CN105773965B - 一种倒置式单电极电流体三维喷印装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种倒置式单电极电流体三维喷印装置，包括微加工喷头单元、接收基板单元、过程监测单元和系统控制单元；微加工喷头单元包括喷头、喷头高度调节支架、进液管、储液管和储液管液面调节支架；接收基板单元包括二维移动平台，导电层和接收基板；过程监测单元包括白光源、单筒显微镜和相机；系统控制单元包括计算机、高压电源和移动平台控制器。该装置通过重力作用抑制电场力作用，实现微米/亚微米尺度图案化微加工，并实现三维形貌的控制。

Description

一种倒置式单电极电流体三维喷印装置

技术领域

本发明属于三维微加工技术领域，具体涉及一种倒置式单电极电流体三维喷印装置。

背景技术

电流体动力的喷印技术是基于静电效应的非接触式喷墨打印过程，打印墨水在电场力的拉伸作用下，在喷头处形成稳定喷射。如果喷头和基底之间施加信号为直流电压，可以形成稳定拉丝状态，制备连续线状图案。如果喷头和基底之间施加信号为脉冲电压，可以形成稳定液滴喷射制备点状图案。由于电场力的拉伸作用，实际打印精度远小于喷头口径，最高甚至可达1/100。同时，喷印过程中避免了困扰传统喷墨打印技术的阻塞问题，可以打印高浓度、高粘度的材料。因此基于电流体动力的喷印技术在集成电路、信息存储器件、微型传感器、微流体器件、微型光学器件和器官芯片等领域拥有广泛的应用前景。

现有基于电流体动力的喷印装置只能应用于平面图案的打印，同时对于打印液滴相貌的控制主要通过调节接收基底界面的浸润性和控制打印墨水的干燥过程。与此同时，打印精度的提高主要依赖于喷嘴口径的降低。在高精度的打印过程中需要更精准的进液控制。喷嘴口径的降低和精准的进液控制会造成复杂的加工步骤和高昂的装置成本。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种倒置式单电极电流体三维喷印装置，通过重力作用抑制电场力作用，实现微米/亚微米尺度图案化微加工，并实现三维形貌的控制。

技术方案：针对上述问题，本发明实施例提供的技术方案是：

一种倒置式单电极电流体三维喷印装置，该三维喷印装置包括微加工喷头单元、接收基板单元、过程监测单元和系统控制单元；其中，微加工喷头单元包括喷头、喷头高度调节支架、进液管、储液管和储液管液面调节支架，喷头固定连接在喷头高度调节支架上，喷头的喷口位于顶端，进液管的一端与喷头的底端连接，进液管的另一端与储液管的底端连接，储液管固定连接在储液管液面调节支架上；接收基板单元包括二维移动平台，导电层和接收基板，导电层的一端固定连接在二维移动平台上，接收基板固定连接在导电层的底面，喷头位于接收基板下方，且喷头的喷口与接收基板的底面相对；过程监测单元包括白光源、单筒显微镜和相机，白光源位于喷头的一侧，单筒显微镜固定连接在相机的镜头上，单筒显微镜和相机位于喷头的另一侧，且单筒显微镜的镜头与白光源相对；系统控制单元包括计算机、高压电源和移动平台控制器，相机的信号输出端与计算机的信号输入端通过相机输出线连接，计算机的第一信号输出端与移动平台控制器的信号输入端通过移动平台控制器控制线连接，移动平台控制器的信号输出端和二维移动平台的信号输入端通过移动平台控制器输出线连接；计算机的第二信号输出端与高压电源的信号输入端连接，高压电源的信号输出端与导电层通过高压电源输出线连接。

