结构150E从而限定在分层喷管结构150E中的挤压喷管162E被以预定倾角(例如，45°)指向基底51，沿每一个挤压喷管162E朝其相应的喷管孔169E移动的挤压材料由此被导向目标基底51。
参考图9的上部部分，背部板结构110E包括成型或机械加工的金属(例如，铝)成角度的背部板111E、背部增压室120E以及配置于两者之间的背部垫圈121。成角度的背部板111E包括前表面112E、侧面113E和背面114E，其中前表面112E和背面114E形成预定角度θ2(例如，45°)。成角度的背部板111E还限定一对钻孔(未示)，其分别从限定于侧壁113E中的螺纹埋头钻孔入口116-1和116-2延伸到限定于背面114E中的相应的钻孔出口。背部增压室120E包括平行的前表面122E和背面124E，并限定一对导管(未示)，其从限定穿过前表面122的相应的入口126-1和126-2延伸到限定于背面124E中的相应的出口(未示)。类似于上面描述的，限定穿过背部板结构110E的该钻孔/导管将挤压材料供给到分层喷管结构150E。
参考图9的下部部分，前部板结构130E包括成型或机械加工的金属(例如，铝)前部板131E、前部增压室140E和配置于二者之间的前部垫圈141。前部板131E包括前表面132E、侧面133E和倾斜的背面134E，其中前表面132E和背面134E形成上述预定角度。前部板131E限定一些用于固定于印刷头组件100E的其它部分的孔，但是不通过(channel)挤压材料。前部增压室140E包括平行的前表面142E和背面144E，并限定从相应的入口148延伸到相应的出口149的管道(未示)，两者都被限定为穿过前表面142E。如下所述，限定在前部增压室140E中的管道用于将挤压材料中的一种供给到分层喷管结构150E。
类似于上面描述的单一材料的实施方式，分层喷管结构150E包括顶部喷管板153E、底部喷管板156E和夹在顶部喷管板153E和底部喷管板156E之间的喷管出口板160E。如同下面详细描述的，顶部喷管板153E限定一排大体呈圆形的入口(透孔)155-1E和相应系列的延长的入口155-2E，其邻近于(第一)前缘158-1E对齐。底部喷管板156E是具有(第三)前缘158-2E的大体上实心的(也就是说，连续的)板，并限定一些透孔159-6E，其目的如下所述。喷管出口板160E包括(第二)前缘168E，并限定一排三部分(three-part)喷管通道162E(下面会对其详细描述)以及与透孔159-6E对准的一些透孔159-7E。当可操作地组合好之后，喷管出口板160E被夹在顶部喷管板153E和底部喷管板156E之间以形成一系列喷管，其中每个三部分喷管通道162E都由顶部喷管板153E和底部喷管板156E的相应部分围绕，方式如上所述，其中三部分喷管通道162E的每一部分对齐，以从两个入口155-1E和一个延长入口155-2E接收材料。正如下面详细描述的，这种布置产生了平行的高纵横比栅格线结构(圆珠)，其中栅格线材料被压迫在两个牺牲的(sacrificial)材料部分之间。
除了顶部喷管板153E、底部喷管板156E和喷管出口板160E之外，分层喷管结构150E还包括第一供给层板151和第二供给层板152，其堆在顶部喷管板153E上并用于促进两种挤压材料以下述期望方式向喷管出口板160E的传输。第一供给层板151是具有(第四)前缘158-4E的大体上实心的(也就是说，连续的)板，并限定位于前缘158-4E附近的Y形透孔155-3E，以及一些供给孔159-1E，其目的如下所述。第二供给层板152是紧挨着配置于第一毡层板151下的，包括(第五)前缘158-5E，并限定一些位于前缘158-5E附近的大体上呈圆形的透孔155-4E，以及一些供给孔159-2E，其目的如下所述。
