CN114475015B - 聚焦电场结构静电喷射直写系统及直写方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种聚焦电场结构静电喷射直写系统及直写方法。该系统包括液体喷头、接入至少两个电位的控制电极组和电位悬空的喷射基底。液体喷头的电位可以悬空，也可以接入与控制电极组极性相反的电极，控制电极组包括不同电位的多个电极，既形成足够强的径向下拉静电场使喷头中的液体表面形成泰勒锥以产生静电喷射，也形成强导向性的轴向电场并指向喷射基底正对着喷口中心轴的位置，从而引导射流落向该点且仅落向该点，向其他方向的射流偏转则受到抑制。喷射基底则作为静电射流或射流断裂形成的液滴的收集装置。本发明可以严格控制静电喷射的射流或液滴的落点，并可以克服在绝缘基底及复杂曲面或不平整的基底上难以形成稳定射流的难题。
Description
技术领域
本发明涉及静电喷射技术领域，尤其涉及一种聚焦电场结构静电喷射直写系统及直写方法。
背景技术
基于电流体动力学（EHD）原理的无掩模微纳结构直写技术，属于印刷电子技术的一种。1964 年，Taylor第一次提出了液滴在电场下呈现锥形的理论模型，因此这样的锥形被命名为“泰勒锥”。 它的一个显著特点是可以从圆锥底部较大直径的喷口处（通常为毫米到微米量级） 产生出圆锥顶部很细直径的射流（理论上可以达到十微米乃至微米量级），其喷口/射流直径比可达 100：1量级，且射流大小可以很方便地通过调节电压等参数进行控制。显然，如果用这样的射流来进行电子线路印刷，可能在达到微米级打印精度的同时很好地避免传统喷墨打印方式容易产生的喷口堵塞问题。此外，该方法还具有不需要掩模版、材料适用性广、不需要高温度高气压、控制简便、成本低廉、适用于曲面异形结构和柔性基底等优点，特别适宜于微纳结构和器件的制备。其典型应用包括在曲面上打印微米级高精度的柔性导电线路，进而可以制作高精度的传感器、电子元器件、导电线路，等等。
但是，传统的静电喷射技术通常是把作为射流或液滴接受装置的基底接地，而把喷头接高压，从而形成高压电场以激发泰勒锥产生静电喷射，这里就产生了三个局限性：
（1）基底如果是绝缘材料，则无法直接接地或接入其他电位；
（2）整个基底电位都相同，所以单射流很容易产生偏转，从而导致在基底上印刷的位置难以精确定位；
（3）在基底不平整或者是复杂曲面的情况下，基底表面形状会影响电场分布，使得射流或液滴落点变化，可能造成印刷不连续或者图案变形等问题。
发明内容
发明目的：本发明针对上述传统静电喷射系统的不足，提供一种静电喷射直写技术中精确控制射流偏转角度的系统设计和使用方法，从而避免了上述缺点，可以严格控制静电喷射的射流或液滴的落点，并可以克服在绝缘基底及复杂曲面或不平整的基底上难以形成稳定射流的难题，可以用于高粘度液体的静电直写，也可以结合交流电压驱动实现低粘度液体的按需打印，具备很强的实用价值。
第一方面，提出一种以聚焦电极结构设计为特征的静电喷射直写系统，该系统包括电位悬空或接入极性与控制电极相反电位的喷头、多个电极并接入不同电位的控制电极组和电位悬空的喷射基底。其中控制电极组包括不同电位的多个电极，既形成足够强的径向下拉静电场使喷头中的液体表面形成泰勒锥以产生静电喷射，同时也形成强导向性的轴向电场并指向喷射基底正对着喷口中心轴的位置，从而引导射流落向该点且仅落向该点，向其他方向的射流偏转则受到抑制；喷射基底则作为静电射流或射流断裂形成的液滴的收集装置。
在第一方面进一步的实施例中，控制电极组由多个相互平行且共轴的环状电极组成，其数目至少2个，可以更多，其中心轴与喷头的中心轴重合，圆环内外径依次缩小，其所接电位按照远离喷头的方向逐渐降低，以形成逐渐向中心轴聚焦的下拉电场，从而控制液体射流的方向只能沿中心轴方向，而任何偏转都将受到聚焦电场的约束而被抑制；各个环状电极之间由空气隔离，也可加入绝缘介质隔离以进一步降低电极间距。
在第一方面进一步的实施例中，喷头由绝缘材料制成，在其中心轴处放置一个针状电极，针状电极的底部可以拉尖以实现高压离子注入使液体带电，且底部靠近喷头的液体表面；该针状电极外接与控制电极组极性相反的电压，其电压值可调；针状电极所接电位为负向最高，控制电极组中最接近喷头的电极所带电压为正向最高，二者共同形成高压电场，激发泰勒锥以实现静电喷射直写；根据需要二者极性也可对调。
