CN103753956A - 一种桌面式电流体喷墨打印系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电流体动力喷墨打印系统和方法，包括基板运动模块，其包括设置在底座上的可沿第一方向平动的第一运动机构、可相对其沿垂直于第一方向的第二方向平动的第二运动机构、以及微运动平台，承载打印介质基板固定设置在其上，可在由该第一方向和第二方向定义的平面上移动，并可沿垂直于该平面的第三方向移动，从而使得承载打印介质基板可在基板运动模块作用下多自由度运动；喷印模块，其设置在一支撑架上，具有用于喷墨的喷嘴。本发明解决了目前喷嘴制造工艺复杂，无法打印亚微米尺寸图案，高粘度墨水无法喷出等问题，具有高分辨率、高效率、适应高粘度墨水等优点。

Description

一种桌面式电流体喷墨打印系统及方法

技术领域

本发明涉及一种喷墨打印系统，特别是一种采用电流体驱动的喷墨打印系统及方法。 

背景技术

喷墨打印设备由于制造环境友好，节省打印材料，操作简单等优点，近年来被广泛应用于微电子器件制备领域。例如采用喷墨打印技术制造柔性电子晶体管、生物传感器、太阳能电池、微流芯片等方面。 

传统的喷墨打印技术主要采用静电连续式和按需打印，其中按需打印又包括压电式和热气泡式喷墨。传统的静电打印方法，诸如利用背景电极对墨粉进行荷电，图像信息利用控制单元转换为静电控制电场的图案，通过开闭带孔的电极阵列，从而选择性的让墨粉通过，在打印介质上形成图案，其为连续性喷墨打印，墨粉浪费大。压电式控制较复杂，结构尺寸精度要求较高，压电晶体及其附件的老化、变形，随时会使打印头性能下降，并且造成喷头寿命变短，工作能耗高，而且喷射液滴定位精度不高。热气泡式由于瞬间局部加热，对功能性材料有一定选择性，液滴尺寸较大。目前普遍认为按需打印时，液滴直径为针头直径的1.89倍，打印线宽为20～50微米，如果需要更小的特征尺寸则需要制造更加细小的针头，这将对阵列化喷嘴的微制造工艺提出巨大的挑战。同时，在新的应用领域，墨水多为聚合物、高质量分数的溶液，具有粘度大、密度大等特点，使得喷嘴容易堵塞并回弹，无法有效产生液滴。 

电流体动力喷印(electrohysrodynamic inkjet printing)是具有前景的技术，目前电流体动力喷印方法主要应用于静电喷涂和静电纺丝方面，正逐步应用到喷印方面。美国专利申请US2011/0187798AL中采用了电流体动力喷印方法,但其喷嘴尺寸较小（几微米～几百纳米），易被堵塞，同时喷嘴距离基板距离较小，无法避免喷射高黏度溶液时的电击穿现象。另一方面，其仅仅给出了原理方法，未给出具体的实施形式。美国专利文献US2008/0003374A1中，采用简单的针头与远离针头的环形电极实现墨水的流变，但液体最终分裂成小液滴，无法精确控制。另外在Jun-Sung Lee,Sang-Yoon Kim,Yong-Jae Kim,Jaehong Park的Design and evaluation of a a silicon based multi-nozzle for addressable jetting using a controlled flow rate in electrohydrodynamic jet printing（APPLIED PHYSICS LETTERS,93,243114,2008）一文中，公开了一种电流体动力喷印方案，其中喷嘴的下部拉伸电极为平板结构上部针状电极，结构缺乏紧凑，无法实现阵列化喷嘴的制造，而且不能满足精确定位的工业需求。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种电流体动力喷墨打印系统和方法，采用电流体动力喷印原理，通过控制加载在喷嘴和基板之间的高压脉冲电场压实现射流的断裂，从而产生墨滴实现喷印，解决了目前喷嘴制造工艺复杂，无法打印亚微米尺寸图案，高粘度墨水无法喷出等问题，具有高分辨率、高效率、适应高粘度墨水等优点。 

为了实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种电流体动力喷墨打印系统，其包括 

底座； 

基板运动模块，用以承载打印介质基板，其包括设置在所述底座上的可沿第一 方向平动的第一运动机构、设置在该第一运动机构上可相对其沿垂直于所述第一方向的第二方向平动的第二运动机构、以及设置在该第二运动机构上的微运动平台，所述承载打印介质基板固定设置在其上，该微运动平台可相对所述第二运动机构在由该第一方向和第二方向定义的平面上移动，并可沿垂直于该平面的第三方向移动，同时可相对所述第二运动机构绕第一方向和第二方向转动，从而使得所述承载打印介质基板可在基板运动模块作用下多自由度运动； 

