CN104191819A - 喷嘴喷射独立可控的阵列化电流体喷印头及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种喷嘴喷射独立可控的阵列化电流体喷印头，包括设置在阵列化喷嘴与接收板之间的导引电极层，该导引电极层上设有与喷嘴数目对应的多个圆孔，各圆孔的中心与喷嘴的中心共线，在导引电极层上的各圆孔外周均同轴环绕有一圈导电环，且各导电环均与一个电压源连接，阵列化喷嘴与喷射电压源相连，通过调整各个电压源处合适电压值使得需要喷印的喷嘴与对应的导电环形成的电压差大于其他喷嘴电压差，进而使待喷射喷嘴处的场强大于喷射启动所需场强，其他不喷射的喷嘴处场强小于喷射启动所需场强，即可实现各喷嘴的独立控制。本发明还公开了其实现方法。本发明可以解决目前存在的对喷印头独立喷射控制存在的结构复杂、无法大规模集成使用的问题。

Description

喷嘴喷射独立可控的阵列化电流体喷印头及其实现方法

技术领域

本发明涉及电流体喷印技术领域，特别是一种阵列化电流体喷印头及实现阵列化电流体喷印头独立可控喷射的方法。

背景技术

复杂微尺度结构能够用于诸多领域，如打印电子、有机/柔性电子器件、多功能传感器等，因此近年来其制备工艺备受关注。喷墨打印和电流体喷印作为非接触式图案化工艺都能够在基底上沉积微尺度结构，并且相对于光刻类的图案化工艺具有无须掩膜、节省材料、环境友好、操作便捷等优点，因而被认为是最佳的解决方案。然而传统的喷墨打印技术(如压电式打印和热泡式打印)通常具有最小的分辨率为20μm，所适应的打印溶液粘度一般不能够超过20cPs。除此之外，压电式控制复杂，对结构尺寸要求高，由于压电晶体及其附件易老化造成液滴精度降低且喷头寿命短，热气泡式存在局部加热，因而对喷射的溶液具有选择性，如仅能喷射能耐高温的材料。不幸的是，在前述的应用领域中，所喷印的溶液多为高质量分数的聚合物溶液，材料成本高，具有高粘度，不耐高温等特点，使得用传统喷墨工艺来打印时喷嘴容易堵塞，无法完成图案化制造。

相对于传统喷墨打印用“推”的方式挤出液滴，电流体喷印用电场作为驱动，用“拉”的方式将液滴/射流从喷嘴泰勒锥中拉出来，因而最后液滴的直径大小通常比喷嘴小很多。通过控制电压、流量、间距、气压等工艺参数，能够得到不同精度的液滴/液线。与传统的喷印技术相比，液滴尺寸不再受限于喷嘴尺寸，提高了喷印分辨率，降低了喷印头的制造难度。喷印头影响打印过程中的各项指标，其设计制造以及喷射的控制被广大学者和研究机构关注。阵列化电流体喷印头的喷射控制是进行喷印的关键环节，对喷印质量和效率具有重要影响。

专利文献CN102501598A公开了一种近场静电喷印头，原理是通过激光发射器以及电磁阀控制一个喷头来实现精确喷印，其缺点在于设计结构复杂，无法实现多喷头阵列化打印。美国专利申请US2011/0187798A1中，采用到一种极细的玻璃喷嘴，但是该喷嘴不方便进行集成到多喷嘴中，打印的效率低，同时也提出了一种硅基阵列化的多喷嘴，但是未能够实现独立的控制每个喷嘴进行单独喷射。在Jun-Sung Lee,Sang-Yoon Kim,Yong-Jae Kim,Jaehong Park等人在文献(Design and evaluation of a siliconbased multi-nozzle for addressable jetting using a controlled flow rate inelectrohydrodynamic jet printing,APPLIED PHYSICS LETTERS,93,243114,2008)中提出了一种硅基的阵列化喷嘴，通过流量泵调节每个喷嘴处的流量进而控制每个喷嘴处的泰勒锥形状及其喷射，实现了独立控制喷射。但是这种通过控制流量来控制每个喷嘴独立可控喷射的方式不利于大规模的集成，会导致系统结构复杂，不能够满足工业需求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供喷嘴喷射独立可控的阵列化喷印头及实现阵列化电流体喷印头独立可控喷射的方法，利用多级电压对喷印头各喷嘴处布局场强进行调控，实现各喷嘴喷射的独立可控，解决目前存在的对喷印头独立喷射控制存在的结构复杂、无法大规模集成使用的问题。

