一种空间分布可调的阵列集成式喷印装置和方法与流程

本发明属于喷印装置技术领域，更具体地，涉及一种空间分布可调的阵列集成式喷印装置和方法。

背景技术

电喷印技术被广泛用于可穿戴通信设备、薄膜晶体管、先进柔性临床手术工具、生物电子相机、显示器和太阳能光伏电池等领域。电喷印的基本原理是分别在喷嘴和基板处施加高压正电位和高压负电位，利用电场将喷嘴内的墨液拉出并雾化，被雾化的墨液颗粒沉积在基板上形成薄膜。电喷印具有如下特点：喷嘴和基板间电压可调，可以通过控制电场来控制墨液的沉积效率；生成的墨滴直径很小，可达10nm，其尺寸分布近似于均匀分散；可以和卷到卷制造相结合，实现较高的数字化加工水平和较高的加工效率，精度高。

然而，现有电喷印技术存在一些问题：首先，由电喷印雾化形成的墨滴在喷嘴和基板之间形成一个锥形，因此沉积到基板上的是一个圆形，当要喷印的基板是方形的时候，会出现不能喷印到的死角，并且所喷印的薄膜会呈现出中间厚边缘薄的趋势，其严重影响加工的灵活性、效率和薄膜的质量；其次，现有的电喷印设备多是单喷嘴装置，集成度不高，大大影响加工效率；此外，在现有喷印过程中，有时在喷印材料的同时需要对材料进行改性与刻蚀，而目前的电喷印设备无法实现该功能。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种空间分布可调的阵列集成式喷印装置和方法，其目的在于在实现阵列化加工的同时集增减材与一体，可以根据实际需要调换相应组件，实现大规模生产的同时，极大提升了设备的灵活性和适用范围。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种空间分布可调的阵列集成式喷印装置，其包括箱体、布置在箱体内部呈阵列分布的喷头组以及用于调节喷头位置的移动组件，其中：

所述喷头组中的喷头包括由上至下依次设置的固定接头、衔接头、中间接头和输出头，其中，所述输出头设有与所述中间接头下端外螺纹配合的内螺纹孔；所述中间接头的内部开设有通孔以及与通孔导通的并与气体输入接口相连的气体输入通道，所述通孔内安装有石英管，该石英管从输出头的下端穿出，其出口作为喷嘴，此外该石英管内还插装有中空的高压电极，所述高压电极与石英管之间留有间隙，该高压电极的中空部分则作为墨液通道；所述衔接头固定在中间接头的外部，并与所述固定接头相连；

每一喷头组对应设置有一移动组件，所述移动组件布置在箱体的内部，其用于安装喷头并调节喷头的位置，此外，箱体内还设置有位于喷头输出头两侧的电极板以及用于对从喷头喷印出的墨液进行固化的紫外灯。

作为进一步优选的，移动组件包括支撑架、位于支撑架上方的伸缩架以及用于带动伸缩架运动的电机，所述伸缩架包括彼此配合的第一伸缩臂和第二伸缩臂，所述第一伸缩臂和第二伸缩臂均为由一系列通过连接螺栓铰接在一起的伸缩杆构成，伸缩杆的中部设有放置喷头的孔，相邻两伸缩杆铰接处的下方设置有带滚珠的滚珠球头，该滚珠在喷头运动过程中在所述支撑架表面滚动，以减小能量损耗。

作为进一步优选的，所述高压电极的上端与墨液输入接口相连，该墨液输入接口与墨液腔相连，所述墨液腔包括供墨腔体、用于封盖供墨腔体的供墨腔盖、以及设于供墨腔体上的墨液入口和墨液出口，所述供墨腔体用于储存电流体喷印所需的墨液，所述墨液出口通过导管与所述墨液输入接口相连，供墨腔体内的墨液依次经墨液出口、导管、墨液输入接口导入墨液通道中，以为喷头连续不断的输送墨液。

作为进一步优选的，所述箱体的内部设置有用于放置墨液腔的墨液腔槽和用于布置移动组件的喷头阵列槽，外部设置有用于布置电机的电机槽；优选的，每个喷头上安装有独立的驱动装置。

作为进一步优选的，所述石英管的外径小于中间接头的内径，其通过橡胶塞固定在中间接头内，并且其高度不超过气体输入通道在中间接头转折处的高度，以便于气体顺利流出用于产生等离子体，所述石英管的下端为缩口结构，用于限制喷印墨液或者等离子体射流的束径。

作为进一步优选的，所述高压电极为空心金属针，其通过橡胶塞固定在中间接头上，该橡胶塞用于固定高压电极同时起密封作用，以防止气体从中间接头的上端泄露。

作为进一步优选的，所述高压电极的一端插入石英管中，其与石英管间的间隙作为气体通道，该高压电极的另一端穿过中间接头的上端，并与高压电源和墨液输入接口相连，在高压电极通电后，向墨液通道通入墨液，用于电流体喷印，向气体通道通入稀有气体，用于产生等离子体。

