CN108859397A - 一种利用丝网印刷制作电极的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用丝网印刷制作电极的方法和装置，其中方法包括：S1，将具有镂空区域与所需电极结构互补的丝网网版紧贴在承印物的表面；S2，对丝网网版的镂空区域注入液态金属；S3，用刮板对丝网网版的液态金属施加预定压力，并从丝网网版的一端向另一端移动，使得液态金属在刮板的移动过程中从镂空区域的网孔挤压并固着到承印物的表面；S4，依次收起刮板、丝网网版，待承印物表面的液态金属层凝固后，形成阵列电极。通过采用丝网网版印刷的方式，在丝网网版的镂空区中注入液态金属，并施加预定压力，使得液态金属与承印物表面结合，脱离网版而附着在承印物表面，成为承印物表面的电极，工艺简单、工艺周期短、成本低。

Description

一种利用丝网印刷制作电极的方法和装置

技术领域

本发明涉及电极加工技术领域，特别是涉及一种利用丝网印刷制作电极的方法和装置。

背景技术

一般电加工中使用的工具电极主要依赖于传统的机械加工制成，对于尺寸较小或者形状较为复杂的工具电极，目前主要采用的方法有微细电铸、微细电火花加工等方法。其中，微细电铸主要是采用光刻技术，在工件表面上制作一层掩膜，利用电化学效应在掩膜的镂空区域生长出一系列微电极，从而形成阵列电极。微细电火花加工分为电火花反拷法和微细电火花线切割法，微细电火花反拷法是利用单个电极制造出阵列结构之后，再用该阵列结构作为阳极加工出阵列微电极。微细切割方法，则是根据所需电极的形状一步步去除成形。

采用电火花反拷加工方法制造阵列电极，技术成本相当高，在制作过程花费周期长而且工艺复杂。电火花线切割虽然可以一次加工形成电极，但却无法加工出复杂结构的电极。而采用一般的电铸法来加工阵列微电极，需要在每一个工件表面都制作一层掩膜，花费时间较长，而且电铸完之后，掩膜难以去除干净，去除掩膜时产生强大的应力也容易破坏电铸成形的微结构。

发明内容

本发明的目的是提供了一种利用丝网印刷制作电极的方法和装置，工艺简单、成本较低、制造周期短，能够制造出复杂电极结构。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种利用丝网印刷制作电极的方法，包括：

S1，将具有镂空区域与所需电极结构互补的丝网网版紧贴在承印物的表面；

S2，对所述丝网网版的镂空区域注入液态金属；

S3，用刮板对所述丝网网版的液态金属施加预定压力，并从所述丝网网版的一端向另一端移动，使得所述液态金属在所述刮板的移动过程中从所述镂空区域的网孔挤压并固着到所述承印物的表面；

S4，依次收起所述刮板、所述丝网网版，待所述承印物表面的液态金属层凝固后，形成阵列电极。

其中，所述S3还包括：

实时检测所述刮板对所述丝网网版的压力。

其中，所述S3还包括：

实时检测所述刮板与所述丝网网版之间的夹角。

其中，在所述S1之前，还包括：

将所述丝网网版的网框固定在工作台。

除此之外，本发明实施例还提供了一种利用丝网印刷制作电极的装置，包括：

工作台，所述工作台用于放置承印物；

丝网网版，所述丝网网版的网框固定在所述工作台，所述丝网网版紧贴在承印物的上表面，所述丝网网版具有与所需电极结构互补的镂空区域；

刮板，所述刮板用于在所述丝网网版紧贴所述承印物后，将所述丝网网版内的液态金属在预定压力下从所述丝网网版的一端移动到所述丝网网版的另一端，并在此过程中所述液态金属通过所述丝网网版的网孔进入所述镂空区域挤压并固着到所述承印物，凝固后形成阵列电极。

