CN113382876B - 流体打印设备 - Google Patents

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Abstract

一种流体打印设备(100)，包括：基板(110)、打印头(104)、气动系统(106)和打印头定位系统(108)。打印头(104)用微结构流体喷射器(200)以连续流喷射流体，该微结构流体喷射器由输出部分(166)、长形输入部分、以及输出部分(166)与长形输入部分之间的渐缩部分构成。输出部分(166)由内直径在0.1μm与5μm之间的范围内的出口孔口和表面粗糙度小于0.1μm的端面构成。打印头(104)被定位在基板(110)上方，使微结构流体喷射器(200)的输出部分(166)向下指向。在打印期间，打印头定位系统(108)将端面与基板(110)的可打印表面(112)之间的竖直距离维持在0μm至5μm的范围内，并且气动系统(106)向微结构流体喷射器(200)中的流体施加范围为‑50,000Pa至1,000,000Pa的压力。

Description

流体打印设备
背景
金属线可以通过光刻胶层的光刻图案化、然后通过使用经图案化的光刻胶作为掩模对基底金属层进行蚀刻来形成。然而，由于光刻和蚀刻装备的高成本，需要高生产力的替代物，特别是对于约1μm(微米)到约10μm范围内的线宽。
喷墨打印是可能会有高生产力的增材工艺。与光刻和蚀刻(减材工艺)相比，浪费的材料更少。这尤其对于形成高成本材料的图案(比如量子点)是一个考虑因素。然而，已经发现传统的喷墨打印工艺对于形成线宽在约1μm到约10μm范围内的图案不是最佳的。
概述
在一个方面中，流体打印设备包括基板台、打印头、气动系统和打印头定位系统。打印头以连续流喷射流体。打印头包括微结构流体喷射器，该微结构流体喷射器由输出部分、长形输入部分、以及输出部分与长形输入部分之间的渐缩部分构成。输出部分由内直径在0.1μm与5μm之间的范围内的出口孔口和表面粗糙度小于0.1μm的端面构成。打印头被定位在基板上方，其中微结构流体喷射器的输出部分向下指向。在打印期间，打印头定位系统将端面与基板的可打印表面之间的竖直距离维持在0μm和5μm之间的范围内，并且气动系统向微结构流体喷射器中的流体施加范围为-50,000Pa至1,000,000Pa的压力。
在另一方面中，流体打印设备还包括成像系统，并且微结构流体喷射器的输出部分在打印期间与基板的可打印表面维持接触。当渐缩部分沿着侧向移位方向倾斜或弯曲时，成像系统检测渐缩部分的倾斜或弯曲，并且响应于检测到的倾斜或弯曲，调整输出部分的竖直位移。
在又一方面中，流体打印设备还包括竖直位移传感器。竖直位移传感器测量竖直位移传感器与可打印表面之间的参考竖直位移，并且响应于参考竖直位移，调整输出部分的竖直位移。竖直位移传感器可以沿着侧向移位方向被定位在微结构流体喷射器的前方。
在又一方面中，流体打印设备还包括用于校准微结构流体喷射器的输出部分的位置的校准系统。校准系统包括音叉，该音叉的坐标在第一坐标系中是精确已知的。当输出部分与音叉接触时，音叉的谐振频率被可测量地扰动。
在又一方面中，流体打印设备还包括安装插座，微结构流体喷射器被安装在该安装插座中。微结构流体喷射器可绕其纵向轴线旋转，并且旋转装置被联接到微结构流体喷射器，以赋予微结构流体喷射器绕其纵向轴线的受控旋转。
在又一方面中，流体打印设备包括打印头模块，该打印头模块包括共轨和沿共轨排布的一排微结构流体喷射器。为了更高的生产率，这些微结构流体喷射器同时打印流体。共轨通过定位在共轨的端部附近的压电堆线性致动器而被悬挂在打印头模块的基部支撑件上。竖直位移传感器被定位在共轨的每一端处，并且被配置成测量相对于可打印表面上的参考位置的相应参考竖直位移。响应于相应参考竖直位移，压电堆线性致动器调整这些端与基部支撑件之间的相应竖直间距。
以上概述并不旨在描述所要求保护的主题的每个披露的实施例或每个实施方式。下面的描述更具体地例示了说明性实施例。在整个申请的数个地方，通过示例提供了指导，这些示例可以用于各种组合。在列表的每个实例中，所列举的列表仅作为代表性组，而不应被解释为排他性列表。
附图说明
考虑到以下结合附图对本披露内容的各种实施例的详细描述，可以更全面地理解本披露内容，在附图中：
图1是根据第一实施例的说明性流体打印设备的框图视图。
图2是毛细玻璃管的示意性侧视图。
图3是毛细玻璃管的一部分的扫描电子显微镜(SEM)视图。
图4是在低倍率下毛细玻璃管的渐缩部分的扫描电子显微镜(SEM)视图。
图5是在高倍率下毛细玻璃管的渐缩部分的扫描电子显微镜(SEM)视图。
图6是在高倍率下聚焦离子束处理后的输出部分的扫描电子显微镜(SEM)视图。
图7是根据第二实施例的形成微结构流体喷射器的方法的流程图。
图8是打印方法的流程图。
图9是打印头的示意性剖视侧视图。
图10是在打印期间与基板接触的微结构流体喷射器的侧视图的照片。
图11是根据第三实施例的说明性流体打印设备的框图视图。
图12是打印头、竖直位移传感器和打印头定位系统的框图视图。
图13是音叉的照片。
图14是根据第四实施例的展示位置校准系统的操作的音叉的示意性透视图。
图15是根据第五实施例的展示位置校准系统的操作的音叉的示意性侧视图。
图16是校准方法的流程图。
图17是根据第六实施例的说明性流体打印设备的框图视图。
图18是根据第七实施例的说明性打印头的框图视图。
图19是说明性打印头模块的示意性侧视图。
图20是图19的部件中的一些部件的示意性俯视图。
图21是根据第八实施例的说明性流体打印设备的框图视图。
图22是打印方法的流程图，包括第八实施例的说明性流体打印设备的操作。
图23是具有断开缺陷的基板的示意性俯视图。
具体实施方式
本申请的申请人拥有以下波兰专利申请，这些波兰专利申请中的每一个的披露内容通过援引以其全文并入本文：
