CN112958305B - 静电喷射喷头阵列的电场分布控制装置、方法、设备及计算机存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种静电喷射喷头阵列的电场分布控制装置、方法、设备及计算机存储介质，该装置包括移动平台及平台上的喷射基底、高压直流电源、射流观察成像系统、液体存储和输送装置、静电喷射喷头阵列、电场分布调节金属环和调节环外加高压电源。本发明利用高度、位置、形状可以调节的电场分布调节金属环来调节得到所需要得到的电场分布，一般是使得每个喷头周围的电场分布都基本均匀一致，从而得到高度一致的多路阵列的静电喷射，尤其是可以控制边缘喷头的喷射射流的方向使之克服中间喷头电场和射流的排斥力得到垂直向下的静电喷射。本发明控制系统具有实用性高、控制精准、简单易行的优点，在工业化生产中具有很大的应用潜力。

Description

静电喷射喷头阵列的电场分布控制装置、方法、设备及计算机 存储介质

技术领域

本发明涉及静电喷射技术领域，具体涉及静电喷射喷头阵列的电场分布控制装置、方法、设备及计算机存储介质。

背景技术

静电喷射本质上是利用静电力控制液体的聚集或者弥散从而产生带有静电的液柱（称为射流）或者细小液滴的技术。静电喷射的物理原理已经在20世纪60年代由G.Taylor和J.R.Melcher等人提出的泄漏介质模型得到解释，其利用静电场诱导液体产生变形形成泰勒锥，进而得到细小的射流或液滴（其直径比喷口直径小一到两个数量级）。静电喷射技术设备简单、制造成本低，常温、常压下可在多种基底上实现微纳结构的快速、高精度制造，更能满足柔性电子器件的大批量连续生产要求。静电喷射技术以其独特的优点，已经在众多领域显示出了巨大的发展潜力和市场前景。

要实现大批量生产，单个喷头的效率往往是不够的，要求使用多个喷头组成静电喷射喷头阵列。通常要求这些喷头工作在完全相同的条件下，使用同一个高压电源供电，其液体流量等也尽量控制到一样，以得到尽量相同的均匀的射流或液滴。

但是，因为各个喷头所喷出的射流带同种电荷，所以同性相斥原理会使得阵列边缘处的喷头所产生的射流向外围偏转，而不再垂直向下指向基底，而且其液体弥散程度也会较阵列中心处的喷头有较大差异。这对于很多应用比如静电印刷是必须加以克服和避免的。

发明内容

发明目的：提供一种具有实用性、易于控制的、能够在工业化生产上大规模实用的静电喷射阵列电场分布稳定控制装置及控制方法，以解决现有技术存在的上述问题。

技术方案：静电喷射喷头阵列的电场分布控制装置，包括移动平台及平台上的喷射基底、高压直流电源、射流观察成像系统、液体存储和输送装置、静电喷射喷头阵列、电场分布调节金属环和调节环外加高压电源。

移动平台及平台上的喷射基底提供基底和喷头的可编程相对运动使得喷头喷出的液体沉积在基底上并生成相应的图形；高压直流电源的接地端与移动平台及平台上的喷射基底相连；高压直流电源的高压端与静电喷射喷头阵列中的每个喷头相连，同时液体存储和输送装置给静电喷射喷头阵列提供静电喷射用的液体；电场分布调节环围绕静电喷射喷头阵列的各个喷头放置，带有高度调节装置，可以自由调节其相对于喷头开口处的高度，调节环和调节环外加高压电源的高压端相连，调节环外加高压电源和高压直流电源共地。

在进一步的实施例中，通过调节电场分布调节环的高度、在水平面上相对各个喷头的位置以及所加的电压，来调节各个喷头的喷射角度和液体弥散。

在进一步的实施例中，电场分布调节环上所加的电压可以独立于静电喷射电压而调节；电场分布调节环的高度可以自由调节，可以和喷头开口平面处于同一高度，也可以略高或者略低。

