CN214214762U - 一种气溶胶喷射印刷装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种气溶胶喷射印刷装置，其包括气溶胶发生组件和气溶胶喷印组件，气溶胶发生组件包括相互联通的雾化组件和雾滴分选组件，气溶胶喷印组件通过文丘里管联通雾滴分选组件，经分选的小粒径雾滴进入气溶胶喷印组件，气溶胶喷印组件包括位于中心的气溶胶供应通道，气溶胶供应通道周围设有气溶胶聚焦件，气溶胶聚焦件对气溶胶进行聚焦并在气溶胶喷出时对其进行保护，本实用新型提高了气溶胶的密度稳定性，同时还可有效避免气溶胶射出后扩散，提高了气溶胶喷射印刷的精细度，进而避免过喷现象的发生。

Description

一种气溶胶喷射印刷装置

技术领域

本实用新型涉及电子印刷领域，尤其涉及一种实现喷印高精度微图案或微结构的气溶胶喷射印刷装置。

背景技术

传统的印刷电子技术有凹版印刷、丝网印刷、喷墨打印、光刻及激光刻蚀等，然而，传统印刷电子技术存在的一些弊端极大地限制了印刷电子技术的进一步发展。比如，图形定位精度低及分辨率低（＞20μm），制作过程复杂且有毒，制造的成本较高，材料的利用率低等，为克服上述问题，气溶胶喷印技术应运而生。气溶胶喷印技术是一种非接触、直写式的数字增材制造技术，其印刷分辨率可达10μm级别，从一定程度上解决了印刷电子技术图形精度低及分辨率低的问题。

气溶胶是指任何物质的固体或液体微粒分散并悬浮于气体介质中形成的具有特定运动规律的分散体系。其中被悬浮的微粒物称为分散相，大小为0.001～100μm，承载微粒物的气体称为分散介质。气溶胶喷射打印技术是一种将功能性材料油墨先雾化成小液滴，再通过聚焦喷头喷射打印在衬底上，从而实现微型化数字增材制造的新方法。该方法被广泛应用于电子印刷领域，例如喷印金属电极，电导线和太阳能电池薄膜等。

气溶胶喷印技术主要优势在于：印刷分辨率高；印刷精度高；适用的墨水材料范围广，从有机半导体材料和碳纳米材料到功能陶瓷和复合材料等均可；可以在1.5 mm范围内工作(设备喷嘴出口与衬底表面之间的距离)，以此保证气溶胶喷印技术能够用于印刷复杂精细的结构。但现有气溶胶喷印技术仍存在部分问题尚待解决，如过喷现象（超出理想喷印区域的液滴沉积）；气溶胶密度不稳定；传统气溶胶喷印采用超声波或气动雾化，气动雾化需要大流量的载气故采用虚拟冲击器作为雾滴及载气过滤装置，主要作用是去除多余的雾滴及多余载气，而超声波雾化由载气直接将雾滴输送至喷印头，均不易得到均一的雾滴导致气溶胶密度不稳定影响最终的喷印稳定性；传统气溶喷印装置采用单鞘气层结构，因该技术常常应用于高精度场合，故喷嘴出口直径小在1mm以下甚至达到0.1mm以下，若喷嘴出口速度过大将导致出口压力急剧减小，在喷嘴出口处形成较大回流，最终导致喷嘴堵塞甚至损坏。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种可提供密度稳定的气溶胶且不易导致喷嘴堵塞的气溶胶喷射印刷装置。

为解决上述技术问题，本实用新型的技术解决方案是：

一种气溶胶喷射印刷装置，其包括气溶胶发生组件和气溶胶喷印组件，所述气溶胶发生组件包括相互联通的雾化组件和雾滴分选组件，所述气溶胶喷印组件通过文丘里管联通所述雾滴分选组件，所述气溶胶喷印组件包括位于中心的气溶胶供应通道，所述气溶胶供应通道周围设有气溶胶聚焦件。

较佳的，所述气溶胶聚焦件在所述气溶胶供应通道周围形成提供聚焦鞘气第一鞘气腔和提供保护鞘气的第二鞘气腔，所述气溶胶供应通道下游末端安装有喷嘴，所述喷嘴上开设有出胶口，所述第一鞘气腔的第一出气口联通所述气溶胶供应通道，所述第二鞘气腔的第二出气口对准所述喷嘴。

