CN102211066A - 一种静电喷射阵列系统及其优化方法 - Google Patents
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Abstract
一种静电喷射阵列系统及设计和优化方法，属于静电喷射技术领域。包含有两个或两个以上静电喷射单元，特征在于：每个静电喷射单元包括一个独立的或与其他静电喷射单元共用的电荷产生或注入开关（6），一个独立的或与其他静电喷射单元共用的液体流量控制装置或液体输送开关（7）；该静电喷射阵列系统还包括一个与电荷产生或注入开关（6）、液体流量控制装置或液体输送开关（7）相连的自动控制装置（4），该自动控制装置（4）通过控制电荷的产生或注入通路，或液体的流量，或液体输送通断来实现喷头开关模式即每个喷头的喷射的开关状态、时间和周期。本发明具有实用性、喷射更均匀、能够在工业化生产上大规模使用的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种静电喷射阵列系统及其优化方法，通过控制静电喷射阵列中各个喷射单元的开关状态和时间来实现特定的开关模式以达到特定的喷射效果，比如均匀喷射或者实现周期性花样等，属于静电喷射技术领域。
背景技术
静电喷射是一种利用静电力使液体弥散从而产生带有静电的细小液滴的技术，其基本物理原理已经由上世纪60年代G. Taylor和J. R. Melcher等人提出的泄漏介质模型得到解释，可参见Annual Review of Fluid Mechanics, 1969, 1, 111-146的Electrohydrodynamics: A Review of the Role of Interfacial Shear Stresses等文献。静电喷射技术已经在大生物分子质谱仪、工业喷涂、精细编织、薄膜沉积、纳米制造、纳米印刷、新能源和新材料等领域得到广泛的应用。相对于传统的单射流(single-jet)静电喷射模式，W. Gu（发明人）等在Applied Physics Letters, 2005, 87, 084107中首次系统地报道了稳定可控的多射流(multi-jet)静电喷射模式，并给出了多射流静电喷射模式的第一个定量的物理模型，从而可以得到喷射覆盖面更广、所产生液滴更小的静电喷射，拓展了该技术的应用空间。
如上述介绍中所述，静电喷射已经在科学研究和工业生产的各方面得到广泛应用，而在实际应用中经常需要使用多个（二个或二个以上）喷射单元组成一个静电喷射阵列，一个典型的应用是用于实现大面积的均匀薄膜沉积。但是传统静电喷射阵列的设计有两个主要问题：一是相邻喷头之间不能离得太近，以免其静电场相互影响造成干扰，但是这往往导致薄膜均匀性较差或沉积速度过低等问题；二是相邻喷头之间的喷射区域不能完全覆盖或者重叠过多，容易造成周期性缺陷。常见的解决方案是采用机械方法移动喷头或者基底，以实现一定程度上对基底的均匀覆盖。但是这个解决方案既受限于机械移动的速度（太快容易影响喷射效果，太慢又影响均匀性），又容易因机械移动的方式（比如圆周或Z型移动）形成新的周期性起伏或缺陷，而且难以针对不同的应用进行优化，是一种复杂低效的解决方案。这一设计问题极大地阻碍了静电喷射阵列的实际应用，使得目前静电喷射技术还是以单喷头为主，主要靠移动基底等方法来实现较大面积的喷涂，在大面积薄膜沉积等应用上未能充分发挥出静电喷射固有的易于复制、可线性扩展等优势。
发明内容
本发明就旨在提出一种具有实用性、喷射更均匀的、能够在工业化生产上大规模使用的静电喷射阵列系统及优化方法。
一种静电喷射阵列系统，包含有两个或两个以上静电喷射单元，其中每个静电喷射单元包含一个独立的静电喷射喷头，一个独立的或与其他静电喷射单元共用的电荷产生和注入装置，一个独立的或与其他静电喷射单元共用的液体存储和输运装置，一个独立的或与其他静电喷射单元共用的喷射基底，其特征在于：每个静电喷射单元包括一个独立的或与其他静电喷射单元共用的电荷产生或注入开关，一个独立的或与其他静电喷射单元共用的液体流量控制装置或液体输送开关；该静电喷射阵列系统还包括一个与电荷产生或注入开关、液体流量控制装置或液体输送开关相连的自动控制装置，该自动控制装置通过控制电荷的产生或注入通路，或液体的流量，或液体输送通断来实现喷头开关模式即每个喷头的喷射的开关状态、时间和周期。