2019年3月5日提交的标题为FLUID PRINTING APPARATUS[流体打印设备]的波兰申请号PL 429145；
2019年3月5日提交的标题为METHOD OF PRINTING FLUID[打印流体的方法]的波兰申请号PL 429147；
2019年2月19日提交的标题为CONDUCTIVE INK COMPOSITIONS[导电油墨组合物]的波兰申请号PL 428963；
2019年2月1日提交的标题为FLUID PRINTING APPARATUS[流体打印设备]的波兰申请号PL 428769；并且
2019年2月1日提交的标题为METHOD OF PRINTING FLUID[打印流体的方法]的波兰申请号PL 428770。
本披露涉及一种流体打印设备，该流体打印设备包括基板台、打印头、气动系统和打印头定位系统。打印头以连续流喷射流体。打印头包括微结构流体喷射器，该微结构流体喷射器由输出部分、长形输入部分、以及输出部分与长形输入部分之间的渐缩部分构成。输出部分由内直径在0.1μm与5μm之间的范围内的出口孔口和表面粗糙度小于0.1μm的端面构成。打印头被定位在基板上方，其中微结构流体喷射器的输出部分向下指向。在打印期间，打印头定位系统将端面与基板的可打印表面之间的竖直距离维持在0μm至5μm的范围内，并且气动系统向微结构流体喷射器中的流体施加范围为-50,000Pa至1,000,000Pa的压力。
在本披露内容中：
词语“优选的”和“优选地”指的是在某些情况下可以提供某些益处的所要求保护的主题的实施例。然而，在相同的或其他情况下，其他实施例也可以是优选的。此外，对一个或多个优选实施例的叙述并不暗示其他实施例是无用的，且也不旨在将其他实施例排除在所要求保护的主题的范围之外。
术语“包括”及其变体在这些术语出现在说明书和权利要求中时没有限制性意义。
除非另有说明，否则“一”、“一个”、“该”和“至少一个”可互换地使用且表示一个或多于一个。
此外，通过端点引用的数值范围包括该范围内包含的所有数值(例如，1至5包括1、1.5、2、2.75、3、3.80、4、5等)。
对于本文披露的包括离散步骤的任何方法，这些步骤可以以任何可行的顺序进行。而且，视情况而定，可以同时进行两个或更多个步骤的任何组合。
根据第一实施例的说明性流体打印设备参考图1进行解释。图1是根据第一实施例的说明性流体打印设备的框图视图。流体打印设备100包括基板台102、打印头104、气动系统106和打印头定位系统108。基板110在打印期间在基板台102上被固定就位、并且具有可打印表面112，该可打印表面面向上并且面朝打印头104。打印头104被定位在基板110上方。
基板110可以是任何合适的材料，比如玻璃、塑料、金属或硅。也可以使用柔性基板。此外，基板在其上可以具有现有金属线、电路系统或其他沉积材料。例如，本披露内容涉及一种断开缺陷修复设备，其可以在现有电路中存在断开缺陷的区域中打印线。在这种情况下，基板可以是用于液晶显示器(LCD)的薄膜晶体管阵列基板。
根据第二实施例，打印头104包括微结构流体喷射器。发明人已经发现，商业上可获得的毛细玻璃管可以被修改，以用作本披露内容中的微结构流体喷射器。例如，被称为EppendorfTM FemtotipsTM Microinjection Capillary Tips的毛细玻璃管(在端头处的内直径为0.5μm)可从飞世尔科学公司(Fisher Scientific)获得。图2中示意性地示出了商业上可获得的毛细玻璃管120。塑料手柄122围绕毛细玻璃管120的圆周附接到该毛细玻璃管。塑料手柄122包括输入端124和靠近输入端124的螺纹部分126，该螺纹部分能够实现到外部本体或外部导管(图2中未示出)的螺纹连接。输入端124的内直径为1.2mm。
毛细玻璃管包括长形输入部分128和渐缩部分130。存在毛细玻璃管120的外部可见部分134。长形输入部分128的一些可能被周围的塑料手柄122遮蔽。渐缩部分130向标称内直径为0.5μm的输出端132渐缩。图3至图5中更清楚地展示了从长形输入部分128到输出端132直径沿着渐缩部分130的减小。图3是毛细玻璃管120的整个外部可见部分134的扫描电子显微照片视图(由多个SEM图像拼接在一起而形成)。图4中示出了在扫描电子显微镜(SEM)中的低倍率下观察到的、包括输出端132的渐缩部分130的第一放大区域136。此外，图5中示出了在扫描电子显微镜(SEM)中的高倍率下观察到的、位于第一放大区域136内的第二放大区域138。在图5中，在输出端132处和沿着渐缩部分的不同纵向位置(140、142、144、146和148)处测量的外直径在图5中和表1中示出。外直径在输出端132处最小，并且随着距输出端132的纵向距离的增加而增加。输出端136与纵向位置148之间的纵向距离90被测得为大约10.07μm。
纵向位置 外直径(μm)
148 2.102
146 1.978
144 1.821
142 1.574
140 1.315
132 0.8993
表1