在进一步的实施例中，电场分布调节环可以环绕整个喷头阵列的外围，主要限制外围喷头的喷射角度和液体弥散；也可以环绕每个喷头，对每个喷头进行独立调节。

在进一步的实施例中，电场分布调节环的形状由多节链条所组成，每节链条可以在环平面内自由转动；在使用时可以通过调节各节环的转动角度改变调节环相对于各个喷头的位置，从而方便地调节各个喷头所喷出的射流的角度和其液体弥散的程度；根据实际需要，也可以设计该电场分布调节环的各节链条可以进行三维相对转动。

在进一步的实施例中，根据目测喷射结果进行电场分布调节环的调节使达到所需要的喷射角度和液体弥散效果，或者采用显微镜、摄像头等辅助观察设备观察喷射效果，然后进行电场分布调节环的调节；所需要的效果一般是所有喷头的喷射角度和液体弥散效果近似相同，也可以是部分喷头的喷射角度向特定方向偏转，或者其液体弥散程度较其他喷头为高或为低。

基于上述静电喷射喷头阵列的电场分布控制装置，提出电场分布控制方法，该控制方法包括至少三种模式：

模式一、调节电场分布调节金属环上的外加高压，以改变喷头喷口附近的电场分布；

模式二、调节电场分布调节金属环的高度，以改变电场分布；

模式三、调节电场分布调节金属环的形状和相对于各个喷头的相对位置，以改变电场分布。

模式一为静电喷射电压的补充，可独立于静电喷射电压从而调节喷头的电场分布，模式二通过调节金属环相对于喷头开口处的高度来调节电场分布，该相对高度会显著影响喷射液体的弥散程度，模式三通过调节金属环的形状和位置来调节电场分布，该形状和相对位置会显著影响喷射射流的偏转角度，可对每个喷头附近的电场分布进行独立调节。三者相互补充，可同时使用，最终使得每个喷头周围的电场分布都基本均匀一致，从而得到高度一致的多路阵列的静电喷射。

静电喷射喷头阵列的电场分布控制设备，该设备包括：处理器，存储有计算机程序指令的存储器，以及上述静电喷射喷头阵列的电场分布控制装置；处理器读取并执行所述计算机程序指令，以实现上述静电喷射喷头阵列的电场分布控制方法。

一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序指令，计算机程序指令被处理器执行时实现上述静电喷射喷头阵列的电场分布控制方法。

有益效果：本发明涉及静电喷射喷头阵列的电场分布控制装置、方法、设备及计算机存储介质，通过调节电场分布调节环的高度、在水平面上相对各个喷头的位置以及所加的电压，来调节各个喷头的喷射角度和液体弥散。此外，电场分布调节环上所加的电压可以独立于静电喷射电压而调节；电场分布调节环可以环绕整个喷头阵列的外围，主要限制外围喷头的喷射角度和液体弥散；也可以环绕每个喷头，对每个喷头进行独立调节。在进一步的实施例中，电场分布调节环的形状由多节链条所组成，每节链条可以在环平面内自由转动；在使用时可以通过调节各节环的转动角度改变调节环相对于各个喷头的位置，从而方便地调节各个喷头所喷出的射流的角度和其液体弥散的程度；根据实际需要，也可以设计该电场分布调节环的各节链条可以进行三维相对转动。

附图说明

图1是本发明所述的静电喷射喷头阵列的示意图。

图2是本发明第二实施例的示意图。

图3是本发明第三实施例的示意图。

图中各附图标记为：喷射基底1、高压直流电源2、射流观察成像系统3、液体存储和输送装置4、静电喷射喷头阵列5、电场分布调节金属环6、调节环外加高压电源7。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

