CN110142159A - 静电喷涂装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种静电喷涂装置，包括：喷嘴，用于喷出喷涂物料；固定架，朝向喷嘴，用于固定待喷涂工件；直流电源，其负极与喷嘴相连，其正极与固定架相连，用于生成喷涂所需的电场；位置控制装置，分别与喷嘴以及固定架相接，用于使喷嘴至待喷涂工件所在平面的垂直连线方向与重力方向具有第一夹角，以利用重力对从喷嘴喷出的喷涂物料的直径和/或质量进行筛选，从而调整待喷涂工件表面喷涂薄膜的状态。本发明的静电喷涂装置，以利用重力对从喷嘴喷出的喷涂物料的直径和/或质量进行筛选，经过筛选的喷涂物料直径和/或质量均一度较高，在喷涂至待喷涂工件表面后形成的薄膜表面粗糙度均匀，以提高静电喷涂表面粗糙度的均一性。

Description

静电喷涂装置
技术领域
本发明涉及静电喷涂领域，特别是涉及一种静电喷涂装置。
背景技术
静电喷涂技术是一种定向高效的喷涂制膜技术，主要是通过在喷嘴和待喷涂工件之间加一高压静电场，当运载气体或液体推进器将喷涂物料从储料仓送到喷嘴时，由于喷嘴与直流电源的负极相连，在喷嘴附近产生了密集的电荷，使得经由喷嘴喷出的喷涂物料液滴或粉末带上了电荷。当带电荷的液滴或粉末进入了电场强度很高的静电场后，在推动力、静电力以及重力的作用下，喷涂料会飞向待制膜工件，并在具有正电的待喷涂工件表面吸附涂装。之后经加热固化等后处理，转化为耐久的膜层。
传统静电喷涂过程，由于缺乏对喷涂物料直径或质量的筛选手段，使得直径或质量不均的喷涂物料在待喷涂工件表面所形成的薄膜表面粗糙度不均匀，无法满足例如半导体薄膜器件等对薄膜平整度要求很高的工艺需求。
发明内容
本发明的一个目的是要提供一种提高静电喷涂薄膜表面粗糙度均一性的静电喷涂装置。
本发明的另一个目的是要提供一种静电喷涂薄膜表面粗糙度可调的静电喷涂装置。
特别地，本发明提供了一种静电喷涂装置，包括：喷嘴，用于喷出喷涂物料；固定架，用于固定待喷涂工件，并且固定架配置为朝向喷嘴，以使得至少一部分从喷嘴喷出的喷涂物料可以飞行至待喷涂工件；直流电源，其负极与喷嘴相连，其正极与固定架相连，用于生成喷涂所需的电场；位置控制装置，分别与喷嘴以及固定架相接，用于使喷嘴至待喷涂工件所在平面的垂直连线方向与重力方向具有第一夹角，以利用重力对喷涂至待喷涂工件表面的喷涂物料的直径和/或质量进行筛选，从而调整待喷涂工件表面喷涂薄膜的状态，第一夹角的范围为大于0°小于等于180°。
可选地，第一夹角的范围为90°至180°。
可选地，喷嘴的喷料方向与重力方向具有第二夹角；第二夹角等于第一夹角，或者第二夹角大于第一夹角且第二夹角与第一夹角的差值小于90°。
可选地，其中位置控制装置包括：第一控位装置，与喷嘴相连，用于控制喷嘴的空间姿态；第二控位装置，与固定架相连，用于控制待喷涂工件的空间姿态，以使其朝向喷嘴。
可选地，第二控位装置还配置为绕其自身旋转轴转动，以带动待喷涂工件转动；第一控位装置以及第二控位装置还配置为配合调整喷嘴与固定架之间的距离。
可选地，直流电源的电压范围为5-30kV；喷嘴形成有喷料孔，喷料孔的孔径范围为1μm～1cm。
可选地，其中静电喷涂装置还包括：加热装置，用于对待喷涂工件表面加热烘干，以去除待喷涂工件表面喷涂物料中的溶剂并固化薄膜；吹净装置，用于对待喷涂工件表面吹扫，以去除待喷涂工件表面结合不紧密的喷涂物料。
可选地，其中静电喷涂装置还包括：储料仓，用于存放喷涂物料；涂料推进装置，分别与储料仓以及喷嘴相连，用于对储料仓内的喷涂物料进行加压，以使得喷涂物料从喷嘴喷出。
