CN106423696A - 多通道电流体喷射扫描系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多通道电流体喷射扫描系统，包括机台扫描移动装置和喷枪固定与切换系统。机台可以在x和y方向移动，机台和喷枪间距可以手动调节。该喷枪固定与切换系统包括旋转支架、喷嘴支架以及微注射头，旋转支架安装于固定装置上，喷嘴支架安装于旋转支架上，微注射头与喷嘴支架连接。其中，在旋转支架的外周安装多个喷嘴支架或在喷嘴支架上安装多个微注射头，从而实现在同一位置喷射不同液体。本发明的多通道电流体喷射扫描系统采用多通道电流体喷射扫描技术，制样速率和样品容量均比传统压电控制喷射仪器高1‑2个数量级，最小特征样品尺寸可低至亚微米，实现真正意义上微纳米器件级别的“组合芯片”。

Description

多通道电流体喷射扫描系统

技术领域

本发明涉及材料基因工程领域，具体涉及一种多通道电流体喷射扫描系统。

背景技术

目前，材料基因组技术成为了国内以及国际上一种革命性的新型材料研发技术，有效的加速了材料从研究到应用的进程。材料基因组工程技术的推进需要新型材料基因工程技术的专用设备，通过对此类设备进行简单归纳与分析，我们可以看到目前较为成熟的仪器设备主要针对在氧化物陶瓷、高温超导材料、高性能介电材料、荧光材料、催化材料、锂电池材料等方面的研究。虽然目前存在能够直接采用的技术设备，但是这些设备在精度方面仍有不足，所以还需要开发新型的能够匹配更高精度需求的材料基因工程技术的专用设备。

我国目前严重缺乏自主研发的高通量仪器设备，国外商业化的高通量设备也尚未形成规模，更谈不上普及，并对我国技术封锁，高通量实验设备的短缺已经成为制约材料基因工程技术研究的瓶颈。

目前，一定程度上由于相关研究设备的限制，材料基因组的研究内容主要集中在材料的合成制备，及组分、结构等参数上，尚未能把研究重心扩展到器件特性层面。在涵盖OLED、量子点激光器、太阳能电池材料和器件、发光器件、有机半导体器件、纳米光电材料、透明导电膜等广泛的光电材料和器件的研究过程中由于设备不完善，往往伴随着大量的工艺优化过程。

目前使用的喷射打印设备的关键技术方面的缺陷主要在于：首先，压电喷射技术的工作精度受喷头尺寸和液体性质影响较大，受液体的粘性限制，尺寸过小的液滴容易在针头上形成滞豫；其次，压电震动过程往往会影响到液滴形态的变化，导致其打印图型分辨率最高只能达到20-30μm，常规工作尺度在100μm以上；再次，压电控制喷射技术仍以控制液滴数量为主，在制备精度和图型控制方面都明显难以应对复杂器件工艺对基于点、线、面的多维图型打印要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种多通道电流体喷射扫描系统，以解决上述现有技术中存在的问题。

为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，提供了一种多通道电流体喷射扫描系统，包括固定装置和喷枪固定与切换系统，所述喷枪固定与切换系统包括旋转支架、喷嘴支架以及微注射头；所述旋转支架安装于所述固定装置上，所述喷嘴支架安装于所述旋转支架上，所述微注射头与所述喷嘴支架连接，其中，在所述旋转支架的外周安装多个所述喷嘴支架或在所述喷嘴支架上安装多个所述微注射头，从而实现在同一位置喷射不同液体。