喷印模块，其高度可变地设置在一安装在所述底座上的支撑架上，其具有用于喷墨的喷嘴； 

通过控制所述基板运动模块带动所述基板运动同时对喷嘴喷墨进行控制，即可实现喷墨打印。 

作为本发明的改进，所述第一运动机构包括设置在所述底座上的第一底座，安装在其上的第一直线导轨和第一运动滑台，以及用于驱动所述第一运动滑台的第一驱动伺服电机和第一传动丝杠，通过所述第一驱动伺服电带动所述第一传动丝杠，从而驱动所述第一运动滑台在第一直线导轨上沿第一方向平动。 

作为本发明的改进，所述第二运动机构设置在所述第一运动滑台上的第二底座，安装在其上的第二直线导轨和第二运动滑台，以及用于驱动所述第二运动滑台的第二驱动伺服电机和第二传动丝杠，通过所述第二驱动伺服电机带动所述第二传动丝杠，从而驱动所述第二运动滑台在第二直线导轨上相对所述第一运动机构沿第二方向平动。 

作为本发明的改进，所述微运动平台包括设置在所述第二运动滑台上的微台底座，以及设置在所述微台底座上的微台，且该微台可相对所述微台底座在由所述第一方向和第二方向定义的平面上移动，并可沿垂直于该平面的第三方向移动。 

作为本发明的改进，所述第一运动机构和第二运动机构上还设置有光栅尺，用于检测该第一运动机构和第二运动机构的位移，并实时反馈以实现位移精确控制。 

作为本发明的改进，所述承载打印介质基板通过一承载底座设置在所述基板运动模块上的微运动平台上。 

作为本发明的改进，所述承载底座为承载硬质基板的承载底座，其包括安装在微台上的安装基板，与所述安装基板通过立柱隔开一定间距的承载平板，通过在所述承载平板和喷印模块喷嘴之间加载脉冲高压电场实现将喷嘴流出的墨液喷射至基板上，实施喷墨打印。 

作为本发明的改进，所述承载底座为用以承载大面积柔性薄膜的承载底座，其包括安装在微台上的安装基板、安装在安装基板上的下吸附板、安装在下吸附板上并与之贴合的上吸附板，上下吸附板间由于上吸附板下表面被掏空而形成了吸附腔，并通过该吸附腔外围的密封槽密封，所述上吸附板上表面具有若干个小孔，用以对柔性薄膜进行吸附，通过在所述上吸附板和喷印模块喷嘴之间加载脉冲高压电场实现将喷嘴流出的墨液的喷射至基板上，实施按需喷墨打印。 

作为本发明的改进，所述承载底座为用以承载拉伸柔性薄膜的承载底座，其包括安装在微台上的安装基板，安装在安装基板上的宽度调整组件、无接触地覆盖在所述宽度调整组件上方的承载支架、以及设置在所述承载支架上的拉伸薄膜承载板，其中，所述承载支架与拉伸薄膜承载板上对应开有两条通槽，可使拉伸薄膜夹持条通过螺钉直接安装到宽度调整组件的移动块上，并随之同步移动，从而以调节拉伸柔性薄膜的拉伸量。 

作为本发明的改进，所述喷印模块的针嘴由连接在支撑板上的针嘴夹持板固定，该连接支撑板通过转接板与一高度调节滑台连接，该滑台由连接板连接在支撑 架上。 

作为本发明的改进，该打印系统还包括基板图案视觉检测模块，用来观测在基板上的打印图案，其包括一端连接在支撑架上且另一端与固定座连接的支撑板，设置在所述固定座上的相机与镜头。 

作为本发明的改进，该打印系统还包括液滴视觉检测模块，用来观测喷墨液滴的形成，其包括支撑板和固定在其上的转接板，转接板的另一面与一运动滑台连接，该运动滑台上安装有支撑板，其上面安装有相机，镜头及镜头支撑座，用来调整相机的焦距和位置。 

按照本发明的另一方面，提供一种利用上述打印系统进行图案打印的方法，包括如下步骤： 

将待打印的图案输入系统并进行解析，以获得控制所述打印系统各运动机构运动参数的控制参数的步骤； 

对喷印模块进行预热的步骤； 

控制所述打印系统各运动机构按照解析得到的运动参数运动、同时控制所述喷印模块喷墨的步骤。 

本发明的打印系统中，包括一喷印模块，一打印控制模块，一基板运动模块，一视觉检测模块，一基板加持模块。其中喷印模块包含有多个喷嘴的喷印头，用以产生微液滴，并沉积在基板上；一打印控制模块，用以控制喷印头的开启，使得喷印头在不同打印模式下工作；一基板运动模块，用以承载打印介质基板，使其相对喷嘴移动；其上包含有基板加持模块，用以吸附柔性基板，保证其平整和在运动中无滑移；一视觉检测模块，用以检测液滴空间飞行轨迹和液滴在基板上的沉积。 

