專(zhuān)利名稱(chēng)：金屬微納結(jié)構(gòu)電液噴印裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種靜電噴射裝置，尤其是涉及一種能實(shí)現(xiàn)精確噴射的金屬微納結(jié)構(gòu)電液噴印裝置。
背景技術(shù)：
金屬微納米結(jié)構(gòu)制造已經(jīng)成為了目前微納技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要研究領(lǐng)域，在導(dǎo)電互連結(jié)構(gòu)、微納系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)構(gòu)造等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。相比于傳統(tǒng)曝光、刻蝕技術(shù)，噴印技術(shù)在微納結(jié)構(gòu)構(gòu)建方面顯示出明顯的優(yōu)勢(shì)，如不需要掩膜版、無(wú)需曝光、簡(jiǎn)化工藝流程、降低成本等。因此，噴墨打印技術(shù)被稱(chēng)為下一代電子產(chǎn)業(yè)最具潛力的制造技術(shù)，而倍受工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。電液耦合噴印作為一種新興的噴印技術(shù)在提高噴印速度、減小噴印微納結(jié)構(gòu) 尺寸等方面顯示出獨(dú)特的作用。傳統(tǒng)電液噴印是利用高壓電場(chǎng)拉伸黏彈性溶液變形生成泰勒錐，并從泰勒錐錐尖產(chǎn)生射流噴射。微納結(jié)構(gòu)射流噴射源于泰勒留錐錐尖，對(duì)噴頭內(nèi)徑依賴(lài)小降低了噴印設(shè)備的制造要求。但現(xiàn)有電液噴印仍主要是針對(duì)聚合特粘彈性溶液開(kāi)展噴印工藝研究，而其已經(jīng)成為聚合特微納結(jié)構(gòu)重要的制造技術(shù)之一([I]Ramakrishna S.，Jose R.，Archana PSj Nair AS，Balamurugan R.，Venugopal J.，TeoWE.Science and engineering of electrospun nanofibers for advances in cleanenergy,water filtration, and regenerative medicine[J]. Journal of MaterialsScience, 2010:1-30.)。對(duì)于聚合物熔融液的噴印也逐漸吸了研究者的更廣泛的關(guān)注，相比于聚合物溶液，聚合物熔融液屬于單相液體在噴印過(guò)程更為穩(wěn)定、易于控制([2]Malakhov
S.N.，Khomenko A. Y.，Belousov S. I.，Prazdnichnyi A. M.，Chvalun S. N.，ShepelevA.D.，Budyka A. K. Method of manufacturing nonwovens by electrospinning frompolymer melts[J]. Fibre Chemistry，2009，41 (6):355-359.)。目前，進(jìn)行導(dǎo)電、傳感等功能性微納結(jié)構(gòu)的直接噴印制造是噴印技術(shù)在微納系統(tǒng)制造及其工業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵。