CN102501598B - 一种近场静电喷印头 - Google Patents

Abstract

一种近场静电喷印头，涉及一种静电喷印头。提供一种低压驱动、可精确喷印微纳米图案结构的近场静电喷印头。设有激光发生器、计算机、电磁阀、导气管、封头、喷管、导电探针和气管；所述激光发生器产生激光束，计算机与电磁阀和激光发生器连接，喷管上端带有外螺纹，喷管下端为喷嘴；封头通过内螺纹与喷管上端的外螺纹螺接；气管位于喷管内部并固定在封头上，气管一端通过导气管与电磁阀的输出端连接，气管另一端为渐缩结构的出气口，所述出气口与喷管的喷嘴在同一轴线上；所述导电探针一端固定在封头上并与直流电压源正极相连接，所述导电探针另一端伸出喷嘴端部。

Description

一种近场静电喷印头

技术领域

本发明涉及一种静电喷印头，尤其是涉及一种基于电液动力学可实现低压驱动、高精度喷印的近场静电喷印头。

背景技术

微纳米图案化结构、器件制造及其应用已成为国际微纳米领域的研究热点。传统MEMS硅基制造工艺(如沉积、光刻和刻蚀等)由于其高昂的制造成本和对环境的苛刻要求，很难满足基于微纳米图案化结构产品的低成本和大尺寸(～米)制造要求，大大制约了微纳米图案化产品的应用范围，譬如，作为未来我国新兴产业的柔性电子要求低成本、大尺寸和柔性基底，而MEMS工艺却无法应用于柔性电子。

目前，面向柔性电子低成本制造技术主要为接触印刷和喷印等。接触印刷属于并行添加工艺，需要制作模版、线宽大、精度较低、易破坏已有功能结构。接触印刷中的纳米压印可以形成亚微米甚至纳米图案，但在实现大面积图案化制造时存在着图案的非均匀性和加工的非连续性等系列问题。现有喷印技术应用于柔性电子批量化制造时，普遍存在加工精度、一致性、重复性低等问题，如传统热、压电、静电喷印技术喷印最小液滴体积约10pl、最小线宽50μm、定位误差20μm，仅能满足一般文字、图形和图像的喷印要求。

基于电液动力学的近场电纺技术，Sun Daoheng等(Sun Daoheng，Chang Chieh，Li Sha，et al.Near-field Electrospinning.Nano Lett.2006，6(4)：839-842)利用射流的初期稳态阶段成功地“写”出纳米纤维。利用这种新型的喷印技术，科研人员已经成功在柔性塑料基底上制备PVDF纳米发电机实现从机械能到电能的转化(Chieh Chang，Van H.Tran，Junbo Wang，Yiin-Kuen Fuhand Liwei Lin.Direct-Write Piezoelectric Polymeric Nanogenerator with High Energy Conversion Efficiency.Nano Lett.2010，10：726-731)。该技术在常温常压和非洁净环境下在多种基底上都可实现微纳米结构的快速沉积，可满足柔性电子器件的大批量连续生产要求，并可实现有机电子与生物器件的集成。

然而，该技术依然存在由于高驱动电压而导致结构定位精度较低、高喷印速度所要求运动平台具有很高的匹配速度和加速度以及射流沉积无法快速有效启动(大约2s)和停止导致定位和结构尺寸精度较低等问题。有鉴于此，发明了一种近场静电喷印头。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有的近场静电纺丝技术中存在的高驱动电压、较低定位精度、高平台运动速度/加速度和沉积无法快速启动/停止等缺点，提供一种低压驱动、可精确喷印微纳米图案结构的近场静电喷印头。