可选地，其中静电喷涂装置还包括：CCD(Charge-coupled Device，电荷耦合器件)摄像头，用于拍摄待喷涂工件的喷涂状态；控制装置，用于接收CCD摄像头拍摄的喷涂状态并对位置控制装置、直流电源以及涂料推进装置进行控制，以调整待喷涂工件的喷涂状态。
可选地，其中静电喷涂装置还包括：余料回收装置，用于回收喷涂过程中未附着在待喷涂工件表面的喷涂物料。
本发明的静电喷涂装置，通过位置控制装置使喷嘴至待喷涂工件所在平面的垂直连线方向与重力方向具有第一夹角，以利用重力对喷涂至待喷涂工件表面的喷涂物料的直径和/或质量进行筛选，从而调整待喷涂工件表面喷涂薄膜的状态。经过筛选的喷涂物料的直径和/或质量均一度较高，在喷涂至待喷涂工件表面后形成的薄膜表面粗糙度以及孔隙率的均一性大大提高。
进一步地，本发明的静电喷涂装置，通过设置不同角度的第一夹角，调整喷涂物料液滴所受重力与所受静电力之间的夹角大小，从而形成不同的筛选条件。通过不同的筛选条件，以形成不同表面粗糙度的静电喷涂薄膜。
根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：
图1是根据本发明一个实施例的静电喷涂装置的第一状态示意图；
图2是根据本发明一个实施例的静电喷涂装置的第二状态示意图；
图3是根据本发明一个实施例的静电喷涂装置的第三状态示意图；
图4是根据本发明另一个实施例的静电喷涂装置的第一状态示意图；
图5是现有技术的静电喷涂薄膜的对比光学显微镜图；
图6是根据本发明一个实施例的静电喷涂薄膜的光学显微镜图。
具体实施方式
本实施例提供了一种静电喷涂装置，图1是根据本发明一个实施例的静电喷涂装置的第一状态示意图，图2是根据本发明一个实施例的静电喷涂装置的第二状态示意图。该静电喷涂装置包括：喷嘴110、固定架111、直流电源113以及位置控制装置114。
喷嘴110，由导电材料制成，其形状可以为中空的圆柱体或者本领域技术人员容易想到的可以用作喷嘴110的形状，用于喷出喷涂物料，喷出的喷涂物料为离散微粒，其形态可以是液态的液滴，也可以是固态的粉粒，还可以是固液混合的悬浊液滴或胶体液滴。
固定架111，由导电材料制成，其形成有用于固定待喷涂工件112的固定结构，该固定结构可以为卡接、螺纹连接等本领域技术人员容易想到的固定连接方式。固定架111设置为朝向喷嘴110，以使得至少一部分从喷嘴110喷出的离散微粒可以接触到待喷涂工件112。即，喷嘴110的喷料方向可以垂直于待喷涂工件112所在的平面，也可以与喷嘴110至待喷涂工件112所在平面的垂直连线方向具有夹角，仅使部分从喷嘴110中喷出的喷涂物料能够飞行至喷涂工件即可。
直流电源113，其负极与喷嘴110相连，以使得在喷嘴110产生密集的负电荷。当喷涂物料从喷嘴110喷出时，由于喷嘴110具有密集的负电荷，使得离散微粒也携带有负电荷。直流电源113的正极与固定架111相连，以使得待喷涂工件112带有正电，进而在喷嘴110与待喷涂工件112之间形成喷涂所需的电场。当携带有电荷的离散微粒进入该电场后，受电场力的影响向待喷涂工件112飞行。
位置控制装置114，分别与喷嘴110以及固定架111相接，可以改变喷嘴110与固定架111之间的相对位置，用于使喷嘴110至待喷涂工件112所在平面的垂直连线方向与重力方向具有第一夹角。喷嘴110与固定架111之间的相对位置包括喷嘴110与固定架111之间的距离以及喷嘴110至待喷涂工件112所在平面的垂直连线方向与重力方向之间的夹角。其中位置控制装置114可以为机械臂也可以是其他本领域技术人员容易想到的能够改变物体在空间内位置的设备。具体地，规定当从喷嘴110至待喷涂工件112所在的平面的垂线方向与重力方向相同时第一夹角为0°，当从喷嘴110至待喷涂工件112所在的平面的垂线方向与重力方向相垂直时第一夹角为90°，当从喷嘴110至待喷涂工件112所在的平面的垂线方向与重力方向相反时第一夹角为180°，则第一夹角的取值范围可以为大于0°小于等于180°，即离散微粒受到静电力的方向与其受到重力的方向之间的夹角可以为大于0°小于等于180°。例如，图1中所示的是第一夹角为90°的情况，图2中所示的是第一夹角为180°的情况。