较佳地，所述喷嘴支架设有流体通道，该流体通道用于与流体源流体连通。

较佳地，所述旋转支架可转动地连接于所述固定装置。

较佳地，所述喷嘴支架可转动地连接于所述旋转支架。

较佳地，在所述旋转支架的外周安装至少两个所述喷嘴支架，以及在每一个喷嘴支架上安装一个所述微注射头。

较佳地，所述旋转支架的外周呈弧形，所述喷嘴支架环绕所述旋转支架的外周设置，运行时，通过旋转所述旋转支架来实现在同一位置喷射不同液体。

较佳地，所述喷嘴支架内设有至少一个流体通道，且所述流体通道的底部连接一个微注射头。

较佳地，所述喷嘴支架内设有通道，在所述通道内涂覆导电膜层，以便连接外接电压源。

较佳地，所述喷嘴支架设有快速固定锁。

较佳地，所述喷嘴支架内设有温度控制装置。

较佳地，所述多通道电流体喷射扫描系统还包括平面移动平台，所述平面移动平台包括真空固定架、可选择地设有加热层、导电层，其中，所述加热层设置于所述真空固定架上，在所述加热层与所述真空固定架之间通过真空区域隔开，以及在所述加热层上方设置所述导电层，在所述导电层上方设置衬底。

较佳地，所述真空固定架设有抽气口，通过所述抽气口将所述真空区域的气体抽出，从而保证所述真空区域的真空度。

较佳地，所述衬底通过导线接地。

较佳地，所述微注射头和所述衬底分别进行温度控制，从而实现对反应温度的精确控制。

较佳地，所述微注射头采用加热丝控制，并且通过加热丝的电流数值来标定溶液温度。

较佳地，所述衬底的温度通过所述加热层来控制。

本发明的多通道电流体喷射扫描系统具有如下优点：

1.采用多通道电流体喷射扫描技术，制样速率和样品容量均比传统压电控制喷射仪器高1-2个数量级，最小特征样品尺寸可低至亚微米，实现真正意义上微纳米器件级别的“组合芯片”。

2.集成了高通量光学和电学表征功能，能够应用于OLED、量子点激光器、太阳能电池材料和器件、发光器件、有机半导体器件、纳米光电材料、透明导电膜等广泛的光电材料和器件等方面的工艺研发。

3.能够控制液滴最低达到20微升，并且实现了液滴层面的试剂混合，具备对溶液组分、浓度、温度、处理时间等单一参数进行梯度调控以及对多参数进行组合调控的能力，单次实验的信息量大大增加。

4.对象特征尺寸分布涵盖从亚微米到毫米的大跨度范围多材料体系，采用电压脉冲信号控制喷射液体在液滴、液线、喷涂三种形态中任意切换，具备面向用户的任意图型的可编程打印功能，在器件制备的方面具有极大的优势。

附图说明

图1是本发明多通道电流体喷射扫描系统的系统立体示意图；

图2是本发明一实施例的喷枪固定与切换系统的立体示意图；

图3是本发明另一实施例的喷枪固定与切换系统的立体示意图；

图4是本发明另一实施例的安装有微注射头的喷嘴支架的剖视图；

图5是图4所示的安装有微注射头的喷嘴支架的立体图；

图6是本发明一实施例的移动平台的立体图；以及

图7为图6的移动平台的注视图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。

本发明总体上公开了一种多通道电流体喷射扫描系统，包括固定装置和喷枪固定与切换系统，其中，喷枪固定与切换系统包括旋转支架、喷嘴支架以及微注射头。旋转支架安装于固定装置上，喷嘴支架安装于旋转支架上，微注射头连接于喷嘴支架。喷嘴支架内设有与流体源连通的流体通道，在旋转支架的外周安装多个喷嘴支架或在喷嘴支架上安装多个微注射头，从而实现不同液体在同一位置的喷射。

下面结合附图对本发明的实施例进行详细描述。

图1是本发明多通道电流体喷射扫描系统的系统立体示意图。多通道电流体喷射扫描系统100包括固定装置10、喷枪固定与切换系统20、光源30、移动平台40、摄像机50、电源60以及液体源70。喷枪固定与切换系统20安装于固定装置10上，光源30安装于喷枪固定与切换系统20的左侧(图示方向)，摄像机50安装于喷枪固定与切换系统20的右侧(图示方向)，移动平台40位于喷枪固定与切换系统20的下方，电源60连接到固定装置，并进一步连接到喷枪固定与切换系统20。液体源70通过管道与喷枪固定与切换系统20流体连通，从而为喷枪固定与切换系统20提供液体。