在输出内直径(在此示例中标称为0.5μm)太小的情况下，可以通过在沿着渐缩部分130在合适纵向位置(例如纵向位置140、142、144、146或148)切割毛细玻璃管120来增加输出内直径。图7中示出了处理毛细玻璃管120以获得微结构流体喷射器200的方法150。在步骤152处，提供毛细玻璃管120，比如图2中所示的。在步骤154处，毛细玻璃管被安装在聚焦离子束(FIB)设备中。例如，使用等离子体源Xe+FIB(也称为PFIB)。在步骤156处，沿着渐缩部分130的某个纵向位置被选择，并且聚焦离子束以足够的能量密度被引导至该纵向位置，用于切割玻璃管。在步骤156处，使用聚焦离子束在选定的纵向位置处穿过渐缩部分进行切割。在完成前面的步骤156后，使用(FIB设备中的)扫描电子显微镜测量输出端处的内直径(步骤158)。如果测得的内直径太小，则步骤156在沿着渐缩部分的另一个纵向位置处执行，并且步骤158被执行。重复步骤156和158，直到获得期望的内直径为止。如图6中所示，最终切割(步骤156)限定了包括出口孔口168和端面170的输出部分166。出口孔口168的输出内直径的范围在0.1μm与5μm之间。在图6所示的示例中，输出内直径被测得为1.602μm，并且输出外直径被测得为2.004μm。然后，在步骤160处，减小聚焦离子束的能量，并且聚焦离子束被引导至端面170。使用聚焦离子束来抛光端面170，以获得表面粗糙度小于0.1μm、优选在1nm与20nm之间的端面。在图6中所示的端面示例中，从外直径尺寸和内直径尺寸可以推断，端面的表面粗糙度小于0.1μm。当考虑到FIB设备的抛光能力时，认为可能的是端面的表面粗糙度的范围在1nm与20nm之间。在步骤160结束时，获得微结构流体喷射器200。然后，在步骤162处，微结构流体喷射器200从FIB设备中移除。另外，优选的是通过浸入溶剂中同时施加10,000Pa至1,000,000Pa范围内的压力来对微结构流体喷射器、特别是输出部分进行清洁(步骤164)。已经发现使用与流体中使用的溶剂相同的溶剂是有效的。例如，如果流体包含甲醇，则发现在该步骤164中使用甲醇作为用于清洁的溶剂是有效的。以上是对通过修改毛细玻璃管获得的微结构流体喷射器的示例的描述。更一般地，设想微结构流体喷射器可以由其他材料(比如塑料、金属和硅)或者由材料的组合获得。
在完成步骤162和/或步骤164后，微结构流体喷射器200准备安装在打印头104中。图8是打印方法180的流程图，其中操作流体打印设备(图1、图11)。在步骤182处，基板110被定位在基板台102上的固定位置处。在步骤184处，提供打印头104。该步骤包括准备微结构流体喷射器，如图7中所描述的，并且将微结构流体喷射器安装在打印头104中。在步骤186处，打印头104被定位在基板110上方(图1)。在步骤188处，微结构流体喷射器200被定向成使出口孔口168向下指向，并且端面170面朝基板110的可打印表面112。在步骤190处，气动系统106被联接到打印头104。例如，气动系统包括泵和压力调节器。
图9中示出了打印头104的示例。打印头104包括微结构流体喷射器200。微结构流体喷射器200的一部分及其塑料手柄122被包封在外壳体204中。长形输入部分128从外壳体204向下延伸。包括出口孔口168和端面170(图6)的输出部分166位于长形输入部分128的下方。渐缩部分130位于输出部分166与长形输入部分128之间。外壳体204包封主体202，该主体包括气动导管210和流体导管208。气动导管210和流体导管208二者被连接到塑料手柄122的输入端124。塑料手柄122通过塑料手柄122的螺纹部分126被附接到主体202。气动导管210在其输入端上具有螺纹部分214，该螺纹部分用于将气动连接器216的输出端218附接到该气动导管。气动连接器216具有输入端220，气动系统106连接到该输入端(图9中未示出)。流体(例如，油墨)经由流体导管208被供应到微结构流体喷射器200。如图9中所示，在流体已经被供应到微结构流体喷射器200之后，流体导管208用流体入口塞212塞住。
打印方法180继续参考图8进行解释。在步骤192处，提供打印头定位系统108。打印头定位系统108控制相对于基板的打印头104的竖直位移和打印头104的侧向位移。在步骤194处，打印头定位系统108在打印期间被操作以将端面170与可打印表面112之间的竖直距离控制在0μm至5μm的范围内。在步骤196处，在打印期间操作打印头定位系统108以使打印头104相对于基板侧向地移位。打印头104相对于基板的侧向移位意味着以下选项之一：(1)基板是静止的，而打印头104侧向地移动；(2)打印头104未侧向地移动，而基板侧向地移动；以及(3)打印头104和基板二者都侧向地移动。在选项(1)中，打印头104侧向地和竖直地移动。在选项(2)中，打印头104竖直地移动，但不侧向地移动，并且基板台(基板被固定到基板台就位)侧向地移动。另外，在选项(2)中，打印头定位系统108包括联接到打印头104的竖直定位器和联接到基板台的侧向定位器。在步骤198处，操作气动系统106，以经由长形输入部分128向微结构流体喷射器200中的流体施加压力。在打印期间，压力被调节到-50,000Pa至1,000,000Pa的范围内。
打印头定位系统108在打印期间将端面170与可打印表面112之间的竖直距离控制在0μm和5μm内。图10的照片示出了输出部分166与基板110的可打印表面112接触的实施方式。渐缩部分130(由于其直径小而是柔性的)沿着微结构流体喷射器200(和打印头104)的侧向移位的方向倾斜或弯曲。微结构流体喷射器200的侧向移位的方向由箭头228(图10中朝向右侧)示出。如果输出部分166停止与可打印表面接触，例如由于可打印表面的不平坦，则渐缩部分130的倾斜或弯曲将减小。在该实施方式中，该设备包括成像系统114(图1)，该成像系统检测由于输出部分166与可打印表面112的接触而导致的渐缩部分130的倾斜或弯曲。打印头定位系统108响应于成像系统114检测到的渐缩部分130的倾斜或弯曲来调整竖直位移，从而在打印期间维持输出部分166与可打印表面112接触。打印头定位系统108使打印头104和成像系统114一起移位。
在流体打印设备100中，打印头104可以通过出口孔口喷射连续的流体流。因为流体流是连续的，所以可以在可打印表面112上形成流体线。流体线此后可以被干燥和/或烧结。已经发现，打印头定位系统108可以在打印期间使打印头104以0.01mm/sec(毫米/秒)至1000mm/sec范围内的速度相对于基板侧向地移位。在可打印表面112上形成的线的线宽部分地取决于出口孔口168的尺寸，即输出内直径。已经发现，当打印头定位系统108在期间使打印头104以0.01mm/sec至1000mm/sec范围内的速度相对于基板侧向地移位时，线宽比输出内直径大1.0倍到20.0倍。