本发明设有激光发生器、计算机、电磁阀、导气管、封头、喷管、导电探针和气管；所述激光发生器产生激光束，计算机与电磁阀和激光发生器连接，计算机用于控制电磁阀和激光发生器的启停，电磁阀用于控制高压气体的流动；所述喷管用于置放溶液，所述喷管上端带有外螺纹，所述喷管下端为喷嘴；所述封头通过内螺纹与喷管上端的外螺纹螺接；所述气管位于喷管内部并固定在封头上，所述气管一端通过导气管与电磁阀的输出端连接，所述气管另一端为渐缩结构的出气口，所述出气口与喷管的喷嘴在同一轴线上，高压气体通过出气口从喷嘴的液体内部喷出，用于带动射流形成；所述导电探针一端固定在封头上并与直流电压源正极相连接，所述导电探针另一端伸出喷嘴端部，用于提高射流的定位精度，同时进一步降低喷射电压阈值。

所述喷管可为绝缘空心圆管。

所述导电探针另一端伸出喷嘴端部的距离最好小于2mm。

所述导电探针可采用实心导电探针，实心导电探针与气管、喷管共轴线。

所述喷管下端的喷嘴的直径最好小于1mm。

所述气管可为空心圆管，

所述出气口内部直径可小于100μm。

所述导电探针直径最好小于出气口内部直径。

所述激光发生器与喷管的喷嘴位置相对固定，激光光路通过射流的沉积位置。

所述高压气体的压强不小于2×10⁵Pa。

将本发明所述的喷管固定在高速精密XYZ三维运动平台的Z轴支架上，收集板置于XY水平运动平台上，激光发生器、直流电压源、精密注射泵和气泵等置于运动平台外，而且激光发生器与喷管位置相对固定。工作时，精密注射泵将注射器内的聚合物注入喷管并在喷嘴产生微小液滴后计算机通过控制器导通直流电压源正极与导电探针的连接状态，同时打开电磁阀使气泵中的高压气体通过导气管进入气管，高压气体克服液滴的表面张力，通过出气口从喷嘴处的液体内部喷出，带动射流快速形成。接着，计算机关闭电磁阀，气流消失，由直流电压作用在导电探针针尖所产生的电场力维持射流的持续喷射。高速精密XYZ三维运动平台带动收集板按照计算机产生的图形轨迹在水平方向运动，喷印所需的微纳米结构图案。当喷印即将完成时，计算机根据一定的算法，通过控制器断开直流电压源正极与导电探针的连接，同时打开激光发生器，激光发生器随即产生高温激光束，照射射流将射流瞬间汽化，射流被切断，防止最后沉积在收集板上的结构由于射流拖曳产生变形或图案尺寸变化的发生，实现了喷印微纳结构图案的精确停止。

与现有的静电喷印头相比，本发明的突出优点在于：

1)低驱动电压。高压气体克服液滴表面张力，从喷嘴处的液滴内部喷出，带动射流形成，此后由直流电压作用于导电探针针尖处产生的电场力维持射流的持续喷射，大大降低了喷射电压阈值。

2)实现喷印的快速有效启停。传统近场电纺从施加电压到射流喷射需要大约1s的时间，而高压气流可迅速带动射流的形成；另外，激光发生器瞬间产生高温激光束可快速将射流汽化，切断射流，实现喷印的快速有效停止，从而防止最后沉积的图案结构由于射流的拖曳产生变形或图案尺寸的变化。

3)高定位精度和结构尺寸精度。由于电压作用于导电针尖，可在针尖处形成较高电场，诱导射流持续从导电针尖处喷射(与气流喷射的位置一致)，因此有效抑制了射流的不稳定摆动，大大提高了射流的定位精度，也提高了结构的尺寸精度。而且，喷印的快速有效启停也进一步提高了喷印起始和结束位置的定位精度和结构尺寸精度。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图。

图2为应用本发明实施例的实验系统装置示意图。

具体实施方式

参加图1和图2，本发明实施例设有激光发生器1、计算机2、电磁阀3、导气管4、封头5、喷管6、导电探针7和气管8。激光发生器1可产生高温激光束，照射射流将射流瞬间汽化，切断喷印射流，可提高停止喷印时的定位精度和结构尺寸精度；计算机2与激光发生器1和电磁阀3连接，用于控制激光发生器1和电磁阀3的开关；电磁阀3用于控制高压气体A的流动；喷管6为绝缘空心圆管，用于置放溶液，其上端带有外螺纹，下端为喷嘴；封头4通过内螺纹与喷管上端连接，防止溶液从上端口溢出；气管8位于喷管6内部并固定在封头5上，气管8一端81通过导气管4与电磁阀3的输出端连接，气管8另一端为渐缩结构，出气口82与喷管6的喷嘴61在同一轴线上，高压气体克服溶液表面张力从溶液内部喷出，带动射流快速形成，大大降低了喷射电压阈值；导电探针7一端固定在封头5上并通过控制器9与直流电压源10正极相连接，另一端伸出喷嘴端部小于2mm的距离，用于提高射流的定位精度，同时降低喷射电压阈值。

