CN109532242B - 一种静电聚焦电流体喷印装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于微纳制造相关技术领域，并公开了一种静电聚焦电流体喷印装置及方法。所述装置包括基座、调节筒、喷嘴和静电透镜，调节筒包括筒本体以及设于所述筒本体下方的平台，基座设于所述调节筒内，并通过紧固螺钉与所述调节筒固定连接，且所述基座沿竖直方向设有通孔；喷嘴包括针尖和固定所述针尖的喷嘴本体，喷嘴本体设于所述通孔内，并与所述基座固定连接；电透镜包括依次布置的上电极环、绝缘环和下电极环。本发明提供了一种静电聚焦电流体喷印方法。本发明将静电透镜集成到电流体喷印喷头中，能实现更高精度更高分辨率的打印，并能同时实现在绝缘基板或者自由曲面的基板上进行打印，操作简便，打印分辨率高，适应性强。

Description

一种静电聚焦电流体喷印装置及方法

技术领域

本发明属于微纳制造相关技术领域，更具体地，涉及一种静电聚焦电流体喷印装置及方法。

背景技术

复杂微纳功能结构能够用于诸多领域，如柔性显示、打印/有机/柔性电子器件、多功能传感器等，因此近年来其制备工艺备受关注。喷墨打印作为非接触式图案化工艺都能够在基底上沉积微尺度结构，并且相对于光刻类的图案化工艺具有无须掩膜、节省材料、环境友好、操作便捷等优点，因而被认为是最佳的解决方案。然而传统的喷墨打印技术(如压电式打印和热泡式打印)通常具有最小的分辨率为20μm，所适应的打印溶液粘度一般不能够超过20cPs。除此之外，压电式控制复杂，对结构尺寸要求高，由于压电晶体及其附件易老化造成液滴精度降低且喷头寿命短，热气泡式存在局部加热，因而对喷射的溶液具有选择性，如仅能喷射能耐高温的材料。不幸的是，在前述的应用领域中，所喷印的溶液多为高质量分数的聚合物溶液，材料成本高，具有高粘度，不耐高温等特点，使得用传统喷墨工艺来打印时喷嘴容易堵塞，无法完成图案化制造。

相对于传统喷印技术，电流体喷印技术能够产生更细小的液滴与液丝，直径可以达到纳米级别。同时，电流体动力喷印技术可以喷印高分子有机物等更多种材料，使得其应用范围更加宽广，如柔性电子制造、陶瓷元件制造、组织工程等。但是，目前的电喷印喷嘴绝大数采用金属喷嘴和收集基板间形成高压电场，以完成电喷印过程，收集基板必须为导电材料且收集基板表面必须均匀平整以保证稳定均匀的高压电场的形成，这种模式的电流体喷印就无法在绝缘基板或者自由曲面的基板上完成打印。

现有技术还提出了一种采用环形接地电极置于喷嘴下方的结构方式来减小基板效应对打印的影响，但是环形的接地电极会产生指向电极环的电场力，打印的射流受电场力影响会发生偏移甚至打印到接地电极环上。因此，本领域亟待提出新的喷印方法，进而能实现更高精度更高分辨率的打印，并克服常规电流体喷印无法在绝缘基板或者自由曲面的基板上进行打印的问题。

发明内容

针对电流体喷印技术的以上缺陷，本发明提供了一种静电聚焦电流体喷印装置及方法，将静电透镜集成到电流体喷印喷头中，能实现更高精度更高分辨率的打印，并能同时实现在绝缘基板或者自由曲面的基板上进行打印，操作简便，打印分辨率高，适应性强。

为了实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种静电聚焦电流体喷印装置，包括调节筒、基座、喷嘴和静电透镜，其中，

