CN109130534B - 一种多轴旋转电喷印平台 - Google Patents

Abstract

本发明属于电子元器件加工相关设备领域，并公开了一种多轴旋转电喷印平台，其包括双旋转承接台、电喷印单元、多面体棱镜观测台和固化单元，其中电喷印单元用于在压力以及高电场作用下将相应溶液打印图案化；双旋转承接台拥有双旋转自由度可实现绕Z轴自转、绕X轴转大圈，并且拥有均匀分布的温度场，可实现溶液的热固化；该多面体棱镜观测台依靠一套CCD在多棱镜折射下，实现多角度观察；该固化单元实现溶液的紫外光固化。本发明还公开了相应的装置示意图和部件原理图。通过本发明，能够通过实验探究溶液在承接台上落点位置与外加电压、重力、溶液压力以及喷头距承接台高度的关系，从而找到溶液在不同参数条件下各种形状形成的原理和数学描述。

Description

一种多轴旋转电喷印平台

技术领域

本发明属于电子元器件加工相关设备领域，更具体地，涉及一种多轴旋转电喷印平台。

背景技术

随着社会的不断发展，包括柔性电子在内的各类新型电子元器件受到了广泛的关注和应用。例如，柔性电子器件凭借其柔软、便携、轻便等优良特质，已经在柔性显示领域、人体医疗领域、军事航空航天领域等有着颠覆性的应用。虽然这些新型电子元器件有着光明的前景，但其制造工艺限制了其进一步发展与应用。

譬如对柔性电子而言，传统的制备工艺采用压电或热气泡等方式，虽然可以批量制备柔性电子器件，但随着电子元器件尺寸要求越来越高、喷印精度越来越高、图案越来越复杂、制备成本要求越来越低，已经有些无力了。而电流体喷印采用与传统喷印方式完全不同的原理进行喷印，通过外加高压电场将溶液从喷头“拉”出来，可以得到了比喷头尺寸小的多的溶液形态，从而可以适应小尺寸电子元器件的喷印。此外，由于电流体喷印方式的变革以及对电压的良好控制，采用电流体喷印方式是可以实现大面积、低成本、高精度、稳定、高分辨率、低温的柔性电子器件制备，因此，对电流体喷印的研究是有重要的意义。

然而，进一步的研究表明，虽然电流体喷印有着传统电子元器件制备方式所不具备的优良品质，甚至被视为是柔性电子制备最理想的方案，但电流体喷印里的部分内容却始终构成了本领域的技术难题所在：例如关于溶液在不同参数条件下各种形状形成的机理还是不够清晰，其落点位置的不确定可能还会限制电流体喷印效果等。相应地，本领域亟需针对溶液在不同参数条件下各种形状形成机理进行思考，进而对相关加工系统作出进一步的探究，以便更好地满足实际生产制造中的各类需求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种多轴旋转电喷印平台，其中通过对其整体结构组成及构造布局重新进行了设计，并重点针对一些关键组件如双旋转承接台、多面体棱镜观测台等的具体组成结构、设置方式及工作原理等多个方面进行改进，相应不仅可便捷、高效地按照实验所需条件来旋转平台角度、移动喷头位置、调节喷头电压、溶液压力以及改变重力影响方向等不同状态来打印溶液，而且能够通过多面体棱镜观测台进行多角度、多位置的对喷头状态和溶液落点进行观测，从而还有助于根据大量实验数据来进一步确定溶液落点位置与外加电压、重力、溶液压力以及喷头距承接台高度的定量关系。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种多轴旋转电喷印平台，其特征在于，该多轴旋转电喷印平台包括双旋转承接台、电喷印单元、多面体棱镜观测台和固化单元，其中：

该双旋转承接台包括直径不同且相互垂直分布的大、小两个转盘，其中该大转盘被设置位于YZ平面内且可实现绕着X轴旋转的M自由度，同时带动所述小转盘发生同步转动；该小转盘被设置位于XY平面内且可实现绕着Z轴自转的L自由度，并且在它的内部设有均匀分布的温度控制器以实现稳定可调的温度场；此外，所述X轴被定义为沿着水平方向纵向延伸的方向，所述Y轴被定义为沿着水平方向横向延伸的方向，所述Z轴被定义为沿着竖直方向延伸的方向；

该电喷印单元安装在所述大转盘上，并包括电喷印喷头和平行光源，其中该电喷印喷头用于向所述小转盘喷射所需工艺条件的溶液，该平行光源用于为所述电喷印喷头提供所需的照明条件；此外，所述电喷印喷头和平行光源安装在一起，两者均拥有XYZ三轴方向的移动自由度和绕着X轴旋转的N自由度，由此可同步执行其方位和旋转角度的自由调整；