按照本发明的一个方面，提供一种各喷嘴喷射独立可控的阵列化电流体喷印头，可实现对喷印头的阵列化喷嘴中各喷嘴独立的喷射控制，该喷印头包括多个喷嘴阵列排布形成的阵列化喷嘴，其与接收板相对布置，用于将墨腔中的墨液通过喷嘴喷射到所述接收板上实现喷印，其特征在于，

该喷印头还包括设置在所述阵列化喷嘴与接收板之间的导引电极层，该导引电极层上设有与喷嘴数目对应的多个圆孔，各圆孔的中心与喷嘴的中心共线，在所述导引电极层上的各圆孔外周均同轴环绕有一圈导电环，且各导电环均与一个电压源连接，使得各喷嘴与对应的导电环之间建立电压，通过调整所述电压使得需要喷印的喷嘴与对应的导电环形成的电压差大于其他喷嘴与对应的导电环间的电压差，进而并且使待喷射喷嘴处的场强大于喷射启动所需场强，其他不喷射的喷嘴处场强小于喷射启动所需场强，即可控制需要喷印的喷嘴进行喷射而其他喷嘴不喷射，实现各喷嘴的独立控制。

作为本发明的改进，所述需要喷射的喷嘴处的启动场强大于其他喷嘴处的场强。

作为本发明的改进，所述喷嘴与喷射电压源(如脉冲直流电压源或者普通直流电压源)的正极相连，连接不同的电压源会决定打印出来液体的结构(液滴或者液线)，接收板与脉冲电压源负极相连或直接接地。

作为本发明的改进，所述喷印头采用气压供墨方式。

作为本发明的改进，所述每个喷嘴处的弯月面一致。

按照本发明的另一方面，提供一种实现阵列化电流体喷印头的各喷嘴喷射独立可控的方法，用于可分别控制喷印头阵列化喷嘴中的各喷嘴的独立喷射，其特征在于，该方法包括：

在所述喷印头的阵列化喷嘴与接收板之间增设导引电极层，该导引电极层上设有与喷嘴数目对应的多个圆孔，各圆孔的中心与喷嘴的中心共线，所述导引电极层上的各圆孔外周均同轴环绕有一圈导电环，

将各导电环均与一个电压源连接，使得各喷嘴与对应的导电环之间建立电压；以及

调整各喷嘴与对应的导电环之间的电压，使得需要喷射的喷嘴与对应的导电环形成的电压大于其他喷嘴与对应的导电环间的电压，进而并且使待喷射喷嘴处的场强大于喷射启动所需场强，其他不喷射的喷嘴处场强小于喷射启动所需场强，即可控制需要喷射的喷嘴进行喷射而其他喷嘴不喷射，实现各喷嘴的独立控制。

根据电流体喷印启动的机理，当喷嘴弯月面处溶液所受的电场力克服其自身的表面张力时，弯月面会逐渐变化成泰勒锥，并且随后将伴随有射流进行喷射。因此通过控制溶液供给和电压均能够实现单喷嘴电流体喷印的启停控制。对于多喷嘴的情况下，单纯的通过调节每个喷嘴处的溶液供给，如多个精密流量泵，或者多个精密调节的气压阀，会增加系统的复杂度，不利于有大规模喷嘴的情形。因此需要找到一种能够单纯利用电压来实现多个喷嘴独立控制喷射的方法。类似于传统喷墨打印机的喷印头，每个喷嘴处的溶液供给均来自于同一个储液腔，由同一个气压来控制，由于溶液具有连通性，因此每个喷嘴处的电压不能够实现单独控制。因此在多喷嘴与基板之间增加一个导引电极层来实现每个喷嘴处局部场强的控制。于是若能保证阵列化喷嘴中每个喷嘴处的弯月面形状一样，通过改变不同喷嘴处的局部场强分布状况，就能够实现独立的控制不同喷嘴处的喷射。这种通过控制电压来实现独立可控喷射的方法相对于单纯通过调节流量的供给来实现独立可控的方法不会有延迟，更有利于工业上大规模的进行集成。