与现有的喷印系统相比，本发明具有以下突出的优点： 

（1）采用电流体动力喷印机理，较传统喷印方法，喷印精度高，且不受喷嘴直径影响； 

（2）驱动力采用静电拉力，射流拖拽力较大，适用于高粘度溶液； 

（3）简化工艺，结构简单； 

（4）由于采用了视觉检测装置，可实时观测液滴飞行情况，提高了打印性能； 

（5）节省材料，降低成本。喷嘴结构简单。无其它驱动单元（如压电陶瓷等）减少了相应材料，降低了成本。 

附图说明

图1是按照本发明实施例的打印系统的总体结构示意图； 

图2是按照本发明实施例的打印系统的内部模块示意图； 

图3是按照本发明实施例的打印系统的基板运动模块的示意图； 

图4是按照本发明实施例的打印系统的承载硬质基板的承载底座示意图； 

图5是按照本发明实施例的打印系统的以承载大面积柔性薄膜的承载底座结构示意图； 

图6是按照本发明实施例的打印系统的以承载拉伸柔性薄膜的承载底座结构示意图。 

图7是按照本发明实施例的打印系统的喷印模块的结构示意图。 

图8是按照本发明实施例的打印系统的用来观测在基板上的打印图案的基板图案视觉检测模块的结构示意图。 

图9是按照本发明实施例的打印系统的用来观测液滴的形成的液滴视觉检测模块的结构示意图。 

图10是按照本发明实施例的打印系统的图案喷印的具体流程图。 

图11是按照本发明实施例的打印系统的系统喷射出的微液滴图。 

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。 

根据本发明所揭示的微液滴喷印装置及方法，此打印系统可以应用于传统印刷 电路板，柔性电路板，而且可以引用于生物芯片，传感器，MEMS器件等微纳米组件。 

如参照图1所示，图示为本发明实施例的喷墨打印系统的总体结构示意图。 

如参照图2所示，图示中为本实施例的喷墨打印系统，其包含有底座100，支撑架200，基板运动模块300，一喷印模块400，基板图案视觉检测模块500，液滴视觉检测模块600。 

参照附图3可知，本实施例中的基板运动模块300包括两级运动平台，具体包括X轴直线运动组件310～318，Y轴直线运动组件320～328，以及微台运动组件330～331。 

X轴直线运动组件包括X轴底座312，以及安装在其上的X轴直线导轨311和X轴运动滑台314；驱动该滑台运动的X轴驱动伺服电机310与X轴传动丝杠313。另外，为对X轴运动精确控制，在平行与滑台运动轨道的外侧，还安装有X轴光栅尺底座315，和安装在其侧面的X轴光栅尺316，以及安装在X轴滑台314上与其同步运动的X轴光栅尺探头317。为方便平台X轴的运动，还附加安装有X轴运动电缆保护链318。 

Y轴直线运动组件与X轴直线运动组件结构相同，也包括Y轴底座322、Y轴直线导轨321、Y轴运动滑台324、Y轴驱动伺服电机320、Y轴传动丝杠323、Y轴光栅尺底座325、Y轴光栅尺326、Y轴光栅尺探头327和Y轴运动电缆保护链328。 

通过控制X轴驱动伺服电机310，经过X轴传动丝杠313可带动X轴滑台314运动，通过控制Y轴驱动伺服电机320，经过Y轴传动丝杠323可带动X轴滑台324运动；由X轴直线运动组件与Y轴直线运动组件共同动作可实现平面内相垂直 的两个方向的动作合成。 

X轴光栅尺316与X轴光栅尺探头317组成X轴运动反馈传感器，Y轴光栅尺326与X轴光栅尺探头327组成Y轴运动反馈传感器。X、Y运动反馈传感器分别检测X轴滑台314与Y轴滑台324（及微台位置）的位置与速度，并将反馈信息传给控制系统，实现XY介质供给平台的精确定位。 

微台运动组件则包括安装在Y轴运动滑台324上的微台底座330和微台331。微台具有XYZ方向的移动和XY方向的转动5个自由度。本实施例中优选各方向上的移动行程为300x300x300μm，精度为2nm，配合XY平台的运动可实现大面积范围内的局部高精度打印。 