该多面体棱镜观测台包括CCD相机和棱镜观测装置，其中该棱镜观测装置保持高度与所述CCD相机一致，用于将入射光路反射给所述CCD相机，同时它可跟随所述大转盘依照M自由度发生转动，但不跟随所述小转盘发生转动；该CCD相机则用于对所述电喷印喷头执行喷射时的位置图像及其所喷射溶液的落点图像执行拍摄；

该固化单元包括固化装置和封闭罩，其中该固化装置用于对落到所述小转盘上的溶液执行固化，该封闭罩则用于在固化过程中将整个所述小转盘保持封闭，同时为所述多面体棱镜观测台提供整个观测过程中的照明条件。

作为进一步优选地，对于所述大转盘而言，其优选被设计为由一个处于外部的圆环部分和一个处于内部的圆形部分共同组成，并且该圆环部分可绕着所述X轴旋转，该圆形部分没有旋转自由度。

作为进一步优选地，对于所述电喷印单元而言，它的电喷印喷头优选采用在喷头内进行电压加载的喷印模式，并且整个电喷印单元优选安装在所述大转盘的所述圆形部分上。

作为进一步优选地，对于所述棱镜观测装置而言，它的棱镜优选为四棱镜，并且内部反光镜与水平面之间的夹角优选设定为45°，同时该棱镜观测装置的光路出口位置高度与所述CCD相机的镜头高度保持一致。

作为进一步优选地，对于所述固化单元而言，其优选采用UV紫外固化机作为所述固化装置，并且其固化方式优选按照以下方式执行：所述小转盘除了在固化过程中通过所述温度控制器进行升温热固化之外，还会缓慢旋转以确保溶液各个方向上都会均等接收紫外光照射，同时在固化结束后旋转返回固化前的初始位置。

作为进一步优选地，上述电喷印平台的对象为柔性电子。

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、其中通过对该多轴旋转电喷印平台的整体构造组成进行设计，不仅可便捷、高效地按照实验所需条件来旋转平台角度、移动或旋转喷头位置、调节喷头电压、溶液压力以及改变重力影响方向等不同状态下打印溶液，而且通过多面体棱镜观测台能够对喷头状态和溶液落点进行多角度、多位置的观测，从而根据大量实验数据确定溶液落点位置与外加电压、重力、溶液压力以及喷头距承接台高度的关系；

2、本发明还重点针对一些关键组件如电喷印单元、双旋转承接台、多面体棱镜观测台、UV固化的具体组成结构、设置方式及工作原理等多个方面进行改进，实现电喷印喷头的全角度旋转以及承接台的全角度旋转，更灵活的为实验提供更多的可能状态；同时，相比较与只能在平面范围内实现电喷印的喷印平台，多轴旋转电喷印平台更有可能打印出不同形状的溶液图案；多面体棱镜观测台实现一套CCD相机观测多落点、多角度，简化标定，降低成本；溶液的固化不仅仅依靠UV固化装置，还可以通过小转盘的温度场进行热固化；

3、此外，本发明采用电喷印方式进行电流体喷印，相较与传统的压电等喷印方式，电喷印方式实现了高分辨率、高稳定性、大面积、低温、低成本的柔性电子制造方式。

附图说明

图1是按照本发明所构建的多轴旋转电喷印平台的整体构造示意图；

图2是用于示范性说明按照本发明实现四个特殊位置喷印的示意图；

图3是按照本发明的一个优选实施方式、用于多面体棱镜观测台将电喷印喷头图像和溶液落点图像反射给CCD相机的示意图；

图4是用于解释说明按照本发明的整个操作流程示意图。

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是按照本发明所构建的多轴旋转电喷印平台的整体构造示意图。如图1所示，该多轴旋转电喷印平台主要包括双旋转承接台1、电喷印单元2、多面体棱镜观测台3和固化单元4等功能组件，下面将对其逐一进行具体解释说明。

如图1所述，该双旋转承接台1包括直径不同且相互垂直分布的大、小两个转盘，其中该大转盘12被设置位于YZ平面内且可实现绕着X轴旋转的M自由度，同时带动所述小转盘11发生同步转动；该小转盘11被设置位于XY平面内且可实现绕着Z轴自转的L自由度，并且在它的内部设有均匀分布的温度控制器以实现稳定可调的温度场；此外，所述X轴被定义为沿着水平方向纵向延伸的方向，所述Y轴被定义为沿着水平方向横向延伸的方向，所述Z轴被定义为沿着竖直方向延伸的方向。

