CN102019240A - 可起停控制的电纺直写喷头 - Google Patents

Abstract

可起停控制的电纺直写喷头，涉及一种电纺直写喷头。提供一种可自动起停控制、降低喷射开启电压、实现喷射与直写图案特征有机结合、完成复杂图案微纳米结构直写的可起停控制的电纺直写喷头。设带喷头空心套管、带螺纹调节塞、线圈、衔铁、回位弹簧、探针、排气管道；带喷头空心套管前端设有喷孔和注入孔，带螺纹调节塞设于带喷头空心套管后端，线圈套在带喷头空心套管外侧，衔铁设于带喷头空心套管内，探针与衔铁固连，探针前端位于带喷头空心套管前端的喷孔中，探针后端与回位弹簧一端固连，回位弹簧另一端与带螺纹调节塞内端固连，排气管道设于带螺纹调节塞上，排气管道内端与带喷头空心套管内腔相通，排气管道外端与外界相通。

Description

可起停控制的电纺直写喷头

技术领域

本发明涉及一种基于近场静电纺丝技术的微、纳米结构直写喷头，尤其是涉及一种可实现电纺直写过程起停控制的喷头装置。

背景技术

微纳米结构的图案化一直是微电子及微纳米机电系统(N/MEMS)等制作领域中最为关键的环节，因此受到了工业界及学术界的广泛关注。目前采用较为成熟的技术主要有电子束、离子束、X射线等光刻技术及纳米压印等方法，而这些方法所需要的工艺复杂、价格昂贵，开发成本高，很难适合大面积或柔性器件等非硅微纳器件的制作领域。为此，孙道恒等(SunDaoheng，Chang Chieh，Li Sha，et al.Near-field electrospinning[J].Nano Letters，2006，6(4)：839-842)在传统电纺的基础上提出了一种“近场静电纺丝(Near-Field ElectroSpinning)技术，并结合二维运动平台申请了微纳米结构直写装置的专利技术(孙道恒等，微纳米结构直写装置，中国专利ZL200610135261.X)。该技术作为上述图案化技术的补充或代替，在微纳米结构的图形化生长及位置定位和操控方面具有独特的优点，更能满足硅基底或非硅基底的工艺制作需求，并可以方便的实现两者的有机集成。利用该法制作的纳米发电机，已成功实现了环境机械能到电能的转化，且获得了较高的转化效率(Chieh Chang，Van H.Tran et al.Direct-Write Piezoelectric Polymeric Nanogenerator with High Energy Conversion Efficiecy.Nano Letters，2010，10：725-731)。因此，近场静电纺丝技术在微纳米器件的研究开发及生产领域已显现出更加广阔的应用潜力及前景。

近场电纺丝技术是在传统电纺丝技术的基础上，缩短空心喷头到收集板之间的距离，利用静电场使聚合物表面充电并形成Taylor锥，当表面电荷在电场中的电场力大于聚合物表面张力时，进而喷射出直径在几百纳米到几微米的连续射流，该射流经溶剂挥发、拉伸等过程在收集板上可获得连续的一维纳米结构。当收集板在二维平台上按照一定轨迹运动时，即可得到二维的连续纳米图案。

近场电纺技术虽然克服了传统静电纺丝技术的固有缺陷——无序性，实现了微纳米结构的定向操控，但由于其较短的收集板间距，使得聚合物中的溶剂很难在喷射过程中挥发完全，故很难获得几十纳米的微纳米结构。另外，对于传统的空心喷头，在喷射的开启阶段，聚合物需要较高的电压才能使其从初始的半圆状态变为Taylor锥，进而才能实现溶液的喷射；再者，在直写过程中，其连续喷射射流速率往往达数米/秒，故二维运动平台需具有相同等级的运动速率才能获得平滑的微纳米图案，而对于较为复杂的图案而言，例如直角拐弯其拐角处的平台速度为零，此时，如不能立即停止喷射，则拐角处将收集到大量的微纳米结构。由此可见，要实现复杂图案的直写，则必须使直写喷头结合图案特点，具有起停控制的功能。针对这些问题，Chang等人(Chieh Chang，Kevin Limkrailassiri，Liwei Lin.Continuousnear-field electrospinning for large area deposition of orderly nanofiber patterns.Applied Physics Letters 93，123111(2008))通过人为方式，利用外部探针刺破液滴的方法，在一定程度上减小了Taylor锥大小和喷射开启电压，获得了较细的连续纳米射流，但由于该法采用手工操作方式，难以保证喷射过程的重复性，因而无法在生产中得到广泛的应用，同时该法也未能解决喷射的起停问题，得到的仍然是连续射流，限值了其在复杂图案直写中的应用。为此，本发明另辟蹊径，基于喷头内部“可伸缩探针”技术，降低了喷射的开启电压，突破了传统喷头连续射流的限值，实现了喷射起停过程的自动控制和复杂图案微纳米结构的直写，其具有更强的实用性和更加广阔的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于克服现有的近场静电纺丝直写技术中空心喷头存在的开启电压较高、无法获得较细的纳米纤维及较难实现复杂图案直写等缺点，提供一种具有可自动化起停控制、降低喷射的开启电压、实现喷射过程与直写图案特征的有机结合、完成复杂图案微纳米结构的直写的可起停控制的电纺直写喷头。