较佳的，所述气溶胶供应通道包括上下贯穿气溶胶入口件的进胶段和上下贯穿气溶胶聚焦件的整流段，所述进胶段位于所述整流段上游且进胶段内径小于整流段内径，所述第一鞘气腔通过一倒锥状的第一进气道联通所述整流段，所述第一进气道在所述进胶段与所述整流段间开设有环形的所述第一出气口，所述整流段下端内径逐渐缩小形成出胶段。

较佳的，所述出胶段下端安装有所述喷嘴，所述喷嘴包括位于下段中空的倒锥形锥头，所述出胶口开设在锥头下端，所述锥头外还套设有出胶保护壳，所述出胶保护壳中心开设有倒锥型的保护通孔，所述锥头向下伸出保护锥孔且所述保护通孔的内锥面与锥头的锥面间形成第二进气道，第二进气道联通所述第二鞘气腔，所述保护锥孔下开口与所述锥头的锥面间形成环形的所述第二出气口。

较佳的，所述文丘里管包括竖直管腔及位于竖直管腔顶部的载气入口，所述竖直管腔中段收缩形成管颈段，所述管颈段将竖直管腔分为上管与下管，所述上管侧壁上开设有雾滴入口，所述下管下端开口联通所述气溶胶供应通道。

较佳的，所述雾滴分选组件为内部安装有隔板的空腔，所述隔板竖直安装在所述空腔内将所述空腔分为雾化腔和混合腔，所述雾化腔与所述混合腔上部分通过进雾口联通，所述雾化组件安装在所述雾化腔内，所述文丘里管安装在所述混合腔内。

较佳的，所述雾化组件为声表面波雾化芯片。

较佳的，所述声表面波雾化芯片包括水平放置的压电基片以及在所述压电基片上开设的供液孔，所述供液孔周围环形阵列状分布有多个叉指形金属电极。

较佳的，所述压电基片为单晶127.68°YX切向铌酸锂压电基片。

采用上述方案后，本实用新型具有以下优点：

1、采用多个声表面波发生装置对液滴进行雾化，提高雾化效率并得到更小尺寸的雾化颗粒；

2、对雾化产生的雾滴进行分选，并通过聚焦鞘气使气溶胶汇聚形成致密气溶胶束，提高了气溶胶的密度稳定性，进而避免过喷现象的发生；

3、采用保护鞘气在致密气溶胶束射出时进行保护，可有效避免气溶胶射出后扩散，提高了气溶胶喷射印刷的精细度。

附图说明

图1是本实用新型气溶胶发生组件结构示意图；

图2是本实用新型气溶胶喷印组件结构示意图；

图3是本实用新型正面视图；

图4是本实用新型侧面视图；

图5是本实用新型俯视图；

图6是本实用新型立体图；

图7是本实用新型内部结构图；

图8是图4中气溶胶发生组件A-A剖面图；

图9是本实用新型雾化组件结构示意图；

图10是图4中气溶胶喷印组件A-A剖面图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详述。

本实用新型所揭示的是一种气溶胶喷射印刷装置，如图1-10所示，为本实用新型的较佳实施例，该喷射印刷装置包括气溶胶发生组件和气溶胶喷印组件，将二者整合为一个装置，可使喷印装置整体结构更为紧凑。如图1所示，气溶胶发生组件包括相互联通的雾化组件2和雾滴分选组件1，液滴90经雾化组件2形成粒径大小不一的雾滴91，可通过雾滴分选组件1得到粒径较为均一且密度较稳定的气溶胶95。如图7-8所示，气溶胶喷印组件3通过文丘里管4联通雾滴分选组件1，文丘里管4从雾滴分选组件1获得经分选的雾滴91并用于气溶胶喷印组件3，如图2、图7、图10所示，气溶胶喷印组件3包括位于中心的气溶胶供应通道30，气溶胶供应通道30周围设有气溶胶聚焦件，通过气溶胶聚焦件将气溶胶95聚拢形成密度相对稳定的致密气溶胶束97，将气溶胶转化为致密气溶胶束可对过喷现象有抑制作用，降低喷嘴堵塞及损坏的风险。