如同图9中的虚线箭头所指示的，并如同图10和11中详细描述的，两种挤压材料经由大体上在Z轴方向的两个独立的路径穿过分层喷管结构150E的各层被供给到喷管出口板160E。该两个流动路径在下面的段落中会详细描述。
参考图9的上部部分，穿过入口116-1注入的栅格线材料56被向下穿过背部垫圈121中的开口121-1供给到背部增压室120中的开口126-1中。然后该栅格线材料从背部增压室120E中出去并穿过分别在第一供给层板151、第二供给层板152、顶部喷管板153E、喷管出口板160E和底部喷管板156E中的对齐的开口159-1E到159-5E，然后进入前部增压室140E的开口149-1。如同图9所示，并如同图10详细指出的，然后该栅格线材料被前部增压室140E重定向并从开口149-2向上移动穿过在底部喷管板156E中形成的开口159-6E和在喷管出口板160E中形成的开口159-7E。如图10和图11的上部部分所指示的，然后该栅格线材料进入延长的开口159-7E的后端，并以沿箭头F1A的大体水平的方向被重定向到延长的开口159-7E的前端。然后该栅格线材料被向下推动，进入三部分喷管通道162E的中央通道167中。如下面详细描述的，然后该栅格线材料沿着中央通道167E以箭头F1的方向流动，并在从孔169E中出去之前在相应的牺牲材料部分之间被压缩。
再次参考图9的上部部分，穿过入口116-2被注入的牺牲材料57被向下供给，穿过背部垫圈121中的开口121-2并进入背部增压室120E中限定的开口126-2。该牺牲材料由增压室120E散布并被传送到Y形的延长通道155-3E的后端中，该通道155-3E是在第一供给层板151中形成的。如同图9和11中的虚线箭头所指示的，该牺牲原料沿每个Y形延长通道155-3E流动到分裂的前端区域，在那里牺牲材料被分配，穿过配置在第二供给层板152中的相应开口155-4E和配置在顶部喷管板153E中的开口155-1E，然后进入三部分喷管通道162E的相对的侧面通道165E。如同下面详细描述的，然后该牺牲材料沿侧面通道165E移动，并在从孔169E中出去之前被压在相应的栅格线材料上。
参考图11，喷管输出板160E包括一个微机械加工(例如，使用深度活性离子蚀刻)的板以包括箭头形的三部分喷管通道162E，该通道162E包括中央通道167E和相对的(第一和第二)侧面通道165E。中央通道167E由板材料的关联的锥形手指与每一个侧面通道165E隔开。中央通道167E具有闭合端(其对齐以从顶部喷管板153E的延长开口159-7E的前端接收栅格线材料)，以及与汇合点166E连通的开放端。类似地，侧面通道165E具有关联的闭合端(其对准以从顶部喷管板153E的相应开口155-1E接收牺牲材料)，以及与汇合点166E连通的开放端。侧面通道165E是朝着中央通道167E成角度的，从而牺牲材料被对着中央通道167E中流动的栅格线材料的相对侧供给。
如图12所示，在挤压过程中，穿过共同挤压印刷头组件100E每一个喷管出口孔169E(参见图11)共同挤压的栅格线材料和牺牲材料在基底51的表面52上形成延长的挤压的结构55E，从而每一个结构55E的栅格线材料形成高纵横比的栅格线结构56，而且从而每一个结构55E的牺牲材料形成关联的第一和第二牺牲材料部分57-1和57-2，其分别配置于该关联的高纵横比栅格线56的相对侧。通过该一个或多个出口孔的形状和印刷头组件100E的几何形状、材料的特性(例如粘度等)和挤压技术(例如，流速、压强、温度等)，该挤压的结构55E的形状(也就是说，栅格线材料56的纵横比和牺牲部分57-1和57-2的形状)可以被控制。如同下面的具体实施方式中阐释的，可以修改印刷头组件中的结构和喷管出口孔的形状以进一步改进挤压操作。合适的栅格线材料56包括但不限于，银、铜、镍、锡、铝、钢、氧化铝、硅酸盐、玻璃、碳黑、聚合物和蜡，而合适的牺牲材料112包括塑料、陶瓷、油、纤维素、胶乳、聚甲基丙烯酸甲酯等，其组合，和/或其变种，包括将上述与其它物质组合以获得期望的密度、粘度、质地、颜色等。