采用高導(dǎo)率溶液作為噴印原料時(shí)，電液噴印射流表面電荷密度過(guò)大容易發(fā)生電暈放電，使射流所受到的電場(chǎng)力驟然下降，射流回縮并發(fā)生振蕩；高電荷密度也將誘使射流發(fā)生破裂產(chǎn)生噴霧，而難以進(jìn)行微納結(jié)構(gòu)的有序噴印制造。采用交流高壓電源，正負(fù)電壓連續(xù)交替使射流呈電中性，避免了射流表面電荷密度過(guò)大而產(chǎn)生電暈放電，為高導(dǎo)電率溶液的紡絲噴印提供了一種有效的控制方式。采用交流脈沖高壓電源可誘使導(dǎo)電溶液產(chǎn)生穩(wěn)定的錐-射流噴印模式，從而進(jìn)行連續(xù)微納結(jié)構(gòu)的有序噴印制備([3]Tripatanasuwan S. , Reneker D. H. Corona discharge from electrospinning jet ofpoly (ethylene oxide) solution [J]. Polymer, 2009, 50 (8) : 1835-1837.)。但空間電場(chǎng)的交替變化增加了連續(xù)射流噴印的不穩(wěn)定性，射流出現(xiàn)伸縮跳動(dòng)現(xiàn)象限制了微納結(jié)構(gòu)的精確定位沉積及其推廣應(yīng)用。利用環(huán)形結(jié)構(gòu)構(gòu)造聚焦氣流對(duì)紡絲射流進(jìn)行約束聚焦，可以有效地約束射流的鞭動(dòng)、跳躍等不穩(wěn)定行為，提高射流噴印的穩(wěn)定性、延長(zhǎng)射流穩(wěn)定直線階段的長(zhǎng)度，益于射流噴印的精確控制。基于Aerosol Jet噴印設(shè)備，利用鞘氣氣體對(duì)霧化納米顆粒(顆粒直徑80nm)進(jìn)行聚焦噴印，鞘氣聚焦約束了納米顆粒的運(yùn)動(dòng)范圍，可噴印制造線寬5 30 μ m 的導(dǎo)線結(jié)構(gòu)(噴嘴內(nèi)徑 100 300 μ m) ([4] Xu Bulei, Lv Wenlong, Wang Xiang, LeiTingping, Zheng Gaofeng, Zhao Yang, Sun Daoheng. Conductive Micro Silver Wires viaAerosol Deposition[C]. NEMS 2012, Kyoto, JAPAN, March 5-8,2012:364-367·)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種連續(xù)性好、穩(wěn)定性好、能實(shí)現(xiàn)精確噴印制造金屬微納結(jié)構(gòu)的金屬微納結(jié)構(gòu)電液噴印裝置。本發(fā)明設(shè)有壓力控制器、供料槽、加熱器、絕緣套筒、控溫冷凝管、高壓脈沖電源、輔助電源、約束電極環(huán)、抽氣接口、進(jìn)氣接口、壓力閥、壓力表、收集板、保護(hù)罩、計(jì)算機(jī)、溫度控制器、噴頭和環(huán)形通氣孔；供料槽設(shè)于壓力控制器下方，供料槽下部設(shè)有供料通道，供料通道采用熱良導(dǎo)體·制成，加熱器設(shè)于供料通道外圍，噴頭設(shè)于供料通道下端，絕緣套筒設(shè)于噴頭正下方，控溫冷凝管設(shè)于絕緣套筒外圍，控溫冷凝管的控制端接溫度控制器，高壓脈沖電源正極通過(guò)導(dǎo)線接噴頭，高壓脈沖電源負(fù)極接地，約束電極環(huán)設(shè)于絕緣套筒底端，約束電極環(huán)接輔助電源正極，輔助電源負(fù)極接地，收集板設(shè)于絕緣套筒下方，收集板接地，保護(hù)罩上設(shè)有抽氣接口、進(jìn)氣接口、壓力閥、壓力表，抽氣接口外接真空泵，進(jìn)氣接口經(jīng)壓力閥外接供氣氣源，絕緣套筒、控溫冷凝管、約束電極環(huán)、收集板、溫度控制器和噴頭置于保護(hù)罩內(nèi)，加熱器和溫度控制器的控制端均接計(jì)算機(jī)，加熱器前端設(shè)有溫度檢測(cè)反饋元件，環(huán)形通氣孔設(shè)于保護(hù)罩上表面，噴頭位于環(huán)形通氣孔中，并與環(huán)形通氣孔、絕緣套筒同軸。