TWI464017B - 多鞘多毛細管霧劑噴射技術 - Google Patents

Description

多鞘多毛細管霧劑噴射技術 交互參照相關申請案

本申請案宣告於2007年10月9日申請，標題為「多鞘多毛細管霧劑噴射設備」之美國臨時專利申請案60/978,649號之優先權，且其說明係以參考方式併入本文中。

發明領域

本發明一般係有關於一種用以使用多鞘圍繞一霧劑噴流，並提供氣體動力對焦，以高解析且無遮罩之方式沈積液體以及液體顆粒懸浮物的設備與方法。

發明背景

習知技術係使用一霧劑噴流，其係聚焦且沈積到一平坦或非平坦目標上，形成一圖案，該圖案係進行熱或光化學處理，以達成接近對應塊材之物理、光學且/或電子性質。

發明概要

本發明係為一種用以沈積材料之方法，該方法包含之步驟為使材料霧化，以形成一霧劑流，以一第一鞘氣體流圍繞該霧劑流，形成一第一結合流，以一第二鞘氣體流圍繞該第一結合流，形成一第二結合流，使該第二結合流通過至少一第一毛細管，並沈積材料。沈積材料之線寬係為約10微米與約1毫米之間。該方法較佳包含在以第二鞘氣體流圍繞第一結合流之前，使該第一結合流通過一第二毛細管的步驟，此案例其中沈積材料之線寬較佳係小於約10微米，且更佳係小於約1微米。各個毛細管之孔隙直徑較佳係在約50微米到約1毫米之間。沈積材料之線寬較佳係較毛細管孔隙尺寸小約40倍以上。該方法較佳進一步包含打開一排氣閥，以避免霧劑流通過該第一毛細管之步驟。

本發明亦係為一種用以沈積材料之設備，該設備包含一霧劑入口，一第一鞘氣體入口、一第二鞘氣體入口，以及至少一個第一毛細管。該設備較佳進一步包含一配置在第一鞘氣體入口與第二鞘氣體入口之間的第二毛細管。第一毛細管與第二毛細管之間的距離較佳係能夠改變。各個毛細管之孔隙直徑較佳係在約50微米與約1毫米之間。沈積材料之線寬較佳係小於毛細管孔隙尺寸的約40倍以上。第一毛細管之孔隙直徑較佳係與第二毛細管的孔隙直徑相同。或者，第一毛細管之孔隙直徑能夠小於第二毛細管的孔隙直徑。該設備較佳進一步包含一排氣閥或是一真空岐管，以避免霧劑流通過該第一毛細管。一包含該第一毛細管之第一設備檯件係視需要與包含該第二毛細管的一第二設備檯件串聯堆疊在一起。

本發明之目的、優點以及嶄新特性與進一步的範疇部份將在隨後結合所附圖式之詳細說明中提出，且部份對於熟諳此技藝之人士而言將由於後續說明而變得顯而易見，或者能夠藉由本發明之實行而習得。本發明之目的與優點能夠藉由所附申請專利範圍中所特別指出的工具與組合加以實現或獲得。

圖式簡單說明

併入本說明書中，並成為本說明書之一部分的所附圖式顯示本發明之一個或更多實施例，並且結合描述，用以說明本發明之原理。該等圖式僅作為顯示本發明之一個或更多較佳實施例之用，且並非視為本發明的限制。圖式其中：第1圖係為一本發明之一雙鞘雙毛細管噴嘴的一實施例之概略圖；第2圖係為本發明之一雙鞘單毛細管沈積頭的一實施例之概略圖；第3圖係為本發明之一雙鞘多重噴嘴陣列的一實施例之概略圖；第4圖係為本發明之一單鞘單毛細管沈積頭的一實施例之概略圖；第5圖係為一根據本發明之一第二與第三鞘流構造的概略圖。

較佳實施例之詳細說明

本發明一般係有關於一種用以使用多鞘圍繞一霧劑噴流，並提供氣體動力對焦，以高解析且無遮罩之方式沈積液體以及液體顆粒懸浮物的設備與方法。習用實施例使用一霧劑噴流，其係聚焦且沈積到一平坦或非平坦目標上，形成一圖案，該圖案係進行熱或光化學處理，以達成接近對應塊材之物理、光學且/或電子性質。該程序係稱之為M³ D(無遮罩中間規格材料沈積)技術，且係用以沈積具有線寬小於1微米以上的霧化材料，其等級較以習用厚膜程序加以沈積的線寬小數十倍。沈積係以並未使用遮罩之方式加以實行。

