CN106626803A - 一种具备电场自适应特性的柔性电子电喷印设备及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于柔性器件制造相关领域，并公开了一种具备电场自适应特性的柔性电子电喷印设备，其包括XYZ三轴运动模块、电喷印模块和可变电场模块，其中该XYZ三轴运动模块用于控制电喷印模块与可变电场模块的空间位置，进而控制阵列喷嘴的位置；该电喷印模块用于喷出高速带电溶液到基板上制备柔性电子，该可变电场模块则用于提供可变化的电场，进而由电场控制阵列喷嘴喷出的液滴或射流在基板上的落点。本发明还公开了相应的工艺方法。通过本发明，整个柔性电子制造工艺过程可实现电场的自适应协调，并显著提高了柔性电子电喷印的效率和质量。

Description

一种具备电场自适应特性的柔性电子电喷印设备及其方法
技术领域
本发明属于柔性器件制造相关领域，更具体地，涉及一种具备电场自适应特性的柔性电子电喷印设备及其方法。
背景技术
柔性电子(Flexible Electronics)又称为塑料电子、印刷电子、有机电子等，其可概括为是将有机或无机材料电子器件制作在柔性、可延性塑料或薄金属基板上的新兴电子技术；由于它具备独特的柔性延展性以及高效、低成本制造工艺等优点，因而在信息、能源、医疗、国防等领域具有广泛应用前景，如柔性电子显示器、飞机智能蒙皮、有机发光二极管(Organic Light-Emitting Diode，OLED)、印刷RFID(Radio Frequency Identification)、薄膜太阳能电池板、表皮电子等。
随着柔性电子的研究越来越广泛，对其应用也逐渐渗透到各领域，对柔性电子器件的需求正与日俱增。随之而来的如何实现柔性电子的高效率制备是亟待解决的关键技术问题。柔性电子制造装备技术目前也层出不穷，卷到卷、电喷印等技术逐渐成熟，柔性电子的制备技术正向着大规模化、器件微型化的方向发展。柔性电子制造技术水平指标包括芯片特征尺寸和基板面积大小，其关键是如何在更大幅面的基板上以更低的成本制造出特征尺寸更小的柔性电子器件。目前，柔性电子的制备多采用电喷印技术，但是现有技术中的电喷印通常是通过在基板与喷嘴间形成高压电场，由此实现液滴的喷印。这种方式虽然比较稳定，但是当喷印点发生改变时时，则需要不断重新定位喷头的位置，由此不仅制约了制备效率，而且在调整过程中对喷印质量也可能造成劣化。相应地，本领域亟需针对上述技术问题寻求更为完善的解决方案，以满足目前日益提高的高质量现代化工艺要求。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种具备电场自适应特性的柔性电子电喷印设备及其方法，其中通过对该电喷印设备的整体构造组成重新进行设计，并对其关键部件如XYZ三轴运动模块、电喷印模块和可变电场模块等在具体结构和安装设置方式等方面作出研究和改进，相应与现有设备相比可采用调控电场的方式来高精度调整喷印定位，同时适于采用多喷嘴的方式联合喷印，由此不仅极大地提高了柔性电子电喷印的效率和质量，而且整个工艺过程能够实现电场的自适应协调，获得连续变化的电场，因而更加适用于各类柔性电子的高标准高要求电喷印制造场合。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种具备电场自适应特性的柔性电子电喷印设备，该柔性电子电喷印设备包括XYZ三轴运动模块、电喷印模块和可变电场模块，其特征在于：
所述XYZ三轴运动模块包括支架、X轴自由度执行机构、Y轴自由度执行机构和Z轴自由度执行机构，其中该支架呈支撑框架的形式，并在其顶部分别沿着X轴方向和Y轴方向相互联接安装有所述X轴自由度执行机构和所述Y轴自由度执行机构，同时在该Y轴自由度执行机构上沿着Z轴方向联接安装有所述Z轴自由度执行机构，由此共同配合以执行沿着XYZ三轴方向上的自由运动；