实施例一：

静电喷射喷头阵列5系统示意图如图1所示，通过调节电场分布调节金属环6上的外加高压来改变喷头喷口附近的电场分布。该实施例提出静电喷射喷头阵列5的电场分布控制装置，该装置包括移动平台及平台上的喷射基底1、高压直流电源2、射流观察成像系统3、液体存储和输送装置4、静电喷射喷头阵列5、电场分布调节金属环6和调节环外加高压电源7。

通过调节电场分布调节金属环6上的外加高压来改变喷头喷口附近的电场分布。

静电喷射喷头的典型形式为管状，或毛细管、空腔，具有凸起点的表面或其他可以实现静电喷射的形状。喷射可以限制在一个特点的喷射腔内，腔内可以注入特定载气或使用空气或抽成真空；也可以没有特定的喷射腔限制，其喷射在空气或载气中进行。

电荷产生和注入装置通常使用高压电荷或其他可以产生电荷的装置，其电荷极性可以为正也可以为负；其中的电荷注入装置为带尖端的金属电极或其他可以将电荷注入液体的装置，该装置可以部分或全部与液体相接触也可以不与液体产生物理接触(比如产生空间自由电荷后直接注入到液体内)。

液体存储和输送装置4的形式内容为储液容器、注射泵、连同器及其他可以实现液体存储和输送的装置。

喷射基底1可以有平面、球面或其他形状，可以是装有空气或载气的空腔，可以是特定的液体(如油类或水溶液)，也可以是无机物或有机物固体(如硅片、玻璃、金属、有机物薄膜、塑料、纸张、食物、包裹、皮肤等等)。根据具体应用需要，收集装置可以加上特定的电压、温度、气压等控制，也可以不加。

移动平台控制器控制移动平台及平台上的喷射基底1，可以实现在二维的快速移动。在移动平台控制器的图形输入界面输入所需要喷射出的图形，可以在联动状态时喷出所需图形。

实施例二：

如图2所示，本实施例提出静电喷射喷头阵列5的电场分布控制装置，通过调节电场分布调节金属环6的高度来改变电场分布。该装置包括移动平台及平台上的喷射基底1、高压直流电源2、射流观察成像系统3、液体存储和输送装置4、静电喷射喷头阵列5、电场分布调节金属环6和调节环外加高压电源7。静电喷射喷头的典型形式为管状，或毛细管、空腔，具有凸起点的表面或其他可以实现静电喷射的形状。喷射可以限制在一个特点的喷射腔内，腔内可以注入特定载气或使用空气或抽成真空；也可以没有特定的喷射腔限制，其喷射在空气或载气中进行。电荷产生和注入装置通常使用高压电荷或其他可以产生电荷的装置，其电荷极性可以为正也可以为负；其中的电荷注入装置为带尖端的金属电极或其他可以将电荷注入液体的装置，该装置可以部分或全部与液体相接触也可以不与液体产生物理接触。电场分布调节环上设有用于自由调节其相对于喷头开口处高度的高度调节装置。

通过改变电场分布调节金属环6相对于喷头开口处的高度来调节电场分布，该相对高度会显著影响喷射液体的弥散程度。图中显示了金属环的位置高于、等于和低于喷头开口的三种情况。

实施例三：

如图3所示，图3中从左到右分别为：金属环呈直线状围绕喷头阵列外围、金属环呈花瓣状围绕喷头阵列外围、金属环围绕每个喷头三种状态。本实施例提出静电喷射喷头阵列5的电场分布控制装置，通过调节电场分布调节金属环6的形状和相对于各个喷头的相对位置来改变电场分布。该装置包括移动平台及平台上的喷射基底1、高压直流电源2、射流观察成像系统3、液体存储和输送装置4、静电喷射喷头阵列5、电场分布调节金属环6和调节环外加高压电源7。静电喷射喷头的典型形式为管状，或毛细管、空腔，具有凸起点的表面或其他可以实现静电喷射的形状。喷射可以限制在一个特点的喷射腔内，腔内可以注入特定载气或使用空气或抽成真空；也可以没有特定的喷射腔限制，其喷射在空气或载气中进行。电荷产生和注入装置通常使用高压电荷或其他可以产生电荷的装置，其电荷极性可以为正也可以为负；其中的电荷注入装置为带尖端的金属电极或其他可以将电荷注入液体的装置，该装置可以部分或全部与液体相接触也可以不与液体产生物理接触(比如产生空间自由电荷后直接注入到液体内)。液体存储和输送装置4的形式内容为储液容器、注射泵、连同器及其他可以实现液体存储和输送的装置。喷射基底1可以有平面、球面或其他形状，可以是装有空气或载气的空腔，可以是特定的液体(如油类或水溶液)，也可以是无机物或有机物固体(如硅片、玻璃、金属、有机物薄膜、塑料、纸张、食物、包裹、皮肤等等)。根据具体应用需要，收集装置可以加上特定的电压、温度、气压等控制，也可以不加。