其中，还包括液态金属输出部，所述液态金属输出部的输出端设置在所述丝网网版的一端，或所述液态金属输出部的输出端设置在所述刮板的前端。

其中，还包括设置在所述工作台的导轨，所述液态金属输出部、所述刮板与所述导轨连接。

其中，还包括设置在所述刮板用于检测所述刮板与所述丝网网版的压力传感器。

其中，还包括设置在所述导轨用于推动所述刮板运动的电机。

其中，还包括设置在所述导轨的角度调整器，用于检测并调整所述刮板与所述丝网网版的夹角。

本发明实施例所提供的利用丝网印刷制作电极的装置和方法，与现有技术相比，具有以下优点：

所述利用丝网印刷制作电极的装置和方法，通过采用丝网网版印刷的方式，在丝网网版的镂空区中注入液态金属，然后采用刮板对丝网网版的液态金属施加预定压力，使得液态金属与承印物表面结合，脱离网版而附着在承印物表面，在凝固之后成为承印物表面的电极。与传统的电火花反拷工艺相比较，工艺过程简单，成本较低，而又能制造出火花线切割所难以加工出的复杂结构，相比于电铸而言，一方面采用的丝网印刷模板极大的省去了预处理的时间，另一方面，液态金属凝固所需花费的时间也远远小于电铸出微结构的时间，使得整个工艺简单、工艺周期短、成本低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的利用丝网印刷制作电极的方法的一种具体实施方式的步骤流程示意图；

图2为本发明实施例提供的利用丝网印刷制作电极的装置的一种具体实施方式的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参考图1-2，图1为本发明实施例提供的利用丝网印刷制作电极的方法的一种具体实施方式的步骤流程示意图；图2为本发明实施例提供的利用丝网印刷制作电极的装置的一种具体实施方式的结构示意图。

在一种具体实施方式中，所述利用丝网印刷制作电极的方法，包括：

S1，将具有镂空区域与所需电极结构互补的丝网网版紧贴在承印物的表面，承印物为导电材料；

S2，对所述丝网网版的镂空区域注入液态金属；

S3，用刮板对所述丝网网版的液态金属施加预定压力，并从所述丝网网版的一端向另一端移动，使得所述液态金属在所述刮板的移动过程中从所述镂空区域的网孔挤压并固着到所述承印物的表面；

S4，依次收起所述刮板、所述丝网网版，待所述承印物表面的液态金属层凝固后，形成阵列电极。

通过采用丝网网版印刷的方式，在丝网网版的镂空区中注入液态金属，然后采用刮板对丝网网版的液态金属施加预定压力，使得液态金属与承印物表面结合，脱离网版而附着在承印物表面，在凝固之后成为承印物表面的电极，与传统的电火花反拷工艺相比较，工艺过程简单，成本较低，而又能制造出火花线切割所难以加工出的复杂结构，相比于电铸而言，一方面采用的丝网印刷模板极大的省去了预处理的时间，另一方面，液态金属凝固所需花费的时间也远远小于电铸出微结构的时间，使得整个工艺简单、工艺周期短、成本低。

本发明中采用液态金属作为微电极材料，以丝网作为版基，通过感光制版的方法，使用刮板将网版的液态金属均匀涂覆在镂空区域，从而通过印刷形成微电极阵列。

本发明中的液态金属通常是指在常温下呈液态的合金功能材料，如熔点在30℃以下的金属及其合金材料，也包括在40℃～300℃工作温区内呈液态的低熔点合金材料，主要是根据本发明中制作的电极阵列的工作温度范围确定，确保在工作温度范围内为固态，不会被熔化而造成电极的损坏，如工作温度范围为-40℃～90℃，需要确保其熔点高于最大工作温度90℃。

液态金属具有熔点低、高热导率/电导率、性质稳定、耐高温、不易挥发、无毒环保等特点，可根据用户的不同需求调整其熔点、粘附性、流动性、电导率、热导率等技术参数。

本发明对于液态金属的材质不做具体限定，用户可以根据需要选择不同熔点的液态金属，现有的不同熔点液态金属合金材料的熔点从低到高有：8℃、10.5℃、11.5℃、12℃、15.7℃、18℃、25℃、47℃、58℃、70℃、80℃、92℃、100℃、105℃、115℃、120℃、125℃、130℃、138℃、145℃、160℃、170℃、183℃、190℃、200℃、300℃等。

当然，如果同一中合金AB，其中某一种的组分的改变也会影响合金的熔点，因此，用户可以通过调剂组分的比例实现从8℃～300℃熔点的合金材质的制备。

在本发明中，通过刮板挤压丝网网版将存在于镂空区域的液态金属挤压到承印物表面，与承印物结合，但是如果只依靠工作人员的经验进行操作，在操作过程中可能存在不同批次的电极制作过程中甚至是同一批次的电极制作过程中处在由于受力不均匀，某些地方中的液态金属与承印物的结合不够牢靠，容易发生掉落，降低了电极的成品率。

