CN105129769B - 微滴喷射装置及采用微滴喷射装置沉积制备CNTs薄膜的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微滴喷射装置及采用微滴喷射装置沉积制备CNTs薄膜的方法，用于解决现有微滴喷射装置所制备的CNTs薄膜质量差的技术问题。技术方案是包括压力控制器、振动驱动器、三维运动基板、喷嘴、共振玻璃管、压电陶瓷管、计算机和三维运动基板控制器。调节压力控制器，使喷嘴处的CNTs悬浮液具有背压。然后通过振动驱动器使驱动压电陶瓷管产生快速振动，振动通过共振玻璃管传给微流道共振腔内的CNTs悬浮液，实现微小CNTs悬浮液微滴的喷射。计算机控制三维运动基板进行三维运动，完成CNTs薄膜的制备。本发明在开放环境下按照设计指定部位进行尺寸可控制的CNTs薄膜制备，提高了制备CNTs薄膜的质量。
Description
技术领域
本发明涉及一种微滴喷射装置，还涉及一种采用微滴喷射装置沉积制备碳纳米管(以下简称CNTs)薄膜的方法。
背景技术
现代电子产业往高性能化、微型化、集成化方向发展的趋势，对基础电子器件的结构、性能提出了较高要求。现有电子器件因受材料本身性质的限制，很难满足市场对高性能电子器件的追求。CNTs因其优异的电学、化学及力学性能，如，优秀的热传导性，良好的机械强度，纯净半导体性的CNTs相比于现有的半导体材料，更是能承载更大的电流、有着更高的开关频率，甚至有希望超越现阶段半导体工业的极限，成为下一代低耗高性能微电子线路的主要功能器件。然而现有碳基功能器件的制备技术如原位生长法、沉积\转嫁法等，前者存在着生长效率低、对高温环境要求苛刻及成本高昂的弊端；后者较难实现CNTs阵列或者薄膜的精准转移，可控性差，因此这些方法都难以制备高性能的碳基功能器件。利用CNTs悬浮液的可控喷射有望实现对CNTs悬浮液微滴的精确定量的精准打印，从而得到高性能的碳基器件。该方法的基本工作原理是：由微小压电陶瓷管与玻璃管微流道组成共振腔，在压电陶瓷两极之间施加瞬间高电压，从而在共振腔中产生瞬间高压力，通过此压力迫使CNTs悬浮液从共振腔前部柔性连接的微小喷嘴中喷射出来，形成CNTs悬浮液微滴，并使用该微滴成型CNTs制件。
文献“Ferrocene-ethanol-mist CVD grown SWCNT films as transparentelectrodes.Procedia Engineering.93(2014)49–58”公开了一种采用化学气相沉积的方法在硅基底上制备单壁CNTs薄膜。其基本过程为：在氩气保护的无氧环境下，以乙醇和二茂铁分别作为碳源和催化剂，将二茂铁溶于乙醇后超声搅拌30分钟，再利用喷雾器喷射形成雾状微小颗粒，经过800摄氏度以上的高温条件形成单壁CNTs并沉积在硅基底上。利用该种方法制备CNTs薄膜时，不仅对环境温度和氧含量要求苛刻，而且其制备过程复杂，对氩气的流量控制要求较高，最突出的缺陷是用该方法制备的CNTs薄膜时不仅要求基底能承受高温，且薄膜的外观尺寸取决于基底的外观尺寸，并且难以保证CNTs均匀分布在基底上获得均匀的CNTs薄膜。
发明内容
为了克服现有微滴喷射装置所制备的CNTs薄膜质量差的不足，本发明提供一种微滴喷射装置。该装置包括压力控制器、储液器、振动驱动器、三维运动基板、喷嘴、共振玻璃管、压电陶瓷管、计算机和三维运动基板控制器。调节压力控制器，使储液器内具备一定压力，使喷嘴处的CNTs悬浮液具有背压。然后通过振动驱动器向压电陶瓷管的正负两极施加驱动信号，驱动压电陶瓷管产生快速振动，振动通过共振玻璃管传给微流道共振腔内的CNTs悬浮液，实现微小CNTs悬浮液微滴的喷射。计算机通过三维运动基板控制器控制三维运动基板进行三维运动，逐点、逐线、逐层堆积成型，完成CNTs薄膜的制备。本发明在开放环境下按照设计方案指定部位进行尺寸可控制的CNTs薄膜制备，采用逐点、逐线、逐层沉积的快速原型制备方法，制备无需模具。由于采用计算机控制，能够快速制备出形状复杂、质量可控的CNTs薄膜，提高了制备CNTs薄膜的质量。