所述可变电场模块包括第一自由度执行机构、第二自由度执行机构、多个第一连杆、多个第二连杆和环形电环，其中该第一自由度执行机构保持与Z轴相平行地安装在所述Z轴自由度执行机构上且随之一同运动，同时用于带动安装其上的元件独立执行沿着Z轴方向上的运动；该第二自由度执行机构同样保持与Z轴相平行地安装在所述第一自由度执行机构上且随之一同运动，同时用于带动上端均安装其上的所述多个第一连杆独立执行沿着Z轴方向上的运动；所述多个第一连杆的下端则分别联接至所述环形电环上，由此当第一连杆沿着Z轴运动发生运动时，带动此环形电环执行张合操作也即直径变大的张开操作或直径变小的缩拢操作；所述多个第二连杆的上端均安装至所述第一自由度执行机构，其下端分别对应联接至各个所述第一连杆，由此共同配合构成联动机构来执行所述环形电环的张合操作；
所述电喷印模块包括电机安装座、球形电机、阵列喷嘴、高压放大器和高压分配器，其中该电机安装座与所述Z轴自由度执行机构相连且随之一同运动，它的下端安装有所述球形电机且使得该球形电机处于所述环形电环的中心线上；该球形电机上继续联接设置有所述阵列喷嘴，并用于对该阵列喷嘴执行溶液喷射时的角度和姿态进行调整；该阵列喷嘴具备多个独立喷嘴，并且每个独立喷嘴均与容纳有材料溶液的溶液容器相连；该高压放大器的一端与所述阵列喷嘴电路连接，另外一端与所述环形电环电路连接，并用于在两者之间产生高压电场；此外，该高压分配器用于实时调整该高压电场，并与所述环形电环的张合操作相配合，由此实现带电溶液在基板上的落点控制。
作为进一步优选地，上述电喷印模块还包括定位相机和观测相机，其中该定位相机用于对所述阵列喷嘴获得视觉定位，该观测相机则用于喷印时对所述阵列喷嘴上形成的泰勒锥实时观测。
作为进一步优选地，所述球形电机具有多个旋转自由度，并且其输出轴沿着球形副执行旋转，同时可绕着其球心的任意空间轴线执行旋转。
作为进一步优选地，所述溶液容器由于相互隔离的多个腔体共同组成，各个腔体分别与所述阵列喷嘴的各个独立喷嘴保持相连，并通过流量泵来对各个独立喷嘴的溶液喷出速度和流量进行控制；此外，所述电喷印模块优选还配备有多路溶液控制器，并通过该多路溶液控制器来使得各个独立喷嘴用于喷射不同的溶液、多个独立喷嘴联合用于喷射相同的溶液，或者多个独立喷嘴联合用于喷射不同的溶液。
作为进一步优选地，所述高压放大器可切换为其一端与所述阵列喷嘴电路连接，另外一端与承印基板电路连接并断开与所述环形电环的电路连接，由此用于在所述阵列喷嘴与承印基板之间产生高压电场。
作为进一步优选地，所述环形电环优选有多个具备一定高度的片极相互铰接而成，各片极之间相互绝缘连接，并且每个片极均与所述高压放大器独立相连。
按照本发明的另一方面，还提供了相应的柔性电子电喷印方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
(a)将需要打印的柔性电子电路图输入中央处理器，相应获得输出指令；
(b)基于输出指令，通过所述球形电机对所述阵列喷嘴的姿态进行调整；然后，采用所述定位相机执行视觉定位，并引导所述XYZ三轴运动模块到达所需位置，同时调整所述阵列喷嘴与承印基板之间的距离及角度；
(c)通过所述可变电场模块的第一自由度执行机构驱动所述第一连杆沿着Z轴方向继续运动，同时推动所述环形电环发生张开或缩拢，使得该环形电环达到所需的直径大小；
(d)打开所述高压放大器，并通过所述高压分配器来调整所述环形电环与所述阵列喷嘴之间的高压电压；接着，启动所述流量泵，并根据工艺需求采用所述阵列喷嘴中的单个独立喷嘴或多个独立喷嘴执行喷印；