首先，如图1和图7所示，本实施例的雾滴分选组件1为内部安装有隔板11的空腔10，空腔10由一长方体本体围成，长方体本体包括相互盖接的槽体12与盖体13，槽体12与盖体13间通过螺栓锁紧。隔板11竖直安装在空腔10内并将空腔10分为雾化腔101和混合腔102，具体的，槽体12内壁上沿槽体12截面开设有U型的固定槽14，固定槽14的底边同时作为回收槽141，隔板11的两条侧边套接橡胶15后插入固定槽14，橡胶15避免雾滴从隔板11与槽体12连接缝隙穿过，雾化腔101与混合腔102上部分通过进雾口103联通，雾化组件2安装在雾化腔101内，雾化组件2将液滴雾化形成雾滴，并利用雾滴所受重力和隔板11对雾滴进行分选。不同粒径的雾滴受重力作用不同使其相互分离，最终较大雾滴在重力和隔板11作用下被限制在雾化腔101内并慢慢沉降进入回收槽141，而后经回收槽141内的回收孔142被回收并重新以液滴形式进入雾化腔101内，较小雾滴则可从隔板11上方绕过进入混合腔102内，文丘里管4即安装在混合腔102内，绕过的较小雾滴可被文丘里管4吸入，与载气94混合形成气溶胶95并进入气溶胶喷印组件3。

为得到更高的雾化效率以及更小的雾滴粒径，雾化腔101内的雾化组件2为声表面波雾化芯片。如图7-9所示，声表面波雾化芯片通过定位块21和螺栓固定安装在雾化腔101底面，声表面波雾化芯片包括水平放置的压电基片22以及在压电基片22上开设的供液孔23，压电基片22为单晶127.68°YX切向铌酸锂（LiNbO3）压电基片，压电基片22中心可开设有多个供液孔23用于液滴供给，功能性材料液体从供液孔23底部注入，并在压电基片22表面形成液滴。由于声表面波在压电基片22上的传播速度与在液滴上的传播速度不同，声表面波能量衍射至液滴的衍射角为θ，设计供液孔23周围环形阵列状分布有多个叉指形金属电极24，环形阵列状分布的叉指形金属电极24可将衍射角θ进行抵消，让雾滴初始运动方向沿压电基片22轴线；同时，多个叉指形金属电极24较单个叉指形金属电极24而言，在转化的声表面波振幅频率相同的情况下达到雾化效果更优，主要因为叉指形金属电极24将电信号转化为声表面波，声表面波在环形叉指形金属电极24阵列的中点叠加使振幅增大，提高了雾化效率，并使雾化尺寸更小。为简化说明，本实施例以两个叉指形金属电极24围绕一个供液孔23为例进行说明，压电基片22表面抛光后，采用光刻等工艺在压电基片22上制备具有将电信号转换为声表面波功能的叉指形金属电极24，两个叉指形金属电极24相对的分布在供液孔23两侧，进一步，槽体12侧壁上还开设有小孔16，小孔16用于电信号输入，通过插入信号线控制压电基片22工作状态，液滴经声表面波雾化后由压电基片22射出，进入雾滴分选组件1，只有较小的雾滴才能进入混合腔102。

混合腔102内安装有文丘里管4，如图7-8所示，文丘里管4包括竖直管腔40及位于竖直管腔40顶部的载气94入口401，具体的，文丘里管4包括上下分布的喷气段41和文丘里管段42，喷气段41由上部的锁紧盘411和下部的进气管412同轴一体成型而成，竖直管腔40从中心上下贯穿锁紧盘411与进气管412，且进气管412下段内径逐渐缩小，盖体13上设有与进气管412外径适配的安装孔，喷气段41的进气管412插入安装孔，而锁紧盘411压盖在盖体13上表面。文丘里管段42由自上向下的安装座421、管中段422和出气管423三段同轴一体成型而成，文丘里管段42通过安装座421固定安装在盖体13，安装座421上表面紧贴盖体13下表面，螺栓穿透锁紧盘411和盖体13后锁紧在安装座421上。槽体12底面开设有与出气管423外径适配的下安装孔，当盖体13盖接到槽体12上时，出气管423直接穿过下安装孔，与长方体本体外的气溶胶喷印组件3固定连接。竖直管腔40中段收缩形成管颈段403，管颈段403将竖直管腔40分为上管402与下管404，上管402侧壁上开设有雾滴入口43，本实施中雾滴入口43开设在安装座421上，且进气管412下端口与雾滴入口43高度相当，下管404下端开口（即出气管423下端开口）联通气溶胶供应通道30。

文丘里管4出气管423下端开口连接有气溶胶喷印组件3，二者之间可以采用螺纹连接。如图2、图7、图10所示，气溶胶聚焦件在气溶胶供应通道30周围形成提供聚焦鞘气的第一鞘气腔301和提供保护鞘气的第二鞘气腔302。具体的，气溶胶喷印组件3包括自上向下同轴安装的气溶胶入口件31、气溶胶聚焦件32、喷嘴33和出胶保护壳34，气溶胶供应通道30自上向下贯穿气溶胶喷印组件3。气溶胶供应通道30包括上下贯穿气溶胶入口件31的进胶段303和上下贯穿气溶胶聚焦件32的整流段304，进胶段303位于整流段304上游且进胶段303内径小于整流段304内径。