作为优选方案，所述的二维移动平台呈L型。

作为优选方案，所述的喷头由玻璃毛细管拉制而成，喷头针尖部分作疏水处理；喷头内径为0.1—1000微米，外径为1—2000微米。

作为优选方案，所述的导电层由金属材料制成、覆有导电薄膜层的硅片材料制成或者由涂有透明导电薄膜层的玻璃材料或石英材料制成。

作为优选方案，所述的储液管的液面高于喷头。

作为优选方案，所述的喷头和接收基板之间的距离为喷头内径的2倍。

有益效果：与现有技术相比，本发明实施例具有以下有益效果：本发明以电流体动力为基础构建微加工平台，由于电场力方向与液滴重力作用方向相反，可以生成体积更小的液滴。相对于其他电流体动力微加工系统，本实施例的倒置式电流体动力三维喷印装置结构简单，精度高，具有很好的实用性。本实施例以电流体动力为基础构建微加工平台，重力作用不仅降低了生成液滴的体积，同时配合电场力对于喷印液滴的拉伸作用，对于接收基底上的液滴干燥后形貌进行调控。此外，通过同一位置多液滴叠加可以实现三维打印。

在现有电流体动力喷印装置中，施加在喷头与接收基板之间的高压电场极易喷头处墨水发生电击穿现象。尤其是墨水中分散溶剂为水或醇类溶液时，电击穿的发生破坏了打印的稳定性。本实施例采用的单电极模式下，墨水中带电离子在静电场感应力作用下从喷头处喷射。由于喷头没有直接连接到电路中，整个系统没有形成电通路，避免了电击穿现象。同时该系统中喷头无需导电，进一步降低了喷头的制作成本。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图；

图2为本发明实施例中打印喷头的结构示意图。

图中有：喷头1、喷头高度调节支架2、进液管3、储液管4、储液管液面调节支架5、二维移动平台6、导电层7、接收基板8、白光源9、单筒显微镜10、相机11、计算机12、相机输出线13、高压电源输出线14、高压电源15、移动平台控制器输出线16、移动平台控制器17。

具体实施方式

以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。

如图1所示，本发明实施例的一种倒置式电流体三维喷印装置，包括微加工喷头单元、接收基板单元、过程监测单元和系统控制单元。微加工喷头单元包括喷头1、喷头高度调节支架2、进液管3、储液管4和储液管液面调节支架5，喷头1固定连接在喷头高度调节支架2上，喷头1的喷口位于顶端，进液管3的一端与喷头1的底端连接，进液管3的另一端与储液管4的底端连接，储液管4固定连接在储液管液面调节支架5上。接收基板单元包括二维移动平台6，导电层7和接收基板8，导电层7的一端固定连接在二维移动平台6上，接收基板8固定连接在导电层7的底面，喷头1位于接收基板8下方，且喷头1的喷口与接收基板8的底面相对。过程监测单元包括白光源9、单筒显微镜10和相机11，白光源9位于喷头1的一侧，单筒显微镜10固定连接在相机11的镜头上，单筒显微镜10和相机11位于喷头1的另一侧，且单筒显微镜10的镜头与白光源9相对。系统控制单元包括计算机12、高压电源15和移动平台控制器17，相机11的信号输出端与计算机12的信号输入端通过相机输出线13连接，计算机12的第一信号输出端与移动平台控制器17的信号输入端通过移动平台控制器控制线18连接，移动平台控制器17的信号输出端和二维移动平台6的信号输入端通过移动平台控制器输出线16连接；计算机12的第二信号输出端与高压电源15的信号输入端连接，高压电源15的信号输出端与导电层7通过高压电源输出线14连接。

上述实施例的倒置式电流体三维喷印装置中，优选的，所述导电层7材料可选用不透明的金属材料或覆有导电层的硅片材料，也可选用透明的涂有透明导电层的玻璃材料，石英材料等。所述接收基底8选自普通玻片、硅片、纸、聚合物薄膜等各类硬质或柔性材料。当导电层7和接收基板8均为透明材料制成时，既可以将白光源9和相机11水平固定，也可以如图1所示的垂直固定。当导电层7或接收基板8为不透明材料制成时，将白光源9和相机11水平固定在喷头1两侧。

上述实施例的倒置式电流体三维喷印装置中，通过将喷头1的针尖方向朝上，使电流体动力的施加方向与重力方向相反。常规模式下，喷头垂直固定于接收基底的上方。当电场力突破喷头1处液体表面张力的约束后，生成液滴。这一过程中重力方向与电场力方向相同。本实施例将喷头1和接收基底8的位置倒置，重力与电场力方向相反。这样设置目的是在液滴生成的过程中，通过重力来抑制喷射液滴的大小，提高微加工精度。