更具体地，双旋转承接台1作为溶液承接和热固化装置，拥有两个转盘，其小转盘11内部有均匀分布的温度控制器，可实现稳定的、可调的温度场；该双旋转承接台1小转盘11可实现绕Z轴自转的L自由度、大转盘12实现绕X轴旋转的M自由度且大转盘12带着小转盘11同步转动；此外，如图1所显示地，可以以该双旋转承接台1为基准点构建空间XYZ坐标系，其中沿着水平方向横向延伸的方向定义为Y轴，沿着水平方向纵向延伸的方向定义为X轴，竖直方向定义为Z轴，小转盘11位于XY平面,大转盘12位于YZ平面，两者相互垂直分布。

电喷印单元2安装在所述大转盘12上，并包括电喷印喷头21和平行光源22，其中该电喷印喷头用于向所述小转盘11喷射所需工艺条件的溶液，该平行光源用于为所述电喷印喷头提供所需的照明条件；此外，所述电喷印喷头21和平行光源22安装在一起，两者均拥有XYZ三轴方向的移动自由度和绕着X轴旋转的N自由度，由此可同步执行其方位和旋转角度的自由调整。

更具体而言，电喷印单元2可位于双旋转承接台1的大转盘12上；该电喷印单元2主要包括电喷印喷头21和平行光源22；电喷印喷头21和平行光源22可以安装在一起，平行光源22为喷头提供所需照明条件，两者拥有XYZ方向自由度和绕X轴旋转的N自由度，由此电喷印喷头21和平行光源22可以同步任意调整其方位与旋转角度。

按照本发明的一个优选实施方式，双旋转承载台1中大转盘12结构优选为分成外部可绕X轴旋转圆环和内部没有旋转自由度的圆形区域，电喷印单元2安装在大转盘12内部没有旋转自由度的圆形区域，电喷印喷头21绕X轴旋转的N自由度是由安装在其Z轴移动平台上的旋转电机实现。此外，电喷印喷头21喷印模式优选为在喷头内进行电压加载的模式，其中高压电场可以分布在喷头内，也可以分布在喷头和承载台之间，但为避免承载台同时进行高压控制和温度控制，降低系统的复杂性和耦合度，提高装置可靠性，优选为在喷头内进行电压加载的喷印模式。

对于多面体棱镜观测台3而言，它包括CCD相机31和棱镜观测装置32，其中该棱镜观测装置保持高度与所述CCD相机一致，用于将入射光路反射给所述CCD相机，同时它可跟随所述大转盘12依照M自由度发生转动，但不跟随所述小转盘11发生转动；该CCD相机则用于对所述电喷印喷头执行喷射时的位置图像及其所喷射溶液的落点图像执行拍摄。

更具体地，多面体棱镜观测台3可以包括一套CCD相机31、以及譬如设置在小转盘11承载台上未旋转部分的棱镜观测装置32，其中棱镜观测装置32高度与CCD相机31高度匹配，保证棱镜观测装置32导通的光路可以入射到CCD相机31，并且可以跟随大转盘12在M自由度转动，但不跟随小转盘11转动，棱镜观测装置32可以通过棱镜将入射光路折射为水平方向，然后通过反光镜反射给CCD相机31；此外，该多面体棱镜观测台32要配合较好的照明条件，才能更好地通过一套CCD相机31实现多角度观测。

按照本发明的另一优选实施方式，多面体棱镜观测台3的装配优选按照以下方式执行：多面体棱镜观测台3的CCD相机31的装配位置优选为其镜头中心与大转盘12的圆心在同一高度；多面体棱镜观测台3中，棱镜观测装置32内部棱镜优选为四棱镜，内部反光镜与水平面夹角优选为45°，并且棱镜观测装置32光路出口位置高度要与CCD相机31镜头高度处于同一高度范围，保证棱镜观测装置32可以将观测图像投射到CCD相机31镜头范围。此外，由于CCD相机31镜头高度、棱镜观测装置32光路出口位置棱镜的反射区域高度与大转盘12的圆心高度都在同一高度范围，在大转盘12绕X轴旋转过程中，上述三部分的相对高度始终保持不变，无论大转盘12旋转到哪一个位置，棱镜观测装置32始终可以将观测图像反射给CCD相机31镜头；多面体棱镜观测台3可以将溶液落点图像和喷头位置图像通过四棱镜将入射光路折射为水平方向，然后通过反光镜反射给CCD相机31，实现一套相机多角度观测。