当喷涂物料(即离散微粒)以一初速度离开喷嘴110后，离散微粒受到向下的重力，同时离散微粒还受到朝向待喷涂工件112的静电力。由于重力与静电力之间存在夹角，离散微粒在重力与静电力的合力作用下，其运动轨迹会向逐渐偏离待喷涂工件112表面。通过受力分析可知，不同直径和/或质量的离散微粒受到的合力大小与方向均不相同，因此在部分直径和/或质量的离散微粒在合力的作用下无法到达待喷涂工件112表面前，即利用重力对喷涂至待喷涂工件112表面的喷涂物料(即离散微粒)的直径和/或质量进行筛选，从而达到调整待喷涂工件112表面喷涂薄膜状态的目的。其中喷涂薄膜的状态包括薄膜的粗糙度以及孔隙率。
第一夹角的范围可以为90°至180°，如图1以及图2中所示。此时，离散微粒受到重力的方向与其受到静电力的方向之间的夹角为钝角，筛选出的离散微粒直径和/或质量较第一夹角的范围为0°至90°时更小，待喷涂工件112表面喷涂薄膜的粗糙度以及孔隙率更加均匀。
图3是根据本发明一个实施例的静电喷涂装置的第三状态示意图。
喷嘴110的喷料方向与重力方向具有第二夹角。具体地，规定当喷料方向与重力方向相同时第二夹角为0°，当喷料方向与重力方向相垂直时第二夹角为90°，当喷料方向与重力方向相反时第二夹角为180°。
在一些可选的实施例中，第二夹角等于第一夹角。在上述情况下，喷嘴110的喷料方向垂直于待喷涂工件112所在平面，只有离散微粒的直径和/或质量小于筛选直径和/或质量时，该离散微粒才能够飞行至待喷涂工件112表面，即离散微粒的直径和/或质量大于筛选直径和/或质量时，该离散微粒不能飞行至待喷涂工件112表面，从而实现控制静电喷涂薄膜表面粗糙度的目的。例如，图1至图2中所示的是第二夹角等于第一夹角的情况。
在另一些可选的实施例中，第二夹角大于第一夹角且第二夹角与第一夹角的差值小于90°。在上述情况下，只有离散微粒的直径和/或质量属于筛选区间内时，该离散微粒才能够飞行至待喷涂工件112表面，即离散微粒的直径和/或质量大于或者小于筛选直径和/或质量时，该离散微粒均不能飞行至待喷涂工件112表面，从而实现静电喷涂薄膜表面粗糙度可调的目的。例如，图3中所示的是第二夹角大于第一夹角且第二夹角与第一夹角的差值小于90°的情况。
图4是根据本发明另一个实施例的静电喷涂装置的第一状态示意图。
在一些可选的实施例中，如图4所示，位置控制装置114可以为一个控位装置，该控位装置既与喷嘴110相连也与固定架111相连，即该控位装置既控制喷嘴110的空间姿态，也控制固定架111的空间姿态。
在另一些可选的实施例中，如图1所示，位置控制装置114包括第一控位装置115以及第二控位装置116两部分。其中，第一控位装置115，与喷嘴110相连，用于控制喷嘴110的空间姿态。第二控位装置116，与固定架111相连，用于控制待喷涂工件112的空间姿态，以使其朝向喷嘴110。喷嘴110的空间姿态包括喷嘴110喷料方向的俯仰角、偏航角以及翻滚角，待喷涂工件112的空间姿态包括待喷涂工件112所在平面的法向量方向的俯仰角、偏航角以及翻滚角。
第二控位装置116还配置为绕其自身旋转轴转动，以带动待喷涂工件112转动。例如，该旋转轴可以与待喷涂工件112所在平面垂直，以使得待喷涂工件112在转动的过程中保持朝向喷嘴110。在喷涂过程中，通过使待喷涂工件112的转动可以使得待喷涂工件112表面形成的薄膜厚度更加均匀。第二控位装置116的转动速度为1至5000转每分钟。