气溶胶入口件31上还套接有喷头盖体35，喷头盖体35与出胶保护壳34通过螺栓锁紧构成气溶胶喷印组件外壳，喷头盖体35、气溶胶聚焦件32和气溶胶入口件31共同围合形成环形的第一鞘气腔301，喷头盖体35侧壁上开设有第一鞘气进气孔351，本实施例中设有两个相对的第一鞘气进气孔351，第一鞘气进气孔351联通空气压缩设备为气溶胶供应通道30提供聚焦鞘气。第一鞘气腔301通过一倒锥状的第一进气道305联通整流段304，第一进气道305为气溶胶入口件31与气溶胶聚焦件32间隙配合形成，第一进气道305在进胶段303与整流段304间开设有环形的第一出气口3051，第一鞘气腔301的第一出气口3051联通气溶胶供应通道30，聚焦鞘气通过第一出气口3051后形成环状鞘气，整流段304下端内径逐渐缩小形成出胶段306，在整流段304内，气溶胶会在环状鞘气作用下逐渐聚焦收缩，而形成致密气溶胶进入出胶段306。

气溶胶供应通道30下游末端安装有喷嘴33，即出胶段306下端安装有喷嘴33，喷嘴33上开设有出胶口307。具体的，气溶胶聚焦件32下开口插接有喷嘴连接件36，喷嘴连接件36中空设计，且中空部分即上述出胶段306，喷嘴33包括位于下段中空的倒锥形锥头331和位于上段中空的安装头332，安装头332通过螺纹连接固接在喷嘴连接件36下开口。喷嘴连接件36插入气溶胶聚焦件32后，一定位件37自下向上套接在气溶胶聚焦件32下端并将喷嘴连接件36与气溶胶聚焦件32锁紧，定位件37与气溶胶聚焦件32间可以采用螺纹连接，出胶口307开设在锥头331下端，锥头331外套设有上述出胶保护壳34，定位件37、气溶胶聚焦件32以及出胶保护壳34共同围合环形的第二鞘气腔302，出胶保护壳34侧壁上开设有第二鞘气进气孔341，第二鞘气进气孔341联通空气压缩设备为向喷嘴33提供保护鞘气。出胶保护壳34中心开设有倒锥型的保护通孔342，锥头331向下伸出保护通孔342且保护通孔342的内锥面与锥头331的锥面间形成第二进气道308，第二进气道308联通第二鞘气腔302，保护通孔342下开口与锥头331的锥面间形成第二进气道308的第二出气口3081，第二出气口3081同样呈环形，第二鞘气腔302的第二出气口3081对准喷嘴33，当致密气溶胶束从出胶口307射出时，保护鞘气通过第二出气口3081后形成环状鞘气，保护鞘气作用在射出的气溶胶表面，起到抑制致密气溶胶束射出后发散的作用，同时可降低喷嘴33出胶口307回流对喷嘴33的影响。

应用本装置时，将通过以下步骤实现气溶胶喷射印刷：

如图1-10所示，步骤一，将液滴90雾化形成雾滴91，具体的，在压电基片22上形成待雾化的液滴90，采用阵列围绕在液滴90周围的叉指形金属电极24对液滴90进行雾化，电信号经穿过槽体12侧壁上小孔16的信号线对压电基片22上的第一叉指形金属电极241施以交变电信号激励，叉指形金属电极24会产生沿基片表面传播的声表面波92，声表面波92经过液滴90后再由对面的第二叉指形金属电极242所接收并转换为电信号输出，由于声表面波92在液滴90表面形成表面张力波93，当声表面波92对液滴90的表面张力作用突破液滴90表面黏力的束缚时，液滴90开始雾化，完成基于声表面波92实现液滴90雾化的过程。

步骤二，对雾滴91进行分选得到大小一致的小粒径雾滴91，具体的，由于不同大小雾滴91所受重力与浮力差不同会导致雾滴91基于粒径大小分层分布，利用雾滴91所受重力的不同，对不同大小的雾滴91进行分选，高度较低的大粒径雾滴91将沉降回收，小粒径雾滴91则高于用于分选雾滴91的隔板11而飘入安装有文丘里管4的空间。

步骤三，利用文丘里管4将小颗粒雾滴91吸入并与载气94混合形成气溶胶，具体的，文丘里管4竖直设置且上端开设有载气入口401，载气94从载气入口401进入文丘里管4，文丘里管4侧壁开设有雾滴入口43，载气94在文丘里管4内快速通过会使文丘里管4内部形成负压，进而将经步骤二分选得到大小一致的小粒径雾滴91自雾滴入口43吸入文丘里管4内，与载气94混合形成气溶胶95。