为了解决这一技术问题，在本发明的一个实施例中，所述S3还包括：

实时检测所述刮板对所述丝网网版的压力。

通过实时检测刮板对丝网网版的压力，使得操作人员能够实时获得刮板对丝网网版施加的压力，能够保证在刮板移动速率一定的前提下，保证对网版各处施加的压力达到预定值以上，提高了产品的合格率。

如果在刮板对网版的操作过程中，采用机械自动控制的方式进行操作，能够提供稳定的压力，但是对于同一刮板，在施加同等压力的前提下，与网版的夹角不同，就会使得与网版中的液态金属实际与承印物的挤压力不同，因此为了进一步保证镂空区域液态金属能够获得足够的压力，提高与承印物的结合效率，提高产品的良品率，在本发明的一个实施例中，所述S3还包括：

实时检测所述刮板与所述丝网网版之间的夹角。

通过检测刮板与所述丝网网版之间的夹角，检测二者之间的压力，计算出刮板对丝网网版垂直方向的压力值，在工艺过程中，提高了产品的合格率。

需要指出的是，在本发明中刮板与丝网网版之间的压力以及夹角，可以是固定的，也可以变化的。由于在刮板从网版的一端运动到另一端的过程中，有加速和减速的过程，即使在液态金属受到相同压力的前提下，由于不同区域受到压力挤压的时间不同，使得镂空区域液态金属与承印物的结合程度也不尽相同，如果刮板移动的速度过快，在有些区域停留的时间过短，会造成该区域液态金属与承印物结合不良的情况。因此，在本发明中需要根据不同压力值和速度，调整刮板与网版之间的夹角，实现液态金属与承印物的良好结合。

在本发明中需要将丝网网版放置在承印物表面，采用刮板刮过其表面的方式，实现网版中液态金属与承印物结合的目的。一般所选择的刮板与丝网网版之间的摩擦系数极小，但是由于在整个的工艺过程中，微电极的尺寸较小，即使刮板带动丝网网版移动的位移很小，都可能造成产品不合格。为了解决这一技术问题，在本发明的一个实施例只能够，在所述S1之前，还包括：

将所述丝网网版的网框固定在工作台。

在本发明中对于丝网网版的固定方式不做限定，可以是采用螺栓固定的方式，也可以是采用类似夹具加紧的方式进行固定，或者是采用其它的方式进行固定。

在本发明中，除了采用上述的刮板的方式挤压液态金属与承印物结合之外，还可以采用如辊碾压的方式实现，通过对辊施加一定的压力，而后使其从丝网网版的一端移动到另一端，或者采用辊与刮板结合的方式实现。

在本发明的一个实施例中，微电极的制作工艺如下：

首先，将具有镂空区域与所需电极结构互补的丝网网版紧贴在承印物的表面，将丝网网版的网框固定在工作台；

其次，在丝网网版的一端倒入液态金属；

再次，用刮板在丝网网版上的液态金属施加一定压力，同时朝丝网网版另一端移动，液态金属在移动中被刮板从镂空区域的网孔中挤压到承印物上，并固着在一定范围之内，非镂空部分就没有液态金属存在；

最后，刮板刮过整个版面后抬起，同时网版也抬起，待液态金属凝固后，这时丝网网版上每个微镂空区域内与承印物结合形成微电极单元，得到了所需要的图案，之后将承印物取出，阵列电极制作完成。

除此之外，本发明实施例还提供了一种利用丝网印刷制作电极的装置，包括：

工作台，所述工作台用于放置承印物6；

丝网网版5，所述丝网网版5的网框1固定在所述工作台，所述丝网网版5紧贴在承印物6的上表面，所述丝网网版5具有与所需电极结构互补的镂空区域4；

刮板3，所述刮板3用于在所述丝网网版5紧贴所述承印物6后，将所述丝网网版5内的液态金属2在预定压力下从所述丝网网版5的一端移动到所述丝网网版5的另一端，并在此过程中所述液态金属2通过所述丝网网版5的网孔进入所述镂空区域4挤压并固着到所述承印物6，凝固后形成阵列电极。

通过采用丝网网版印刷的方式，在丝网网版的镂空区中注入液态金属，然后采用刮板对丝网网版的液态金属施加预定压力，使得液态金属与承印物表面结合，脱离网版而附着在承印物表面，在凝固之后成为承印物表面的电极，与传统的电火花反拷工艺相比较，工艺过程简单，成本较低，而又能制造出火花线切割所难以加工出的复杂结构，相比于电铸而言，一方面采用的丝网印刷模板极大的省去了预处理的时间，另一方面，液态金属凝固所需花费的时间也远远小于电铸出微结构的时间，使得整个工艺简单、工艺周期短、成本低，装置结构简单，只需制备相应的网版即可。