第一控位装置115以及第二控位装置116还配置为配合调整喷嘴110与固定架111之间的距离。通过第一控位装置115与第二控位装置116之间的配合，改变喷嘴110与固定架111之间的距离。进一步地，通过改变喷嘴110与固定架111之间的距离可以对喷涂至待喷涂工件112表面的喷涂物料(即离散微粒)的直径和/或质量进行筛选，从而达到调整待喷涂工件112表面喷涂薄膜状态的目的。
直流电源113的电压范围可以为5-30kV，优选地，该电压范围可以为10-25kV，最优选地，该电压范围可以为15-20kV。喷嘴110形成有喷料孔，该喷料孔的孔径范围可以为1μm～1cm。
静电喷涂装置还包括加热装置117以及吹净装置118。
加热装置117可以为热板加热器、红外灯加热器、激光加热器以及马弗炉等常见氛围加热器。加热装置117用于对待喷涂工件112表面加热烘干，以去除待喷涂工件112表面喷涂物料中的溶剂并固化薄膜。吹净装置118用于对待喷涂工件112表面吹扫，以去除待喷涂工件112表面结合不紧密的喷涂物料。其中不紧密的喷涂物料指的是当使用加热装置117对待喷涂工件112表面薄膜烘干后，在待喷涂工件112表面未固化的喷涂物料。吹进装置所用的吹净气体包括压缩空气，氮气等本领域人员能够容易想到的吹扫气体。
静电喷涂装置还包括储料仓119以及涂料推进装置120。
储料仓119内部形成有储料空间，用于存放喷涂物料。涂料推进装置120分别与储料仓119以及喷嘴110相连，用于对储料仓119内的喷涂物料进行加压，以使得喷涂物料从喷嘴110喷出。涂料推进装置120包括液体推进器和载气，液体推进器的流速范围可以为1nL/s～1μL/s，载气流速可以为0-10cc/s。
静电喷涂装置还包括：CCD(Charge-coupled Device，电荷耦合器件)摄像头121以及控制装置。
CCD摄像头121用于拍摄待喷涂工件112的喷涂状态，其设置于喷嘴110和待喷涂工件112附近，用于原位观察喷涂状态及薄膜状态，配件包含显微放大系统及照明系统。控制装置用于接收CCD摄像头121拍摄的喷涂状态并对位置控制装置114、直流电源113以及涂料推进装置120进行控制，以调整待喷涂工件112的喷涂状态。
静电喷涂装置还包括余料回收装置122，用于回收喷涂过程中未附着在待喷涂工件112表面的喷涂物料。余料回收装置122可以为桶状，将待喷涂工件112包围，以收集喷涂过程中未附着在待喷涂工件112表面的喷涂物料。余料回收装置122也可以为盘状，设置在待喷涂工件112下方，用于收集未附着在待喷涂工件112表面的喷涂物料。
图5是现有技术的静电喷涂薄膜的对比光学显微镜图，图6是根据本发明一个实施例的静电喷涂薄膜的光学显微镜图。
利用本实施例的静电喷涂装置进行静电喷涂的具体步骤如下：
1.清洗待喷涂工件112；
2.配制喷涂物料，并且将喷涂物料添加至储料仓119内；
3.通过控制装置对位置控制装置114、直流电源113以及涂料推进装置120的运行参数进行设定，位置控制装置114的相关运行参数包括喷嘴110与待喷涂工件112之间的距离、第一夹角、第二夹角以及第二控位装置116的旋转状态，直流电源113的相关运行参数包括其电压范围，涂料推进装置120的相关运行参数包括液体推进器以及载气流速的流速范围；
4.分别开启位置控制装置114、直流电源113以及涂料推进装置120以对待喷涂工件112进行喷涂，同时开启CCD摄像头121并利用控制装置接收CCD摄像头121拍摄的喷涂状态，而且利用余料回收装置122回收喷涂过程中未附着在待喷涂工件112表面的喷涂物料；
5.利用加热装置117对待喷涂工件112表面加热烘干，利用吹净装置118对待喷涂工件112表面吹扫；
6.将余料回收装置122内的喷涂物料回收至储料仓119内；
