專利名稱：一種近場靜電噴印頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種靜電噴印頭，尤其是涉及一種基于電液動力學(xué)可實現(xiàn)低壓驅(qū)動、 高精度噴印的近場靜電噴印頭。
背景技術(shù)：
微納米圖案化結(jié)構(gòu)、器件制造及其應(yīng)用已成為國際微納米領(lǐng)域的研究熱點。傳統(tǒng) MEMS硅基制造工藝(如沉積、光刻和刻蝕等)由于其高昂的制造成本和對環(huán)境的苛刻要求， 很難滿足基于微納米圖案化結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的低成本和大尺寸( 米)制造要求，大大制約了微納米圖案化產(chǎn)品的應(yīng)用范圍，譬如，作為未來我國新興產(chǎn)業(yè)的柔性電子要求低成本、大尺寸和柔性基底，而MEMS工藝卻無法應(yīng)用于柔性電子。目前，面向柔性電子低成本制造技術(shù)主要為接觸印刷和噴印等。接觸印刷屬于并行添加工藝，需要制作模版、線寬大、精度較低、易破壞已有功能結(jié)構(gòu)。接觸印刷中的納米壓印可以形成亞微米甚至納米圖案，但在實現(xiàn)大面積圖案化制造時存在著圖案的非均勻性和加工的非連續(xù)性等系列問題?，F(xiàn)有噴印技術(shù)應(yīng)用于柔性電子批量化制造時，普遍存在加工精度、一致性、重復(fù)性低等問題，如傳統(tǒng)熱、壓電、靜電噴印技術(shù)噴印最小液滴體積約10pl、 最小線寬50 μ m、定位誤差20 μ m,僅能滿足一般文字、圖形和圖像的噴印要求?；陔娨簞恿W(xué)的近場電紡技術(shù)，Sun Daoheng等(Sun Daoheng, Chang Chieh, Li Sha, et al. Near-field Electrospinning. Nano Lett. 2006,6(4) :839-842)利用射流的初期穩(wěn)態(tài)階段成功地“寫”出納米纖維。利用這種新型的噴印技術(shù)，科研人員已經(jīng)成功在柔性塑料基底上制備PVDF納米發(fā)電機(jī)實現(xiàn)從機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)化(Chieh Chang, Van H. Tran, Junbo Wang，Yiin-Kuen Fuh and Liwei Lin· Direct—Write Piezoelectric Polymeric Nanogenerator with High Energy Conversion Efficiency. Nano Lett. 2010, 10 :726-731) 0該技術(shù)在常溫常壓和非潔凈環(huán)境下在多種基底上都可實現(xiàn)微納米結(jié)構(gòu)的快速沉積，可滿足柔性電子器件的大批量連續(xù)生產(chǎn)要求，并可實現(xiàn)有機(jī)電子與生物器件的集成。然而，該技術(shù)依然存在由于高驅(qū)動電壓而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)定位精度較低、高噴印速度所要求運動平臺具有很高的匹配速度和加速度以及射流沉積無法快速有效啟動(大約k)和停止導(dǎo)致定位和結(jié)構(gòu)尺寸精度較低等問題。有鑒于此，發(fā)明了一種近場靜電噴印頭。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有的近場靜電紡絲技術(shù)中存在的高驅(qū)動電壓、較低定位精度、高平臺運動速度/加速度和沉積無法快速啟動/停止等缺點，提供一種低壓驅(qū)動、 可精確噴印微納米圖案結(jié)構(gòu)的近場靜電噴印頭。