在打印期间，压力被调节到-50,000Pa至1,000,000Pa的范围内，并且端面170与可打印表面112之间的竖直距离被维持在0μm至5μm的范围内。合适的压力范围部分地取决于流体的粘度。可能打印1厘泊至2000厘泊范围内的液体。对于粘度较低的流体，在1厘泊至10厘泊的范围内，压力在打印期间被调节到-50,000Pa至0Pa的范围内。对于这些较低粘度的流体，需要负压来防止过多的流体从出口孔口168流出。对于粘度在100厘泊至200厘泊范围内的流体，压力在打印期间被调节到20,000Pa至80,000Pa的范围内。假设弯月面从出口孔口168突出并且接触可打印表面112，并且由于流体与可打印表面112之间的接触而存在润湿张力。为了停止流体流到可打印表面112上，打印头定位系统108将端面170与可打印表面112之间的竖直距离增加到10μm或更大。已经发现，在可打印表面上打印结束时的压力降低可能导致微结构流体喷射器中的流体堵塞。因此，通过将竖直距离增加到10μm或更大，流体继续通过出口孔口168被喷射、并且积聚在微结构流体喷射器的外壁上，而不是打印在可打印表面112上。可以被打印的流体包括纳米粒子油墨，比如含有二氧化钛纳米粒子和银纳米粒子的油墨。纳米粒子可以是量子点纳米粒子，比如CdSe、CdTe和ZnO。含有炭黑的油墨也可以被打印。
图11是根据第三实施例的说明性流体打印设备的框图视图。流体打印设备90包括基板台102、打印头104、气动系统106和打印头定位系统108，如针对第一实施例所讨论的。基板110在打印期间在基板台102上被固定就位、并且具有可打印表面112，该可打印表面面向上并且面朝打印头104。打印头104被定位在基板110上方。打印头104包括微结构流体喷射器200，该微结构流体喷射器包括输出部分166，如参考图1和图2更详细描述的。虽然仅示出了一个微结构流体喷射器，但是为了比单个微结构流体喷射器具有更高生产率，打印头104可以包括同时打印流体的多个微结构流体喷射器。输出部分166包括出口孔口168和端面170(图6)。打印头定位系统108在打印期间将输出部分166的端面170与可打印表面112之间的竖直距离维持在期望范围内，比如在0μm至5μm的范围内。流体打印设备90包括联接到打印头104的流体储器116。气动系统106经由流体储器116联接到打印头104。因此，气动系统106调节流体储器116中和微结构流体喷射器200中的流体压力。
流体打印设备90包括竖直位移传感器118，该竖直位移传感器可以被实施为激光位移传感器。示例激光位移传感器是来自松下工业设备公司(Panasonic IndustrialDevices)的HL-C2系列激光位移传感器。图12中示出了实施方式的细节。打印头定位系统108包括打印头侧向定位器222和打印头竖直定位器224。打印头104被安装到打印头竖直定位器224，该打印头竖直定位器被安装到打印头侧向定位器222。打印头104的侧向移位的方向由箭头228(图12中朝向右侧)示出。竖直位移传感器118被安装到打印头侧向定位器222，并且测量传感器与可打印表面112上的区域172之间的距离174。区域172被称为参考位置，并且距离174被称为参考竖直位移。同时，微结构流体喷射器200的输出部分166被定位在可打印表面112上的区域176上方。竖直位移传感器118在输出部分166的前方某一侧向距离Δx，该侧向距离是区域172与区域176之间的侧向距离226。参考竖直位移174被存储在存储器存储装置(比如缓冲存储器)中。在输出部分166到达区域172的时刻，响应于(已经从存储器存储装置检索到)参考竖直位移174，竖直定位器224调整竖直位移，以便将输出部分166的端面170与可打印表面112的区域172之间的竖直距离维持在期望范围内，比如在0μm至5μm的范围内。通过使用该前瞻特征，当可打印表面112的轮廓不平坦时，打印头定位系统108能够将端面170与可打印表面112之间的距离维持在期望范围内，如图12中所示。可打印表面的不平坦可以是裸基板的不平坦，或者可以归因于基板上先前沉积的材料，比如导线或绝缘层。
根据本披露内容的位置校准系统参考图11、图13、图14、图15、图16和图23进行解释。图23是基板110的示意性俯视图，使可打印表面112面朝读者。已经定义了基板台的侧向坐标系(X坐标和Y坐标)400。在先前的工艺步骤中，已经形成了金属线402和404。实际上，包括金属线402和404的连续金属线是所需要的，但是在金属线402的右端区域410与金属线404的左端区域412之间存在断开缺陷406。在这种情况下，流体打印设备90可以被配置为断开缺陷修复设备，以校正此缺陷。流体打印设备90可以用于在区域410与区域412之间打印流体线，包含金属或金属前体的油墨。然后流体线被干燥和/或烧结以在区域410与区域412之间形成金属线。为了在区域410处开始打印，需要知道区域410的坐标。
流体打印设备90可以包括位置校准系统92，该位置校准系统用于校准输出部分166的位置(图11)。因此，位置校准系统92有时被称为输出部分位置校准系统。位置校准系统92包括音叉96和联接到音叉96的测量电路94(图11)。图13是说明性音叉96的照片，该音叉包括第一叉齿98和第二叉齿99。当输出部分166与第一叉齿98接触时，音叉具有大约32.79kHz(千赫)的未扰动谐振频率f0和大约8.17kHz的扰动谐振频率fN。测量电路94产生在包括未扰动谐振频率f0和扰动谐振频率fN的频率范围内的可变频率信号，并且将该信号传输到音叉96。该信号导致音叉96振荡。测量电路94测量音叉96对信号的频率响应。如果输出部分166与第一叉齿98接触，则检测到扰动谐振频率fN。