所述保護(hù)罩內(nèi)的氣體壓強(qiáng)最好為1(Γ2Χ 105Pa。所述噴頭內(nèi)徑可為5(Γ500 μ m,噴頭底端與絕緣套筒上端最好處于同一水平面。所述絕緣套筒內(nèi)徑可為2 5cm，長(zhǎng)度可為3 10cm，絕緣套筒底端距收集板的距離可為0. 05 3mm。所述高壓脈沖電源可采用頻率為0. OflOOOHz、電壓幅值為_(kāi)6 6kV的高壓脈沖電源。所述控溫冷凝管可采用控溫范圍為5°C至室溫的控溫冷凝管。所述環(huán)形通氣孔內(nèi)徑最好為所述噴頭內(nèi)徑的2 3倍；所述環(huán)形通氣孔與進(jìn)氣接口經(jīng)氣路連通。與現(xiàn)有技術(shù)比較，本發(fā)明具有如下突出優(yōu)點(diǎn)可以調(diào)節(jié)保護(hù)罩內(nèi)氣體的壓強(qiáng)，或進(jìn)行不同氣壓條件下的噴印實(shí)驗(yàn)。噴印過(guò)程中保護(hù)罩可通以氣氛氣體(如惰性氣體)用于保護(hù)金屬熔融射流不被氧化；或通入反應(yīng)氣體與熔融金屬射流發(fā)生反應(yīng)直接制造具有特殊功能性金屬微納結(jié)構(gòu)；或進(jìn)行抽氣保護(hù)，使保護(hù)罩中處于低氣壓狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)熔融射流的真空環(huán)境噴射?？赏ㄟ^(guò)計(jì)算機(jī)調(diào)節(jié)噴頭和絕緣套筒內(nèi)的溫度。加熱器可調(diào)控供料槽通道溫度(可為5(T500°C)，加熱器前端所設(shè)的溫度檢測(cè)反饋元件將溫度信息反饋給計(jì)算機(jī)，同時(shí)計(jì)算機(jī)可以向加熱器輸入溫度設(shè)定信息。以金屬微納顆粒或粉末作為原料進(jìn)行噴印制備。發(fā)明裝置上設(shè)有加熱裝置提高噴頭溫度，使原料發(fā)生熔融；施加電壓電場(chǎng)，誘使熔融狀原料產(chǎn)生射流噴射。引入脈沖高壓電源，利用交流電場(chǎng)誘導(dǎo)導(dǎo)電溶液產(chǎn)生穩(wěn)定的射流噴印，克服傳統(tǒng)電液噴印技術(shù)不能利用導(dǎo)電溶液進(jìn)行有序連續(xù)微納結(jié)構(gòu)精確噴印制造的缺點(diǎn)；并且噴頭上加載有環(huán)形進(jìn)氣孔，利用環(huán)繞氣氛氣體約束射流鞭動(dòng)、跳躍等不穩(wěn)定行為以提高射流噴印過(guò)程的穩(wěn)定性，提高金屬微納結(jié)構(gòu)尺寸和定位的精度。噴頭下方設(shè)有絕緣套筒用于約束抑制射流無(wú)序不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)，提高射流直線穩(wěn)定噴射階段的長(zhǎng)度，利用穩(wěn)定射流進(jìn)行有序金屬微納結(jié)構(gòu)的有序高精度制造。