CN105584215A - 一种电液耦合喷印点阵结构装置及其方法 - Google Patents

Abstract

一种电液耦合喷印点阵结构装置及其方法，涉及电液耦合喷印。电液耦合喷印点阵结构装置设有笔芯、固定件、振动发生器、笔筒、对中块、对中块流道、笔筒端盖、笔头、气源、气阀、基片、运动平台、运动控制器和高压直流电源。电液耦合喷印点阵结构的方法：1)采用所述电液耦合喷印点阵结构装置，将溶液装入笔筒，合上笔筒端盖，并确保笔筒的密封性；2)控制气阀，调节气源对溶液的驱动气压大小；3)打开振动发生器，设定振动发生器的输出振幅和频率，笔芯相对于笔头做同样的振动；4)在运动控制器上设定运动平台的运动路径和运动速度，从而带动基片运动；5)打开高压电源，设定输出电压值，笔头上的液滴向基片喷印，并形成点阵结构的喷印图案。

Description

一种电液耦合喷印点阵结构装置及其方法

技术领域

本发明涉及电液耦合喷印，特别是涉及一种电液耦合喷印点阵结构装置及其方法。

背景技术

电液耦合喷印技术克服了传统喷印技术液滴体积大、墨水要求严格等缺点，已经在微纳制造领域显示出了巨大的应用潜力。近年来，大量关于电液耦合喷印的文献不断涌现，相关专利也如雨后春笋。

中国专利CN200420107832.5、CN200410025622.6等都提出一种电液耦合喷印的喷头装置。目前，电液耦合喷印技术仍主要集中于单针管喷头的研究，然而文献证明，单针管喷头的启始喷射电压一般较高，产生的液滴射流直径、沉积位置较难控制；若在喷管中心放置实心针，不仅对提高射流喷射的稳定性方面具有很好的促进作用，而且可以降低射流喷射或液滴喷印的启动电压。中国专利CN201220142941.5提出一种电液动力耦合直写有芯喷头的夹具装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电液耦合喷印点阵结构装置。

本发明的另一目的在于提供一种电液耦合喷印点阵结构的方法。

所述电液耦合喷印点阵结构装置设有笔芯、固定件、振动发生器、笔筒、对中块、对中块流道、笔筒端盖、笔头、气源、气阀、基片、运动平台、运动控制器和高压直流电源；

所述笔芯上端通过固定件与振动发生器连接，对中块设在笔筒内，对中块周向设有数个对中块流道，笔芯从笔筒端盖伸入笔筒内部并穿过对中块，笔芯的末端从笔头伸出，笔筒的上端经气阀与气源连通；基片设于笔头下方并置于运动平台上，运动平台与运动控制器连接，笔头与高压直流电源电连接，基片接地，笔筒内注入溶液。

所述笔芯可通过连接件与笔筒端盖连接。

所述笔筒可采用微调器夹持，微调器可以调整笔筒竖直方向上的位置，从而改变笔芯伸出笔头的长度。

所述笔头的内径可为50～800μm，所述笔芯的外径可为20～400μm，笔芯的末端从笔头伸出的长度可为10～400μm，笔头与基片之间的距离可为1～10mm。

所述高压直流电源的电压可为1～5kV。

所述电液耦合喷印点阵结构的方法，包括以下步骤：

1)采用所述电液耦合喷印点阵结构装置，将溶液装入笔筒，合上笔筒端盖，并确保笔筒的密封性；

2)控制气阀，调节气源对溶液的驱动气压大小；

3)打开振动发生器，设定振动发生器的输出振幅和频率，此时笔芯相对于笔头做同样的振动；

4)在运动控制器上设定运动平台的运动路径和运动速度，从而带动基片运动；

5)打开高压电源，设定输出电压值，笔头上的液滴向基片喷印，并形成点阵结构的喷印图案。

在所述电液耦合喷印点阵结构装置中，笔筒内部设有对中块，对中块周向均布数个对中块流道，对中块流道是溶液从笔筒内腔流向笔头的通道。当笔芯在竖直方向振动时，对中块可以限制笔芯在其径向的中心位置，起到对中、限位的作用。选择不同的笔头内径、笔芯外径、笔芯伸出笔头的长度、笔头与基片之间的距离，会影响笔头与笔芯之间溶液的流动情况，从而改变喷印沉积的点阵排列。笔筒由微调器夹持住，微调器可以调整笔筒竖直方向上的位置，从而改变笔芯伸出笔头的长度。本发明优选微调器夹持笔筒的方式来改变笔芯伸出笔头的长度，但不限制于此种方式。