所述喷管采用绝缘空心圆管。所述导电探针另一端伸出喷嘴端部的距离小于2mm，所述导电探针采用实心导电探针，实心导电探针与气管、喷管共轴线。

所述喷管下端的喷嘴的直径小于1mm。

所述气管为空心圆管，

所述出气口内部直径小于100μm，所述导电探针直径小于出气口内部直径。

所述激光发生器与喷管的喷嘴位置相对固定，激光光路通过射流的沉积位置。

所述高压气体的压强不小于2×10⁵Pa。

将本发明所述的喷管6固定在高速精密XYZ三维运动平台的Z轴支架上，收集板11置于XYZ运动平台的XY平面上，探针针尖7与收集板10的距离为1mm；激光发生器1、控制器9、直流电压源10、气泵12和精密注射泵13等置于运动平台外，而且激光发生器1与喷管6位置相对固定。工作时，精密注射泵13将注射器14内的聚氧化乙烯水溶液(PEO，分子量：30万，浓度20％)B以流量10μL/h注入喷管6并在喷嘴处产生微小液滴后计算机2通过控制器9导通导电探针7与直流电压源9的连接状态，打开电磁阀3使气泵12中的高压气体通过导气管4进入气管8，高压气体克服PEO溶液表面张力从溶液内部喷出，带动射流快速形成，同时，计算机2关闭电磁阀3，作用于导电探针7的直流电压在针尖处形成的较强电场力维持射流的持续喷射。XY水平运动平台带动收集板11按照计算机2规定的图形轨迹在水平面上运动，在收集板11上沉积固态纳米纤维形成的相应图案。当喷印即将完成时，计算机2根据算法适时打开激光发生器1，激光发生器1随即产生高温激光束，照射射流将射流瞬间汽化，射流被切断，被切断射流下端部分精确沉积在所需的结束位置上。

Claims (5)

1.一种近场静电喷印头，其特征在于设有激光发生器、计算机、电磁阀、导气管、封头、喷管、导电探针和气管；所述激光发生器产生激光束，计算机与电磁阀和激光发生器连接，计算机用于控制电磁阀和激光发生器的启停，电磁阀用于控制高压气体的流动；所述喷管用于置放溶液，所述喷管上端带有外螺纹，所述喷管下端为喷嘴；所述封头通过内螺纹与喷管上端的外螺纹螺接；所述气管位于喷管内部并固定在封头上，所述气管一端通过导气管与电磁阀的输出端连接，所述气管另一端为渐缩结构的出气口，所述出气口与喷管的喷嘴在同一轴线上，高压气体通过出气口从喷嘴的液体内部喷出，用于带动射流形成；所述导电探针一端固定在封头上并与直流电压源正极相连接，所述导电探针另一端伸出喷嘴端部；

所述导电探针另一端伸出喷嘴端部的距离小于2mm；

所述喷管下端的喷嘴的直径小于1mm；

所述出气口内部直径小于100μm；

所述导电探针直径小于出气口内部直径。

2.如权利要求1所述的一种近场静电喷印头，其特征在于所述喷管为绝缘空心圆管。

3.如权利要求1所述的一种近场静电喷印头，其特征在于所述导电探针采用实心导电探针，实心导电探针与气管、喷管共轴线。

4.如权利要求1所述的一种近场静电喷印头，其特征在于所述气管为空心圆管。

5.如权利要求1所述的一种近场静电喷印头，其特征在于所述高压气体的压强不小于2×10⁵Pa。