同時(shí)，絕緣套筒底端設(shè)有約束電極環(huán)用于約束射流沉積前的跳動(dòng)行為，克服收集板上殘余電荷和已沉積微納結(jié)構(gòu)對(duì)射流運(yùn)動(dòng)的影響，利于復(fù)雜、多層圖案的精確噴印制造。在絕緣套筒設(shè)置溫控冷凝管控制射流噴射過(guò)程的環(huán)境溫度，調(diào)節(jié)熔融射流的凝固速度。依據(jù)電液噴印原理，射流的直徑是噴印微納結(jié)構(gòu)尺寸的重要影響因素。射流從泰勒錐錐尖射出后攜帶走噴頭附近聚集的電荷，在電場(chǎng)力的作用向收集板加速運(yùn)動(dòng)；射流在凝固過(guò)程中而不斷被拉伸變細(xì)；在這個(gè)過(guò)程中射流逐漸由液體特性轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w特性，射流液體特性顯著時(shí)更易于被拉伸細(xì)化。熔融射流噴印過(guò)程中，環(huán)境溫度越低射流凝固速度越快， 射流越難以被拉伸細(xì)化，射流直徑和所獲得的噴印微納結(jié)構(gòu)的尺寸也將越大；反之提高環(huán)境溫度將減緩射流凝固速度，促進(jìn)射流的拉伸細(xì)化，減小噴印微納結(jié)構(gòu)的尺寸。溫控冷凝管的引入為金屬微納結(jié)構(gòu)的噴印提供了一種有效的尺寸控制手段，同時(shí)穩(wěn)定射流的凝固速度提高了射流凝固過(guò)程的穩(wěn)定性。本發(fā)明結(jié)合了交流電液噴印和環(huán)繞氣氛氣體聚焦的優(yōu)點(diǎn)，能達(dá)到連續(xù)性好、穩(wěn)定性好、精確噴印制造金屬微納結(jié)構(gòu)的目的。


圖I為本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式參見(jiàn)圖I，本發(fā)明實(shí)施例設(shè)有壓力控制器I、供料槽2、加熱器3、絕緣套筒4、控溫冷凝管5、高壓脈沖電源6、輔助電源7、約束電極環(huán)8、抽氣接口 9、進(jìn)氣接口 10、壓力閥11、壓力表12、收集板13、保護(hù)罩14、計(jì)算機(jī)15、溫度控制器16、噴頭17和環(huán)形通氣孔18 ；供料槽2設(shè)于壓力控制器I下方，供料槽2下部設(shè)有供料通道，供料通道采用熱良導(dǎo)體制成，加熱器3設(shè)于供料通道外圍，噴頭17設(shè)于供料通道下端，絕緣套筒4設(shè)于噴頭17正下方，控溫冷凝管5設(shè)于絕緣套筒4外圍，控溫冷凝管5的控制端接溫度控制器16，高壓脈沖電源6正極通過(guò)導(dǎo)線接噴頭17，高壓脈沖電源6負(fù)極接地，約束電極環(huán)8設(shè)于絕緣套筒4底端，約束電極環(huán)8接輔助電源7正極，輔助電源7負(fù)極接地，收集板13設(shè)于絕緣套筒4下方，收集板13接地，保護(hù)罩14上設(shè)有抽氣接口 9、進(jìn)氣接口 10、壓力閥11、壓力表12，抽氣接口 9外接真空泵，進(jìn)氣接口經(jīng)壓力閥11外接供氣氣源，絕緣套筒4、控溫冷凝管5、約束電極環(huán)8、收集板13、溫度控制器16和噴頭17置于保護(hù)罩14內(nèi)，加熱器3和溫度控制器16的控制端均接計(jì)算機(jī)15，加熱器前端設(shè)有溫度檢測(cè)反饋元件，環(huán)形通氣孔18設(shè)于保護(hù)罩14上表面，噴頭17位于18環(huán)形通氣孔中，并與環(huán)形通氣孔10、絕緣套筒4同軸。所述保護(hù)罩14內(nèi)的氣體壓強(qiáng)可為KT2X 105Pa。所述噴頭17內(nèi)徑可為50 500 μ m,噴頭底端與絕緣套筒4上端處于同一水平面。