本发明中电极材料采用的是液态金属2，而对于具体是哪种类型的液态金属2不做限定，但是要求是能够做电极的导电液态金属2。

本发明中的液态金属通常是指在常温下呈液态的合金功能材料，如熔点在30℃以下的金属及其合金材料，也包括在40℃～300℃工作温区内呈液态的低熔点合金材料，主要是根据本发明中制作的电极阵列的工作温度范围确定，确保在工作温度范围内为固态，不会被熔化而造成电极的损坏，如工作温度范围为-40℃～90℃，需要确保其熔点高于最大工作温度90℃。

液态金属具有熔点低、高热导率/电导率、性质稳定、耐高温、不易挥发、无毒环保等特点，可根据用户的不同需求调整其熔点、粘附性、流动性、电导率、热导率等技术参数。

本发明对于液态金属的材质不做具体限定，用户可以根据需要选择不同熔点的液态金属，现有的不同熔点液态金属合金材料的熔点从低到高有：8℃、10.5℃、11.5℃、12℃、15.7℃、18℃、25℃、47℃、58℃、70℃、80℃、92℃、100℃、105℃、115℃、120℃、125℃、130℃、138℃、145℃、160℃、170℃、183℃、190℃、200℃、300℃等。

当然，如果同一中合金AB，其中某一种的组分的改变也会影响合金的熔点，因此，用户可以通过调剂组分的比例实现从8℃～300℃熔点的合金材质的制备。

在本发明中，对于液态金属2的输出方式不做限定，可以是采用倾倒的方式，直接在丝网网版5的一端进行液态金属2倾倒，可以是采用定量倾倒以及不定量倾倒多种方式还包括液态金属输出部，所述液态金属输出部的输出端设置在所述丝网网版5的一端，或所述液态金属2输出部的输出端设置在所述刮板3的前端。

在本发明中对于液态金属2的输出方式不做限定，可以是液态金属输出部输出液态金属2与刮板3运动有前后顺序，即先倒液态金属2，后进行刮板3操作，也可以是液态金属2一边输出，刮板3一边紧随运动，优点是能够节省液态金属2，通过控制液态金属2的输出速度、运动速率以及刮板3的运动速率不做限定。

在本发明中，为了规范还包括设置在所述工作台的导轨，所述液态金属输出部、所述刮板3与所述导轨连接。

为进一步提高电极的制作质量，使得承印物6表面各处的电极的差别较小，所述利用丝网印刷制作电极的装置还包括设置在所述刮板3用于检测所述刮板3与所述丝网网版5的压力传感器。

通过压力传感器检测刮板3与丝网网版5之间的压力，使得在对丝网网版5进行操作时，各处的液态金属2能够获得更均匀的挤压，提高了产品的良品率。

本发明中的刮板3用于对丝网网版5进行挤压，使得其中镂空区域4的液态金属2与承印物6结合，为了提高对刮板3的使用精确度，提高产品的良品率，在本发明的一个实施例中，所述利用丝网印刷制作电极的装置还包括设置在所述导轨用于推动所述刮板3运动的电机。

通过电机驱动刮板3运动，使得刮板3在运动中受到的力是恒定的，同样施加到网版5的力是恒定的，进而使得液态金属2受到的挤压力在各处是相等的，提高了产品的良品率。

为了进一步提高产品的良品率，在本发明的一个实施例中，所述利用丝网印刷制作电极的装置还包括设置在所述导轨的角度调整器，用于检测并调整所述刮板3与所述丝网网版5的夹角。

通过检测刮板3与所述丝网网版5之间的夹角，检测二者之间的压力，计算出刮板3对丝网网版5垂直方向的压力值，在工艺过程中，提高了产品的合格率。

需要指出的是，在本发明中刮板3与丝网网版5之间的压力以及夹角，可以是固定的，也可以变化的。由于在刮板3从丝网网版5的一端运动到另一端的过程中，有加速和减速的过程，即使在液态金属2受到相同压力的前提下，由于不同区域受到压力挤压的时间不同，使得镂空区域4液态金属2与承印物6的结合程度也不尽相同，如果刮板3移动的速度过快，在有些区域停留的时间过短，会造成该区域液态金属2与承印物6结合不良的情况。因此，在本发明中需要根据不同压力值和速度，调整刮板3与丝网网版5之间的夹角，实现液态金属2与承印物6的良好结合。