本实施例的喷印装置可放置在水平工作台面上，也可放置于倾斜角度的工作台面上。该喷印装置中储液管4的液面高于喷头。根据虹吸原理，储液管4为打印过程中的喷头1提供进液补充，补充速度由储液管4和喷头1处的液面差调节。

该实施例中各控制器件与终端电脑连接，控制单元通过面向用户的操作界面调节微加工环节中各参数。作为优选方案，控制单元中驱动电压提供10千伏范围内直流电信号，或者峰值在10千伏范围内可编辑电信号。在单电极状态下，驱动电压选择周期脉冲模式，可提供点打印效果；驱动电压选择直流模式，可分别为高黏度材料和低黏度材料提供连续线打印效果和点打印效果。

该实施例的喷印装置，通过二维移动平台6在同一位置停留达到多点重叠塑造三维结构的目的，保持时间可根据实际打印效果选择。

该实施例的喷印装置，根据过程检测单元实时反馈的加工效果通过计算机实现对驱动电压，移动平台控制器和相机的参数调节。

进一步，所述的二维移动平台6呈L型。呈L型二维移动平台6，便于安装导电层7和接收基板8，以及调控喷头1的位置。

进一步，所述的喷头1由玻璃毛细管拉制而成，喷头针尖部分作疏水处理；喷头1内径为0.1—1000微米，外径为1—2000微米。

进一步，所述的导电层7由金属材料制成、覆有导电薄膜层的硅片材料制成或者由涂有透明导电薄膜层的玻璃材料或石英材料制成。

采用上述结构的喷印装置时：将高压脉冲信号施加到接收材料上方的导电层7中。当施加信号为正向电压时，阴离子在喷头表面聚集。当施加电压较小时，电场力不足以突破喷头处液体表面张力及重力的束缚，没有喷射形成。当施加电压逐渐增大，在电场力的作用下，部分液体挣脱束缚，一个带负电荷的液滴从泰勒锥锥尖处喷射出来。喷射出的液滴在接收基板8表面沉积。随着液滴的喷射，喷头内墨水净电荷呈现正电荷，与导电层7相同，从而抑制了新液滴的生成。衬底电极上施加周期性脉冲电压，生成对应的液滴且每个周期内只有一个液滴生成。

储液管4内液面与喷头处液面之间的高度差为电喷印提供进液补充。没有电压信号施加时，由于喷头尺寸较小，毛细力作用使墨水约束在喷头内。在电喷印过程中，喷头处液滴喷射后，储液管4内墨水迅速补充墨水至初始状态。

通过控制二维移动平台6的移动，控制在接收基板8接收液滴的位置。为了实现三维加工，通过二维移动平台6控制喷头1在同一位置多次喷印，实现多个液滴在竖直方向的叠加。

上述结构的喷印装置的具体工作过程：

首先，将接收基板8接收面朝下固定在导电层7下方。

其次，储液管4中打印墨水由虹吸效应注入打印喷头1：固定打印喷头1到接收基板8之间的距离，（打印喷头1到接收基板8之间的距离由所使用的喷头内径决定，一般为喷头内径的1倍至10倍大小范围内。考虑到距离增加后所施加的电压值也需要成比例提高，优选距离为2倍喷头内径的大小）随后通过调整储液管4的高度来调节墨水在打印喷头处的液面。为了保证打印过程中，墨水既能稳定输出又不至于大量溢出，储液管的液面高于喷头10毫米。

接着，打开高压电源15，逐渐提高输出电压，直至喷头处出现稳定的喷射液滴。

随后，根据水平方向的监控装置实时观测打印液滴在接收基板8上的干燥情况和多次叠加后的效果来设置二维移动平台6的移动速度和同一位置的停留时间。

最后，启动二维移动平台6。打印过程中，因为接收基板8倒置，打印图案的轨迹为实际图案的镜像图案。

上述实施例的喷印装置，可以消除电击穿：单电极模式下，打印液滴是由导电层产生的感应电场生成。由于取消喷嘴电极的设置，喷头与导电层之间不形成完整的电通路，降低了喷头处电荷聚集引发电击穿的可能性。另外，本实施例的喷印装置还可以提高打印精度：对于电喷印系统，电场强度、进液速度和喷头直径均直接用来调节生成液滴的大小。但在实际过程中为了更高的精度，上述参数的优化均对所使用的部件提出了更高的要求，增加了成本。而本实施例用倒置喷头和接收基底的方法，在不增加成本的基础上，即可以利用重力实现降低生成液滴大小和利用液面差实现进液补充的目的。