图14中示出了根据第四实施例的位置校准系统的音叉实施方式的细节。图14是包括第一叉齿98和第二叉齿99的音叉96的简化透视图。三维坐标系230(X坐标、Y坐标和Z坐标)被定义。坐标系230被称为第一坐标系。第一叉齿98包括顶面232(在X-Y平面中)、侧面234(在X-Z平面中)和正面236(在Y-Z平面中)。如果输出部分166与顶面232、侧面234或正面236接触，则检测到扰动谐振频率fN。顶面232和侧面234相交于边界线252，侧面234和正面236相交于边界线254，并且顶面232和正面236相交于边界线256。顶面232、侧面234和正面236相交于顶点250。在这种情况下，顶点250被称为标记点，并且顶面232、侧面234和正面236被统称为标记区域。如图14中可见，标记点被包括在标记区域中。标记区域和标记点的坐标在第一坐标系(坐标系230)中已经是精确已知的。例如，第一坐标系可以是基板台400的坐标系(图23)。
另一方面，标记区域和标记点的坐标在第二坐标系231(x坐标、y坐标和z坐标)中是大致已知的。输出部分166的坐标在第二坐标系231中是精确已知的。例如，第二坐标系可以是打印头定位系统108的坐标系。首先，打印头定位系统108对打印头104进行定位，使得输出部分166位于音叉96附近的起始位置238处。当测量电路94将可变频率信号传输到音叉96并测量音叉96的频率响应时，打印头定位系统108使输出部分166沿着轨迹240朝向音叉96移位。当输出部分166沿轨迹240横移时，输出部分166不接触标记区域，因此仅检测到未扰动谐振频率f0。确定第二坐标系中检测到未扰动谐振频率f0处的坐标。第二，输出部分返回到起始位置238，并且沿轨迹246横移到新的起始位置242。当测量电路94将可变频率信号传输到音叉96并且测量音叉96的频率响应时，输出部分166沿轨迹244从起始位置242朝向音叉96横移。当输出部分166在侧面234处接触标记区域时，检测到扰动谐振频率fN。确定第二坐标系中检测到扰动谐振频率fN处的坐标。例如，根据知晓输出部分166与侧面234错过接触处的坐标和输出部分166与侧面234发生接触处的坐标，可以确定边界线254的坐标。
类似地，当测量电路94测量音叉96的频率响应以确定边界线252或边界线256的坐标时，输出部分166可以被移位到多个坐标，以与顶面232(或正面236)发生接触以及错过与顶面232(或正面236)发生接触。这被重复直到可以从包括标记点的标记区域的地图中推导出标记点的坐标为止。当标记点的坐标在第二坐标系231中已知时，可以校准打印头定位系统108。在打印头定位系统108已经被校准之后，将打印头精确定位在第一坐标系230中的已知位置变得可能。例如，在断开缺陷修复设备示例的情况下，将打印头的输出部分166精确定位在区域410处变得可能(图23)。
图15中示出了根据第五实施例的位置校准系统的第二音叉实施方式。示出了先前参考图12解释的打印头定位系统108。打印头定位系统108被定位在音叉96的第一叉齿98的顶面232上方。坐标系260是打印头定位系统108的坐标系，并且被称为第一坐标系。竖直位移传感器118和竖直定位器224二者被安装到侧向定位器222。然而，输出部分166的坐标不一定在第一坐标系中精确已知，因为每个微结构流体喷射器200的长度不同，各个微结构流体喷射器200可能安装在打印头104中稍微不同的位置，并且微结构流体喷射器200可能在使用期间磨损。因此，可能有必要基于输出部分166的精确坐标来校准打印头定位系统108。竖直位移传感器118测量从传感器到顶面232上的标记区域262的距离174。根据该测量结果，标记区域262的坐标(Z坐标)在第一坐标系260中是精确已知的。侧向定位器222使打印头104侧向地移位，以使输出部分166位于标记区域262正上方。当测量电路94(图11)将可变频率信号传输到音叉96并且测量音叉96的频率响应时，竖直定位器224使打印头104朝向标记区域262竖直地移位。当输出部分166接触标记区域262时，检测到扰动谐振频率fN。根据该测量结果，可以确定输出部分166在第一坐标系260中的坐标，并且可以校准打印头定位系统108。
图16中示出了校准打印头定位系统108的方法270。在步骤272处，提供音叉96。音叉96包括第一叉齿98，其中标记区域位于第一叉齿98上。音叉96由未扰动谐振频率f0和当输出部分166与标记区域接触时的扰动谐振频率fN表征，该扰动谐振频率与未扰动谐振频率f0可测量地不同。在步骤274处，在第一坐标系中确定标记区域的坐标。在图15的情况下，第一坐标系是打印头定位系统108的坐标系，并且使用竖直位移传感器118确定标记区域的坐标。在图14的情况下，第一坐标系是基板台102的坐标系，并且标记区域包括顶面232、侧面234和正面236。已经确定了这些面232、234和236在第一坐标系中的坐标。另外，在图14的情况下，提供包括标记点的标记区域的地图(步骤276)。在步骤278处，打印头104被定位成将输出部分166带到音叉96附近。在图15的情况下，该步骤对应于使打印头104移位以将输出部分166带到标记区域262的正上方。在图14的情况下，该步骤对应于使打印头104移位以将输出部分166带到起始位置238。在步骤280处，测量电路94被联接到音叉96。在步骤282处，测量电路94将在包括未扰动谐振频率f0和扰动谐振频率fN的频率范围内的可变频率信号传输到音叉96，以导致音叉96振荡。在步骤284处，测量电路94在输出部分166被移位到多个坐标时测量音叉96对信号的频率响应，以确定检测到扰动谐振频率处输出部分166的坐标。在步骤286处，响应于检测到扰动谐振频率处输出部分166的坐标，校准打印头定位系统108。在图14的情况下，重复传输信号的步骤(步骤282)和测量频率响应的步骤(步骤284)，直到根据包括标记点的标记区域的地图确定出标记点的坐标为止。