参照附图4～6可知，本发明实施例提供三种用以承载收集基板的承载底座，分别用以承载硬质基板，大面积柔性薄膜，拉伸柔性薄膜。三个承载底座的高度一致，以方便不同在收集基板时的运动控制。 

附图4为用以承载硬质基板的承载底座一，由安装基板340，立柱341和承载平板342组成。安装基板340安装在微台上，使承载底座可与运动平台一起运动；立柱341使安装基板340与承载平板342隔开一定距离，利于新承载底座改装的添加，同时保证其高度与其他承载底座高度相同。承载平板342的承载表面具有较高的平面度，水平度以保证在大面积打印时收集基板与喷嘴的相对位置具有较高的精度；同时承载表面具有一定的粗糙度，以保证在平台运动时保证硬质基板无滑移，与平台保持相对静止。承载平板为金属材料，可连接到高压脉冲电源负极，以在空间形成高压电场。 

附图5为用以承载大面积柔性薄膜的承载底座二，由安装基板340、下吸附板351、上吸附板352、压条353和肘夹350组成。下吸附板351直接安装在安装基板 340上，而上吸附板352直接安装在下吸附板351上并与之贴合；上下吸附板间由于上吸附板下表面被掏空而形成了吸附腔，并通过吸附腔外围的密封槽密封。上吸附板上表面具有若干个小孔，用以对柔性薄膜进行吸附。上下吸附板都为金属材料，可连接到高压电源负极，以在空间形成高压电场。为使大面积柔性薄膜在被吸附时能完全伸展开，在上吸附板352两侧还安装有压条353，以夹持柔性薄膜的外边缘，使之充分伸展。压条353由肘夹350提供夹持力，使之与上吸附板充分贴合。 

附图6为用以承载拉伸柔性薄膜的承载底座三，由安装基板340、对称型左右旋螺纹开闭宽度调整组件360、承载支架361、拉伸薄膜承载板362和拉伸薄膜夹持条363组成。其中，调整组件360由一根左右旋螺纹丝杆、两个移动滑块和底座构成。调整组件360的左右旋螺纹丝杆，即可带动360的移动块开闭，用以带动拉伸薄膜夹持条363拉伸柔性薄膜。对称型左右旋螺纹开闭宽度调整组件360和承载支架361都固定安装在安装基板340上，且宽度调整组件360在承载支架361的正下方且没有接触。拉伸薄膜承载板362为金属材料，可连接到高压电源负极，以在空间形成高压电场。承载支架361为绝缘材料，将宽度调整组件360与拉伸薄膜承载板362隔开，以使喷印电场更加均匀。承载支架361与拉伸薄膜承载板362上对应开有两条通槽，可使拉伸薄膜夹持条363通过螺钉直接安装到宽度调整组件360的移动块上，保持与360的移动块同步移动。拉伸薄膜夹持条363优选4块，左右各为两块重叠在一起，拉伸柔性薄膜则被夹持在这两块夹持条中间。 

附图7为喷印模块，其中针嘴由针嘴夹持板401、402、403固定，连接在支撑板404上、405为转接板用以连接支撑板404和高度调节滑台406上，滑台406由连接板407连接在支撑架200上。 

附图8为基板图案视觉检测模块，用来观测在基板上的打印图案，支撑板501 一端与固定座502连接，另一端连接在支撑架200上，相机503与镜头504通过卡口连接，并由加固座505固定。 

附图9为液滴视觉检测模块，用来观测液滴的形成，包括支撑板601和固定在其上的转接板602，转接板602的另一面与X-Y运动滑台603连接，用来调整相机的焦距和位置。滑台603上安装有支撑板604，其上面安装有相机605，镜头606及镜头支撑座607。支撑板601作为整个液滴视觉检测模块的支撑底板与底座100连接，保证镜头，光源和针头在一条直线上，平行于支撑架200。安装位置为镜头和喷嘴之间的距离为镜头的焦距长度。 

附图10为图案喷印的具体流程：打印图案输入；图案格式解析，喷嘴单元预热（加载电压，墨液开始供给）；开始打印图案；在线进行图案检测和运动参数控制；打印结束。 

图11为采用本发明实施例的系统喷射出的微液滴。 

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (10)

1.一种电流体动力喷墨打印系统，通过控制加载在喷嘴和承载打印介质基板之间的高压脉冲电场压对射出的墨滴进行控制，实现喷印，其特征在于，包括：

底座（100）；

基板运动模块（300），用以承载打印介质基板，其包括设置在所述底座（100）上的可沿第一方向平动的第一运动机构、设置在该第一运动机构上可相对其沿垂直于所述第一方向的第二方向平动的第二运动机构、以及设置在该第二运动机构上的微运动平台，所述承载打印介质基板固定设置在其上，该微运动平台可相对所述第二运动机构在由该第一方向和第二方向定义的平面上移动，并可沿垂直于该平面的第三方向移动，从而使得所述承载打印介质基板可在基板运动模块（300）作用下多自由度运动；