通过改变电场分布调节金属环6的形状和相对于每个喷头的位置来调节电场分布，该形状和相对位置会显著影响喷射射流的偏转角度。图中显示了金属环呈直线状围绕喷头阵列外围、金属环呈花瓣状围绕喷头阵列外围、金属环围绕每个喷头（不一定每个喷头的环绕位置都一样）的三种情况。

电场分布调节环的形状由多节链条所组成，每节链条可以在环平面内自由转动；在使用时可以通过调节各节环的转动角度改变调节环相对于各个喷头的位置，从而方便地调节各个喷头所喷出的射流的角度和其液体弥散的程度；根据实际需要，也可以设计该电场分布调节环的各节链条可以进行三维相对转动。

根据目测喷射结果进行电场分布调节环的调节使达到所需要的喷射角度和液体弥散效果，或者采用显微镜、摄像头等辅助观察设备观察喷射效果，然后进行电场分布调节环的调节；所需要的效果一般是所有喷头的喷射角度和液体弥散效果近似相同，也可以是部分喷头的喷射角度向特定方向偏转，或者其液体弥散程度较其他喷头为高或为低。

实施例四：

本实施例提出一种静电喷射喷头阵列5的电场分布控制设备，该设备包括处理器、存储有计算机程序指令的存储器，以及电场分布稳定控制装置，该控制装置包括移动平台及平台上的喷射基底1、高压直流电源2、射流观察成像系统3、液体存储和输送装置4、静电喷射喷头阵列5、电场分布调节金属环6和调节环外加高压电源7。

移动平台及平台上的喷射基底1提供基底和喷头的可编程相对运动使得喷头喷出的液体沉积在基底上并生成相应的图形；高压直流电源2的接地端与移动平台及平台上的喷射基底1相连；高压直流电源2的高压端与静电喷射喷头阵列5中的每个喷头相连，同时液体存储和输送装置4给静电喷射喷头阵列5提供静电喷射用的液体；电场分布调节环围绕静电喷射喷头阵列5的各个喷头放置，带有高度调节装置，可以自由调节其相对于喷头开口处的高度，调节环和调节环外加高压电源7的高压端相连，调节环外加高压电源7和高压直流电源2共地。通过调节电场分布调节环的高度、在水平面上相对各个喷头的位置以及所加的电压，来调节各个喷头的喷射角度和液体弥散。上述电场分布调节环上所加的电压可以独立于静电喷射电压而调节；上述电场分布调节环的高度可以自由调节，可以和喷头开口平面处于同一高度，也可以略高或者略低。上述电场分布调节环可以环绕整个喷头阵列的外围，主要限制外围喷头的喷射角度和液体弥散；也可以环绕每个喷头，对每个喷头进行独立调节。上述电场分布调节环的形状由多节链条所组成，每节链条可以在环平面内自由转动；在使用时可以通过调节各节环的转动角度改变调节环相对于各个喷头的位置，从而方便地调节各个喷头所喷出的射流的角度和其液体弥散的程度；根据实际需要，也可以设计该电场分布调节环的各节链条可以进行三维相对转动。根据目测喷射结果进行电场分布调节环的调节使达到所需要的喷射角度和液体弥散效果，或者采用显微镜、摄像头等辅助观察设备观察喷射效果，然后进行电场分布调节环的调节；所需要的效果一般是所有喷头的喷射角度和液体弥散效果近似相同，也可以是部分喷头的喷射角度向特定方向偏转，或者其液体弥散程度较其他喷头为高或为低。