本发明设有带喷头空心套管、带螺纹调节塞、线圈、衔铁、回位弹簧、探针、排气管道和密封帽；带喷头空心套管前端设有喷孔和注入孔，带螺纹调节塞设于带喷头空心套管后端，与带喷头空心套管螺接且密封，线圈套在带喷头空心套管外侧，衔铁设于带喷头空心套管内可上下移动，探针与衔铁固连，探针前端位于带喷头空心套管前端的喷孔中，探针后端与回位弹簧一端固连，回位弹簧另一端与带螺纹调节塞内端固连，排气管道设于带螺纹调节塞上，排气管道内端与带喷头空心套管内腔相通，排气管道外端可与外界相通，密封帽封盖住排气管道外端。

所述带喷头空心套管、带螺纹调节塞、线圈、衔铁、衔铁回位弹簧、探针及带喷头空心套管的喷孔最好为同轴心线。

所述带喷头空心套管的喷孔与注入孔最好相互垂直设置。

所述带螺纹调节塞的螺纹最好为细牙螺纹，细牙螺纹的螺距可为0.5mm。

所述带喷头空心套管的喷孔的内径可为100～400μm。

所述探针直径可为80～200μm，探针顶尖曲率半径最好小于10μm。

所述密封帽封盖住排气管道外端，最好是是密封帽内设有密封垫，密封帽与排气管道外端螺接。

本发明的工作原理如下：

工作时，将本发明所述直写喷头安装在高速精密X-Y二维运动平台上(如0.5～5m/s可调)，并与高压电源(如1kV内可调)、精密注射泵、收集板、图形发生器及线圈驱动电源(如0～24V)等组成微纳米直写平台。在完成喷头探针初始位置的调整后，外部精密注射泵将聚合物通过进入口注入带喷头空心套管内，待带喷头空心套管内的气体全部排出后，用密封帽密封住排气管道。开启与探针相连接的高压电源，图形发生器产生图形指令，控制二维运动平台的运动轨迹，同时，该指令控制线圈驱动电源产生线圈电压，线圈电压产生的电磁力使衔铁带动探针伸出带喷头空心套管的喷孔，刺破液滴，开启喷射，当喷射需结束时，中断线圈电压，在回位弹簧作用下，探针缩回带喷头空心套管的喷孔，喷射停止。通过该过程与运动平台的协调作用，可直接完成复杂图案在收集板上的微纳米沉积。工作中，高压电源的正极与探针相连接，负极接收集板。

与现有的近场静电纺丝直写技术比较，本发明具有以下突出优点和技术效果。

1)由于采用电磁力使衔铁带动探针伸出，探针可伸缩，可伸缩探针从喷头内部刺破溶液，导致液滴表面张力的不连续，且由于电荷的尖端效应，因而可以最大程度的降低喷射的开启电压(300～600V左右)，远低于目前采用的空心喷头电压(大于1kV)。

2)由于液滴表面突出探针的作用，其射流喷射锥角(约75°)远高于空心喷头的喷射锥角(约49°)，故可以获得几十纳米的较细微纳米结构。

3)由于探针对喷射的引导作用，其喷射射流具有更好的定位性和喷射一致性。

4)当探针缩回空心喷头内部时，尖端效应消失，此时所需的喷射电压远高于之前喷射的工作电压，喷射停止，故通过探针的伸缩可实现聚合物的间断性喷射。可实现起停控制的自动化喷头，实现喷射过程与直写图案特征的有机结合，完成复杂图案微纳米结构的直写。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图。