所述絕緣套筒4內(nèi)徑可為2 5cm，長(zhǎng)度可為3^10cm,絕緣套筒4底端距收集板13的距離可為O. 05 3mm。所述高壓脈沖電源6采用頻率為O. Of 1000Hz、電壓幅值為-6飛kV的高壓脈沖電源。所述控溫冷凝管采用控溫范圍為5°C至室溫的控溫冷凝管。所述環(huán)形通氣孔18內(nèi)徑為所述噴頭內(nèi)徑的2 3倍；所述環(huán)形通氣孔18與進(jìn)氣接口 10有氣路連通。壓力控制器I可調(diào)節(jié)噴印過(guò)程中原料的供給速度。微納米金屬顆?；蚍勰┑葒娪≡戏胖糜诠┝喜?中。加熱器3用以調(diào)控原料溫度，使其逐漸升溫。在噴頭17處噴印原料成為熔融狀。絕緣套筒4上的感應(yīng)電荷將對(duì)帶電射流產(chǎn)生約束作用，抑制射流螺旋、鞭動(dòng)等不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的產(chǎn)生，有利于以提高噴射微納結(jié)構(gòu)的定位精度?？販乩淠?通有冷卻液體，可以調(diào)節(jié)絕緣套筒4內(nèi)的溫度。通過(guò)改變絕緣套筒4內(nèi)的溫度可以調(diào)節(jié)金屬熔融射流的凝固速度。處于熔融狀的射流易于受電場(chǎng)力拉伸而變細(xì)，而凝固后的射流將難以再進(jìn)一步被拉伸變細(xì)。控溫冷凝管的為噴印微納結(jié)構(gòu)的尺寸控制提供了一種有效的調(diào)控手段。同時(shí)，熔融射流凝固速度的控制也利于控制射流的熔液特性和固體特性的轉(zhuǎn)變，克服射 流固化速度不均勻而引起的干擾。高壓脈沖電源6正極向噴頭17提供高壓電勢(shì)，形成熔融狀的金屬原料在高壓電場(chǎng)的作用下發(fā)生形變產(chǎn)生泰勒錐，并最終由泰勒錐錐尖產(chǎn)生射流噴射。射流噴射時(shí)將攜帶走聚焦于泰勒錐表面的電荷。約速電極環(huán)8可進(jìn)一步加速?lài)娪∩淞?，益于控制其沉積位置。抽氣接口 9與真空泵相通，可抽去保護(hù)罩14內(nèi)的氣體使保護(hù)罩14處于真空狀態(tài)或低氣壓狀態(tài)，可實(shí)現(xiàn)在低壓力條件的噴印，并為特定氣氛氣體的通入提供條件。進(jìn)氣接口10經(jīng)壓力閥11與供氣氣源相連，可以調(diào)節(jié)保護(hù)罩14內(nèi)氣體的壓強(qiáng)，或進(jìn)行不同氣壓條件下的噴印實(shí)驗(yàn)。收集板13用于接收噴印的金屬微納結(jié)構(gòu)。噴印過(guò)程中保護(hù)罩14可通以氣氛氣體(如惰性氣體。在需要?dú)夥諝怏w時(shí)環(huán)形通氣孔18可以流通氣氛氣體)用于保護(hù)金屬熔融射流被氧化；或通入反應(yīng)氣體與熔融金屬射流發(fā)生反應(yīng)直接制造具有特殊功能性金屬微納結(jié)構(gòu)；或進(jìn)行抽氣保護(hù)，使保護(hù)罩14中處于低氣壓狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)熔融射流的真空環(huán)境噴射。
權(quán)利要求