在本发明的一个实施例中，采用上述的利用丝网印刷制作电极的装置进行微电极的制作过程如下：

首先，将具有镂空区域4与所需电极结构互补的丝网网版5紧贴在承印物6的表面，将丝网网版5的网框1固定在工作台；

其次，在丝网网版5的一端倒入液态金属2；

再次，用刮板3在丝网网版5上的液态金属2施加一定压力，同时朝丝网网版另一端移动，液态金属2在移动中被刮板3从镂空区域4的网孔中挤压到承印物6上，并固着在一定范围之内，非镂空部分就没有液态金属2；

最后，刮板3刮过整个版面后抬起，同时丝网网版5也抬起，待液态金属2凝固后，这时丝网网版上每个微镂空区域4内与承印物6结合形成微电极单元7，得到了所需要的图案，之后将承印物6取出，阵列电极制作完成。

综上所述，本发明实施例提供的利用丝网印刷制作电极的装置和方法，通过采用丝网网版印刷的方式，在丝网网版的镂空区中注入液态金属，然后采用刮板对丝网网版的液态金属施加预定压力，使得液态金属与承印物表面结合，脱离网版而附着在承印物表面，在凝固之后成为承印物表面的电极，与传统的电火花反拷工艺相比较，工艺过程简单，成本较低，而又能制造出火花线切割所难以加工出的复杂结构，相比于电铸而言，一方面采用的丝网印刷模板极大的省去了预处理的时间，另一方面，液态金属凝固所需花费的时间也远远小于电铸出微结构的时间，使得整个工艺简单、工艺周期短、成本低。

以上对本发明所提供的利用丝网印刷制作电极的装置和方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种利用丝网印刷制作电极的方法，其特征在于，包括：

S1，将具有镂空区域与所需电极结构互补的丝网网版紧贴在承印物的表面；

S2，对所述丝网网版的镂空区域注入液态金属；

S3，用刮板对所述丝网网版的液态金属施加预定压力，并从所述丝网网版的一端向另一端移动，使得所述液态金属在所述刮板的移动过程中从所述镂空区域的网孔挤压并固着到所述承印物的表面；

S4，依次收起所述刮板、所述丝网网版，待所述承印物表面的液态金属层凝固后，形成阵列电极。

2.如权利要求1所述利用丝网印刷制作电极的方法，其特征在于，所述S3还包括：

实时检测所述刮板对所述丝网网版的压力。

3.如权利要求2所述利用丝网印刷制作电极的方法，其特征在于，所述S3还包括：

实时检测所述刮板与所述丝网网版之间的夹角。

4.如权利要求3所述利用丝网印刷制作电极的方法，其特征在于，在所述S1之前，还包括：

将所述丝网网版的网框固定在工作台。

5.一种利用丝网印刷制作电极的装置，其特征在于，包括：

工作台，所述工作台用于放置承印物；

丝网网版，所述丝网网版的网框固定在所述工作台，所述丝网网版紧贴在承印物的上表面，所述丝网网版具有与所需电极结构互补的镂空区域；

刮板，所述刮板用于在所述丝网网版紧贴所述承印物后，将所述丝网网版内的液态金属在预定压力下从所述丝网网版的一端移动到所述丝网网版的另一端，并在此过程中所述液态金属通过所述丝网网版的网孔进入所述镂空区域挤压并固着到所述承印物，凝固后形成阵列电极。

6.如权利要求5所述利用丝网印刷制作电极的装置，其特征在于，还包括液态金属输出部，所述液态金属输出部的输出端设置在所述丝网网版的一端，或所述液态金属输出部的输出端设置在所述刮板的前端。

7.如权利要求6所述利用丝网印刷制作电极的装置，其特征在于，还包括设置在所述工作台的导轨，所述液态金属输出部、所述刮板与所述导轨连接。

8.如权利要求7所述利用丝网印刷制作电极的装置，其特征在于，还包括设置在所述刮板用于检测所述刮板与所述丝网网版的压力传感器。

9.如权利要求8所述利用丝网印刷制作电极的装置，其特征在于，还包括设置在所述导轨用于推动所述刮板运动的电机。

10.如权利要求9所述利用丝网印刷制作电极的装置，其特征在于，还包括设置在所述导轨的角度调整器，用于检测并调整所述刮板与所述丝网网版的夹角。