相对于传统电流体喷印实验装置中阵列化喷嘴-接收板的结构，本技术方案中的阵列化喷嘴独立可控喷头，在阵列化喷嘴与接收板之间增设一个导引电极层来调控每个喷嘴局部空间的场强分布。导引电极层上设有与喷嘴数目一样多的圆孔，并且孔的位置与喷嘴的中心重合，在孔的周围环绕有一圈导电圆环，作用是引导射流的喷射。由于流到每个喷嘴处的溶液相互贯通，于是每个喷嘴处的电势一样，喷头是等势体。在本发明的阵列化喷嘴独立可控喷头中，每个喷嘴溶液的供给由压缩空气挤压墨腔实现。在实际电压源的连接中采用多级电压连接的方式来调控空间的电场，具体为多个电压源的接地端共同连接接收板，第一个电压源的正极连接多喷嘴，第二到第N个电压源的正极连接导引电极层上的导电环，并且第一个电压源的电压值大于其他电压源的电压值。为了实现单个喷嘴的喷射，只需要保证该喷嘴弯月面处的场强大于启动场强，而其他不喷射的喷嘴处弯月面的场强小于启动场强。具体连接时，只要保证选择合适的N个电压源的值，保证待喷射喷嘴处喷嘴到导电环之间的电压降大于其他喷嘴处的电压降，同时能够保证这些喷嘴处的场强大于启动场强，其他喷嘴处弯月面的场强小于启动场强，就能够实现这些喷嘴的独立可控喷射。

供液一般为压缩空气驱动墨腔的方式，这样能够保证每个喷嘴处的弯月面静止并且一致，为实现独立可控喷射提供了一个好的初始条件。第一个电源通常得提供脉冲式高压直流电压，能够对幅值、偏置、占空比、频率等进行调节。具体硬件的实现可由多种方式，如脉冲式高压直流电源，函数信号发生器与高压放大器的组合等。第二个到第N个电压源通常为直流电压，作用是改善单喷嘴局部空间的电场分布。除此之外，在该方案中，还能够通过改变待喷射喷嘴处电压的不同，实现能够独立控制喷射的同时，还能够进行改变液滴直径的大小，实现多级灰度打印。

与此同时，与这种控制方式对应的阵列化独立可控喷头的结构上要满足以下两点：第一，该喷头的供墨方式得用气压的方式，保证每个喷嘴处的弯月面是一样的；第二，该喷头需要提供多个电极接口方便与外界的电压源相连接，使得具有喷嘴与导引电极的成对结构，导引电极一般为圆环状，并且同轴度得保证得比较高。

使用该控制方法对阵列化独立可控喷嘴进行独立喷射控制的工作方式如下：安装好喷头，开启气压驱动器，将溶液输送至金属喷嘴出口处，并调整好气压值，使每个喷嘴出口处的弯月面维持稳定。根据待打印喷嘴的排布，将喷嘴下的环形电极所连接的高压电源电压值调整至合适的能够保证喷射的范围，其余不喷射喷嘴下的环形电极连接的高压电源调整至合适的不会使其喷射的范围。首先打开各个环形电极所连接的高压电源，最后打开每个喷嘴所连接的高压电源，这样能够使待打印金属喷嘴与接收板之间分布有足够高的静电场，喷嘴处的墨液在该静电场的作用下会形成泰勒锥，并会产生射流，并穿过导引环形电极的小孔打到基板上。这样就能够对阵列化喷嘴喷射的独立控制，实现每个喷嘴处的按需喷印。