M³ D設備較佳使用一霧劑噴射沈積頭，以形成由一外部鞘流以及一內部裝滿霧劑之承載流所組成的一環形傳播噴射。在環形霧劑噴射程序中，一較佳係圍繞且夾帶霧劑之霧劑承載氣體直接在氣霧化程序之後，或者是在其通過加熱器總成以後進入該沈積頭，且係沿著裝置之軸線朝向沈積頭孔隙加以導引。大量生產較佳係藉由一霧劑承載氣體質量流控制器加以控制。在沈積頭內，霧劑噴流較佳係藉由通過一毫米尺寸孔隙進行初始調節。射出粒子流接著較佳係與一環形鞘氣體結合，其用以消除噴嘴之阻塞，並使霧劑流聚焦。承載氣體與鞘氣體大多普遍包含壓縮空氣或是一惰性氣體，其中一者或兩者能夠包含一經過改變之溶劑蒸汽成分。例如，當由一水溶液形成霧劑時，水蒸氣可能會添加到承載氣體或是鞘氣體，以避免液滴蒸發。

鞘氣體較佳透過位於霧劑入口下方之一鞘空氣入口進入，並形成一帶有霧劑噴流之環形流。由於帶有霧劑承載氣體，鞘氣體流動率較佳係藉由一質量流控制器加以控制。經過結合之噴流較佳透過對準一目標之一孔隙以高速(例如約50米/秒)離開噴嘴，且隨後照射在目標上。此環形流將霧劑噴流聚焦到目標上，並能夠用以沈積尺寸小於1毫米，甚至低到1微米與更小的特徵。圖案係藉由使沈積頭相對於目標移動所形成。

輔助翹流

藉著使用圍繞該環形之承載霧劑主要流的輔助鞘流，便能夠實現增進一環形霧劑噴流之流動特徵以及沈積特徵。各個輔助鞘流較佳將經過結合之鞘/霧劑流導引進入一輔助毛細管。增強流產生降低噴餘(overspray)以及伴隨液滴，並增加氣體動力聚焦量。在M³ D應用中，環形流係注入一陶製毛細管中。在一雙鞘雙毛細管(DSDC)構造中，一第二鞘氣體圍繞該環形噴射，且所產生之流係導入一第二毛細管中。DSDC霧劑噴射之概略圖係顯示於第1圖中。霧劑透過位於一腔室上方之接口10，或者是另擇地由一側向安置接口進入。主要鞘流與第二鞘流分別透過接口12與14進入。主要鞘流使霧劑流聚焦，且接著係注入主要毛細管16。第二鞘流接著提供環形流之第二聚焦，並將整個分佈注入第二毛細管18中。第1圖之構造比較兩種聚焦階段。該設備係設計成使得毛細管之間的距離能夠變化。DSDC霧劑噴射之加強流能夠藉著使用多重檯件，或是使用三個或更多串聯輔助鞘流以及毛細管之一多鞘多毛細管(MSMC)構造加以延伸。使用一雙鞘雙毛細管或是一多鞘多毛細管構造，便能夠達到最小達1微米或更小之線寬。

在本發明之一實施例中，輔助鞘流係獨立控制。較佳的毛細管孔隙之直徑尺寸係約為150或約100微米，然而，結合使用串聯輔助鞘流與毛細管，孔隙直徑係小到約為50微米，且大到約1000微米或更大。

M³ D申請案中所發明的環形流一般係能夠沈積線寬約為毛細管出口孔隙尺寸十分之一的霧化材料。DSDC構造係能夠產生較毛細管孔隙尺寸十分之一的線寬，最小約較毛細管孔隙小40倍，並能夠進行線寬小達約1微米或更小之跡線的直接寫入。

兩個在使用一環形噴流進行霧化材料之直接沈積中常見的問題係為產生噴餘以及發生伴隨液滴。噴餘能夠廣泛界定為過多的霧劑顆粒在氣體衝擊基材以後仍然夾帶在承載氣體流中，並且開始沿著基材表面橫向地移動。該等液滴接著會撞擊到距離沈積幾微米之基材上，或者最遠距離沈積特徵數十微米。DSDC噴嘴藉著增加霧劑流的氣體動力聚焦而降低噴餘以及伴隨液滴之產生。