在第一方面进一步的实施例中，喷头由金属或其他导电材料制成，外接与控制电极组极性相反的电压，其电压值可调；喷头所接电位为负向最高，控制电极组中最接近喷头的电极所带电压为正向最高，二者共同形成高压电场，激发泰勒锥以实现静电喷射直写；根据需要二者极性也可对调。
在第一方面进一步的实施例中，可根据需要采用交流电激发泰勒锥和控制其断裂后产生的液滴，此时控制电极组所包含的各个电极所接电位的极性一直保持一致，并与针状电极的极性相反，二者同步随时间变化，形成交变电场，控制该交变电场的频率、幅度等参数可以控制泰勒锥的断裂及其所生成液滴的大小，实现“按需喷印”。
第二方面，提出一种聚焦电场结构静电喷射直写方法，该方法的过程如下：
在喷头和控制电极组上加上高电压，该高电压会产生下拉电场，把喷头中的液体拉出喷头，形成液体泰勒锥和射流，该泰勒锥和射流在聚焦电极所产生的轴向电场作用下，会被引导到喷射基底正对着喷头中心轴的位置，从而把液体喷射到基底上，这时只要用计算机控制机械平台按照一定的模式移动基底，就可以在基底上喷印复杂的图案。液体的流速可以由电场大小自主控制，也可以用外加的注射泵等设备进行控制。
有益效果：本发明针对传统结构静电喷射系统的不足，在喷头和喷射基底之间加入了一个聚焦电极结构，包括多个电极并接入不同电位的控制电极组引导液体射流的方向只能沿中心轴方向，而任何偏转都将受到聚焦电场的约束而被抑制，从而可以严格控制静电喷射的射流或液滴的落点；喷射基底作电位悬空，从而可以克服在绝缘基底及复杂曲面或不平整的基底上难以形成稳定射流的难题；同时，该系统在使用时也可根据需要采用交流电激发泰勒锥和控制其断裂后产生的液滴，控制该交变电场的频率、幅度等参数可以控制泰勒锥的断裂及其所生成液滴的大小，实现“按需喷印”。
附图说明
图1是传统静电喷射技术的示意图。
图2是针对图1中传统静电喷射技术可能存在的三种不同模式的示意图。
图3是本发明的原理示意图。
图4是实施例一中提及的直写系统的正面示意图。
图5是实施例二中提及的直写系统的正面示意图。
图6是实施例三中提及的直写系统的正面示意图。
图中标号名称：1、喷头；2、控制电极组；3、喷射基底；4、针状电极；5-8、相互平行且共轴的环状电极；9-11、高绝缘介质层组。
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。
申请人认为，传统的静电喷射技术通常是把作为射流或液滴接受装置的基底接地，而把喷头接高压，从而形成高压电场以激发泰勒锥产生静电喷射，见图1。基于EHD原理产生泰勒锥以后，根据其射流(jet)分裂的情况，可能产生静电喷雾、静电纺丝、静电点喷三种不同的静电喷射模式，如图2(a)(b)(c)所示，分别得到带电的喷雾、纤维和液滴三种不同的终端形态，各自有不同的应用。很多情况下射流在离开锥尖一定距离处会由于静电斥力等的作用而分裂成雾状液滴分散开来，也就是形成了静电喷雾，如图2(a)所示。这种情况下虽然可以得到非常细小的液滴，但是它们是成雾状四散分开的，其喷雾覆盖面积会远大于液滴本身的截面积，就无法用于精确的喷墨印刷了。另一种情况是泰勒锥形成的射流中垂直于射流方向的切向力会引起射流鞭动，从而使得射流的尾部不是一条直线，而是螺旋扰动的曲线，这在静电纺丝中最为常见，如图2(b)所示。这种情况下可能因为液体的粘力而把射流拉得非常细，但是难以精确定位射流沉积在基底上的位置。近年来有研究组报导了利用基底对喷头的相对运动和溶液粘性进行静电纺丝射流精确定位的办法，但是对溶液粘度、基底相对运动速度等要求很高，也无法满足任意图形高精度印刷的需要。要进行电子线路的印刷，需要使用静电点喷(E-jetting)模式，即把泰勒锥可控地断开成连续下落的液滴状，使用类似传统喷墨打印的方式进行印刷，如图2(c)所示。要达到理想的静电点喷模式，需要深入研究泰勒锥中射流分裂的机理，控制其断裂形成连续均匀的小液滴，按照可控的速度和位置依次沉积到基底上，称为“液滴式离散打印模式”。