与现有的独立喷射的控制方法相比，本发明具有以下优点：

(1)通过调控喷嘴与导电环之间的电压差来实现的方式结构简单，不会发生延迟，实现装置上只需要数个电压源就能够有效的实现阵列化喷嘴的独立可控喷射；

(2)在独立喷射的喷嘴处，通过合理的调整各个电压源的值，能够使导引电极与接收板之间仍存在较小的电压差，保证独立喷射射流的定位性和打印液滴的重复性。

(3)在独立喷射的喷嘴处，通过合理的调整各个电压源的值，能够使待喷射喷嘴弯月面处的场强都大于启动场强，但是又各不相同，于是可以实现不同直径液滴的喷射。

附图说明

图1是本发明的多级电压的原理示意图。

图2是按照本发明实施例的喷印头结构示意图。

图3是按照本发明实施例的能够实现独立可控喷射的阵列化电流体喷印头系统示意图。

图4是按照本发明实施例的进行独立可控喷射的实验图。

图5是按照本发明实施例的独立可控喷射在基板上打印的液滴图。

图6是按照本发明实施例的用该阵列化电流体喷印头打印的复杂图案。

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。

图1为本发明中多级电压法的原理示意图，阵列化电流体喷印头由101、103构成，101为阵列化喷嘴，103为导引电极层。其中102为不锈钢毛细管喷嘴，104为导电环，105为接收板，106为直流电压源，107为接地端，108为脉冲式直流电压源，109为该阵列化电流体喷印头中储液腔中的打印溶液。

多级电压法通过在多个不锈钢毛细管喷嘴102与对应的导电环104设置多个不同的电压来实现多个不同的电压差，进而改变不同喷嘴处的电场值，将并行多喷嘴转变成独立可控多喷嘴。

根据电喷印启动的条件，当电压差越大时，喷嘴处的弯月面所受的电场力也越大，当大到能够克服表面张力时，射流就会喷射。利用这个原理，可以设置不同的电压源来分别连接各个导电环，如图1中的V1，V2和V3，这样就能够实现独立可控的控制单个或者多个喷嘴的喷射。这样，利用多级电压法就能够实现多喷嘴的独立可控喷射，除此之外，由于喷射喷嘴对应的导电环与接收板间仍然存在竖直向下的场强，因此多级电压法还能够有助于提高射流的定位性。当喷射的喷嘴处的场强各不相同时，还能够实现每个喷射喷嘴打印出不同直径的液滴。

图2为本发明中给出的一个应用实例中的实验装置示意图，值得一提的是，在实际的应用中，只需要一个脉冲直流电压源，一个直流电压源，一个接地端就能够实现独立可控喷射。为了实现某喷嘴喷射优选可以只需要让对应的导电环连接接地端即可，为了实现某喷嘴不喷射可以只需要让对应的导电环连接直流电压源即可。为了验证本发明中多级电压法的可行性，采用了如图示中的实验装置进行验证。201为直流电压源，202为气压控制器，203为脉冲放大器，204为NI脉冲信号发生器，205为阵列化独立可控电流体喷印头，206为光源，207为高速相机，208为XY运动平台，209为电脑。气压控制器202主要为了使喷印头中多个喷嘴维持相同的弯月面形状。NI脉冲信号发生器204与脉冲放大器203的作用是输出脉冲式直流电压给每一个喷嘴接电。直流电压源201的作用主要是配合接地端一起实现多喷嘴独立可控喷射的控制。光源和高速相机的作用是观测射流发生的整个过程。电脑主要控制和协调各个模块的工作。

图3是本发明给出实例中能够实现独立可控喷射的一种阵列化电流体喷印头结构示意图。301为喷头主体(本实施例中可以选用PMMA喷头主体)，302为接气注液孔，303为储液腔，304为接电孔，305为不锈钢毛细管，306为FR-4导引电极层，307为导电环。有机玻璃喷头主体能够夹持住多喷嘴，实现储液腔和喷嘴的一体化集成。接气注液孔的作用有两个，一是方便灌注溶液，二是作为气压控制器的输出口控制多喷嘴的弯月面形状。接电孔连接脉冲式直流电压源来给喷嘴施加周期性的脉冲直流信号。FR-4导引电极层306的作用是改善空间的电场分布，其上的导电环307连接直流电压源或者接地端来实现多喷嘴的独立喷射控制。

图4是本发明所应用的一个实例中进行独立可控喷射的实验图。图中表示的就是各个喷嘴不同喷射状态下的组合图。根据电流体喷印的原理，当不锈钢毛细管喷嘴与导电环以及接收板之间存在足够大的高压静电场时，会引起喷嘴处墨液中的电荷极化，在多种力的共同作用下发生流变行为，先形成泰勒锥、在形成射流，从喷嘴处流出，通过控制电压的形式能实现射流的断裂，从而能够在基板上产生墨滴。在本实例中，为了实现独立控制任意一个喷嘴的喷射，需要调节好电压源的参数，并且将该喷嘴下对应的导电环接地，其他不需要喷射的喷嘴下对应的导电环接直流电压，不锈钢喷嘴本身都接脉冲电压源的正极即可。当脉冲直流电压达到峰值时，待喷射喷嘴处的溶液极化，受电场力的作用形成泰勒锥；当继续加载峰值电压后，会形成射流，穿过导电环上的小孔并沉积在待打印基板上；当脉冲电压停止加载时，射流断裂，打印完的液滴会保留在打印介质上，形成点阵，并且射流消失，针嘴处的溶液恢复初始弯月面状态。