所述调节筒包括筒本体以及设于所述筒本体下方的平台；

所述基座设于所述调节筒内，并通过紧固螺钉与所述调节筒固定连接，且所述基座沿竖直方向设有通孔；

所述喷嘴包括针尖和固定所述针尖的喷嘴本体，所述喷嘴本体设于所述通孔内，并与所述基座固定连接；

所述静电透镜包括依次布置的上电极环、绝缘环和下电极环，其中，所述下电极环设于所述平台上，且所述针尖的中心线与所述上电极环、绝缘环和下电极环的中心线重合；其中，所述针尖与高压电源连接，所述上电极环、绝缘环和下电极环与多级电源连接，所述多级电源的各级电压独立可控，以实现所述针尖的电势大于上电极环、绝缘环和下电极环的电势，静电透镜形成具有静电聚焦作用的电场，进而使得通过针尖的溶液能实现精确喷射。

进一步的，所述上电极环的电势大于零，所述下电极环接地，以使得所述下电极环和设于所述所述下电极环下方的收集基板之间的电势差为零。

进一步的，所述绝缘环为绝缘材质膜切割制备而成。

进一步的，所述静电透镜的半径为五倍及以上的所述针尖半径。

进一步的，所述喷嘴本体下方还设有对中喷嘴，其中，所述对中喷嘴与所述基座固定连接，且所述针尖贯穿于所述对中喷嘴。

进一步的，所述基座与所述喷嘴本体之间还设有弹性压紧圈，方便不同规格针尖的更换，实现各种分辨率的打印。

进一步的，所述筒本体内还设有压紧块，所述压紧块与所述筒本体通过螺纹配合连接，所述上电极环上设有紧固垫圈，进而，所述压紧块在向下旋紧过程中挤压所述紧固垫圈，从而实现固定所述静电透镜。

进一步的，所述静电透镜包括n+1个绝缘环和n个中电极环，其中n≥0，且所述绝缘环与所述中电极环依次重叠布置。

进一步的，所述调节筒本体的侧面开有通孔，用于实时观测打印状态和引出电极导线。

按照本发明的另一个方面，提供一种静电聚焦电流体喷印方法，应用上述的装置实现，包括以下步骤，

S1旋紧压紧块，进而挤压紧固垫圈，实现静电透镜的固定；

S2调节所述调节筒本体相对与基座的相对位置，以调节针尖与静电透镜之间的距离；

S3所述针尖与高压电源连接，所述上电极环、绝缘环和下电极环与多级电源连接，针尖向基板上喷射聚焦溶液进行打印。

其中，所述针尖电势高于静电透镜上电极环电势，静电透镜上电极环电势大于零，静电透镜下电极环接地，以实现所述针尖的电势大于上电极环、绝缘环和下电极环的电势，静电透镜形成具有静电聚焦作用的电场，进而使得通过针尖的溶液能实现精确喷射。

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.本发明将静电透镜集成到电流体喷印喷头中，通过对各部分电势能的控制和利用，进而能实现更高精度更高分辨率的打印，并能同时实现在绝缘基板或者自由曲面的基板上进行打印，操作简便，打印分辨率高，适应性强。

2.本发明的静电透镜在喷嘴下方形成的静电聚焦电场能避免射流打印在接地的电极上；与此同时，静电聚焦电场能对带电射流具有约束作用，对于喷嘴和静电透镜之间难以避免的安装误差，静电聚焦电场能减小安装误差引起的打印误差，减小喷头相关结构加工的精度要求。

3.本发明通过调节静电透镜下电极环电压，可以使得静电透镜和收集基板之间没有电势差，收集基板的形状和介电常数对静电透镜和收集基板之间电场的分布没有影响，对于穿过静电透镜的带电射流没有影响，进一步提高了打印的定位精度。

4.本发明静电透镜与喷嘴之间形成的电场不受收集基板的影响，打印过程中收集基板的形状参数和介电常数的变化对打印稳定性没有影响；

5.本发明静电透镜方便更换为不同的尺寸和类型，以得到不同种的静电聚焦效果；喷嘴与静电透镜之间相对距离方便调节；喷嘴和静电透镜的电极系统中各个电极的电压独立可控；喷嘴可更换，实现各种分辨率的打印。