为此，申请人提出了一种以聚焦电极结构设计为特征的静电喷射直写系统。具体见下文实施例。
实施例一：
图3和图4展示了一种以聚焦电极结构设计为特征的静电喷射直写系统，该系统包括电位悬空或接入极性与控制电极相反电位的喷头1、包括多个电极并接入不同电位的控制电极组2和电位悬空的喷射基底3；其中控制电极组2包括不同电位的多个同心电极，其内径逐渐缩小，目的是既形成足够强的径向下拉静电场使喷头1中的液体表面形成泰勒锥以产生静电喷射，同时也形成强导向性的轴向电场并指向喷射基底3正对着喷口中心轴的位置，从而引导射流落向该点且仅落向该点，向其他方向的射流偏转则受到抑制；喷射基底3则作为静电射流或射流断裂形成的液滴的收集装置。控制电极组2由多个相互平行且共轴的环状电极组成，其数目至少2个，可以更多，其中心轴与喷头1的中心轴重合，圆环内径依次缩小，其所接电位按照远离喷头1的方向逐渐降低，以形成逐渐向中心轴聚焦的下拉电场，从而控制液体射流的方向只能沿中心轴方向，而任何偏转都将受到聚焦电场的约束而被抑制（其他能形成这样效果的电极设计也都包含在本专利之内）；各个环状电极之间由空气隔离，也可加入绝缘介质隔离以进一步降低电极间距。
喷头1由绝缘材料制成，在其中心轴处放置一个针状电极4，针状电极4的底部可以拉尖以实现高压离子注入使液体带电，且底部靠近喷头1的液体表面；该针状电极4外接与控制电极组极性相反的电压，其电压值可调；针状电极4所接电位为负向最高，控制电极组中最接近喷头1的电极所带电压为正向最高，二者共同形成高压电场，激发泰勒锥以实现静电喷射直写；根据需要二者极性也可对调。
喷头1由金属或其他导电材料制成，外接与控制电极组极性相反的电压，其电压值可调；喷头1所接电位为负向最高，控制电极组2中最接近喷头1的电极所带电压为正向最高，二者共同形成高压电场，激发泰勒锥以实现静电喷射直写；根据需要二者极性也可对调。
可根据需要采用交流电激发泰勒锥和控制其断裂后产生的液滴，此时控制电极组所包含的各个电极所接电位的极性一直保持一致，并与针状电极4的极性相反，二者同步随时间变化，形成交变电场，控制该交变电场的频率、幅度等参数可以控制泰勒锥的断裂及其所生成液滴的大小，实现“按需喷印”。
在控制电极组2的环状电极之间加入高绝缘介质（如陶瓷等材料）隔离，从而可以降低电极间距。使用高粘度液体，从而射流虽然被拉长但是不易断裂，可以直接到达喷射基底3而不断裂，实现直写。
优选参数如下：电极5-8以及绝缘介质层9-11为圆环，其内径依次为：7、5、3、1、6、4、2mm，其外径依次为：10、8、6、4、9、7、5mm。喷射基底3不接电（悬空电位）；喷头接-1kV（可以在-10到-0.1kV之间调节）；电极5接+1.5kV；电极6接+1.0kV，电极7接+0.5kV，电极8接+0kV（接地）；电极5到电极8之间的总电压差可以在0.1到10kV之间调节，但是电极8始终保持接地；电极5-8以及9、10、11绝缘介质层的厚度为0.1mm（厚度可以从0.05mm到5mm之间调节）；喷头到电极5的距离为5mm（可以在1mm到10mm之间调节）；电极8到喷射基底3之间的距离为5mm（原则上可以为任意值，推荐取值在1mm到10mm之间）。
实施例二：
如图5所示，采用交流电压驱动实现低粘度液体的按需打印示意图。此时控制电极组所包含的各个电极所接电位的极性一直保持一致，并与针状电极4的极性相反，二者同步随时间变化，形成交变电场，控制该交变电场的频率、幅度等参数可以控制泰勒锥的断裂及其所生成液滴的大小，实现“按需喷印”。
优选参数如下：结构参数同实施例一，交变电场为方波，其幅度值同实施例一，其电极极性随时间变化的周期为1ms（典型值从0.1ms到1000ms）。
实施例三：