本发明还提供采用微滴喷射装置沉积制备CNTs薄膜的方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种微滴喷射装置，其特点是：包括压力控制器1、储液器2、振动驱动器3、三维运动基板4、喷嘴6、共振玻璃管8、压电陶瓷管9、固定套10、塑料管11、计算机12和三维运动基板控制器13。所述储液器2的一端接压力控制器1，另一端通过硅胶软管接共振玻璃管8的一端。共振玻璃管8的另一端通过塑料管11与喷嘴6同轴连接，压电陶瓷管9两端通过固定套10上的阶梯孔固定，固定套10与压电陶瓷管9之间留有间隙用来填充密封胶。喷嘴6与共振玻璃管8和塑料管11同轴。共振玻璃管8通过导电胶固定在压电陶瓷管9管内，共振玻璃管8的内孔构成微流道共振腔。调节压力控制器1，使储液器2内具备一定压力，使喷嘴6处的CNTs悬浮液有压力值可调的背压。然后通过振动驱动器3向压电陶瓷管9的正负两极施加驱动信号，驱动压电陶瓷管9产生快速振动，振动通过共振玻璃管8传给微流道共振腔内的CNTs悬浮液，压力波通过CNTs悬浮液迅速传递至喷嘴6处，实现微小CNTs悬浮液微滴7的喷射。计算机12通过三维运动基板控制器13控制三维运动基板4进行三维运动，完成CNTs薄膜5的制备。
一种采用上述微滴喷射装置沉积制备CNTs薄膜的方法，其特点是包括以下步骤：
步骤一、对储液器2和共振玻璃管8以及连接储液器2和共振玻璃管8的硅胶软管进行清理并烘干，保证没有水分，对喷嘴6进行超声清洗20-30分钟，清理掉附着在喷嘴6内的杂物，对CNTs悬浮液进行超声分散30-60分钟，减少CNTs团聚；
步骤二、将清洗过的喷嘴6安装好之后，利用一端密封的硅胶软管套住喷嘴6的喷射端，通过压力控制器1向储液器2内部施加8-10kPa压力，观测压力值的变化，检测密封性直到满足密封性要求；
步骤三、将超声分散过的CNTs悬浮液装入储液器2内，取下喷嘴6喷射端的硅胶软管，调节压力控制器1的压力，使CNTs悬浮液充满共振玻璃管8和与其连接的喷嘴6；
步骤四、调节振动驱动器3产生脉宽在5-100μs的脉冲驱动信号，在压电陶瓷管9两极之间产生260-320V高压，压电陶瓷管9发生迅速变形，在微流道共振腔内产生瞬间高压力，迫使CNTs悬浮液从与共振玻璃管8连接的喷嘴6喷射出并形成CNTs悬浮液微滴7；
步骤五、运用计算机12中的CAD软件建立目标成型结构的三维模型，并保存为STL格式文件，将STL文件导入指定的切片处理软件，对三维模型进行二维切片图形数据处理，得出每一层的微滴喷射堆积路径数据；
步骤六、启动三维运动基板控制器13，将步骤五生成的微滴喷射堆积路径进行导入和读取，通过三维运动基板控制器13控制三维运动基板4在X-Y平面内以0.5-1mm/s的速度做水平运动，使得CNTs悬浮液微滴准确地堆积在三维运动基板4的设计位置，如此反复，逐点、逐线、逐层堆积成型，完成CNTs薄膜5的制备。