本发明借助对溶液上方的腔室进行气体加压的方法，将喷印溶液挤压至笔头。因此，控制气阀可以调节喷印溶液的供液速度。气压值范围优选0.1～1MPa。本发明输送溶液的方式不仅仅局限于此种方法，可以采用注射泵推挤、重力自主流动等方式供液。本实施例优选气动方式。

笔芯伸出笔头的长度不同，导致喷印所需的启动电压、维持电压不同。所以，如果采用同样的电压值进行喷印，笔芯伸出笔头的长度不断变化时，其每个笔芯位置对应所需的启动电压、维持电压也在变化，当施加的电压值小于维持电压时射流出现断流、喷印停止，当施加的电压值大于启动电压值射流又会出现。当笔芯在振动发生器的激振下，笔芯在笔头处以某一振幅、频率振动，就会周期性地改变喷印启停，最后在基片上形成点阵结构的喷印图案。

高压直流电源的电压值可设定为1～5kV，此时笔头与基片之间形成高压静电场，笔头上的溶液液滴，在笔芯振动和静电场力的作用下，在基片上形成点阵结构的喷印图案。

本发明结合电液耦合有芯喷头可以降低液滴喷印启动电压的优点，提出一种通过振动发生器控制喷头中心笔芯，从而实现按需喷印的方法。

本发明可实现利用高压直流静电进行喷印，并得到理想的点阵结构，且喷印过程中笔尖汇聚点稳定、喷印启停灵敏。该方法克服现有喷印方法不能利用高压直流静电进行制备点阵结构的缺点。本发明利用笔芯在笔头做规律性的上下激振，当笔芯受到激振而伸出笔头一定长度时，射流在高压直流静电的驱动下发生喷射，当笔芯回缩进笔头后，射流喷射停止，进而改变喷印的通断，实现利用高压直流静电进行喷印，得到理想的点阵结构，且喷印过程中射流在笔尖汇聚点稳定、喷印启停灵敏。克服现有装置不能利用高压直流静电进行制备点阵结构的缺点。

与现有技术相比，本发明具有如下显著技术效果：

1)本发明最突出的创造性，是利用笔芯相对于笔头做规律性的激振，来控制喷射的启停，从而得到点阵结构。

2)引入笔芯，可以控制溶液在笔芯上的稳定性，控制液滴喷印的品质。

附图说明

图1为本发明所述电液耦合喷印点阵结构装置实施例结构示意图。

图中标号：图中标号：1、运动控制器；2、对中块；3、对中块流道；4、笔芯；5、笔筒端盖；6、连接件；7、固定件；8、振动发生器；9、气阀；10、气源；11、溶液；12、笔筒；13、高压直流电源；14、笔头；15、基片；16、运动平台。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。

参见图1，本发明所述电液耦合喷印点阵结构装置实施例设有笔芯4、固定件7、振动发生器8、笔筒12、对中块2、对中块流道3、笔筒端盖5、笔头14、气源10、气阀9、基片15、运动平台16、运动控制器1和高压直流电源13。

所述笔芯4上端通过固定件7与振动发生器8连接，对中块2设在笔筒12内，对中块2周向设有数个对中块流道3，笔芯4从笔筒端盖5伸入笔筒12内部并穿过对中块2，笔芯4的末端从笔头14伸出，笔筒12的上端经气阀9与气源10连通；基片15设于笔头14下方并置于运动平台16上，运动平台16与运动控制器1连接，笔头14与高压直流电源13电连接，基片15接地，笔筒12内注入溶液11。

所述笔芯4可通过连接件6与笔筒端盖5连接。所述笔筒12可采用微调器夹持，微调器可以调整笔筒竖直方向上的位置，从而改变笔芯伸出笔头的长度。所述笔头14的内径可为50～800μm，所述笔芯4的外径可为20～400μm，笔芯4的末端从笔头14伸出的长度优选可为10～400μm，笔头14与基片15之间的距离可为1～10mm。