图5是实例中独立可控喷射喷头在疏水硅片上打印的液滴图。

图6是实例中阵列化电流体喷印头配合基板的运动所打印的复杂图案大写字母H的轮廓。

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 (9)

1.一种喷嘴喷射独立可控的阵列化电流体喷印头，可实现对喷印头的阵列化喷嘴中各喷嘴独立的喷射控制，该喷印头包括多个喷嘴阵列排布形成的阵列化喷嘴，其与接收板相对布置，用于将墨腔中的墨液通过喷嘴喷射到所述接收板上实现喷印，其特征在于， 

该喷印头还包括设置在所述阵列化喷嘴与接收板之间的导引电极层，该导引电极层上设有与喷嘴数目对应的多个圆孔，各圆孔的中心与喷嘴的中心共线，在所述导引电极层上的各圆孔外周均同轴环绕有一圈导电环，且各导电环均与对应的电压源连接，使得在各喷嘴与对应的导电环之间建立电压，通过调整各个电压值使得需要喷印的喷嘴与对应的导电环形成的电压大于其他喷嘴与对应的导电环间的电压，进而使待喷射喷嘴处的场强大于喷射启动所需场强，其他不喷射的喷嘴处场强小于喷射启动所需场强，即可控制需要喷印的喷嘴进行喷射而其他喷嘴不喷射，实现各喷嘴的独立控制。 

2.根据权利要求1所述的一种各喷嘴喷射独立可控的阵列化电流体喷印头，其中，所述喷嘴与喷射电压源的正极相连，各导引电极层与各个直流电压源的正极相连，接收板与喷射电压源的负极以及各个直流电压源的负极相连。 

3.根据权利要求2所述的一种各喷嘴喷射独立可控的阵列化电流体喷印头，其中，喷射电压源可以是脉冲电压源或直流电压源。 

4.根据权利要求1或2所述的一种各喷嘴喷射独立可控的阵列化电流体喷印头，其中，所述喷印头采用气压供墨方式。 

5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种各喷嘴喷射独立可控的阵列化电流体喷印头，其中，每个喷嘴处的弯月面一致。 

6.一种实现阵列化电流体喷印头的各喷嘴喷射独立可控的方法，用于 可分别控制喷印头阵列化喷嘴中的各喷嘴的独立喷射，其特征在于，该方法包括： 

在所述喷印头的阵列化喷嘴与接收板之间增设导引电极层，该导引电极层上设有与喷嘴数目对应的多个圆孔，各圆孔的中心与喷嘴的中心共线，所述导引电极层上的各圆孔外周均同轴环绕有一圈导电环，将各导电环均与对应的电压源连接，使得各喷嘴与对应的导电环之间建立电压差；以及 

调整各喷嘴与对应的导电环之间的电压，使得需要喷射的喷嘴与对应的导电环形成的电压大于其他喷嘴与对应的导电环间的电压，进而使待喷射喷嘴处的场强大于喷射启动所需场强，其他不喷射的喷嘴处场强小于喷射启动所需场强，即可控制需要喷印的喷嘴进行喷射而其他喷嘴不喷射，实现各喷嘴的独立控制。 

7.根据权利要求6所述的一种实现阵列化电流体喷印头的各喷嘴喷射独立可控的方法，其中，所述喷嘴与脉冲电压源的正极相连，接收板与脉冲电压源负极相连或直接接地。 

8.根据权利要求6或7所述的一种实现阵列化电流体喷印头的各喷嘴喷射独立可控的方法，其中，所述喷印头采用气压供墨方式。 

9.根据权利要求6-8中任一项所述的一种实现阵列化电流体喷印头的各喷嘴喷射独立可控的方法，其中，每个喷嘴处的弯月面一致。