1.金屬微納結(jié)構(gòu)電液噴印裝置，其特征在于設(shè)有壓力控制器、供料槽、加熱器、絕緣套筒、控溫冷凝管、高壓脈沖電源、輔助電源、約束電極環(huán)、抽氣接口、進(jìn)氣接口、壓力閥、壓力表、收集板、保護(hù)罩、計(jì)算機(jī)、溫度控制器、噴頭和環(huán)形通氣孔； 供料槽設(shè)于壓力控制器下方，供料槽下部設(shè)有供料通道，加熱器設(shè)于供料通道外圍，噴頭設(shè)于供料通道下端，絕緣套筒設(shè)于噴頭正下方，控溫冷凝管設(shè)于絕緣套筒外圍，控溫冷凝管的控制端接溫度控制器，高壓脈沖電源正極通過(guò)導(dǎo)線接噴頭，高壓脈沖電源負(fù)極接地，約束電極環(huán)設(shè)于絕緣套筒底端，約束電極環(huán)接輔助電源正極，輔助電源負(fù)極接地，收集板設(shè)于絕緣套筒下方，收集板接地，保護(hù)罩上設(shè)有抽氣接口、進(jìn)氣接口、壓力閥、壓力表，抽氣接口外接真空泵，進(jìn)氣接口經(jīng)壓力閥外接供氣氣源，絕緣套筒、控溫冷凝管、約束電極環(huán)、收集板、溫度控制器和噴頭置于保護(hù)罩內(nèi)，加熱器和溫度控制器的控制端均接計(jì)算機(jī)，加熱器前端設(shè)有溫度檢測(cè)反饋元件，環(huán)形通氣孔設(shè)于保護(hù)罩上表面，噴頭位于環(huán)形通氣孔中，并與環(huán)形通氣孔、絕緣套筒同軸。
2.如權(quán)利要求I所述的金屬微納結(jié)構(gòu)電液噴印裝置，其特征在于所述保護(hù)罩內(nèi)的氣體壓強(qiáng)為 ICT2X 105Pa。
3.如權(quán)利要求I所述的金屬微納結(jié)構(gòu)電液噴印裝置，其特征在于所述噴頭內(nèi)徑為50^500 μ m,噴頭底端與絕緣套筒上端處于同一水平面。
4.如權(quán)利要求I所述的金屬微納結(jié)構(gòu)電液噴印裝置，其特征在于所述絕緣套筒內(nèi)徑為2 5cm，長(zhǎng)度為3 10cm，絕緣套筒底端距收集板的距離為O. 05 3mm。
5.如權(quán)利要求I所述的金屬微納結(jié)構(gòu)電液噴印裝置，其特征在于所述高壓脈沖電源采用頻率為O. OflOOOHz、電壓幅值為-6飛kV的高壓脈沖電源。
6.如權(quán)利要求I所述的金屬微納結(jié)構(gòu)電液噴印裝置，其特征在于所述環(huán)形通氣孔內(nèi)徑為所述噴頭內(nèi)徑的2 3倍。
7.如權(quán)利要求I所述的金屬微納結(jié)構(gòu)電液噴印裝置，其特征在于所述環(huán)形通氣孔與進(jìn)氣接口經(jīng)氣路連通。
8.如權(quán)利要求I所述的金屬微納結(jié)構(gòu)電液噴印裝置，其特征在于所述控溫冷凝管的溫度調(diào)整范圍為5°C至室溫。
全文摘要
金屬微納結(jié)構(gòu)電液噴印裝置，涉及一種靜電噴射裝置。提供一種連續(xù)性好、穩(wěn)定性好、能實(shí)現(xiàn)精確噴印制造金屬微納結(jié)構(gòu)的金屬微納結(jié)構(gòu)電液噴印裝置。設(shè)有壓力控制器、供料槽、加熱器、絕緣套筒、控溫冷凝管、高壓脈沖電源、輔助電源、約束電極環(huán)、抽氣接口、進(jìn)氣接口、壓力閥、壓力表、收集板、保護(hù)罩、計(jì)算機(jī)、溫度控制器、噴頭和環(huán)形通氣孔。結(jié)合了交流電液噴印和環(huán)繞氣氛氣體聚焦的優(yōu)點(diǎn)，能達(dá)到連續(xù)性好、穩(wěn)定性好、精確噴印制造金屬微納結(jié)構(gòu)的目的。
文檔編號(hào)B41M5/00GK102922891SQ2012104181
公開(kāi)日2013年2月13日 申請(qǐng)日期2012年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月26日
發(fā)明者鄭高峰, 劉靜靜, 鄭建毅, 王鴻雁, 王翔, 衛(wèi)瑾, 何廣奇, 孫道恒 申請(qǐng)人:廈門(mén)大學(xué)