如图6所示，其他同实施例一，只是在绝缘介质层9-11的上下表面镀金属膜（金属膜厚度典型值1微米，在100nm到10微米范围内变化，上下表面不相连），而不需要额外设置电极5-8。优选参数如下：绝缘介质层9-11为圆环，其内径依次为：6、4、2mm，其外径依次为：9、7、5mm。喷射基底3不接电（悬空电位）；喷头1接-1kV（可以在-10到-0.1kV之间调节）；绝缘介质层9的上表面接+1.5kV；绝缘介质层9的下表面与绝缘介质层10的上表面相连都接+1.0kV，绝缘介质层10的下表面、绝缘介质层11的上表面相连都接+0.5kV，绝缘介质层10的下表面接+0kV（接地）；总电压差可以在0.1到10kV之间调节，但是绝缘介质层10的下表面始终保持接地；9、10、11绝缘介质层的厚度为0.1mm（厚度可以从0.05mm到5mm之间调节）；喷头到绝缘介质层9上表面的距离为5mm（可以在1mm到10mm之间调节）；绝缘介质层11下表面到喷射基底3之间的距离为5mm（原则上可以为任意值，推荐取值在1mm到10mm之间）。
本发明可以应用于静电喷射所有已知的和待扩展的应用的各个方面，包括但不限于：喷墨打印机，有机物电路印刷，显示屏印刷，集成电路印刷，生物组织工程，液体雾化器，电离器，大分子质谱仪用带电粒子分离，无掩膜光刻，微纳材料和结构制备，等等，以上应用均应构成本发明的一部分。
上述的喷头可以有针管式、无针头液面激发式、多头阵列式等各种形状和材质，控制电极组可以有方形、圆形、环形、金属、合金等不同形状和材质，喷射基底3可以有金属、玻璃、塑料、氧化物、有机物、平面、球面、不规则形状等各种材质和形状，均应构成本发明的一部分。
上述静电喷射产生的液体形态可以有液滴、纤维、丝状、珠串等各种形态，均应构成本发明的一部分。
在本发明的基础上，可以将控制电极或喷射基底3再细分成数段，接入多个不同电位的电极，或设计不同的电极形状等以形成不同的电场分布，以根据实际需要进行调节，实现对静电液滴的精确控制，仍应构成本发明的一部分。
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 (4)
1.聚焦电场结构静电喷射直写系统，其特征在于，包括：
控制电极组，包括多个以预定空间位置排布的环状电极；相邻两个所述环状电极之间由空气隔离，此时相邻两个环状电极的间距为M；或者相邻两个所述环状电极之间由绝缘介质隔离，此时相邻两个环状电极的间距为N，N＜M；
喷头，其电位悬空或接入极性与所述控制电极组电位相反；所述喷头由绝缘材料制成，在其中心轴处放置一个针状电极，所述针状电极的底部拉尖以实现高压离子注入使液体带电；
喷射基底，其电位悬空；
以预定空间位置排布的环状电极组合形成控制电极组，用于形成预定导向性的轴向电场并指向喷射基底正对着喷头中心轴的位置；所述控制电极组的中心轴与所述喷头的中心轴重合，从最靠近所述喷头的位置起，所述环状电极的圆环内径逐渐缩小，以形成逐渐向中心轴聚焦的下拉电场；
根据需要采用交流电激发泰勒锥和控制其断裂后产生的液滴，此时控制电极组所包含的各个电极所接电位的极性一直保持一致，并与针状电极的极性相反，二者同步随时间变化，形成交变电场，控制该交变电场的频率、幅度参数，从而控制泰勒锥的断裂及其所生成液滴的大小。
2.根据权利要求1所述的聚焦电场结构静电喷射直写系统，其特征在于，所述控制电极组包括多个不同电位、相互平行且共轴的环状电极。
3.根据权利要求1所述的聚焦电场结构静电喷射直写系统，其特征在于，所述针状电极的底部靠近所述喷头的液体表面；所述针状电极外接与控制电极组极性相反的电压，其电压值可调；
所述针状电极所接入电位为负向最高，控制电极组中最接近所述喷头的电极所带电压为正向最高，二者共同形成高压电场，激发泰勒锥以实现静电喷射直写。
4.基于权利要求1至3任一项所述聚焦电场结构静电喷射直写系统的聚焦电场结构静电喷射直写方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、在喷头和控制电极组上加上高于预定值的电压，该电压会产生下拉电场，把喷头中的液体拉出喷头，形成液体泰勒锥和射流；
步骤2、所形成的泰勒锥和射流在聚焦电极所产生的轴向电场作用下，被引导到喷射基底正对着喷头中心轴的位置，从而把液体喷射到基底上；
步骤3、控制机械平台按照预定的模式移动基底，即在基底上喷印图案；液体的流速由电场大小自主控制，或用外加的注射泵进行控制。
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