为了限制材料被挤压之后会混杂起来的趋势，可以使用已知技术通过冷却该基底而使离开共挤压印刷头100E的挤压圆珠在基底51上淬火。替代地，所用的栅格线(墨水)材料可以是热熔材料，其在环境温度下是凝固的，在共挤压印刷头100被加热的情况下，挤压结构在它们被分发在基底51上后凝固。在另一种技术中，该材料在从共挤压印刷头100E出去时可以是由热、光和/或其它方式固化的。例如，可以提供固化元件以热固化和/或光固化该材料。如果材料中的一种或两种包括紫外线固化剂，该材料可以被包装为实心形式以能够进一步处理而不混合。
根据本发明的替代实施方式，印刷头组件100E是根据上面参考图4-7所描述的各具体实施方式中的任一个制造的。例如，顶部喷管板153E、底部喷管板156E和喷管出口板160E可以是使用上面参考图4描述的材料制造的。进一步，如图9-11所示，并如上面提到的，顶部喷管板153E、底部喷管板156E和喷管出口板160E中的每一个都有大体上对齐的前缘以形成印刷头组件100E的前缘，并可以被调整(也就是说，延伸或凹陷的)以产生类似于上面参考图5和6描述的那些结构。而且，印刷头100E可以像上面参考图7描述的那样是倾斜的，以沿着下部水平面定位其喷管出口。
图13-16描绘了根据本发明的另一个实施方式生产的喷管出口板160F。参考图13，调整喷管出口板160F的尺寸和形状以替换喷管出口板160E，且包括开口159-4F和159-7F，其工作方式如上面参考开口159-4E和159-7E描述的。另外，喷管出口板160F类似于喷管出口板160E，其中喷管出口板160F包括几个沿前缘168F排成一列的三部分喷管通道162F。图14、15和16是更详细地显示喷管出口板160F的一部分的放大的底部透视图、底部平面图和横截面正视图，该喷管出口板160F包括喷管出口板160F的一个示例性的三部分喷管通道162F。如图14和15所示，三部分喷管通道162F包括两个侧面通道165F和中央通道167F，其以上面描述的方式在汇合点166F汇合，以及由板材形成的喷管出口板160F的前缘168F中限定的出口孔169F。
根据本实施方式的一个方面，喷管出口板160F不同于喷管出口板160E之处在于，每个三部分喷管通道162F的三个汇合的通道都包含限定于(例如，蚀刻入然而不贯穿)该板材料形成的喷管出口板160F的槽。例如，如图16显示的中央通道167F的横截面视图中所示的，三部分喷管通道162F的每个通道都包含一个类似于槽的空腔，该空腔具有由用于制造喷管出口板160F的板材形成的底面。这种类似槽的空穴是由，例如，光化学机械加工、电镀放电机械加工或由激光烧蚀金属板原料，或通过使用在各种材料上深度活性离子蚀刻(均为已知技术)形成的。因此，不同于前面每个喷管的上部壁是由顶部喷管板限定的实施方式，每个喷管163F仅仅是由形成每个槽的喷管出口板160F的板材，和配置于每个三部分喷管通道162F的开放的(底部)表面上方的底部喷管板(未示)限定的。参考图14和15，开口161-1到161-3被蚀刻贯穿该喷管出口板160F的板材，以便于栅格线和牺牲材料从关联的顶部喷管板(未示)中形成的相应开口流入侧面通道165F和中央通道167F。
参考图15，根据另一方面，喷管出口板160F不同于喷管出口板160E之处在于，喷管出口孔169F具有汇合/分歧孔结构，其中宽度为W1的相对较窄的部分169-1位于相对较宽的汇合点166F(即，宽度为W2)和出口孔169F的相对较宽的开放端(宽度为W3)之间。这种汇合/分歧布置降低了结合喷管出口板160F的印刷头中的压降，从而能够进行一种或多种更高速度的印刷和更低压强的操作。印刷速度的提高对于提高打印机的生产力有利，更低的操作压强对于增加印刷头的可靠性和降低印刷头的重量和成本有利。