对于固化单元而言，它包括固化装置和封闭罩，其中该固化装置用于对落到所述小转盘上的溶液执行固化，该封闭罩则用于在固化过程中将整个所述小转盘保持封闭，同时为所述多面体棱镜观测台提供整个观测过程中的照明条件。

更具体地，固化单元4优选为可包括UV紫外固化机和固化时的封闭罩，UV紫外固化机安装在小转盘11承载台上未旋转部分，封闭罩安装在整个小转盘11承载台上；其中由于小转盘11上温度场可控可调，溶液的固化可以通过UV紫外光固化搭配热固化方式实现；此外，在整个固化过程中，封闭罩始终保持装置在封闭空间，并且封闭罩内部提供多面体棱镜观测台3观测过程中需要的照明条件。

按照本发明的另一优选实施方式，固化单元优选采用紫外光的面光源进行固化。其固化方式优选按照以下方式执行：由于UV紫外固化机只在小转盘11承载台的一侧安装，为保证溶液固化效果更好，小转盘11除了在固化过程中可以升高温度进行热固化，还会进行缓慢的旋转，保证溶液各个方向上都会均等接受紫外光照射，并在固化结束后，旋转回到固化前的初始位置。

如图2所示，按照本发明的一个优选实施方式，在探讨溶液在承接台上落点位置与外加电压、重力、溶液压力以及喷头距承接台高度的关系时，改变多轴旋转电喷印平台初始喷印位置的示意图。在实验时，在某一初始位置下，已经按照实验要求进行多次实验，并且利用多面体棱镜观测台3对每一次实验喷头位置和溶液落点位置进行观测记录后，按照图中字母ABCD所示顺序，每次顺时针旋转90°，在不同的位置进行喷印重复实验，在上述每个位置喷印后，利用多面体棱镜观测台3对喷头位置和溶液落点位置进行观测记录。

如图3所示，当所述多轴旋转电喷印平台已经在要求位置进行喷印后，多面体棱镜观测台3是如何实现多角度、多位置对喷头和溶液落点进行观测。其中，多面体棱镜观测台3对电喷印喷头21进行观测过程如下：在某一要求位置喷印完成后，保持喷头位置和承载台位置不变；通过多面体棱镜观测台3中的四棱镜，将电喷印喷头21图像入射光路方向折射为水平方向，然后通过内部的反射镜将结果图像反射给CCD相机31，实现对电喷印喷头21的观测；同理，对溶液落点位置的观测是在喷印完成后，保持喷头和承载台位置不变，通过多面体棱镜观测台3中的四棱镜，将溶液落点位置图像入射光路方向折射为水平方向，然后通过内部的反射镜将结果图像反射给CCD相机31，实现对溶液落点位置的观测。

下面将结合图4来具体解释按照本发明的上述多轴旋转电喷印平台的工作过程。

首先，按照优选方式对多轴旋转电喷印平台部分装置进行标定和安装，并将电喷印喷头21和双旋转承载台1调整到如图2中所示A的位置；同时，明确实验是要确定外加电压、重力、溶液压力以及喷头距承接台高度等参数中的哪一个参数与溶液落点位置的关系，设计实验。

接着，将除实验参数外的余下参数保持不变，按照实验要求对实验参数取不同值进行实验。

接着，在一次实验结束后，保持电喷印喷头21与双旋转承载台1位置不变。通过多面体棱镜观测台3，按照图3中操作步骤，对上述实验条件下、A位置的电喷印喷头21位置和溶液落点位置进行观测，并且每次实验需要重复三次，记录结果取其平均值。

接着，按照顺时针顺序，将电喷印喷头21和双旋转承载台1旋转90°到如图2所示B位置。并将实验在B位置再重复一遍，通过多面体棱镜观测台3，按照图3中操作步骤，对该实验条件下、B位置的电喷印喷头21位置和溶液落点位置进行观测,并且每次实验需要重复三次，记录结果取其平均值。

接着，按照顺时针顺序，将电喷印喷头21和双旋转承载台1旋转90°到如图2所示C位置和D位置。并将实验在C位置和D位置再重复一遍，通过多面体棱镜观测台3，按照图3中操作步骤，对该实验条件下、C位置和D位置的电喷印喷头21位置和溶液落点位置进行观测,并且每次实验需要重复三次，记录结果取其平均值。