本發(fā)明設(shè)有激光發(fā)生器、計算機(jī)、電磁閥、導(dǎo)氣管、封頭、噴管、導(dǎo)電探針和氣管；所述激光發(fā)生器產(chǎn)生激光束，計算機(jī)與電磁閥和激光發(fā)生器連接，計算機(jī)用于控制電磁閥和激光發(fā)生器的啟停，電磁閥用于控制高壓氣體的流動；所述噴管用于置放溶液，所述噴管上端帶有外螺紋，所述噴管下端為噴嘴；所述封頭通過內(nèi)螺紋與噴管上端的外螺紋螺接；所述氣管位于噴管內(nèi)部并固定在封頭上，所述氣管一端通過導(dǎo)氣管與電磁閥的輸出端連接， 所述氣管另一端為漸縮結(jié)構(gòu)的出氣口，所述出氣口與噴管的噴嘴在同一軸線上，高壓氣體通過出氣口從噴嘴的液體內(nèi)部噴出，用于帶動射流形成；所述導(dǎo)電探針一端固定在封頭上并與直流電壓源正極相連接，所述導(dǎo)電探針另一端伸出噴嘴端部，用于提高射流的定位精度，同時進(jìn)一步降低噴射電壓閾值。所述噴管可為絕緣空心圓管。所述導(dǎo)電探針另一端伸出噴嘴端部的距離最好小于2mm。所述導(dǎo)電探針可采用實心導(dǎo)電探針，實心導(dǎo)電探針與氣管、噴管共軸線。所述噴管下端的噴嘴的直徑最好小于1mm。所述氣管可為空心圓管，所述出氣口內(nèi)部直徑可小于100 μ m。所述導(dǎo)電探針直徑最好小于出氣口內(nèi)部直徑。所述激光發(fā)生器與噴管的噴嘴位置相對固定，激光光路通過射流的沉積位置。所述高壓氣體的壓強(qiáng)不小于2X 105Pa。將本發(fā)明所述的噴管固定在高速精密XYZ三維運動平臺的Z軸支架上，收集板置于XY水平運動平臺上，激光發(fā)生器、直流電壓源、精密注射泵和氣泵等置于運動平臺外，而且激光發(fā)生器與噴管位置相對固定。工作時，精密注射泵將注射器內(nèi)的聚合物注入噴管并在噴嘴產(chǎn)生微小液滴后計算機(jī)通過控制器導(dǎo)通直流電壓源正極與導(dǎo)電探針的連接狀態(tài)，同時打開電磁閥使氣泵中的高壓氣體通過導(dǎo)氣管進(jìn)入氣管，高壓氣體克服液滴的表面張力， 通過出氣口從噴嘴處的液體內(nèi)部噴出，帶動射流快速形成。接著，計算機(jī)關(guān)閉電磁閥，氣流消失，由直流電壓作用在導(dǎo)電探針針尖所產(chǎn)生的電場力維持射流的持續(xù)噴射。高速精密XYZ 三維運動平臺帶動收集板按照計算機(jī)產(chǎn)生的圖形軌跡在水平方向運動，噴印所需的微納米結(jié)構(gòu)圖案。當(dāng)噴印即將完成時，計算機(jī)根據(jù)一定的算法，通過控制器斷開直流電壓源正極與導(dǎo)電探針的連接，同時打開激光發(fā)生器，激光發(fā)生器隨即產(chǎn)生高溫激光束，照射射流將射流瞬間汽化，射流被切斷，防止最后沉積在收集板上的結(jié)構(gòu)由于射流拖曳產(chǎn)生變形或圖案尺寸變化的發(fā)生，實現(xiàn)了噴印微納結(jié)構(gòu)圖案的精確停止。與現(xiàn)有的靜電噴印頭相比，本發(fā)明的突出優(yōu)點在于1)低驅(qū)動電壓。高壓氣體克服液滴表面張力，從噴嘴處的液滴內(nèi)部噴出，帶動射流形成，此后由直流電壓作用于導(dǎo)電探針針尖處產(chǎn)生的電場力維持射流的持續(xù)噴射，大大降低了噴射電壓閾值。2)實現(xiàn)噴印的快速有效啟停。