喷印模块（400），其高度可变地设置在一安装在所述底座（100）上的支撑架（200）上，其具有用于喷墨的喷嘴；

通过控制所述基板运动模块（300）带动所述基板运动同时对喷嘴喷墨进行控制，即可实现喷墨打印。

2.根据权利要求1所述的一种电流体动力喷墨打印系统，其中，所述第一运动机构包括设置在所述底座（100）上的第一底座（312），安装在其上的第一直线导轨（311）和第一运动滑台（314），以及用于驱动所述第一运动滑台（314）的第一驱动伺服电机（310）和第一传动丝杠（313），通过所述第一驱动伺服电机（310）带动所述第一传动丝杠（313），从而驱动所述第一运动滑台（313）在第一直线导轨（311）上沿第一方向平动。

3.根据权利要求2所述的一种电流体动力喷墨打印系统，其中，所述第二运动机构设置在所述第一运动滑台（314）上的第二底座（322），安装在其上的第二直线导轨（321）和第二运动滑台（324），以及用于驱动所述第二运动滑台（324）的第二驱动伺服电机（320）和第二传动丝杠（323），通过所述第二驱动伺服电机（320）带动所述第二传动丝杠（323），从而驱动所述第二运动滑台（324）在第二直线导轨（321）上相对所述第一运动机构沿第二方向平动。

4.根据权利要求3所述的一种电流体动力喷墨打印系统，其中，所述微运动平台包括设置在所述第二运动滑台（324）上的微台底座（330），以及设置在所述微台底座（330）上的微台（331），且该微台（331）可相对所述微台底座（330）在由所述第一方向和第二方向定义的平面上移动，并可沿垂直于该平面的第三方向移动，同时可绕所述第一方向和第二方向转动。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种电流体动力喷墨打印系统，其中，所述第一运动机构和第二运动机构上还设置有光栅尺，用于检测该第一运动机构和第二运动机构的位移，并实时反馈以实现位移精确控制。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的一种电流体动力喷墨打印系统，其中，所述承载打印介质基板通过一承载底座设置在所述基板运动模块（300）上的微运动平台上。

7.根据权利要求6所述的一种电流体动力喷墨打印系统，其中，所述承载底座为承载硬质基板的承载底座，其包括安装在微台（331）上的安装基板（340），与所述安装基板（340）通过立柱（341）隔开一定间距的承载平板（342），通过在所述承载平板（342）和喷印模块（400）喷嘴之间加载脉冲高压电场实现将喷嘴流出的墨液喷射至基板上，实施喷墨打印。

8.根据权利要求6所述的一种电流体动力喷墨打印系统，其中，所述承载底座为用以承载大面积柔性薄膜的承载底座，其包括安装在微台（331）上的安装基板（340）、安装在安装基板（340）上的下吸附板（351）、安装在下吸附板（351）上并与之贴合的上吸附板（352），上下吸附板间由于上吸附板下表面被掏空而形成了吸附腔，并通过该吸附腔外围的密封槽密封，所述上吸附板（352）上表面具有若干个小孔，用以对柔性薄膜进行吸附，通过在所述上吸附板（352）和喷印模块（400）喷嘴之间加载脉冲高压电场实现将喷嘴流出的墨液的喷射至基板上，实施按需喷墨打印。

9.根据权利要求6所述的一种电流体动力喷墨打印系统，其中，所述承载底座为用以承载拉伸柔性薄膜的承载底座，其包括安装在微台（331）上的安装基板（340），安装在安装基板（340）上的宽度调整组件（360）、无接触地覆盖在所述宽度调整组件（360）上方的承载支架（361）、以及设置在所述承载支架（361）上的拉伸薄膜承载板（362），其中，所述承载支架（361）与拉伸薄膜承载板（362）上对应开有两条通槽，可使拉伸薄膜夹持条（363）通过螺钉直接安装到宽度调整组件（360）的移动块上，保持与（360）的移动块同步移动。

10.一种利用上述权利要求1-9中任一项所述的打印系统进行图案打印的方法，包括如下步骤：

将待打印的图案输入系统并进行解析，以获得控制所述打印系统各运动机构运动参数的控制参数的步骤；

对喷印模块进行预热的步骤；

控制所述打印系统各运动机构按照解析得到的运动参数运动、同时控制所述喷印模块喷墨的步骤。

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