图17是根据第六实施例的说明性流体打印设备的框图视图。流体打印设备290包括基板台102、气动系统106、打印头104、打印头定位系统108、流体储器116、竖直位移传感器118和位置校准系统92，如以上参考图11所描述的。另外，在流体打印设备290中，附接到部件的压电致动器导致部件振动，从而引起部件中流体堵塞的减少。此外，压电致动器可以被调制。例如，压电致动器292可以被附接到流体储器116，并且压电致动器292可以被操作以导致流体储器116振动。例如，压电致动器294可以被附接到打印头104，并且压电致动器294可以被操作以导致微结构流体喷射器200振动。弹性流体导管296可以被插入在流体储器116与微结构流体喷射器200的长形输入部分128之间，使得流体经由弹性流体导管296从流体储器116流到长形输入部分128。这种弹性流体导管296可以在压电致动器294被操作时减少从打印头104到流体储器116的振动传输，或者在压电致动器292被操作时减少从流体储器116到打印头104的振动传输。
如参考图10所讨论的，当输出部分166与可打印表面112接触时，微结构流体喷射器200的渐缩部分130相对于基板沿着打印头104的侧向移位的方向倾斜或弯曲。已经发现，在这种接触模式下的操作导致输出部分166的不均匀磨损。使磨损更均匀的一种方式是使打印头104沿着路径在第一方向上(例如，图10中朝向右侧)横移，然后使打印头104沿着相同路径在与第一方向相反的第二方向上(例如，图10中朝向左侧)横移。例如，打印头104可以在到达基板102的端部区域后反转方向。
另一种解决方案参考图18进行展示。图18示出了根据第七实施例的说明性打印头300。打印头300是一种改进的打印头，其使得输出部分上的磨损更均匀。打印头300可以代替本文披露的说明性打印设备中的打印头104。该打印头300包括微结构流体喷射器200，如针对打印头104所讨论的。微结构流体喷射器200被安装在安装插座302中。当安装在安装插座302中时，微结构流体喷射器200绕其纵向轴线306可旋转。旋转装置304联接到微结构流体喷射器200。在操作期间，旋转装置304赋予微结构流体喷射器200绕其纵向轴线306的受控旋转。例如，旋转装置304在设备打印流体时被操作。结果，微结构流体喷射器200的输出部分166绕其纵向轴线306均匀地磨损。
根据第八实施例的说明性流体打印设备参考图19、图20、图21和图22进行解释。图19中示出了说明性打印头模块310。打印头模块310包括一排308微结构流体喷射器320、322、324、326、328。在打印期间，这些微结构流体喷射器同时打印，以实现比用单个微结构流体喷射器更高的生产率。优选的微结构流体喷射器及其制备已经参考图2至图7进行了描述。微结构流体喷射器排308沿着共轨312排布在其第一端316与其第二端318之间，该第二端与第一端316相反。第一竖直位移传感器346被定位在第一端316附近，并且第二竖直位移传感器348被定位在第二端318附近。在图19中，打印头模块310被定位在基板110上方，这些微结构流体喷射器被定向成使输出部分向下指向，并且端面面朝可打印表面112。当在流体打印设备中实施时，微结构流体喷射器排308悬挂在共轨312上。第一竖直位移传感器346被定向成测量距可打印表面112上的第一参考位置342的第一参考竖直位移352，并且第二竖直位移传感器348被定向成测量距可打印表面112上的第二参考位置344的第二参考竖直位移354。
共轨312经由第一压电堆线性致动器336和第二压电堆线性致动器338被附接到基部支撑件314，该第一压电堆线性致动器将第一端316附接到基部支撑件314，该第二压电堆线性致动器将第二端318附接到基部支撑件314。当在流体打印设备中实施时，共轨312经由压电堆线性致动器336、338悬挂在基部支撑件314上。第一压电堆线性致动器336被定向和配置成响应于由第一竖直位移传感器346测得的第一参考竖直位移352来调整第一端316与基部支撑件314之间的第一竖直间距337。第二压电堆线性致动器338被定向和配置成响应于由第二竖直位移传感器348测得的第二参考竖直位移354来调整第二端318与基部支撑件314之间的第二竖直间距339。图21中示出了根据第八实施例的说明性流体打印设备。流体打印设备360包括基板台102、气动系统106和流体储器116，如参考图11所描述的。为了比用单个打印头模块310具有更高的生产率，流体打印设备360包括打印头模块310，并且可以包括(多个)附加打印头模块310B。打印头模块310的基部支撑件314被安装到打印头模块定位系统368，该打印头模块定位系统控制基部支撑件314的竖直位移和侧向位移。
在图19中所展示的情况下，基板110的可打印表面112是不平坦的。前瞻特征参考图12进行了解释。类似的前瞻特征可以在图21的流体打印设备中实施。图20是打印头模块310的一些部件的示意性俯视图。在打印期间，打印头模块310的基部支撑件314沿着侧向移位方向350相对于基板侧向地移位，该侧向移位方向大致垂直于从第一端316到第二端318的矢量352。根据这种布置，微结构流体喷射器320、322、324、326、328同时地打印流体，导致比用单个微结构流体喷射器更高的生产率。第一竖直位移传感器346被安装到第一共轨延伸部356，该第一共轨延伸部从第一端316延伸或者被附接到该第一端。类似地，第二竖直位移传感器348被安装到第二共轨延伸部358，该第二共轨延伸部从第二端318延伸或者被附接到该第二端。根据这种布置，第一竖直位移传感器346和第二竖直位移传感器348沿着侧向移位方向350被定位在微结构流体喷射器排308的前方。