7.重复步骤3-6，直至在待喷涂工件112表面形成期望的喷涂薄膜。
本实施例的静电喷涂装置，通过位置控制装置114使喷嘴110至待喷涂工件112所在平面的垂直连线方向与重力方向具有第一夹角，以利用重力对从喷嘴110喷出的喷涂物料的直径和/或质量进行筛选，从而调整待喷涂工件112表面喷涂薄膜的状态。经过筛选的喷涂物料的直径和/或质量均一度较高，在喷涂至待喷涂工件112表面后形成的薄膜表面粗糙度以及孔隙率的均一性大大提高。
进一步地，本实施例的静电喷涂装置，通过设置不同角度的第一夹角，调整喷涂物料液滴所受重力与所受静电力之间的夹角大小，从而形成不同的筛选条件。通过不同的筛选条件，形成不同表面粗糙度的静电喷涂薄膜，以形成不同表面粗糙度的静电喷涂薄膜。
至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (10)

1.一种静电喷涂装置，包括：
喷嘴，用于喷出喷涂物料；
固定架，用于固定待喷涂工件，并且所述固定架配置为朝向所述喷嘴，以使得至少一部分从所述喷嘴喷出的喷涂物料可以飞行至所述待喷涂工件；
直流电源，其负极与所述喷嘴相连，其正极与所述固定架相连，用于生成喷涂所需的电场；
位置控制装置，分别与所述喷嘴以及所述固定架相接，用于使所述喷嘴至所述待喷涂工件所在平面的垂直连线方向与重力方向具有第一夹角，以利用重力对喷涂至所述待喷涂工件表面的喷涂物料的直径和/或质量进行筛选，从而调整所述待喷涂工件表面喷涂薄膜的状态，所述第一夹角的范围为大于0°小于等于180°。
2.根据权利要求1所述的静电喷涂装置，其中，
所述第一夹角的范围为90°至180°。
3.根据权利要求1所述的静电喷涂装置，其中，
所述喷嘴的喷料方向与重力方向具有第二夹角；
所述第二夹角等于所述第一夹角，或者所述第二夹角大于所述第一夹角且所述第二夹角与所述第一夹角的差值小于90°。
4.根据权利要求1所述的静电喷涂装置，其中所述位置控制装置包括：
第一控位装置，与所述喷嘴相连，用于控制所述喷嘴的空间姿态；
第二控位装置，与所述固定架相连，用于控制所述待喷涂工件的空间姿态，以使其朝向所述喷嘴。
5.根据权利要求4所述的静电喷涂装置，其中，
所述第二控位装置还配置为绕其自身旋转轴转动，以带动所述待喷涂工件转动；
所述第一控位装置以及所述第二控位装置还配置为配合调整所述喷嘴与所述固定架之间的距离。
6.根据权利要求1所述的静电喷涂装置，其中，
所述直流电源的电压范围为5-30kV；
所述喷嘴形成有喷料孔，所述喷料孔的孔径范围为1μm～1cm。
7.根据权利要求1所述的静电喷涂装置，其中所述静电喷涂装置还包括：
加热装置，用于对所述待喷涂工件表面加热烘干，以去除所述待喷涂工件表面喷涂物料中的溶剂并固化薄膜；
吹净装置，用于对所述待喷涂工件表面吹扫，以去除所述待喷涂工件表面结合不紧密的喷涂物料。
8.根据权利要求7所述的静电喷涂装置，其中所述静电喷涂装置还包括：
储料仓，用于存放喷涂物料；
涂料推进装置，分别与所述储料仓以及所述喷嘴相连，用于对所述储料仓内的喷涂物料进行加压，以使得喷涂物料从所述喷嘴喷出。
9.根据权利要求8所述的静电喷涂装置，其中所述静电喷涂装置还包括：
CCD摄像头，用于拍摄所述待喷涂工件的喷涂状态；
控制装置，用于接收所述CCD摄像头拍摄的喷涂状态并对所述位置控制装置、所述直流电源以及所述涂料推进装置进行控制，以调整所述待喷涂工件的喷涂状态。
10.根据权利要求1所述的静电喷涂装置，其中所述静电喷涂装置还包括：
余料回收装置，用于回收喷涂过程中未附着在所述待喷涂工件表面的喷涂物料。
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