6.本发明的方法，通过将静电透镜集成到电流体喷印喷头的机理与各部分电势能的控制和利用相结合，进而能实现更高精度更高分辨率的打印，并能同时实现在绝缘基板或者自由曲面的基板上进行打印，操作简便，打印分辨率高，稳定性高，适应性强。

附图说明

图1是本发明实施例涉及的静电聚焦电流体喷印装置的剖面结构示意图；

图2是本发明实施例涉及的喷嘴和静电透镜的局部剖视放大图；

图3是本发明实施例涉及的静电聚焦电流体喷印装置的电场分布的原理示意图；

图4是本发明实施例涉及的静电聚焦电流体喷印装置的喷射实验图；

图5是本发明实施例涉及的静电聚焦电流体喷印装置的静电聚焦效果的喷射实验图；

图6是本发明实施例涉及的静电聚焦电流体喷印装置在波纹曲面绝缘基板上打印的纤维图；

图7是本发明另一实施例涉及的喷嘴和静电透镜的局部剖面示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-基座，2-弹性压紧圈，3-喷嘴，4-紧定螺钉，5-调节筒，6-对中喷嘴，7-压紧块，8-紧固垫圈，9-静电透镜，91-上电极环，92-绝缘环，93-下电极环，94-中电极环。

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。

如图1所示，是本发明实施例涉及的静电聚焦电流体喷印装置的剖面结构示意图，所述喷印装置包括基座1、弹性压紧圈2、喷嘴3、紧定螺钉4、调节筒5、对中喷嘴6、压紧块7、紧固垫圈8和静电透镜9。其中，所述基座1上设有用于容纳喷嘴3的空腔，喷嘴3设于所述基座1的空腔中，并通过弹性压紧圈2实现与基座1的固定连接。所述喷嘴3包括喷嘴本体和针尖。基座1设于所述调节筒5内，并通过紧定螺钉4实现与调节筒5的固定连接。进一步的，所述调节筒5侧面开有螺纹孔，紧定螺钉4从该螺纹孔旋入并压紧在基座1外壁，用于固定调节筒5和基座1。对中喷嘴6设于所述喷嘴3的下方，且针尖从对中喷嘴6中心孔穿出，其中对中喷嘴6的中心孔所在直线与喷嘴3的中心孔所在直线重合。紧固垫圈8和静电透镜9同轴的置于调节筒5内部下端，调节筒5内壁设有一段内螺纹与压紧块7外螺纹配合，压紧块7旋紧过程中会挤压设于静电透镜9上方的紧固垫圈8，进而实现对静电透镜9固定。

具体而言，基座1为圆筒状，弹性压紧圈2与基座1中心孔内壁配合，喷嘴3插入基座1中心孔并与弹性压紧圈2压紧固定；对中喷嘴6上端外螺纹与基座1中心孔内螺纹配合连接，喷嘴3针尖从对中喷嘴6中心孔穿出；调节筒5内壁与基座1外壁间隙配合，调节筒5侧面开有螺纹孔，紧定螺钉4从改螺纹孔旋入并压紧在基座1外壁，用于固定调节筒5和基座1；紧固垫圈8和静电透镜9同轴的置于调节筒5内部下端，紧固垫圈8置于静电透镜9之上；调节筒5内壁设有一段内螺纹与压紧块7外螺纹配合，压紧块7旋紧过程中会挤压紧固垫圈8，从而固定静电透镜9；喷嘴3与高压电源相连；静电透镜9与相应的多电极电源相连。

所述喷嘴3、对中喷嘴6和静电透镜9均可替换，实现各种分辨率的打印；喷嘴3是常规的点胶喷嘴；不同规格的喷嘴3都有配对的对中喷嘴6对其进行对中固定作用；对于不同规格的喷嘴3也配有不同规格的静电透镜9，以实现有效的聚焦作用。