多鞘/單毛細管流

第2圖顯示本發明之一構造的一實施例，其透過一單毛細管通過一雙鞘流。一雙鞘單毛細管構造提供由一霧劑以及主要鞘流所構成之一環形流分佈的第二聚焦，但並不會將該結合流引入一第二毛細管中。霧劑由位於腔室上方之接口100或者是由一側面安置接口進入噴嘴。主要鞘流與第二鞘流分別透過接口120與140進入。由一霧劑以及主要鞘流所構成之環形流分佈係藉由第二鞘流加以圍繞，並且射入單一毛細管160中。另擇能夠使用兩個以上的鞘流。當沈積霧劑易於衝擊到沈積頭之內側表面上時，使用一多鞘/單毛細管係有所助益。當沈積由易於在運送到沈積頭期間蒸發之揮發性且高蒸汽壓力墨水所形成的霧劑時，通常便會發生此撞擊。MSSC構造提供一種第二鞘氣體層，其限制或是在某些案例中完全避免此液滴之撞擊。

當沈積頭之長度必須最小化，或者是當附加一第二毛細管檯件係有問題或無法實行時，一多鞘/單毛細管(MSSC)構造亦有所優點。此構造之一範例係為一多重噴嘴陣列，其係為兩個或更多毛細管之一陣列，用以同時將平行線路印刷到一基材上。在一多重噴嘴陣列構造中，一霧劑流較佳係均勻地分佈到典型佈置在相同平面中之多個噴嘴，以致於使一同步且相同之霧劑通量流動通過該陣列的各個毛細管。然而，使用噴嘴陣列會增加氣體動力流之複雜度，以致於為增加聚焦之目的而使用陣列或是毛細管之一第二檯件可能無法實行。然而，使用一多鞘構造能夠獲得增強霧劑聚焦。在此一設計中，藉由發展進入一毛細管陣列之多鞘流，便能夠達成一霧劑流的輔助聚焦。第3圖係為一雙鞘/多噴嘴陣列之一概略圖。霧劑水霧進入各個水霧管20，且係藉由一透過接口22進入的主要鞘流加以聚焦。霧劑以及主要鞘流之第二聚焦係在將分佈注入陣列的各個個別的毛細管26以前，藉由透過下方接口24進入的第二鞘流加以實行。在此構造中，霧劑流之增強的氣體動力聚焦使得線寬能夠縮小達到10微米。

串列檯件構造

第4圖係為藉由去除所有輔助檯件所形成之一單鞘/單毛細管構造的一概略圖。除了修改頭件之下方部分以外，該單鞘/單毛細管構造係類似於習用的M³ D沈積頭，其容許多個檯件能夠以串列方式加以堆疊，提供初始環形霧劑噴流之增強聚焦。一般而言，各個檯件係由透過接口112進入之一單獨鞘流以及一單獨毛細管116所構成，所有的檯件使用具有相同直徑之毛細管。然而，在一另擇實施例中，該等毛細管能夠具有推拔，致使各個接續毛細管具有較前一個毛細管更小的直徑。對於一特定毛細管直徑而言，使用串列構造增加了能夠沈積的線寬範圍。在一串列構造中，霧劑流係以一系列方式通過各個毛細管，且在傳輸通過各個檯件期間聚焦到一更小的直徑。一串列構造能夠沈積之線寬最小達1微米。

多鞘/多毛細管流

如同串列檯件原理之一範例，流動之加強係藉由一第二鞘流以及一第二毛細管所產生，該第二鞘流與第二毛細管能夠藉著使用額外的鞘流以及毛細管進行增加。第5圖顯示一第二以及第三鞘流構造，其中一第三鞘氣體流係與主要以及第二鞘流結合，以提供更強的聚焦，並減少伴隨液滴。所產生之流係導引進入一第三毛細管。在一類似實施例中，能夠使用第四或更多的輔助鞘流與毛細管，以便進一步增加一霧劑噴流之氣體動力聚焦性質。

氣體動力快門

一多鞘霧劑噴流之材料快門能夠藉由開啟位於噴流的最後兩個毛細管、噴流的第一毛細管，或者是噴流之最後毛細管之間的一排氣閥加以達成。閥之橫剖面積對於最終孔隙的橫剖面積而言係相當大，以致於將流導引通過該排氣閥。排氣閥典型作為一真空泵。欲重新啟動霧劑流，便關閉閥件，以致於將流重新導引通過噴流之長度，並且通過最終開口孔隙。採用一真空用之岐管形式，由水霧管拉動水霧的多重真空接口亦能夠用以做為快門。

相同的材料快門方法以及設備能夠應用到一單鞘系統。

儘管已經特別參考那些較佳實施例詳細描述本發明，其他的實施例亦能夠達到相同效果。對於熟諳此技藝之人士而言，本發明之變化形式以及修正將變得顯而易見，且其旨在涵蓋所附申請專利範圍的所有此等修改與同等項目。以上所述之所有參考、申請案、專利案以及公開案之完整揭露內容係以參考方式併入本文中。