所述的静电喷射阵列系统的优化方法，其特征在于包括以下过程：（1）、上述喷头开关模式是通过以下方法之一或几种方法的组合实现的：控制每个静电喷射单元的电荷的产生或注入通路；控制液体的流量；控制液体输送通断；（2）、喷头开关模式中保证相邻的喷嘴轮流喷射以避免相互干扰。
相邻喷嘴轮流喷射时存在过渡状态，该状态下相邻喷嘴均不喷射。
所述的静电喷射阵列系统的优化方法，其特征在于：该方法用于平面基体的喷射，具体使用若干同极性或不同极性的喷头组成喷头阵列，上述喷头喷射相同或不同的液体，轮流喷射，基底移动或不移动。
所述的静电喷射阵列系统的优化方法，其特征在于：该方法用于圆柱状基底的喷射，具体使用若干同极性或不同极性的喷头在圆柱形基底的侧面均匀布置组成喷头阵列，上述喷头喷射相同或不同的液体，轮流喷射，基底一边旋转喷头一边喷射，基底每旋转一个或几个完整的圈数，轮换下一喷头喷射。
本发明的第一方面：通过控制每个喷射单元所产生的静电喷射的开关状态、时间和周期等，实现每个喷头的静电喷射的独立控制，并通过调整相邻喷头之间空间上的相对位置和/或喷射时间上的相对关系，使得每个喷头在喷射期间相邻喷头对它产生的影响最小（通常相邻喷头处于喷射关闭状态），从而最大限度地解决相邻喷头之间的干扰问题，容易实现简便而精确的控制，并且在使用不同喷头喷射不同液体时可以收到更好的效果。
本发明的第二方面：可以把相邻喷头设计得在空间排布上非常紧密，从而大幅度提高喷射的均匀性，尤其适用于使用一排喷头在流水线上进行卷到卷的大面积涂覆的情形。
本发明的第三方面：可以针对不同的应用采取不同的喷头空间排布方式以及不同的开关模式设计，以达到不同的设计喷射效果比如实现特定的周期性花样。具体实施方法包括但不限于优化喷头的空间排布方式，优化开关模式设计比如提高某一喷头相对于其相邻喷头的喷射时间来加强某区域的喷射效果，等等。
本发明和中华人民共和国发明专利号200880016463.X都是静电喷射方面的发明，但是有着本质的区别。发明200880016463.X是利用静电脉冲的方法来分配体积受控制的液体，核心思想在于采用一系列短脉冲而非连续供电来实现电荷注入；而本发明的核心思想在于通过控制相邻喷头之间静电喷射的开关模式来设计静电喷射阵列，固然可以使用静电脉冲的方法来控制静电喷射的产生与否，但是也可以采用其他方式比如加入一个编程控制的电源开关来控制静电喷射，或者通过控制液体存储设备的通断来控制静电喷射，静电脉冲方法只是其中的一种选择。
附图说明
图1是本发明第一实施例的正面示意图；
图2是本发明第二实施例的正面示意图；
图3是本发明第三实施例的正面示意图；
图4是本发明第四实施例的俯视示意图；
图5是本发明所述的静电喷射方式可以产生几个微米量级的极细的液体射流或小液滴示意图。
图中标号名称： 1、喷头，2、电荷产生和注入装置，3、液体存储和输送装置，4、自动控制装置， 5、喷射基底， 6、电荷产生或注入开关，7、液体流量控制装置或液体输送开关。
具体实施方式
如图所示，一个含有两个或两个以上静电喷射单元的静电喷射阵列，其中的每个静电喷射单元都可以包括以下部分或全部装置：一个静电喷射喷头1，一个电荷产生和注入装置2，一个液体存储和输运装置3，一个用于实现特定的开关模式的自动控制装置4，一个喷射基底5，一个控制电荷产生或注入通路的开关6，以及一个控制液体存储或输送通路的开关7。不同静电喷射单元之间可以相互独立也可以共用部分装置或者互为组成部分；各装置之间可以在物理上截然分开，也可以没有明确的界限；部分装置可以根据情况省略；等等。
喷头1的典型形式为管状，或毛细管、空腔、具有凸起点的表面或其他可以实现静电喷射的形状；每个喷头所喷射的液体可以相同也可以不同；相邻喷头之间的排列方式可以形成四方格、三角格、六方格或其他易于想见的规则或不规则几何形式，相邻喷头之间的相对位置可以很紧密或很疏松，可以等间距也可以不等间距；相邻喷头之间的角度可以平行也可以不平行，喷头相对基底的角度可以垂直也可以不垂直。喷射可以限制在一个特定的喷射腔内，腔内可以注入特定载气或使用空气或抽成真空；也可以没有特定的喷射腔限制，其喷射在空气或载气中进行。