所述调节筒5相对与基座1可以进行上下移动，以调节喷嘴3与静电透镜9之间的距离，紧定螺钉4旋紧固定；所述调节筒5和静电透镜9处侧面开有通孔，以便于电极导线的引出和相机观测喷嘴3尖端处溶液打印的状态。

如图2所示，为本发明实施例涉及的喷嘴和静电透镜的局部剖视放大图，本发明较佳实施方式提供的静电聚焦电流体喷印装置中静电透镜9采用浸没透镜的类型。静电透镜9由静电透镜上电极环91、绝缘环92和静电透镜下电极环93组成。喷嘴3的电势高于静电透镜上电极环91电势；静电透镜上电极环91电势大于零。静电透镜下电极环93接地，使得静电透镜9和收集基板之间没有电势差，以减小收集基板的形状和介电常数对打印精度的影响。各个电极环由铜箔切割而成，绝缘环92为绝缘材质膜切割而成。

如图3所示，为本发明实施例涉及的静电聚焦电流体喷印装置的电场分布的原理示意图。图中表示的是静电聚焦电流体喷印装置在常规工作状态中装置内部的电场等势线及场强分布图。在本实例中，喷嘴的电压大于静电透镜上电极的电压，以保证喷嘴处溶液能实现喷射；在不发生击穿放电的前提下，静电透镜各个电极间的电压差足够大，以保证静电透镜具有足够的静电聚焦效果。在靠近静电透镜的区域产生了具有聚焦作用的电场效果。

如图7所示，在本发明的另一个实施例中，所述静电透镜9包括n+1个绝缘环92和n个中电极环94，其中n≥0，且所述绝缘环92与所述中电极环94依次重叠布置。

本发明装置的工作流程为：调节所述调节筒本体相对与基座1的相对位置，以调节针尖与静电透镜9之间的距离；

旋紧压紧块7，进而挤压紧固垫圈8，实现静电透镜9的固定；

所述针尖与高压电源连接，所述上电极环91、绝缘环92和下电极环93与多级电源连接，针尖向基板上喷射聚焦溶液进行打印，

其中，所述针尖电势高于静电透镜上电极环91电势，静电透镜上电极环91电势大于零，静电透镜下电极环93接地，以实现所述针尖的电势大于上电极环91、绝缘环92和下电极环93的电势，进而使得通过针尖的溶液能实现精确喷射。

如图4所示，为本发明实施例涉及的静电聚焦电流体喷印装置的喷射实验图。图中表示的是静电聚焦电流体喷印装置在常规工作状态中在绝缘玻璃基板上打印高粘度溶液的射流实验图。

如图5所示，是本发明实施例涉及的静电聚焦电流体喷印装置的静电聚焦效果的喷射实验图。图中表示的是在喷嘴和静电透镜具有一定位置偏差的情况下，静电聚焦电流体喷印装置在绝缘玻璃基板上打印高粘度溶液的射流实验图。在喷嘴和静电透镜具有一定位置偏差时，静电透镜的产生的聚焦电场明显地对带电的射流具有聚焦作用，引导射流打印到绝缘的基板上，避免射流打印到接地的电极环上。对于喷嘴和静电透镜之间难以避免的安装误差，静电聚焦电场能减小安装误差引起的打印误差，减小喷头相关结构加工的精度要求。

如图6所示，是本发明实施例涉及的静电聚焦电流体喷印装置在波纹曲面绝缘基板上打印的纤维图。图中表示的是静电聚焦电流体喷印装置在常规工作状态中在高度变化的波纹曲面绝缘基板上打印的结果图。静电透镜下电极环接地，使得静电透镜和收集基板之间没有电势差，收集基板的形状和介电常数对静电透镜和收集基板之间电场的分布没有影响，对于穿过静电透镜的带电射流没有影响，在一定程度上提高打印的定位精度；静电透镜与喷嘴之间形成的电场不受收集基板的影响，打印过程中收集基板的形状参数和介电常数的变化对打印稳定性没有影响，使得在高度变化的基板上能实现稳定的打印。