傳統(tǒng)近場電紡從施加電壓到射流噴射需要大約Is 的時間，而高壓氣流可迅速帶動射流的形成；另外，激光發(fā)生器瞬間產(chǎn)生高溫激光束可快速將射流汽化，切斷射流，實現(xiàn)噴印的快速有效停止，從而防止最后沉積的圖案結(jié)構(gòu)由于射流的拖曳產(chǎn)生變形或圖案尺寸的變化。3)高定位精度和結(jié)構(gòu)尺寸精度。由于電壓作用于導(dǎo)電針尖，可在針尖處形成較高電場，誘導(dǎo)射流持續(xù)從導(dǎo)電針尖處噴射(與氣流噴射的位置一致)，因此有效抑制了射流的不穩(wěn)定擺動，大大提高了射流的定位精度，也提高了結(jié)構(gòu)的尺寸精度。而且，噴印的快速有效啟停也進(jìn)一步提高了噴印起始和結(jié)束位置的定位精度和結(jié)構(gòu)尺寸精度。


圖1為本發(fā)明實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為應(yīng)用本發(fā)明實施例的實驗系統(tǒng)裝置示意圖。
具體實施例方式參加圖1和圖2，本發(fā)明實施例設(shè)有激光發(fā)生器1、計算機(jī)2、電磁閥3、導(dǎo)氣管4、封頭5、噴管6、導(dǎo)電探針7和氣管8。激光發(fā)生器1可產(chǎn)生高溫激光束，照射射流將射流瞬間汽化，切斷噴印射流，可提高停止噴印時的定位精度和結(jié)構(gòu)尺寸精度；計算機(jī)2與激光發(fā)生器1和電磁閥3連接，用于控制激光發(fā)生器1和電磁閥3的開關(guān)；電磁閥3用于控制高壓氣體A的流動；噴管6為絕緣空心圓管，用于置放溶液，其上端帶有外螺紋，下端為噴嘴；封頭 4通過內(nèi)螺紋與噴管上端連接，防止溶液從上端口溢出；氣管8位于噴管6內(nèi)部并固定在封頭5上，氣管8 —端81通過導(dǎo)氣管4與電磁閥3的輸出端連接，氣管8另一端為漸縮結(jié)構(gòu)， 出氣口 82與噴管6的噴嘴61在同一軸線上，高壓氣體克服溶液表面張力從溶液內(nèi)部噴出， 帶動射流快速形成，大大降低了噴射電壓閾值；導(dǎo)電探針7 —端固定在封頭5上并通過控制器9與直流電壓源10正極相連接，另一端伸出噴嘴端部小于2mm的距離，用于提高射流的定位精度，同時降低噴射電壓閾值。所述噴管采用絕緣空心圓管。所述導(dǎo)電探針另一端伸出噴嘴端部的距離小于2mm， 所述導(dǎo)電探針采用實心導(dǎo)電探針，實心導(dǎo)電探針與氣管、噴管共軸線。所述噴管下端的噴嘴的直徑小于1mm。所述氣管為空心圓管，所述出氣口內(nèi)部直徑小于100 μ m，所述導(dǎo)電探針直徑小于出氣口內(nèi)部直徑。所述激光發(fā)生器與噴管的噴嘴位置相對固定，激光光路通過射流的沉積位置。所述高壓氣體的壓強(qiáng)不小于2 X IO5Pa0將本發(fā)明所述的噴管6固定在高速精密CTZ三維運動平臺的Z軸支架上，收集板 11置于XYZ運動平臺的XY平面上，探針針尖7與收集板10的距離為Imm ；激光發(fā)生器1、控制器9、直流電壓源10、氣泵12和精密注射泵13等置于運動平臺外，而且激光發(fā)生器1與噴管6位置相對固定。工作時，精密注射泵13將注射器14內(nèi)的聚氧化乙烯水溶液(ΡΕ0，分子量30萬，濃度20% ) B以流量10 μ L/h注入噴管6并在噴嘴處產(chǎn)生微小液滴后計算機(jī)2 通過控制器9導(dǎo)通導(dǎo)電探針7與直流電壓源9的連接狀態(tài)，打開電磁閥3使氣泵12中的高壓氣體通過導(dǎo)氣管4進(jìn)入氣管8，高壓氣體克服PEO溶液表面張力從溶液內(nèi)部噴出，帶動射流快速形成，同時，計算機(jī)2關(guān)閉電磁閥3，作用于導(dǎo)電探針7的直流電壓在針尖處形成的較強(qiáng)電場力維持射流的持續(xù)噴射。XY水平運動平臺帶動收集板11按照計算機(jī)2規(guī)定的圖形軌跡在水平面上運動，在收集板11上沉積固態(tài)納米纖維形成的相應(yīng)圖案。當(dāng)噴印即將完成時，計算機(jī)2根據(jù)算法適時打開激光發(fā)生器1，激光發(fā)生器1隨即產(chǎn)生高溫激光束，照射射流將射流瞬間汽化，射流被切斷，被切斷射流下端部分精確沉積在所需的結(jié)束位置上。