所述高压直流电源13的电压可为1～5kV。

笔芯上端通过固定件与振动发生器的输出轴刚性连接，振动发生器输出的振动传递给笔芯，使笔芯具有相同频率和振幅的竖直振动。笔筒内部设有对中块，对中块周向均布数个对中块流道，对中块流道是溶液从笔筒内腔流向笔头的通道。当笔芯在竖直方向振动时，对中块可以限制笔芯在其径向的中心位置，起到对中、限位的作用。笔芯从笔筒端盖伸入笔筒内部，穿过对中块，最后笔芯末端从笔头伸出。笔筒由微调器夹持住，微调器可以调整笔筒竖直方向上的位置，从而改变笔芯伸出笔头的长度。笔筒上端与气源、气阀连通。设有气源，可以对溶液上方的腔室施加气压。同时，调节气阀，控制笔筒内腔的气压大小，进而可以控制溶液的挤出速度。笔头下方设有基片，基片放置在运动平台上，运动平台与运动控制器连接。在运动控制器上可以设定运动平台的运动轨迹、速度，从而带动基片以特定的轨迹运动。笔头与高压直流电源电性连接，基片接地。

下面具体阐述喷印点阵结构的具体步骤：

1)按照图1所示装配组件，笔头内径为340μm、笔芯外径200μm、笔芯伸出笔头的长度150μm、笔头与基片之间的距离1.5mm，并将3％PEO溶液(溶剂为去离子水、无水酒精，体积比1∶2)装入笔筒，合上笔筒端盖，并确保笔筒的密封性；

2)控制气阀，调节气源对溶液的驱动气压0.3MPa；

3)打开振动发生器，设定振动发生器的输出振幅为200μm，频率为20赫兹，此时笔芯相对于笔头做同样的振动；

4)在运动控制器上设定运动平台的运动路径和运动速度，从而带动基片运动。

5)打开高压电源，设定输出电压值为2.5kV，笔头上的液滴在基片上形成点阵结构的喷印图案。

Claims (7)

1.一种电液耦合喷印点阵结构装置，其特征在于设有笔芯、固定件、振动发生器、笔筒、对中块、对中块流道、笔筒端盖、笔头、气源、气阀、基片、运动平台、运动控制器和高压直流电源；

所述笔芯上端通过固定件与振动发生器连接，对中块设在笔筒内，对中块周向设有数个对中块流道，笔芯从笔筒端盖伸入笔筒内部并穿过对中块，笔芯的末端从笔头伸出，笔筒的上端经气阀与气源连通；基片设于笔头下方并置于运动平台上，运动平台与运动控制器连接，笔头与高压直流电源电连接，基片接地，笔筒内注入溶液。

2.如权利要求1所述一种电液耦合喷印点阵结构装置，其特征在于所述笔芯通过连接件与笔筒端盖连接。

3.如权利要求1所述一种电液耦合喷印点阵结构装置，其特征在于所述笔筒采用微调器夹持，微调器调整笔筒竖直方向上的位置，改变笔芯伸出笔头的长度。

4.如权利要求1所述一种电液耦合喷印点阵结构装置，其特征在于所述笔头的内径为50～800μm，所述笔芯的外径为20～400μm。

5.如权利要求1所述一种电液耦合喷印点阵结构装置，其特征在于所述笔芯的末端从笔头伸出的长度为10～400μm，笔头与基片之间的距离为1～10mm。

6.如权利要求1所述一种电液耦合喷印点阵结构装置，其特征在于所述高压直流电源的电压为1～5kV。

7.一种电液耦合喷印点阵结构的方法，其特征在于包括以下步骤：

1)采用如权利要求1～6中任一所述电液耦合喷印点阵结构装置，将溶液装入笔筒，合上笔筒端盖，并确保笔筒的密封性；

2)控制气阀，调节气源对溶液的驱动气压大小；

3)打开振动发生器，设定振动发生器的输出振幅和频率，此时笔芯相对于笔头做同样的振动；

4)在运动控制器上设定运动平台的运动路径和运动速度，从而带动基片运动；

5)打开高压电源，设定输出电压值，笔头上的液滴向基片喷印，并形成点阵结构的喷印图案。