(e)在喷印过程中，通过所述高压分配器实时调整所述高压电压，或是改变所述环形电环的直径大小或沿着Z轴方向的位置，由此获得变化的电场，进而在无需整体移动所述阵列喷嘴的情况下即可对带电溶液在基板上的落点控制；
(f)完成一定区域的喷印后，通过所述XYZ三轴运动模块移动来移动所述电喷印模块和可变电场模块进入下一待喷印区域，重复执行步骤(b)至步骤(f)，直至完成所有的柔性电子电喷印工艺。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1、本发明中通过对该电喷印设备的整体构造组成重新进行设计，相应与现有设备相比可采用调控电场的方式来高精度调整喷印定位，不需要像传统方式一样移动喷嘴或者基板来实现打印，当调整好参数和位姿后，在喷印的过程中不需要进行任何的机械运动，仅仅调节电压即可实现喷印，由此显著提高了喷印效率，同时还有助于对喷印质量的精细化控制；
2、本发明中通过采用球形电机调整喷嘴位姿，能很灵活地使喷嘴达到各种想要的位姿，并与环形电环之间达到很大的工作配合；此外，通过采用阵列喷嘴结构，配合多溶液容器的使用，使喷嘴能喷射不同的溶液，或者多喷嘴同时喷印，不仅提高的喷印的效率也增加了喷印的功能，实现多样化的打印；
3、本发明采用将环形电环设置为由多个片极彼此铰接而成，而且每一个片极均可独立于高压放大器相连来获得需要的电场，以此方式既可通过改变不同片极的电压，获得丰富变化的电场，而且有助于进一步提高喷印的最终质量和效果；
4、按照本发明的柔性电子电喷印设备整体结构紧凑、便于操控，并具备喷印质量和效率高、适应性和可靠面广等特点，因而尤其适用于各类柔性电子电喷印制造应用场合。
附图说明
图1是按照本发明优选实施例所构建的柔性电子电喷印设备的整体构造示意图；
图2是图1中所示XYZ三轴运动模块的结构组成示意图；
图3是图1中所示可变电场模块和电喷印模块的结构组成示意图；
图4是用于示范性说明采用单喷嘴完成喷印时的原理示意图；
图5是用于示范性说明采用多喷嘴完成喷印时的原理示意图；
图6是本发明的环形电环处于张开状态时的结构示意图；
图7是本发明的环形电环处于缩拢状态时的结构示意图。
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是按照本发明优选实施例所构建的柔性电子点喷嘴设备的整体构造示意图。如图1中所所示，该柔性电子电喷印设备主要包括XYZ三轴运动模块100、电喷印模块200和可变电场模块300等关键组件，其中XYZ三轴运动模块100主要用于控制电喷印模块200与可变电场模块300的空间位置，进而控制阵列喷嘴207的位置；可变电场模块300用于提供可变化的电场，进而由电场控制阵列喷嘴207喷出的带电液滴或射流在基板211上的落点；此外，电喷印模块200主要用于喷出高速带电液滴或射流到基板211上以制备柔性电子。下面将对其逐一进行具体说明。
可同时参看图2，所述XYZ三轴运动模块100包括支架101、X轴自由度执行机构102、Y轴自由度执行机构103和Z轴自由度执行机构104，其中该支架101呈支撑框架的形式，并譬如在其顶部分别沿着X轴方向和Y轴方向相互联接安装有X轴自由度执行机构102和Y轴自由度执行机构103，同时在该Y轴自由度执行机构103上沿着Z轴方向联接安装有Z轴自由度执行机构104，由此共同配合以执行沿着XYZ三轴方向上的自由运动。换而言之，X轴自由度执行机构102和Y轴自由度执行机构103用于实现阵列喷嘴207平面位置的定位，而Z轴自由度执行机构104用于调整阵列喷嘴207与基板211的间距。