处理器读取并执行计算机程序指令，以实现如下静电喷射喷头阵列5的电场分布控制方法：调节电场分布调节金属环6上的外加高压，以改变喷头喷口附近的电场分布；调节电场分布调节金属环6的高度，以改变电场分布；调节电场分布调节金属环6的形状和相对于各个喷头的相对位置，以改变电场分布。

模式一为静电喷射电压的补充，可独立于静电喷射电压从而调节喷头的电场分布，模式二通过调节金属环相对于喷头开口处的高度来调节电场分布，该相对高度会显著影响喷射液体的弥散程度，模式三通过调节金属环的形状和位置来调节电场分布，该形状和相对位置会显著影响喷射射流的偏转角度，可对每个喷头附近的电场分布进行独立调节。三者相互补充，可同时使用，最终使得每个喷头周围的电场分布都基本均匀一致，从而得到高度一致的多路阵列的静电喷射。

实施例五：

本实施例提出一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序指令，计算机程序指令被处理器执行时实现如实施例四中提出的静电喷射喷头阵列的电场分布控制方法。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上做出各种变化。

Claims (5)

1.静电喷射喷头阵列的电场分布控制装置，其特征是包括：

设置于移动平台及平台上的喷射基底，与所述喷射基底电性连接的高压直流电源，与所述高压直流电源电性连接的静电喷射喷头阵列，与所述静电喷射喷头阵列通过管路连接的液体存储和输送装置，以及与所述基底和静电喷射喷头阵列电性连接的调节环组件；

所述调节环组件包括与所述高压直流电源共地的调节环外加高压电源，以及与所述调节环外加高压电源的高压端相连的电场分布调节环；所述电场分布调节环上设有用于自由调节其相对于喷头开口处高度的高度调节装置；

所述电场分布调节环由多节链条组成，每节链条在环平面内自由转动；

通过调节各节环的转动角度改变调节环相对于各个喷头的位置，从而调节各个喷头所喷出的射流的角度和其液体弥散的程度。

2.根据权利要求1所述的静电喷射喷头阵列的电场分布控制装置，其特征在于：所述高压直流电源的接地端与移动平台及平台上的喷射基底相连；所述高压直流电源的高压端与静电喷射喷头阵列中的每个喷头相连，同时液体存储和输送装置给静电喷射喷头阵列提供静电喷射用的液体；所述电场分布调节环围绕静电喷射喷头阵列的各个喷头放置。

3.静电喷射喷头阵列的电场分布控制方法，基于权利要求1至2中任一项所述的静电喷射喷头阵列的电场分布控制装置，其特征是包括至少三种模式：

模式一、调节电场分布调节金属环上的外加高压，以改变喷头喷口附近的电场分布；

模式二、调节电场分布调节金属环的高度，以改变电场分布；

模式三、调节电场分布调节金属环的形状和相对于各个喷头的相对位置，以改变电场分布；

其中，三个模式相互补充，可单个使用、三者同时使用或两两组合使用。

4.静电喷射喷头阵列的电场分布控制设备，其特征在于，所述设备包括：

处理器，存储有计算机程序指令的存储器，以及如权利要求1-2任意一项所述的静电喷射喷头阵列的电场分布控制装置；所述处理器读取并执行所述计算机程序指令，以实现如权利要求3所述的静电喷射喷头阵列的电场分布控制方法。

5.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令被处理器执行时实现如权利要求3所述的静电喷射喷头阵列的电场分布控制方法。

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