图2是本发明一实施例的喷枪固定与切换系统的立体示意图。如图2所示，喷枪固定与切换系统20包括旋转支架21、喷嘴支架22以及微注射头23。其中，喷嘴支架22安装于旋转支架21上，微注射头23安装于喷嘴支架22下部。在本实施例中，喷嘴支架22固定安装于旋转支架21上，即喷嘴支架22不能相对于旋转21运动，而旋转支架21可转动地安装于固定装置10上(如图1所示)，运行时，通过旋转支架21绕其纵向中心轴线旋转，从而实现在移动平台的同一位置喷射不同的液体。

如图2所示，在本实施例中，在旋转支架21的外周部设置4个喷嘴支架22，每一个喷嘴支架22的下部设置一个微注射头23。在本实施例中，通过旋转支架21的旋转，可以带动喷嘴支架22旋转，进而带动微注射头23旋转，从而实现从不同的微注射头在同一位置喷射液体。

图3示出本发明另一实施例的喷枪固定与切换系统的立体示意图。如图3所示，在该实施例中，一个喷嘴支架22A上安装多个微注射头23(在本实施例中为4个)，该多个微注射头23排列成一排，喷嘴支架22A呈棱柱状，并连接于旋转支架21A的外周部。使用时，与图2所示的实施例相同，通过旋转支架21A的旋转，可以带动喷嘴支架22A旋转，进而带动微注射头23A旋转，再配合以固定平台20自身移动，从而实现从不同的微注射头在同一位置喷射液体。

喷嘴支架22与微注射头23可以一体化设计成型。

图4示出本发明一实施例的喷枪固定与切换系统的剖视图。如图4所示，喷嘴支架22内部设有通道221，通道221沿竖直方向贯穿喷嘴支架22，微注射头23与通道221流体连通，其中，通道221通过管道与流体源流体连通。在通道221内也可以设置第二管道与微注射头流体连通，从而，流体源通过第二管道与微注射头流体连通，即在运行时，来自流体源的流体通过第二管道流入微注射头。在通道221的侧壁上设有高压接口2211，用于与高压电源连接，从而实现对微注射头的高压控制，实现高精度的液体注入。

在上述设计中，其中一个喷射通道可设置为去离子水或其它稀释试剂，在需要调节其它试剂浓度的时候，直接在液滴层面实现混合。

图5为喷枪固定与切换系统的立体示意图。如图5所示，在喷嘴支架22上设有快速固定锁222，快速固定锁222用来进行微注针头置换或腔体清理(部分液体易沉积固化，会堵塞微注针头，有必要实时更换)，实现器件老化更新或多种不同液滴大小的调节。

图6为本发明一实施例的移动平台的立体图，图7为图6的移动平台的剖面图。如图6-7所示，移动平台40由下到上分别为真空固定架41、加热层42、导电层43以及衬底44。其中，真空固定架下端设有抽气出口411，通过抽气出口411可以对真空固定架内进行抽取气体，从而实现较高的真空固定架41内的真空度。加热层42设置于真空固定架41的上方，导电层43设于加热层42的上方，以及在导电层43上设置衬底44。

在本发明中，采用对微注射头23和衬底44分别进行温控的设计来达到对反应温度的精确控制。其中，微注射头可以采用加热丝控制，通过加热丝的电流数值来标定溶液温度，并经由电脑控制温度设定。而衬底44的温度通过下置的加热层来控制。

通过该设计，可以实现对反应溶液和衬底温度的分立控制，而对溶液处理时间的控制则可以通过输入脉冲电压信号进行调节。这样，结合多通道设计，完全可以实现对溶液组分、浓度、溶液和衬底的工艺温度、喷射溶液总量和时间间隔等参数之间的自由组合，基本上保证了大多数光电材料和器件工艺优化批量实验组合的需求。

较佳地，微注射头的横向尺寸为200nm-10μm。以及为了降低喷射液体形态对溶液粘度和亲水性的依赖，对微注射头进行厌水性镀膜处理。其中，移动平台X-Y方向控制精度设定为0.1μm，Z方向控制精度设定为1μm，从而达到较高的分别率和面密度。

此外，面向不同对象的具体实验中，需要的图型可能为不同尺度的点、线、面，或者其它任意图型，也可能是不同厚度的薄膜或不同液量的溶液。针对这一实际需求，可以通过调节在喷头和衬底之间的电压大小来实现液滴、喷射、喷涂三种形式的自由转变，通过施加不同周期脉冲的形式来调节喷射液量。