电荷产生和注入装置2通常使用直流高压电荷或其他可以产生电荷的装置，其电荷极性可以为正也可以为负；其中的电荷注入装置为带尖端的金属电极或其他可以将电荷注入液体的装置，该装置可以部分或全部与液体相接触也可以不与液体产生物理接触（比如产生空间自由电荷后直接注入到液体内）。
液体存储和输送装置3的形式为储液容器、注射泵、连通器及其他可以实现液体存储和输送的装置，可以对该液体提供外加压力（如注射泵）也可以不提供压力而是利用连通器原理（如连通器）或其他方式（如单纯依靠静电力激发喷射）实现液体输送，可以带有液体流量控制和测量装置如阀门、流量计等，也可以不带有此类装置。
自动控制装置4是通过控制电荷的产生和注入通路或者液体的流量或通断来控制静电喷射的开关状态和时间等从而实现特定的开关模式的装置。该装置控制与每个喷头相连的电荷产生和注入装置的开关6，或者控制所加电压或电流的大小，或者控制液体存储和输送装置的通断7，或者控制液体的流量，或者通过以上几种控制方式的结合或其他方式控制每个喷头的静电喷射的开关状态、时间和周期等；相邻喷头之间的开关状态有一定联系，并且通常有一定的时间同步要求；该自动控制装置经过设计和优化后控制整个静电喷射阵列的开关状态和时间、周期等，形成一个特定的开关模式，以实现均匀喷射或特定喷射特征等设计喷射效果。
喷射基底5可以有平面、球面或其他任意形状，可以是装有空气或载气的空腔，可以是特定的液体（如油类或水溶液），也可以是无机物或有机物固体（如硅片，玻璃，金属，有机物薄膜，塑料，纸张，食物，包裹，皮肤，等等）。总之可以采用各种不同的收集方法采集，包括使用固体、液体、气体或真空的收集容器，其中的喷射基底可以是装有空气或载气的空腔，可以是特定的液体（如油类或水溶液），也可以是无机物或有机物固体（如硅片，玻璃，金属，有机物薄膜，塑料，纸张，食物，包裹，皮肤，人体，等等）；根据具体应用需要，收集装置可以加上特定的电压、温度、气压等控制，也可以不加；可以有多个收集装置收集相同或不同的喷射产物，也可以多个静电喷射单元共用一个手机装置。
电荷产生或注入开关6（可以有也可以没有），用于控制电荷产生或者注入的通断。液体流量控制装置或液体输送开关7（可以有也可以没有），用于控制液体输送的流量或通断。
实施例之一：
如图1所示，使用两个同极性的喷头A和B组成喷头阵列，二者喷射不同的液体并轮流喷射在同一个平面基底上，两个喷头之间的距离可以很近，平面基底可以移动也可以不移动。所用的两个喷头A和B的静电喷射的开关模式如图中下半部分所画码型图所示，其中“1”代表静电喷射开启并注入正电荷，“0”代表静电喷射关闭，“-1”代表静电喷射开启并注入负电荷。两个喷头轮流开启以保证在喷射期间互相之间不相互影响，从而最大限度地消除了相邻喷头间的静电干扰等消极因素。
把本实施例多次复制（可以采用相同的液体即墨水）形成更大的喷射阵列并配合精密的微机编程控制，可以制造出实用的使用静电喷射阵列的下一代喷墨打印机。比起传统的使用单个静电喷头的静电喷射打印机，因为采用本发明后可以使用一个紧密排布的喷头阵列而非传统的单个喷头来产生液滴，从而可以大大提高打印效率；同时可以保留静电喷射打印机的高速打印、不易堵塞、喷头和基底（比如打印纸张）之间可以有较大距离等优点。而且本发明所述的静电喷射方式可以产生几个微米量级的极细的液体射流或小液滴（如图5所示），而当前主流打印技术产生的液滴在几十到几百微米量级，因而使用本发明制造的静电喷射打印机可以大幅度提高打印分辨率。同时更小的液滴也具有更高的电荷/质量比，从而可以在使用静电场控制液滴走向时具有更高的精度。
本发明所述的静电喷射方式可以直接生成高电荷/质量比的带电液滴，不仅省去了大大便利了带电液滴的控制。采用本发明后可以很容易地实现多个喷头密排，而热气泡式喷墨打印机要实现紧密排列的喷头阵列之间加热不互相干扰有较大的技术困难。
实施例之二：
如图2所示，使用四个喷头A、B、C和D并列排出一排组成喷头阵列，四个喷头喷射相同的液体并轮流喷射在平面基底上，其中两个注入正电荷两个注入负电荷并且相邻喷头的极性相反，相邻喷头之间的距离可以很近，平面基底可以移动也可以不移动。所用四个喷头A、B、C和D的静电喷射的开关模式如图中下半部分所画码型图所示，其中“1”代表静电喷射开启并注入正电荷，“0”代表静电喷射关闭，“-1”代表静电喷射开启并注入负电荷。这种形式的阵列可以配合流水线实现卷到卷大规模薄膜沉积。