例如，在申请号为11/555,512，名称为“EXTRUSIONHEAD WITH PLANARIZED EDGE SURFACE”的共同持有和共同待定的美国专利申请中描述了用于制造上述各种印刷头的技术，其内容通过引用全部并入此处。替代地，此处所述的分层金属层装置，本发明的挤压印刷头可以是通过将金属电镀向上穿过图案化的抗蚀剂层结构中的特征，通过将蚀刻的板金属的各层焊接在一起，通过由光限定(photo-definable)的聚合物比如SU8产生结构，或由机械加工或成型而制成的。
图17(A)到17(C)显示了，使用根据本发明形成的印刷头挤压的共挤压栅格线的对比。图17(A)显示了由通用的共挤压印刷头(也就是说，其中没有使用上面参考图4-7描述的偏斜机构)产生的栅格线。图17(B)显示了由用上面参考图5描述的方式修改过以延长该顶部喷管层30微米的共挤压印刷头产生的栅格线。图17(C)显示了由用上面参考图5描述的方式修改过以延长该顶部喷管层50微米的共挤压印刷头产生的栅格线。从这些照片，很显然可以看出，通过将该顶部喷管层延长30微米改进了印刷质量，并且通过将该顶部喷管层延长50微米进一步改进了印刷质量，特别是在印刷线的开头，在该处印刷线的厚度更加均匀，而且线的开头在该印刷头的十四个独立喷管之间也更加均匀。图17(A)到17(C)的线缺陷是来自挤压线的倒伏。
尽管本发明是参照某些具体实施方式进行描述的，然而，对本领域的技术人员来说，显然，本发明的创造性特征还适用于其它的实施方式，所有这些实施方式意在落入本发明的保护范围。例如，各种不同材料都可以用来制造印刷头组件100A的各层(参考上面描述的图4)，同时产生期望的偏斜。另外，从上面参考图5-7描述的喷管末端的延伸可以采用各种形状，同时达到期望的结果。另外，从上面参考图5-7描述的喷管末端的延伸可以被用于同时挤出多于两个不同材料(例如，“多挤压”)的挤压装置。虽然机械加工可能被证明是很困难的，然而数据表明，聚四氟乙烯(特氟龙)替代此处披露的聚酰亚胺材料工作的很好，而聚对亚苯基二甲苯表现为一种实用的涂料。聚四氟乙烯涂层也是可用的。

Claims (2)

1.用于将挤压材料的圆珠从挤压印刷头组件挤压到目标基底的上表面上的分层喷管结构，该分层喷管结构包含：
包括第一前缘并限定第一入口的顶部喷管板；以及
喷管出口板，其包括第二前缘并限定在预定的第一流向上从闭合端延伸到由所述第二前缘限定的开口的延长的喷管通道，
其中该顶部喷管板安装在该喷管出口板上以形成挤压喷管，其中该顶部喷管板的一部分形成该挤压喷管的上部壁，该延长的通道的相对边缘形成该挤压喷管的侧壁，而该第二前缘中形成的开口限定该挤压喷管的排出孔，
其中该第一入口与该延长的通道的闭合端对齐，由此挤压材料被推动沿该挤压喷管在第一流向上穿过该第一入口并从所述排出孔出去以形成所述圆珠，以及
其中所述分层喷管结构包含用于朝该目标基底偏斜该圆珠的工具。
2.微挤压系统，包括印刷头组件和用于将一种或多种材料挤压出该印刷头组件中限定的挤压喷管外的送料系统，从而该挤压材料在目标基底的上表面形成平行的圆珠，其中该印刷头组件包含：
第一板结构；
第二板结构；以及
夹在该第一和第二板结构之间的分层喷管结构，其中该分层喷管结构包括：
包括第一前缘并限定第一入口的顶部喷管板；以及
喷管出口板，其包括第二前缘并限定在预定的第一流向上从闭合端延伸到由所述第二前缘限定的开口的延长的喷管通道，
其中该顶部喷管板安装在该喷管出口板上以形成挤压喷管，其中该顶部喷管板的一部分形成该挤压喷管的上部壁，该延长的通道的相对边缘形成该挤压喷管的侧壁，而该第二前缘中形成的开口限定该挤压喷管的排出孔，
其中该第一入口与该延长的通道的闭合端对齐，由此挤压材料被推动沿该挤压喷管在第一流向上穿过该第一入口并从所述排出孔出去以形成所述圆珠，以及
其中所述分层喷管结构包含用于朝该目标基底偏斜该圆珠的工具。
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