在面向复杂工艺和流程的具象实验中，实现单一参数的梯度变换和不同参数之间的便捷切换非常重要，特别是针对液相工艺过程中液量、组分、浓度的控制。本发明中，电流体喷射打印型系统实现在液滴层面的液量控制是通过脉冲电压信号的强度和施加时吗间的设定来完成，成分切换通过自动切换喷射枪完成，而不同组分的配比通过上述两方面配合调节完成。

本发明的多通道电流体喷射扫描系统首先采用多通道电流体喷射扫描技术，制样速率和样品容量均比传统压电控制喷射仪器高1-2个数量级，最小特征样品尺寸可低至亚微米，实现真正意义上微纳米器件级别的“组合芯片”。

其次，集成了高通量光学和电学表征功能，能够应用于OLED、量子点激光器、太阳能电池材料和器件、发光器件、有机半导体器件、纳米光电材料、透明导电膜等广泛的光电材料和器件等方面的工艺研发。

再次，能够控制液滴最低达到20微升，并且实现了液滴层面的试剂混合，具备对溶液组分、浓度、温度、处理时间等单一参数进行梯度调控以及对多参数进行组合调控的能力，单次实验的信息量大大增加。

最后，本发明的多通道电流体喷射扫描系统的对象特征尺寸分布涵盖从亚微米到毫米的大跨度范围多材料体系，采用电压脉冲信号控制喷射液体在液滴、液线、喷涂三种形态中任意切换，具备面向用户的任意图型的可编程打印功能，在器件制备的方面具有极大的优势。

以上已详细描述了本发明的较佳实施例，但应理解到，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改。这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种多通道电流体喷射扫描系统，包括固定装置和喷枪固定与切换系统，其特征在于，所述喷枪固定与切换系统包括旋转支架、喷嘴支架以及微注射头；所述旋转支架安装于所述固定装置上，所述喷嘴支架安装于所述旋转支架上，所述微注射头与所述喷嘴支架连接，其中，在所述旋转支架的外周安装多个所述喷嘴支架或在所述喷嘴支架上安装多个所述微注射头，从而实现在同一位置喷射不同液体。

2.根据权利要求1所述的多通道电流体喷射扫描系统，其特征在于，所述旋转支架可转动地连接于所述固定装置。

3.根据权利要求1所述的多通道电流体喷射扫描系统，其特征在于，所述喷嘴支架可转动地连接于所述旋转支架。

4.根据权利要求1所述的多通道电流体喷射扫描系统，其特征在于，在所述旋转支架的外周安装至少两个所述喷嘴支架，以及在每一个喷嘴支架上安装一个所述微注射头。

5.根据权利要求1所述的多通道电流体喷射扫描系统，其特征在于，所述旋转支架的外周呈弧形，所述喷嘴支架环绕所述旋转支架的外周设置，运行时，通过旋转所述旋转支架来实现在同一位置喷射不同液体。

6.根据权利要求1所述的多通道电流体喷射扫描系统，其特征在于，所述喷嘴支架内设有至少一个流体通道，且所述流体通道的底部连接有微注射头。

7.根据权利要求1所述的多通道电流体喷射扫描系统，其特征在于，所述喷嘴支架内设有通道，在所述通道内涂覆导电膜层，以便连接外接电压源。

8.根据权利要求1所述的多通道电流体喷射扫描系统，其特征在于，所述喷嘴支架设有快速固定锁。

9.根据权利要求1所述的多通道电流体喷射扫描系统，其特征在于，所述喷嘴支架内设有温度控制装置。

10.根据权利要求1所述的多通道电流体喷射扫描系统，其特征在于，所述多通道电流体喷射扫描系统还包括平面移动平台，所述平面移动平台包括真空固定架、可选择地设有加热层、导电层，其中，所述加热层设置于所述真空固定架上，在所述加热层与所述真空固定架之间通过真空区域隔开，以及在所述加热层上方设置所述导电层，在所述导电层上方设置衬底。