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 (8)

1.一种静电聚焦电流体喷印装置，其特征在于，包括调节筒(5)、基座(1)、喷嘴(3)和静电透镜(9)，其中，

所述调节筒(5)包括筒本体以及设于所述筒本体下方的平台；

所述基座(1)设于所述调节筒(5)内，并通过紧固螺钉(4)与所述调节筒(5)固定连接，且所述基座(1)沿竖直方向设有通孔；

所述喷嘴(3)包括针尖和固定所述针尖的喷嘴本体，所述喷嘴本体设于所述通孔内，并与所述基座(1)固定连接；

所述静电透镜(9)包括依次布置的上电极环(91)、绝缘环(92)和下电极环(93)，其中，所述下电极环(93)设于所述平台上，且所述针尖的中心线与所述上电极环(91)、绝缘环(92)和下电极环(93)的中心线重合；其中，所述针尖与高压电源连接，所述上电极环(91)、绝缘环(92)和下电极环(93)与多级电源连接，所述多级电源的各级电压独立可控，以实现所述针尖的电势大于上电极环(91)、绝缘环(92)和下电极环(93)的电势，静电透镜形成具有静电聚焦作用的电场，进而使得通过针尖的溶液能实现精确喷射；

所述上电极环(91)的电势大于零，所述下电极环(93)接地，以使得所述下电极环(93)和设于所述下电极环(93)下方的收集基板之间的电势差为零；所述喷嘴本体下方还设有对中喷嘴(6)，其中，所述静电透镜(9)的半径为五倍及以上的所述针尖半径。

2.根据权利1所述的装置，其特征在于，所述绝缘环(92)为绝缘材质膜切割制备而成。

3.根据权利1所述的装置，其特征在于，所述喷嘴本体下方还设有对中喷嘴(6)，其中，所述对中喷嘴 (6)与所述基座(1)固定连接，且所述针尖贯穿于所述对中喷嘴(6)。

4.根据权利1所述的装置，其特征在于，所述基座(1)与所述喷嘴本体之间还设有弹性压紧圈(2)。

5.根据权利1所述的装置，其特征在于，所述筒本体内还设有压紧块(7)，所述压紧块(7)与所述筒本体通过螺纹配合连接，所述上电极环(91)上设有紧固垫圈(8)，进而，所述压紧块(7)在向下旋紧过程中挤压所述紧固垫圈(8)，从而实现固定所述静电透镜(9)。

6.根据权利1所述的装置，其特征在于，所述静电透镜(9)包括n+1个绝缘环 (92)和n个中电极环(94)，其中n≥0，且所述绝缘环(92)与所述中电极环(94)依次重叠布置。

7.根据权利1所述的装置，其特征在于，所述筒本体的侧面开有通孔，用于实时观测打印状态和引出电极导线。

8.一种静电聚焦电流体喷印方法，应用权利要求5所述的装置实现，其特征在于，包括以下步骤，

S1旋紧压紧块(7)，进而挤压紧固垫圈(8)，实现静电透镜(9)的固定；

S2调节所述筒本体相对与基座(1)的相对位置，以调节针尖与静电透镜(9)之间的距离；

S3所述针尖与高压电源连接，所述上电极环(91)、绝缘环(92)和下电极环(93)与多级电源连接，针尖向基板上喷射聚焦溶液进行打印，

其中，所述针尖电势高于静电透镜上电极环(91)电势，静电透镜上电极环(91)电势大于零，静电透镜下电极环(93)接地，以实现所述针尖的电势大于上电极环(91)、绝缘环(92)和下电极环(93)的电势，静电透镜形成具有静电聚焦作用的电场，进而使得通过针尖的溶液能实现精确喷射。

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