参看图3，所述可变电场模块300可包括第一自由度执行机构301、第二自由度执行机构302、多个第一连杆303、多个第二连杆304和环形电环305等，其中该第一自由度执行机构301保持与Z轴相平行地安装在Z轴自由度执行机构104上且随之一同运动，同时用于带动安装其上的元件独立执行沿着Z轴方向上的运动；该第二自由度执行机构302同样保持与Z轴相平行地安装在第一自由度执行机构301上且随之一同运动，同时用于带动上端均安装其上的多个第一连杆303独立执行沿着Z轴方向上的运动；多个第一连杆303的下端则分别联接至环形电环305上，由此当第一连杆沿着Z轴运动发生运动时，带动此环形电环305执行张合操作也即直径变大的张开操作或直径变小的缩拢操作；此外，多个第二连杆304的上端均安装至第一第二自由度执行机构301，其下端分别对应联接至各个所述第一连杆，由此共同配合构成联动机构来执行所述环形电环的张合操作。如图中所具体显示地，第一连杆303譬如呈长连杆的形式，第二连杆304譬如呈短连杆的形式，并与第一、第二自由度执行机构发生联动共同构成类似四连杆的联动机构，并使得环形电环根据具体需要自由的实现直径的变化。
参见图3，所述电喷印模块200包括电机安装座205、球形电机206、阵列喷嘴207、高压放大器209和高压分配器210等，其中该电机安装座205与所述Z轴自由度执行机构相连且随之一同运动，它的下端安装有球形电机206且使得该球形电机处于所述环形电环的中心线上；该球形电机206上继续联接设置有阵列喷嘴207，并用于对该阵列喷嘴执行溶液喷射时的角度和姿态进行调整；该阵列喷嘴207优选具备多个独立喷嘴，并且每个独立喷嘴均与容纳有材料溶液的溶液容器相连；该高压放大器29的一端可与所述阵列喷嘴207电路连接，另外一端与所述环形电环205电路连接，并用于在两者之间产生高压电场；此外，该高压分配器用于实时调整该高压电场，并与所述环形电环305的张合操作相配合，由此实现带电溶液在基板上的落点控制。
此外，按照本发明的优选实施方式，上述电喷印模块还可以包括定位相机204和观测相机208，其中该定位相机204用于对所述阵列喷嘴获得视觉定位，该观测相机则用于喷印时对所述阵列喷嘴上形成的泰勒锥执行检测。按照本发明的另一优选实施方式，所述高压放大器209还可切换为其一端与阵列喷嘴207电路连接，另外一端与承印基板211电路连接并断开与所述环形电环205的电路连接，由此同样用于在所述阵列喷嘴与承印基板之间产生高压电场。
参看图4，阵列喷嘴207的单个喷嘴在流量泵的作用下喷出液滴A，液滴在环形电环305产生的电场的作用下，沿电场线的方向落到基板211指定的点上，在喷印的过程中通过高压放大器209和高压分配器210的作用下不断改变环形电环305的电压，或者通过Z3轴自由度执行部件302改变环形电环305的直径或Z向位置，进而改变电场的大小与分布，控制液滴不同的落点，实现电路B的喷印。
参看图5，阵列喷嘴207的两个喷嘴在流量泵的作用下喷出液滴A，
两个喷嘴喷出的液滴可以是同种溶液也可以是不同种溶液。液滴在环形电环305产生的电场的作用下，沿电场线的方向落到基板211指定的点上，不同喷嘴喷出的液滴可以控制其落在同一点也可分别落在不同的指定点，根据工艺要求做变更。在喷印的过程中通过高压放大器209和高压分配器210的作用下不断改变环形电环的电压，进而改变电场的大小与分布，控制液滴落点的实时变换，实现电路B的喷印。
如图6所示，是环形电环处于张开的状态，此时电场范围较广，所能打印到的位置较大；如图7所示，是环形电环处于收缩的状态，此时电场范围较小，所能打印到的位置较小，但是打印更加精确；两种状态的切换通过Z3轴自由度执行部件302驱动长连杆304运动带动环形电环305缩紧或扩大而实现。
下面将具体描述按照本发明的柔性电子点喷印工艺过程。
首先，将需要打印的柔性电子电路图输入中央处理器，相应获得输出指令；