權(quán)利要求
1.一種近場靜電噴印頭，其特征在于設(shè)有激光發(fā)生器、計算機(jī)、電磁閥、導(dǎo)氣管、封頭、 噴管、導(dǎo)電探針和氣管；所述激光發(fā)生器產(chǎn)生激光束，計算機(jī)與電磁閥和激光發(fā)生器連接， 計算機(jī)用于控制電磁閥和激光發(fā)生器的啟停，電磁閥用于控制高壓氣體的流動；所述噴管用于置放溶液，所述噴管上端帶有外螺紋，所述噴管下端為噴嘴；所述封頭通過內(nèi)螺紋與噴管上端的外螺紋螺接；所述氣管位于噴管內(nèi)部并固定在封頭上，所述氣管一端通過導(dǎo)氣管與電磁閥的輸出端連接，所述氣管另一端為漸縮結(jié)構(gòu)的出氣口，所述出氣口與噴管的噴嘴在同一軸線上，高壓氣體通過出氣口從噴嘴的液體內(nèi)部噴出，用于帶動射流形成；所述導(dǎo)電探針一端固定在封頭上并與直流電壓源正極相連接，所述導(dǎo)電探針另一端伸出噴嘴端部。
2.如權(quán)利要求1所述的一種近場靜電噴印頭，其特征在于所述噴管為絕緣空心圓管。
3.如權(quán)利要求1所述的一種近場靜電噴印頭，其特征在于所述導(dǎo)電探針另一端伸出噴嘴端部的距離小于2mm。
4.如權(quán)利要求1所述的一種近場靜電噴印頭，其特征在于所述導(dǎo)電探針采用實心導(dǎo)電探針，實心導(dǎo)電探針與氣管、噴管共軸線。
5.如權(quán)利要求1所述的一種近場靜電噴印頭，其特征在于所述噴管下端的噴嘴的直徑小于Imm0
6.如權(quán)利要求1所述的一種近場靜電噴印頭，其特征在于所述氣管為空心圓管。
7.如權(quán)利要求1所述的一種近場靜電噴印頭，其特征在于所述出氣口內(nèi)部直徑小于 100 μ m0
8.如權(quán)利要求1所述的一種近場靜電噴印頭，其特征在于所述導(dǎo)電探針直徑小于出氣口內(nèi)部直徑。
9.如權(quán)利要求1所述的一種近場靜電噴印頭，其特征在于所述高壓氣體的壓強(qiáng)不小于 2 X IO5Pa0
全文摘要
一種近場靜電噴印頭，涉及一種靜電噴印頭。提供一種低壓驅(qū)動、可精確噴印微納米圖案結(jié)構(gòu)的近場靜電噴印頭。設(shè)有激光發(fā)生器、計算機(jī)、電磁閥、導(dǎo)氣管、封頭、噴管、導(dǎo)電探針和氣管；所述激光發(fā)生器產(chǎn)生激光束，計算機(jī)與電磁閥和激光發(fā)生器連接，噴管上端帶有外螺紋，噴管下端為噴嘴；封頭通過內(nèi)螺紋與噴管上端的外螺紋螺接；氣管位于噴管內(nèi)部并固定在封頭上，氣管一端通過導(dǎo)氣管與電磁閥的輸出端連接，氣管另一端為漸縮結(jié)構(gòu)的出氣口，所述出氣口與噴管的噴嘴在同一軸線上；所述導(dǎo)電探針一端固定在封頭上并與直流電壓源正極相連接，所述導(dǎo)電探針另一端伸出噴嘴端部。
文檔編號B41J2/01GK102501598SQ201110326279
公開日2012年6月20日 申請日期2011年10月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月24日
發(fā)明者劉益芳, 吳德志, 孫道恒, 王凌云, 胡興旺, 鄭高峰, 黃翔宇 申請人:廈門大學(xué)