接着，利用上述所有记录结果，验证溶液落点位置模型。

综上，本发明提供了一种多轴旋转电喷印平台，其中通过对该电喷印平台的整体构造组成进行设计，不仅可便捷、高效地按照实验所需条件来旋转平台角度、移动或旋转喷头位置、调节喷头电压、溶液压力以及改变重力影响方向等不同状态下打印溶液，而且能够对喷头状态和溶液落点进行多角度、多位置的观测，从而根据大量实验数据确定溶液落点位置与外加电压、重力、溶液压力以及喷头距承接台高度的关系。

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)

1.一种多轴旋转电喷印平台，其特征在于，该多轴旋转电喷印平台包括双旋转承接台(1)、电喷印单元(2)、多面体棱镜观测台(3)和固化单元(4)，其中：

该双旋转承接台(1)包括直径不同且相互垂直分布的大、小两个转盘，其中该大转盘(12)被设置位于YZ平面内且可实现绕着X轴旋转的M自由度，同时带动所述小转盘(11)发生同步转动；该小转盘(11)被设置位于XY平面内且可实现绕着Z轴自转的L自由度，并且在它的内部设有均匀分布的温度控制器以实现稳定可调的温度场；此外，X轴被定义为沿着水平方向纵向延伸的方向，Y轴被定义为沿着水平方向横向延伸的方向，Z轴被定义为沿着竖直方向延伸的方向；

该电喷印单元(2)安装在所述大转盘(12)上，并包括电喷印喷头(21)和平行光源(22)，其中该电喷印喷头用于向所述小转盘喷射所需工艺条件的溶液，该平行光源用于为所述电喷印喷头提供所需的照明条件；此外，所述电喷印喷头(21)和所述平行光源(22)安装在一起，两者均拥有XYZ三轴方向的移动自由度和绕着X轴旋转的N自由度，由此可同步执行其方位和旋转角度的自由调整；

该多面体棱镜观测台(3)包括CCD相机(31)和棱镜观测装置(32)，其中该棱镜观测装置保持高度与所述CCD相机一致，用于将入射光路反射给所述CCD相机，同时它可跟随所述大转盘(12)依照M自由度发生转动，但不跟随所述小转盘(11)发生转动；该CCD相机则用于对所述电喷印喷头执行喷射时的位置图像及其所喷射溶液的落点图像执行拍摄；

该固化单元(4)包括固化装置和封闭罩，其中该固化装置用于对落到所述小转盘上的溶液执行固化，该封闭罩则用于在固化过程中将整个所述小转盘保持封闭，同时为所述多面体棱镜观测台提供整个观测过程中的照明条件。

2.如权利要求1所述的一种多轴旋转电喷印平台，其特征在于，对于所述大转盘而言，其被设计为由一个处于外部的圆环部分和一个处于内部的圆形部分共同组成，并且该圆环部分可绕着所述X轴旋转，该圆形部分没有旋转自由度。

3.如权利要求2所述的一种多轴旋转电喷印平台，其特征在于，对于所述电喷印单元而言，它的电喷印喷头采用在喷头内进行电压加载的喷印模式，并且整个电喷印单元安装在所述大转盘的所述圆形部分上。

4.如权利要求1或2所述的一种多轴旋转电喷印平台，其特征在于，对于所述棱镜观测装置而言，它的棱镜为四棱镜，并且内部反光镜与水平面之间的夹角设定为45°，同时该棱镜观测装置的光路出口位置高度与所述CCD相机的镜头高度保持一致。

5.如权利要求3所述的一种多轴旋转电喷印平台，其特征在于，对于所述棱镜观测装置而言，它的棱镜为四棱镜，并且内部反光镜与水平面之间的夹角设定为45°，同时该棱镜观测装置的光路出口位置高度与所述CCD相机的镜头高度保持一致。

6.如权利要求1或2所述的一种多轴旋转电喷印平台，其特征在于，对于所述固化单元而言，其采用UV紫外固化机作为所述固化装置，并且其固化方式按照以下方式执行：所述小转盘除了在固化过程中通过所述温度控制器进行升温热固化之外，还会缓慢旋转以确保溶液各个方向上都会均等接收紫外光照射，同时在固化结束后旋转返回固化前的初始位置。

7.如权利要求3所述的一种多轴旋转电喷印平台，其特征在于，对于所述固化单元而言，其采用UV紫外固化机作为所述固化装置，并且其固化方式按照以下方式执行：所述小转盘除了在固化过程中通过所述温度控制器进行升温热固化之外，还会缓慢旋转以确保溶液各个方向上都会均等接收紫外光照射，同时在固化结束后旋转返回固化前的初始位置。