接着，基于输出指令，通过球形电机对阵列喷嘴的姿态进行调整；然后，可选择采用定位相机执行视觉定位，并引导XYZ三轴运动模块到达所需位置，同时调整阵列喷嘴与承印基板之间的距离及角度；
接着，通过可变电场模块的第一自由度执行机构驱动第一连杆沿着Z轴方向继续运动，同时推动环形电环发生张开或缩拢，使得该环形电环达到所需的直径大小；
接着，打开高压放大器，并通过高压分配器来调整环形电环与阵列喷嘴之间的高压电压；接着，启动流量泵，并根据工艺需求采用阵列喷嘴中的单个独立喷嘴或多个独立喷嘴执行喷印；
在喷印过程中，通过高压分配器实时调整电压，或是改变所述环形电环的直径大小或沿着Z轴方向的位置，由此获得变化的电场，进而在无需整体移动所述阵列喷嘴的情况下即可对带电溶液在基板上的落点控制；
最后，完成一定区域的喷印后，通过所述XYZ三轴运动模块移动来移动所述电喷印模块和可变电场模块进入下一待喷印区域，重复执行以上步骤，直至完成所有的柔性电子电喷印工艺。
综上，本发明中通过对该电喷印设备的整体构造组成重新进行设计，相应与现有设备相比可采用调控电场的方式来高精度调整喷印定位，不需要像传统方式一样移动喷嘴或者基板来实现打印，当调整好参数和位姿后，在喷印的过程中不需要进行任何的机械运动，仅仅调节电压即可实现喷印，由此显著提高了喷印效率，同时还有助于对喷印质量的精细化控制；此外，本发明中还进一步对多个关键组件如球形电机、阵列喷嘴和环形电环等的具体结构和设置方式作出了改进，因而有助于确保喷印的最终质量和效果。相应地，按照本发明的柔性电子电喷印设备整体结构紧凑、便于操控，并具备喷印质量和效率高、适应性和可靠面广等特点，因而尤其适用于各类柔性电子电喷印制造应用场合
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 (7)

1.一种具备电场自适应特性的柔性电子电喷印设备，该柔性电子电喷印设备包括XYZ三轴运动模块(100)、电喷印模块(200)和可变电场模块(300)，其特征在于：
所述XYZ三轴运动模块(100)包括支架(101)、X轴自由度执行机构(102)、Y轴自由度执行机构(103)和Z轴自由度执行机构(104)，其中该支架(101)呈支撑框架的形式，并在其顶部分别沿着X轴方向和Y轴方向相互联接安装有所述X轴自由度执行机构(102)和所述Y轴自由度执行机构(103)，同时在该Y轴自由度执行机构(103)上沿着Z轴方向联接安装有所述Z轴自由度执行机构(104)，由此共同配合以执行沿着XYZ三轴方向上的自由运动；
所述可变电场模块(300)包括第一自由度执行机构(301)、第二自由度执行机构(302)、多个第一连杆(303)、多个第二连杆(304)和环形电环(305)，其中该第一自由度执行机构(301)保持与Z轴相平行地安装在所述Z轴自由度执行机构(104)上且随之一同运动，同时用于带动安装其上的元件独立执行沿着Z轴方向上的运动；该第二自由度执行机构(302)同样保持与Z轴相平行地安装在所述第一自由度执行机构(301)上且随之一同运动，同时用于带动上端均安装其上的所述多个第一连杆(303)独立执行沿着Z轴方向上的运动；所述多个第一连杆(303)的下端则分别联接至所述环形电环(305)上，由此当第一连杆沿着Z轴运动发生运动时，带动此环形电环(305)执行张合操作也即直径变大的张开操作或直径变小的缩拢操作；所述多个第二连杆(304)的上端均安装至所述第一自由度执行机构(301)，其下端分别对应联接至各个所述第一连杆，由此共同配合构成联动机构来执行所述环形电环的张合操作；