图2为对本发明实施例进行起停性能测试的测试系统示意图。

具体实施方式

参见图1，本发明实施例设有带喷头空心套管3、带螺纹调节塞2、线圈6、衔铁10、回位弹簧11、探针8、排气管道12、密封帽1和密封垫13。带喷头空心套管3前端设有喷孔7和注入孔9，带螺纹调节塞2设于带喷头空心套管3后端，通过细牙螺纹5与带喷头空心套管3螺接并通过密封圈4密封。线圈6套在带喷头空心套管3外侧，衔铁10设于带喷头空心套管3内可上下移动。探针8与衔铁10固连，探针8前端位于喷孔7中，探针8后端与回位弹簧11一端固连，回位弹簧11另一端与带螺纹调节塞2内端固连。排气管道12设于带螺纹调节塞2上，排气管道12内端与带喷头空心套管3内腔相通，排气管道12外端可与外界相通，密封帽1内设密封垫13，密封帽1与排气管道12外端螺接。

带喷头空心套管3、带螺纹调节塞2、线圈6、衔铁10、回位弹簧11、探针8及带喷头空心套管的喷孔7为同轴心线。带喷头空心套管3的喷孔7与注入孔9为相互垂直设置。

带螺纹调节塞的细牙螺纹的螺距为0.5mm。带喷头空心套管的喷孔7的内径可为100～400μm。探针8直径可为80～200μm，探针8顶尖曲率半径小于10μm。

参见图2，测试系统设有信号发生器21、功率放大器22、示波器23、I-V转换模块24、收集板25、橡胶空心导管26和精密注射泵27。

与电纺直写喷头的线圈6电连接的驱动电源电压为0～24V可调，与电纺直写喷头的探针8电连接的高压电源控制在1kV以内，精密注射泵27的流量控制在4pl/s～10pl/s。

测试时，精密注射泵27通过橡胶空心导管26向电纺直写喷头注入聚合物溶液(从注入孔9注入)，信号发生器21产生频率可调的方波信号，方波信号通过功率放大器22放大后，一路接入示波器23的B通道中，另一路接入可起停控制电纺直写喷头的线圈6中，线圈6产生的电磁力带动探针8在方波信号的作用下往返伸缩运动，从而实现聚合物的间断性喷射。当射流形成时，其所带电荷注入收集板25中形成喷射电流，该喷射电流通过I-V转换模块24转换成电压接入示波器23的A通道中，通过示波器23对两路信号在时间上的对比，便可获得电纺直写喷头喷射开启时间误差与停止时间误差等性能参数。

该性能测试系统中，I-V转换模块24可实现30nA～10μA微电流信号至0～5V电压信号的转换。其开启时间误差与停止时间误差测量精度优于±20μs。

利用I-V转换模块24将喷射过程中的微电流(30nA～10μA)转换成电压信号，通过示波器23观察线圈6电压与喷射电流的同步性，即可评价电纺直写喷头起停性能的好坏。

测试结果：该电纺直写喷头喷射开启时间误差小于50ms，喷射停止时间误差小于100ms，直写微纳米结构线宽为50nm～10μm。

Claims (8)

1.可起停控制的电纺直写喷头，其特征在于设有带喷头空心套管、带螺纹调节塞、线圈、衔铁、回位弹簧、探针、排气管道和密封帽；带喷头空心套管前端设有喷孔和注入孔，带螺纹调节塞设于带喷头空心套管后端，与带喷头空心套管螺接且密封，线圈套在带喷头空心套管外侧，衔铁设于带喷头空心套管内上下移动，探针与衔铁固连，探针前端位于带喷头空心套管前端的喷孔中，探针后端与回位弹簧一端固连，回位弹簧另一端与带螺纹调节塞内端固连，排气管道设于带螺纹调节塞上，排气管道内端与带喷头空心套管内腔相通，排气管道外端与外界相通，密封帽封盖住排气管道外端。

2.如权利要求1所述的可起停控制的电纺直写喷头，其特征在于所述带喷头空心套管、带螺纹调节塞、线圈、衔铁、衔铁回位弹簧、探针及带喷头空心套管的喷孔为同轴心线。

3.如权利要求1所述的可起停控制的电纺直写喷头，其特征在于所述带喷头空心套管的喷孔与注入孔相互垂直。

4.如权利要求1所述的可起停控制的电纺直写喷头，其特征在于所述带螺纹调节塞的螺纹为细牙螺纹。

5.如权利要求4所述的可起停控制的电纺直写喷头，其特征在于所述细牙螺纹的螺距为0.5mm。

6.如权利要求1所述的可起停控制的电纺直写喷头，其特征在于所述带喷头空心套管的喷孔的内径为100～400μm。

7.如权利要求1所述的可起停控制的电纺直写喷头，其特征在于所述探针直径为80～200μm，探针顶尖曲率半径小于10μm。

8.如权利要求1所述的可起停控制的电纺直写喷头，其特征在于所述密封帽封盖住排气管道外端，是密封帽内设有密封垫，密封帽与排气管道外端螺接。

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