实施例之三：
如图3所示，使用两个相反极性的喷头A和B分别放在圆柱形基底的侧面两个相对的位置组成喷头阵列，二者喷射不同的液体并轮流喷射在旋转着的圆柱状基底上，利用这样的喷头空间排布方式结合基底的旋转可以达到更均匀的涂覆。所用两个喷头A和B的静电喷射的开关模式如图中下半部分所画码型图所示，其中“1”代表静电喷射开启并注入正电荷，“0”代表静电喷射关闭，“-1”代表静电喷射开启并注入负电荷。
实施例之四：
如图4所示，使用四个同极性的喷头A、B、C和D在旋转着的圆形基底上方组成静电喷射阵列，用于产生中间薄四周厚的单一材料的同心圆喷射图案（为清楚起见，图中仅画出四个喷头，而电荷产生和注入装置、液体存储和输送装置、自动控制装置等均从略）。其中喷头A和圆形基底同轴，喷头B、C和D以喷头A为几何中心形成等边三角形排列。四个喷头喷射相同的液体并轮流喷射在以一定角速度旋转着的圆形基底上，相邻喷头之间的距离可以很近。所用四个喷头A、B、C和D的静电喷射的开关模式如图中下半部分所画码型图所示，其中“1”代表静电喷射开启并注入正电荷，“0”代表静电喷射关闭，“-1”代表静电喷射开启并注入负电荷。这里在外圈使用了三个喷头而内圈仅使用一个喷头，并且有意识地缩短了喷头A的相对喷射时间，以获得中间薄四周厚的同心圆图案。通过精确控制内外圈喷头之间的相对空间位置和相对喷射时间可以精确控制同心圆的大小和内外圈的相对厚薄程度。通过重复该静电喷射阵列可以在基底上形成多个相同的同心圆喷射图案。
如上面几个例子所示，喷头采用不同极性或相同的极性，用在不同的场合。一般而言同极性有助于液滴均匀分布，可以用于物理汽相沉积等应用。反极性有助于液滴互相吸引。这里举的几个实施例尽量覆盖同极性和反极性等各种情况。
喷头注入正电荷或负电荷，主要是用于不同的材料。二者也可以配合使用，如实施例二、三中所述。
本发明可以应用于静电喷射所有已知的和待扩展的应用的各个方面，包括但不限于：打印机，电子电路印刷，聚合物电路印刷，显示屏印刷，集成电路印刷，组织工程，雾化器，电离器，质谱仪用带电粒子分离，无掩膜光刻，纳米材料和纳米结构制备，介观材料(metamaterial)制备，等等。
以上应用均应构成本发明的一部分。
Claims (5)
1.一种静电喷射阵列系统，包含有两个或两个以上静电喷射单元，其中每个静电喷射单元包含一个独立的静电喷射喷头（1），一个独立的或与其他静电喷射单元共用的电荷产生和注入装置（2），一个独立的或与其他静电喷射单元共用的液体存储和输运装置（3），一个独立的或与其他静电喷射单元共用的喷射基底（5），其特征在于：每个静电喷射单元包括一个独立的或与其他静电喷射单元共用的电荷产生或注入开关（6），一个独立的或与其他静电喷射单元共用的液体流量控制装置或液体输送开关（7）；该静电喷射阵列系统还包括一个与电荷产生或注入开关（6）、液体流量控制装置或液体输送开关（7）相连的自动控制装置（4），该自动控制装置（4）通过控制电荷的产生或注入通路，或液体的流量，或液体输送通断来实现喷头开关模式即每个喷头的喷射的开关状态、时间和周期。
2.根据权利要求1所述的静电喷射阵列系统的优化方法，其特征在于包括以下过程：
（1）、上述喷头开关模式是通过以下方法之一或几种方法的组合实现的：控制每个静电喷射单元的电荷的产生或注入通路；控制液体的流量；控制液体输送通断；
（2）、喷头开关模式中保证相邻的喷嘴轮流喷射以避免相互干扰。
3. 根据权利要求2所述的静电喷射阵列系统的优化方法，其特征在于：相邻喷嘴轮流喷射时存在过渡状态，该状态下相邻喷嘴均不喷射。
4.根据权利要求2所述的静电喷射阵列系统的优化方法，其特征在于：该方法用于平面基体的喷射，具体使用若干同极性或不同极性的喷头组成喷头阵列，上述喷头喷射相同或不同的液体，轮流喷射，基底移动或不移动。
5.根据权利要求2所述的静电喷射阵列系统的优化方法，其特征在于：该方法用于圆柱状基底的喷射，具体使用若干同极性或不同极性的喷头在圆柱形基底的侧面均匀布置组成喷头阵列，上述喷头喷射相同或不同的液体，轮流喷射，基底一边旋转喷头一边喷射，基底每旋转一个或几个完整的圈数，轮换下一喷头喷射。
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