本发明的有益效果是：该微滴喷射装置包括压力控制器、储液器、振动驱动器、三维运动基板、喷嘴、共振玻璃管、压电陶瓷管、计算机和三维运动基板控制器。调节压力控制器，使储液器内具备一定压力，使喷嘴处的CNTs悬浮液具有背压。然后通过振动驱动器向压电陶瓷管的正负两极施加驱动信号，驱动压电陶瓷管产生快速振动，振动通过共振玻璃管传给微流道共振腔内的CNTs悬浮液，实现微小CNTs悬浮液微滴的喷射。计算机通过三维运动基板控制器控制三维运动基板进行三维运动，逐点、逐线、逐层堆积成型，完成CNTs薄膜的制备。本发明在开放环境下按照设计方案指定部位进行尺寸可控制的CNTs薄膜制备，采用逐点、逐线、逐层沉积的快速原型制备方法，制备无需模具。由于采用计算机控制，能够快速制备出形状复杂、质量可控的CNTs薄膜，提高了制备CNTs薄膜的质量。
以下结合附图和实施例详细说明本发明。
附图说明
图1是本发明微滴喷射装置的示意图。
图中，1-压力控制器；2-储液器；3-振动驱动器；4-三维运动基板；5-CNTs薄膜；6-喷嘴；7-CNTs悬浮液微滴；8-共振玻璃管；9-压电陶瓷管；10-固定套；11-塑料管；12-计算机；13-三维运动基板控制器。
具体实施方式
参照图1。本发明微滴喷射装置包括压力控制器1、储液器2、振动驱动器3、三维运动基板4、喷嘴6、共振玻璃管8、压电陶瓷管9、固定套10、塑料管11、计算机12和三维运动基板控制器13。所述储液器2的一端接压力控制器1，另一端通过硅胶软管接共振玻璃管8的一端。共振玻璃管8的另一端通过塑料管11与喷嘴6同轴连接，压电陶瓷管9两端通过固定套10上的阶梯孔固定，固定套10与压电陶瓷管9之间留有间隙用来填充密封胶。喷嘴6与共振玻璃管8和塑料管11同轴。共振玻璃管8通过导电胶固定在压电陶瓷管9管内，共振玻璃管8的内孔构成微流道共振腔。调节压力控制器1，使储液器2内具备一定压力，使喷嘴6处的CNTs悬浮液有压力值可调的背压。然后通过振动驱动器3向压电陶瓷管9的正负两极施加驱动信号，驱动压电陶瓷管9产生快速振动，振动通过共振玻璃管8传给微流道共振腔内的CNTs悬浮液，压力波通过CNTs悬浮液迅速传递至喷嘴6处，实现微小CNTs悬浮液微滴7的喷射。计算机12通过三维运动基板控制器13控制三维运动基板4进行三维运动。
在进行目标CNTs薄膜制备时，根据薄膜的形状及厚度要求，利用计算机12中的CAD软件对线路部分进行建模，并将三维模型保存为STL文件，再将此文件导入指定的切片数据处理软件，获得最佳成型路线，得到最佳运动轨迹，然后进入喷射装置的安装准备阶段，将储液器2和输液管超声清洗30-40分钟后，选择事先制作好的直径为80μm的喷嘴6，并从喷嘴下端装入塑料管11中，在塑料管11的下端涂上密封胶，保证装置的密封性。待密封胶固化后，用一头密封的硅胶软管套住喷嘴6前端，然后通过压力控制器1向储液器2内施加8-10kPa的压力，检查装置的密封性。
将配置好的CNTs悬浮液超声分散30-60分钟，减少CNTs团聚，然后将其装入储液器2内，在此过程中，避免杂质落入储液器2内以致喷嘴6堵塞，再通过压力控制器1向储液器2内缓慢的通入气压，以使CNTs悬浮液充满整个微流道和喷嘴6，之后通过压力控制器1关闭压力。
调节储液器2和喷头的位置，将储液器2的液面调至低于喷嘴6下端面的2cm处，使喷嘴6下端面处的液面在储液器内CNTs悬浮液重力的作用下形成向上凹的月牙状，以利于CNTs悬浮液微滴7的形成。
通过振动驱动器3对压电陶瓷管9的正负极之间施加脉冲信号，选择的脉冲信号由函数发生器产生，经过振动驱动器3放大而得，并调节脉冲信号的脉宽、频率及电压幅值，改变压电陶瓷的振动状态。瞬间的脉冲信号使压电陶瓷管9迅速变形并产生压力，迫使液体从共振腔前部的喷嘴6喷射出并形成CNTs悬浮液微滴7。
对于物性特殊的CNTs悬浮液，由于其稳定性较差，可通过调节振动驱动器3产生的驱动信号的幅值电压、脉宽等来改变共振玻璃管8产生形变的速度和振动强度，直到得到稳定的单颗CNTs悬浮液微滴7；