10‧‧‧接口

12‧‧‧接口

14‧‧‧接口

16‧‧‧主要毛細管

18‧‧‧第二毛細管

20‧‧‧水霧管

22‧‧‧接口

24‧‧‧接口

26‧‧‧毛細管

100‧‧‧接口

112‧‧‧接口

116‧‧‧毛細管

120‧‧‧接口

140‧‧‧接口

160‧‧‧毛細管

第1圖係為一本發明之一雙鞘雙毛細管噴嘴的一實施例之概略圖；

第2圖係為本發明之一雙鞘單毛細管沈積頭的一實施例之概略圖；

第3圖係為本發明之一雙鞘多重噴嘴陣列的一實施例之概略圖；

第4圖係為本發明之一單鞘單毛細管沈積頭的一實施例之概略圖；

第5圖係為一根據本發明之一第二與第三鞘流構造的概略圖。

10．．．接口

12．．．接口

14．．．接口

16．．．主要毛細管

18．．．第一毛細管

Claims (23)

1. 一種用以沈積材料之方法，該方法包含之步驟為：霧化該材料，以形成一霧劑流；以一第一鞘氣體流圍繞該霧劑流，以形成一第一結合流；以一第二鞘氣體流圍繞該第一結合流，以形成一第二結合流；使該第二結合流穿過至少一出口毛細管；及沈積該材料。
2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該沈積材料之一線寬係在約10微米以及約1毫米之間。
3. 一種用以沈積材料之方法，該方法包含之步驟為：霧化該材料，以形成一霧劑流；以一第一鞘氣體流圍繞該霧劑流，以形成一第一結合流；使該第一結合流穿過一中介毛細管；接著以一第二鞘氣體流圍繞該第一結合流，以形成一第二結合流；使該第二結合流穿過至少一出口毛細管；及沈積該材料。
4. 如申請專利範圍第3項之方法，其中該沈積材料之一線寬係小於約10微米。
5. 如申請專利範圍第4項之方法，其中該線寬係小於約1微米。
6. 如申請專利範圍第3項之方法，其中各個毛細管之一孔隙直徑係在約50微米以及約1毫米之間。
7. 如申請專利範圍第3項之方法，其中該沈積材料之一線寬係較一毛細管孔隙尺寸小約40倍。
8. 如申請專利範圍第1項之方法，其進一步包含之步驟為開啟一排氣閥，以避免霧劑流通穿過該出口毛細管。
9. 一種用以沈積材料之設備，該設備包含：一霧劑入口；一第一鞘氣體入口；一第二鞘氣體入口；及至少一出口毛細管。
10. 一種用以沈積材料之設備，該設備包含：一霧劑入口；一第一鞘氣體入口；一第二鞘氣體入口；一配置在該第一鞘氣體入口以及該第二鞘氣體入口之間的中介毛細管；及至少一出口毛細管。
11. 如申請專利範圍第10項之設備，其中該出口毛細管與該中介毛細管之間的距離係可以改變。
12. 如申請專利範圍第10項之設備，其中各個毛細管的一孔隙直徑係在約50微米以及約1毫米之間。
13. 如申請專利範圍第10項之設備，其中該沈積材料之一線寬係較一毛細管孔隙尺寸小約40倍。
14. 如申請專利範圍第10項之設備，其中該出口毛細管之一孔隙直徑係與該中介毛細管的一孔隙直徑相同。
15. 如申請專利範圍第10項之設備，其中該出口毛細管之一孔隙直徑係小於該中介毛細管的一孔隙直徑。
16. 如申請專利範圍第10項之設備，其進一步包含一排氣閥或是一真空岐管，用以防止一霧劑流通穿過該出口毛細管。
17. 如申請專利範圍第10項之設備，其中包含該出口毛細管之一出口設備檯件係以串列方式與一包含該中介毛細管的中介設備檯件相堆疊。
18. 如申請專利範圍第1項之方法，其中各毛細管之一孔隙直徑係在約50微米以及約1毫米之間。
19. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該沈積材料之一線寬係較一毛細管孔隙尺寸小約40倍。
20. 如申請專利範圍第3項之方法，其進一步包含開啟一排氣閥之步驟，用以防止該霧劑流通穿過該出口毛細管。
21. 如申請專利範圍第9項之設備，其中該毛細管之一孔隙直徑係在約50微米以及約1毫米之間。
22. 如申請專利範圍第9項之設備，其中沈積材料之一線寬係較一毛細管孔隙尺寸小約40倍。
23. 如申請專利範圍第9項之設備，其進一步包含一排氣閥或是一真空岐管，用以防止一霧劑流通穿過該出口毛細管。