图22是打印方法370的流程图，其中操作第八实施例的设备360(图21)。在步骤372处，基板110被定位在基板台102上的固定位置处。在步骤374处，提供打印头模块310，如参考图19所描述的。在步骤376处，打印头模块310被定位在基板110上方(图19和图21)。在步骤378处，微结构流体喷射器被定向成使相应的出口孔口向下指向，并且相应的端面面朝基板110的可打印表面112。在步骤380处，气动系统106联接到打印头模块310。在步骤382处，提供打印头模块定位系统368。打印头定位系统368控制相对于基板的打印头模块310的基部支撑件314的竖直位移和打印头模块310的基部支撑件314的侧向位移。在步骤384处，操作打印头模块定位系统368，以在打印期间使打印头模块310的基部支撑件314相对于基板侧向地移位。在步骤386处，操作气动系统，以经由相应的长形输入部分向微结构流体喷射器320、322、324、326、328中的流体施加压力。在打印期间，压力被调节到-50,000Pa至1,000,000Pa的范围内。与第一竖直位移传感器和第一压电堆线性致动器相关的步骤(步骤388、390)和与第二竖直位移传感器和第二压电堆线性致动器相关的步骤(步骤392、394)可以同时执行。在步骤388处，操作第一竖直位移传感器346以测量距可打印表面112上的第一参考位置342的第一参考竖直位移352。在步骤390处，响应于第一参考竖直位移352，操作第一压电堆线性致动器336以调整第一端316与基部支撑件314之间的第一竖直间距337。类似地，在步骤392处，操作第二竖直位移传感器348以测量距可打印表面112上的第二参考位置344的第二参考竖直位移354。在步骤394处，响应于第二参考竖直位移354，操作第二压电堆线性致动器338以调整第二端318与基部支撑件314之间的第二竖直间距339。对于一些或所有的微结构流体喷射器320、322、324、326、328，进行这些调整以将端面与可打印表面之间的竖直距离维持在期望范围内，比如在0μm至5μm的范围内。当打印头模块310在打印期间在可打印表面112上相对于基板侧向地移位时，重复步骤388、390、392和394。
除非另有说明，否则说明书和权利要求中使用的表示部件数量、分子量等的所有数字应理解为在所有情况下都用术语“约”修饰。因此，除非另有相反指示，否则说明书和权利要求中阐述的数值参数是可以依据力求获得的期望特性来变化的近似值。至少并且不是试图将等同物的教义限制于权利要求的范围，每个数值参数应当至少根据所报告的有效数字的数目并且通过应用常规凑整技术来解释。
尽管阐述所要求保护的主题的广泛范围的数值范围和参数是近似值，但是在具体示例中阐述的数值被尽可能精确地报告。然而，所有数值固有地包含范围，该范围必然由在它们相应的测试测量中发现的标准偏差产生。
所有标题是为了方便读者，且除非特别说明，否则不应被用于限制标题后面的文本的含义。

Claims (32)

1.一种用于在基板的可打印表面上打印流体的设备，包括：
基板台，所述基板在所述打印期间相对于所述基板台固定就位；
打印头，所述打印头被定位在所述基板上方并且包括微结构流体喷射器，所述微结构流体喷射器包括：(1)输出部分，所述输出部分包括输出内直径在0.1μm与5μm之间的范围内的出口孔口和表面粗糙度小于0.1μm的端面，(2)长形输入部分，所述长形输入部分的输入内直径比所述输出内直径大至少100倍，以及(3)所述长形输入部分与所述输出部分之间的渐缩部分；
气动系统，所述气动系统联接到所述打印头，使得所述气动系统经由所述长形输入部分向所述微结构流体喷射器中的所述流体施加压力，在所述打印期间所述压力被调节到-50,000Pa至1,000,000Pa的范围内；以及
打印头定位系统，所述打印头定位系统控制所述打印头相对于所述基板的竖直位移和侧向位移；
其中，所述微结构流体喷射器被定向成使所述输出部分向下指向，并且所述端面面朝所述可打印表面；
所述打印头定位系统在所述打印期间将所述端面与所述可打印表面之间的竖直距离维持在0μm至5μm的范围内；
所述打印头以连续流喷射流体通过所述出口孔口，所述连续流在所述可打印表面上形成流体线。
2.如权利要求1所述的设备，其中，所述表面粗糙度的范围在1nm与20nm之间。
3.如权利要求1所述的设备，其中，所述打印头定位系统在所述打印期间使所述打印头以0.01mm/sec至1000mm/sec范围内的速度相对于所述基板侧向地移位。
4.如权利要求3所述的设备，其中，所述可打印表面上的所述流体线的线宽比所述输出内直径大1.0倍到20.0倍。
5.如权利要求1至4中任一项所述的设备，其中，所述打印头定位系统将所述竖直距离增加到10μm或更大，以停止流体流到所述可打印表面上。
6.如权利要求1至4中任一项所述的设备，其中，所述微结构流体喷射器包括玻璃。
7.如权利要求1至4中任一项所述的设备，其中，所述气动系统包括泵和压力调节器。
8.如权利要求1至4中任一项所述的设备，其中，所述打印头定位系统在所述打印期间调整所述竖直位移以使所述输出部分与所述可打印表面维持接触。
9.如权利要求8所述的设备，其中，所述打印头定位系统在所述打印期间使所述打印头沿着侧向移位方向相对于所述基板移位，并且所述渐缩部分在所述打印期间沿着所述侧向移位方向倾斜或弯曲。
10.如权利要求9所述的设备，还包括检测所述渐缩部分的倾斜或弯曲的成像系统；其中，所述打印头定位系统响应于检测到的倾斜或弯曲而调整所述竖直位移。
11.如权利要求1至4和9至10中任一项所述的设备，还包括竖直位移传感器，所述竖直位移传感器用于测量距所述可打印表面上的参考位置的参考竖直位移；其中，所述打印头定位系统响应于测得的参考竖直位移而调整所述竖直位移。
12.如权利要求11所述的设备，其中，所述竖直位移传感器是激光位移传感器。
13.如权利要求11所述的设备，其中，所述打印头定位系统在所述打印期间使所述打印头沿着侧向移位方向相对于所述基板移位，并且所述竖直位移传感器在所述打印期间沿着所述侧向移位方向被定位在所述微结构流体喷射器的前方。