本实施例的喷印装置，微加工喷头单元用于调节喷头1与接收基板8的距离并通过调节储液管4与喷头1的液面差为打印提供进液补充。调节喷1头与接收基板8的距离并通过调节储液管4与喷头1的液面差为打印提供进液补充。将接收基板8置于喷头1上方，并通过二维移动平台的移动实现微加工图案化。接收基板单元将接收基板8置于喷头1上方并通过二维移动平台的移动实现微加工图案化。过程监测单元用于实时监测电流体动力微加工过程。系统控制单元根据过程检测单元实时反馈的加工效果通过计算机实现对驱动电压，移动平台控制器和相机的参数调节。该装置通过改变电流体动力的施加方向达到提高精度，调节打印目标形态的目的。该微加工平台简单易行，有效提高加工精度，实现三维形貌控制，在制造加工、科学研究、教学实践中具有广泛的实用性。

上述实例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种倒置式单电极电流体三维喷印装置，其特征在于，该三维喷印装置包括微加工喷头单元、接收基板单元、过程监测单元和系统控制单元；其中，

微加工喷头单元包括喷头(1)、喷头高度调节支架(2)、进液管(3)、储液管(4)和储液管液面调节支架(5)，喷头(1)固定连接在喷头高度调节支架(2)上，喷头(1)的喷口位于顶端，进液管(3)的一端与喷头(1)的底端连接，进液管(3)的另一端与储液管(4)的底端连接，储液管(4)固定连接在储液管液面调节支架(5)上；所述的储液管(4)的液面高于喷头(1)；

接收基板单元包括二维移动平台(6)，导电层(7)和接收基板(8)，导电层(7)的一端固定连接在二维移动平台(6)上，接收基板(8)固定连接在导电层(7)的底面，喷头(1)位于接收基板(8)下方，且喷头(1)的喷口与接收基板(8)的底面相对；

过程监测单元包括白光源(9)、单筒显微镜(10)和相机(11)，白光源(9)位于喷头(1)的一侧，单筒显微镜(10)固定连接在相机(11)的镜头上，单筒显微镜(10)和相机(11)位于喷头(1)的另一侧，且单筒显微镜(10)的镜头与白光源(9)相对；

系统控制单元包括计算机(12)、高压电源(15)和移动平台控制器(17)，相机(11)的信号输出端与计算机(12)的信号输入端通过相机输出线(13)连接，计算机(12)的第一信号输出端与移动平台控制器(17)的信号输入端通过移动平台控制器控制线(18)连接，移动平台控制器(17)的信号输出端和二维移动平台(6)的信号输入端通过移动平台控制器输出线(16)连接；计算机(12)的第二信号输出端与高压电源(15)的信号输入端连接，高压电源(15)的信号输出端与导电层(7)通过高压电源输出线(14)连接。

2.根据权利要求1所述的倒置式单电极电流体三维喷印装置，其特征在于，所述的二维移动平台(6)呈L型。

3.根据权利要求1所述的倒置式单电极电流体三维喷印装置，其特征在于，所述的喷头(1)由玻璃毛细管拉制而成，喷头针尖部分作疏水处理；喷头(1)内径为0.1—1000微米，外径为1—2000微米。

4.根据权利要求1所述的倒置式单电极电流体三维喷印装置，其特征在于，所述的导电层(7)由金属材料制成、覆有导电薄膜层的硅片材料制成或者由涂有透明导电薄膜层的玻璃材料或石英材料制成。

5.根据权利要求1至4中任何一项所述的倒置式单电极电流体三维喷印装置，其特征在于，所述的喷头(1)和接收基板(8)之间的距离为喷头(1)内径的2倍。