所述电喷印模块(200)包括电机安装座(205)、球形电机(206)、阵列喷嘴(207)、高压放大器(209)和高压分配器(210)，其中该电机安装座(205)与所述Z轴自由度执行机构相连且随之一同运动，它的下端安装有所述球形电机(206)且使得该球形电机处于所述环形电环的中心线上；该球形电机(206)上继续联接设置有所述阵列喷嘴(207)，并用于对该阵列喷嘴执行溶液喷射时的角度和姿态进行调整；该阵列喷嘴(207)具备多个独立喷嘴，并且每个独立喷嘴均与容纳有材料溶液的溶液容器相连；该高压放大器(209)的一端与所述阵列喷嘴(207)电路连接，另外一端与所述环形电环(205)电路连接，并用于在两者之间产生高压电场；此外，该高压分配器用于实时调整该高压电场，并与所述环形电环(305)的张合操作相配合，由此实现带电溶液在基板上的落点控制。
2.如权利要求1所述的一种具备电场自适应特性的柔性电子电喷印设备，其特征在于，上述电喷印模块(200)优选还包括定位相机(204)和观测相机(208)，其中该定位相机(204)用于对所述阵列喷嘴获得视觉定位，该观测相机则用于喷印时对所述阵列喷嘴上形成的泰勒锥实时观测。
3.如权利要求1或2所述的一种具备电场自适应特性的柔性电子电喷印设备，所述球形电机(206)具有多个旋转自由度，并且其输出轴沿着球形副执行旋转，同时可绕着其球心的任意空间轴线执行旋转。
4.如权利要求1-3任意一项所述的一种具备电场自适应特性的柔性电子电喷印设备，所述溶液容器由于相互隔离的多个腔体共同组成，各个腔体分别与所述阵列喷嘴(207)的各个独立喷嘴保持相连，并通过流量泵(202)来对各个独立喷嘴的溶液喷出速度和流量进行控制；此外，所述电喷印模块(200)优选还配备有多路溶液控制器(203)，并通过该多路溶液控制器来使得各个独立喷嘴用于喷射不同的溶液、多个独立喷嘴联合用于喷射相同的溶液，或者多个独立喷嘴联合用于喷射不同的溶液。
5.如权利要求1-4任意一项所述的一种具备电场自适应特性的柔性电子电喷印设备，所述高压放大器(209)可切换为其一端与所述阵列喷嘴(207)电路连接，另外一端与承印基板(211)电路连接并断开与所述环形电环(205)的电路连接，由此用于在所述阵列喷嘴与承印基板之间产生高压电场。
6.如权利要求1-5任意一项所述的一种具备电场自适应特性的柔性电子电喷印设备，所述环形电环优选有多个具备一定高度的片极相互铰接而成，各片极之间相互绝缘连接，并且每个片极均与所述高压放大器独立相连。
7.一种采用如权利要求2所述的设备执行柔性电子电喷印的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
(a)将需要打印的柔性电子电路图输入中央处理器，相应获得输出指令；
(b)基于输出指令，通过所述球形电机对所述阵列喷嘴的姿态进行调整；然后，采用所述定位相机执行视觉定位，并引导所述XYZ三轴运动模块到达所需位置，同时调整所述阵列喷嘴与承印基板之间的距离及角度；
(c)通过所述可变电场模块的第一自由度执行机构驱动所述第一连杆沿着Z轴方向继续运动，同时推动所述环形电环发生张开或缩拢，使得该环形电环达到所需的直径大小；
(d)打开所述高压放大器，并通过所述高压分配器来调整所述环形电环与所述阵列喷嘴之间的高压电压；接着，启动所述流量泵，并根据工艺需求采用所述阵列喷嘴中的单个独立喷嘴或多个独立喷嘴执行喷印；
(e)在喷印过程中，通过所述高压分配器实时调整所述高压电压，或是改变所述环形电环的直径大小或沿着Z轴方向的位置，由此获得变化的电场，进而在无需整体移动所述阵列喷嘴的情况下即可对带电溶液在基板上的落点控制；
(f)完成一定区域的喷印后，通过所述XYZ三轴运动模块移动来移动所述电喷印模块和可变电场模块进入下一待喷印区域，重复执行步骤(b)至步骤(f)，直至完成所有的柔性电子电喷印工艺。
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