步骤四，向气溶胶95周围通入聚焦鞘气96，使气溶胶收缩形成致密气溶胶束97，具体的，基于倒锥面状的第一进气道305与环状的第一出气口3051，在气溶胶95周围形成环状的聚焦鞘气96，聚焦鞘气96作用于气溶胶95使气溶胶聚焦收缩形成致密气溶胶束97。

步骤五，在喷嘴33向致密气溶胶束97周围通入保护鞘气98，抑制致密气溶胶束97离开喷嘴33后的发散，具体的，基于倒锥面状的第二进气道308与环状的第二出气口3081，在从喷嘴33射出的致密气溶胶束97周围形成环状的保护鞘气98，保护鞘气98作用于致密气溶胶束97周围，抑制致密气溶胶束97离开喷嘴33后的发散。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型的技术范围作任何限制，故但凡依本实用新型的权利要求和说明书所做的变化或修饰，皆应属于本实用新型专利涵盖的范围之内。

Claims (9)

1.一种气溶胶喷射印刷装置，其特征在于：包括气溶胶发生组件和气溶胶喷印组件，所述气溶胶发生组件包括相互联通的雾化组件和雾滴分选组件，所述气溶胶喷印组件通过文丘里管联通所述雾滴分选组件，所述气溶胶喷印组件包括位于中心的气溶胶供应通道，所述气溶胶供应通道周围设有气溶胶聚焦件。

2.根据权利要求1所述的一种气溶胶喷射印刷装置，其特征在于：所述气溶胶聚焦件在所述气溶胶供应通道周围形成提供聚焦鞘气第一鞘气腔和提供保护鞘气的第二鞘气腔，所述气溶胶供应通道下游末端安装有喷嘴，所述喷嘴上开设有出胶口，所述第一鞘气腔的第一出气口联通所述气溶胶供应通道，所述第二鞘气腔的第二出气口对准所述喷嘴。

3.根据权利要求2所述的一种气溶胶喷射印刷装置，其特征在于：所述气溶胶供应通道包括上下贯穿气溶胶入口件的进胶段和上下贯穿气溶胶聚焦件的整流段，所述进胶段位于所述整流段上游且进胶段内径小于整流段内径，所述第一鞘气腔通过一倒锥状的第一进气道联通所述整流段，所述第一进气道在所述进胶段与所述整流段间开设有环形的所述第一出气口，所述整流段下端内径逐渐缩小形成出胶段。

4.根据权利要求3所述的一种气溶胶喷射印刷装置，其特征在于：所述出胶段下端安装有所述喷嘴，所述喷嘴包括位于下段中空的倒锥形锥头，所述出胶口开设在锥头下端，所述锥头外还套设有出胶保护壳，所述出胶保护壳中心开设有倒锥型的保护通孔，所述锥头向下伸出保护锥孔且所述保护通孔的内锥面与锥头的锥面间形成第二进气道，第二进气道联通所述第二鞘气腔，所述保护锥孔下开口与所述锥头的锥面间形成环形的所述第二出气口。

5.根据权利要求1所述的一种气溶胶喷射印刷装置，其特征在于：所述文丘里管包括竖直管腔及位于竖直管腔顶部的载气入口，所述竖直管腔中段收缩形成管颈段，所述管颈段将竖直管腔分为上管与下管，所述上管侧壁上开设有雾滴入口，所述下管下端开口联通所述气溶胶供应通道。

6.根据权利要求1所述的一种气溶胶喷射印刷装置，其特征在于：所述雾滴分选组件为内部安装有隔板的空腔，所述隔板竖直安装在所述空腔内将所述空腔分为雾化腔和混合腔，所述雾化腔与所述混合腔上部分通过进雾口联通，所述雾化组件安装在所述雾化腔内，所述文丘里管安装在所述混合腔内。

7.根据权利要求1所述的一种气溶胶喷射印刷装置，其特征在于：所述雾化组件为声表面波雾化芯片。

8.根据权利要求7所述的一种气溶胶喷射印刷装置，其特征在于：所述声表面波雾化芯片包括水平放置的压电基片以及在所述压电基片上开设的供液孔，所述供液孔周围环形阵列状分布有多个叉指形金属电极。

9.根据权利要求8所述的一种气溶胶喷射印刷装置，其特征在于：所述压电基片为单晶127.68°YX切向铌酸锂压电基片。

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