当喷嘴6因杂质而堵塞或喷射不稳定时，通过在压力入口处施加正压或负压，使得微流道共振腔内的流体高速运动，带走聚集在喷嘴6处的杂质，达到清理喷嘴6的目的。
调试得到单颗、稳定、尺寸均匀的微滴后，根据之前获得的最佳的成型路径数控文件，通过三维运动基板控制器13控制三维运动基板4联合运动，配合CNTs悬浮液微滴的定点按需喷射，逐点、逐线、逐层地堆积出CNTs薄膜，待堆积成型结束后，取出CNTs薄膜5，并对制件进行烘干处理，使溶剂充分蒸发，最后得到直接打印的CNTs薄膜。
Claims (1)
1.一种采用微滴喷射装置沉积制备CNTs薄膜的方法，所述的微滴喷射装置包括压力控制器(1)、储液器(2)、振动驱动器(3)、三维运动基板(4)、喷嘴(6)、共振玻璃管(8)、压电陶瓷管(9)、固定套(10)、塑料管(11)、计算机(12)和三维运动基板控制器(13)；所述储液器(2)的一端接压力控制器(1)，另一端通过硅胶软管接共振玻璃管(8)的一端；共振玻璃管(8)的另一端通过塑料管(11)与喷嘴(6)同轴连接，压电陶瓷管(9)两端通过固定套(10)上的阶梯孔固定，固定套(10)与压电陶瓷管(9)之间留有间隙用来填充密封胶；喷嘴(6)与共振玻璃管(8)和塑料管(11)同轴；共振玻璃管(8)通过导电胶固定在压电陶瓷管(9)管内，共振玻璃管(8)的内孔构成微流道共振腔；调节压力控制器(1)，使储液器(2)内具备一定压力，使喷嘴(6)处的CNTs悬浮液有压力值可调的背压；然后通过振动驱动器(3)向压电陶瓷管(9)的正负两极施加驱动信号，驱动压电陶瓷管(9)产生快速振动，振动通过共振玻璃管(8)传给微流道共振腔内的CNTs悬浮液，压力波通过CNTs悬浮液迅速传递至喷嘴(6)处，实现微小CNTs悬浮液微滴(7)的喷射；计算机(12)通过三维运动基板控制器(13)控制三维运动基板(4)进行三维运动，完成CNTs薄膜(5)的制备；其制备CNTs薄膜的方法包括以下步骤：
步骤一、对储液器(2)和共振玻璃管(8)以及连接储液器(2)和共振玻璃管(8)的硅胶软管进行清理并烘干，保证没有水分，对喷嘴(6)进行超声清洗20-30分钟，清理掉附着在喷嘴(6)内的杂物，对CNTs悬浮液进行超声分散30-60分钟，减少CNTs团聚；
步骤二、将清洗过的喷嘴(6)安装好之后，利用一端密封的硅胶软管套住喷嘴(6)的喷射端，通过压力控制器(1)向储液器(2)内部施加8-10kPa压力，观测压力值的变化，检测密封性直到满足密封性要求；
步骤三、将超声分散过的CNTs悬浮液装入储液器(2)内，取下喷嘴(6)喷射端的硅胶软管，调节压力控制器(1)的压力，使CNTs悬浮液充满共振玻璃管(8)和与其连接的喷嘴(6)；
步骤四、调节振动驱动器(3)产生脉宽在5-100μs的脉冲驱动信号，在压电陶瓷管(9)两极之间产生260-320V高压，压电陶瓷管(9)发生迅速变形，在微流道共振腔内产生瞬间高压力，迫使CNTs悬浮液从与共振玻璃管(8)连接的喷嘴(6)喷射出并形成CNTs悬浮液微滴(7)；
步骤五、运用计算机(12)中的CAD软件建立目标成型结构的三维模型，并保存为STL格式文件，将STL文件导入指定的切片处理软件，对三维模型进行二维切片图形数据处理，得出每一层的微滴喷射堆积路径数据；
步骤六、启动三维运动基板控制器(13)，将步骤五生成的微滴喷射堆积路径进行导入和读取，通过三维运动基板控制器(13)控制三维运动基板(4)在X-Y平面内以0.5-1mm/s的速度做水平运动，使得CNTs悬浮液微滴准确地堆积在三维运动基板(4)的设计位置，如此反复，逐点、逐线、逐层堆积成型，完成CNTs薄膜(5)的制备。
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