14.如权利要求1至4、9至10和12至13中任一项所述的设备，还包括输出部分位置校准系统，所述输出部分位置校准系统包括：
音叉，所述音叉包括第一叉齿，标记区域位于所述第一叉齿上，所述标记区域的坐标在第一坐标系中是精确已知的并且在第二坐标系中是已知的，所述音叉由未扰动谐振频率f0和当所述输出部分与所述标记区域接触时的扰动谐振频率fN表征，所述扰动谐振频率fN与所述未扰动谐振频率f0可测量地不同；以及
测量电路，所述测量电路联接到所述音叉；
其中，所述测量电路产生在包括所述未扰动谐振频率f0和所述扰动谐振频率fN的频率范围内的可变频率信号，并且将所述信号传输到所述音叉，以导致所述音叉振荡；并且
当所述输出部分被移位到多个坐标时，所述测量电路测量所述音叉对所述信号的频率响应，以确定检测到所述扰动谐振频率fN处所述输出部分的坐标；
其中，所述打印头定位系统响应于检测到所述扰动谐振频率fN处所述输出部分的坐标而被校准。
15.如权利要求14所述的设备，其中，所述标记区域包括标记点，包括所述标记点的所述标记区域的地图被存储在所述设备的存储器存储装置中。
16.如权利要求1至4、9至10、12至13和15中任一项所述的设备，其中，所述流体的粘度在1厘泊至2000厘泊的范围内。
17.如权利要求16所述的设备，其中，所述流体的粘度在1厘泊至10厘泊的范围内，并且所述压力在所述打印期间被调节到-50,000Pa至0Pa的范围内。
18.如权利要求16所述的设备，其中，所述流体的粘度在100厘泊至200厘泊的范围内，并且所述压力在所述打印期间被调节到20,000Pa至80,000Pa的范围内。
19.如权利要求1至4、9至10、12至13、15和17至18中任一项所述的设备，其中，所述流体包括纳米粒子。
20.如权利要求19所述的设备，其中，所述纳米粒子包括量子点。
21.如权利要求1至4、9至10、12至13、15、17至18和20中任一项所述的设备，其中，所述流体包括选自由以下项构成的组的元素：银、钛和碳。
22.如权利要求1至4、9至10、12至13、15、17至18和20中任一项所述的设备，其中，所述打印头还包括第二微结构流体喷射器。
23.如权利要求1至4、9至10、12至13、15、17至18和20中任一项所述的设备，还包括联接到所述打印头的流体储器。
24.如权利要求23所述的设备，还包括联接到所述流体储器的压电致动器。
25.如权利要求23所述的设备，还包括在所述流体储器与所述长形输入部分之间的弹性流体导管。
26.如权利要求1至4、9至10、12至13、15、17至18、20和24至25中任一项所述的设备，还包括联接到所述打印头的压电致动器。
27.如权利要求1至4、9至10、12至13、15、17至18、20和24至25中任一项所述的设备，还包括：
安装插座，所述微结构流体喷射器被安装在所述安装插座中，当安装在所述安装插座中时，所述微结构流体喷射器能够绕其纵向轴线旋转；
旋转装置，所述旋转装置联接到所述微结构流体喷射器，所述旋转装置赋予所述微结构流体喷射器绕其纵向轴线的受控旋转。
28.一种断开缺陷修复设备，包括权利要求1至27中任一项所述的设备。
29.一种用于在基板的可打印表面上打印流体的设备，包括：
基板台，所述基板在所述打印期间相对于所述基板台固定就位；
打印头模块，所述打印头模块被定位在所述基板上方，所述打印头模块包括：
共轨，所述共轨具有第一端和与所述第一端相反的第二端；
沿着所述共轨在所述第一端与所述第二端之间排布的一排微结构流体喷射器，所述微结构流体喷射器中的每一个包括：(1)输出部分，所述输出部分包括输出内直径在0.1μm与5μm之间的范围内的出口孔口和表面粗糙度小于0.1μm的端面，(2)长形输入部分，所述长形输入部分的输入内直径比所述输出内直径大至少100倍，以及(3)所述长形输入部分与所述输出部分之间的渐缩部分；
定位在所述第一端附近的第一竖直位移传感器；
定位在所述第二端附近的第二竖直位移传感器；
基部支撑件；
将所述第一端附接到所述基部支撑件的第一压电堆线性致动器；以及
将所述第二端附接到所述基部支撑件的第二压电堆线性致动器；
气动系统，所述气动系统联接到所述打印头，使得所述气动系统经由相应的长形输入部分向所述微结构流体喷射器中的所述流体施加压力，在所述打印期间所述压力被调节到-50,000Pa至1,000,000Pa的范围内；以及
打印头模块定位系统，所述打印头模块定位系统控制相对于所述基板的所述打印头模块的基部支撑件的竖直位移和所述打印头模块的基部支撑件的侧向位移；
其中，所述微结构流体喷射器被定向成使所述输出部分向下指向，并且所述端面面朝所述可打印表面；
所述第一竖直位移传感器被定向以测量距所述可打印表面上的第一参考位置的第一参考竖直位移；
所述第二竖直位移传感器被定向以测量距所述可打印表面上的第二参考位置的第二参考竖直位移；
所述第一压电堆线性致动器被定向和配置成响应于所述第一参考竖直位移来调整所述第一端与所述基部支撑件之间的第一竖直间距；
所述第二压电堆线性致动器被定向和配置成响应于所述第二参考竖直位移来调整所述第二端与所述基部支撑件之间的第二竖直间距；并且
所述打印头以连续流喷射流体通过所述出口孔口。
30.如权利要求29所述的设备，其中，所述打印头模块定位系统在所述打印期间使所述基部支撑件沿着侧向移位方向相对于所述基板移位，所述侧向移位方向大致垂直于从所述第一端到所述第二端的矢量。
31.如权利要求30所述的设备，其中，所述第一竖直位移传感器和所述第二竖直位移传感器沿着所述侧向移位方向被定位在所述微结构流体喷射器的前方。
32.如权利要求29至31中任一项所述的设备，还包括第二打印头模块。
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