按照本发明的另一方面，提供了一种空间分布可调的阵列集成式喷印方法，其特征在于，包括如下步骤：

s1在供墨腔中通入所需的喷印溶液，并为喷头组连接所需的电压；

s2打开喷头组对应的紫外灯，并为置于该喷头组旁侧的电极板连接所需的电压，该电压低于喷头组的电压；

s3使收集基板开始运动，同时喷头组开始喷印工作，以在收集基板上形成一层位于两电极板之间的平面状喷雾；

s4通过电机调节伸缩臂，改变喷头间的距离，直到在收集基板上形成一层均匀的膜为止，如此在收集基板上形成一层厚度均匀的薄膜。

作为进一步优选的，还包括如下步骤：

s5在不同的墨液腔中加入不同的墨液，在已固化的厚度均匀的薄膜上喷印另一种墨液，如此往复，以制备不同层数与材料的薄膜；

作为进一步优选的，还包括如下步骤：

s6向气体通道中通入稀有气体并为高压电极接上所需的电压，以在喷嘴处形成等离子体射流，利用阵列化的等离子体射流对薄膜进行图案化的刻蚀与改性；

作为进一步优选的，还包括如下步骤：

s7在所刻蚀的沟道里填充所需的材料，以实现增减材一体化成形。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明结合了电流体喷印和等离子体加工的特点，根据不同的工作需要，通入喷印墨液或者稀有气体，可以分别在同一喷头上实现电流体喷印和等离子体加工(刻蚀、改性等)，实现了增减材一体化。

2.本发明对兼容电流体和等离子体的喷头实现了阵列化，将喷头阵列进行分组，可以根据需要实时增减喷头阵列的数量，组与组之间独立工作，可以先后在同一基底上喷印不同类型的墨液，灵活性高，极大地提升了工作效率。

3.本发明的喷头阵列之间的距离可以改变，对于提高打印阵列化图案的密集度和喷印薄膜的均一性有一定帮助，甚至可以在每个喷头上安装独立的驱动装置，改变喷头的相对高度，实现曲面上的加工。

4.本发明阵列化喷嘴不仅因喷嘴数量和位置上的优势能有效提高加工效率，还因其多样化的墨液组合方式可以实现不同材料喷印的有机结合，实现图案化，阵列化，并且灵活性和加工效率大大提高。

5.本发明提出的一种空间分布可调的阵列化等离子体/电流体喷头装置集增减材加工与一体，针对不同的需求具有多种不同的加工模式，不仅能够打印不同密集度的阵列化图案，还能够用于大面积、多层薄膜材料的制备与加工，甚至能够实现曲面上的打印，其效率高、成本低、数字集成度高、可大规模生产，在微纳制造及柔性电子等领域有巨大的应用前景。

6.本发明通过设置电极板，可改变喷嘴和基板之间的电场分布和大小，使得喷出的墨滴在某一个位置集中，从而达到提高加工精度和分辨率的目的。

7.本发明在喷印材料的同时可实现对材料的改性与刻蚀，可以极大提高装置的使用范围与集成度。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种空间分布可调的阵列集成式喷印装置的整体结构图(不带箱体)；

图2是本发明的喷头结构图；

图3是本发明的伸缩架的结构图；

图4是本发明的墨液腔的整体结构图；

图5是本发明的移动组件的正视图；

图6是本发明的喷头阵列组件的结构示意图；

图7是本发明的箱体结构示意图；

图8是本发明的空间分布可调的阵列集成式喷印装置的整体结构图；

图9(a)-(b)是本发明的点阵列工作示意图；

图10(a)-(c)是本发明的多层薄膜喷印工作示意图；

图11是本发明的增减材一体化工作示意图；

图12是本发明的高度调节示意图。

其中：1：电极板，2：通电螺栓，3：支撑架，4：紫外灯，5：纵向移动电机，6：横向移动电机，7：墨液腔，8：喷头，9：第一伸缩臂9，10：第二伸缩臂，11：连接螺栓，12：滚珠球头，13：滚珠，14：箱体，15：墨液腔槽，16：喷头阵列槽，17：电极槽，18：压线板，7-1：供墨腔盖，7-2：墨液入口，7-3：供墨腔体，7-4：墨液出口，8-1：输出头，8-2：中间接头，8-3：衔接头，8-4：固定接头，8-5：喷嘴，8-6：橡胶塞，8-7：高压电极，8-8：石英管，8-9：墨液通道，8-10：气体通道，8-11：气体输入接口，8-12：墨液输入接口。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明实施例提供的一种空间分布可调的阵列集成式喷印装置，其包括箱体14、布置在箱体14内部呈阵列分布的喷头组以及用于调节喷头位置的移动组件，其中，喷头用于喷射墨液和等离子体，移动组件用于调整喷头的空间位置，箱体14内还设置有电极板1以及用于对从喷头喷印出的墨液进行固化的紫外灯4。通过上述各个组件的相互配合，不仅能够打印不同密集度的阵列化图案，还能够用于大面积、多层薄膜材料的制备与加工，甚至能够实现曲面上的打印，其效率高、成本低、数字集成度高、可大规模生产，在微纳制造及柔性电子等领域有巨大的应用前景。

如图2所示，喷头组中的喷头8包括由上至下依次设置的固定接头8-4、衔接头8-3、中间接头8-2和输出头8-1，其中，输出头8-1作为喷头的最下端，设有内螺纹孔，其通过内螺纹孔与中间接头8-2下端外螺纹配合；中间接头8-2的内部开设有通孔(例如圆形通孔)以及与通孔导通的气体输入通道，通孔内安装有石英管8-8，该石英管8-8从输出头8-1的下端穿出，其出口作为喷嘴8-5，该气体输入通道开设在中间接头8-2的上端，与气体输入接口8-11相连，用于通入产生等离子体所需的稀有气体，此外该石英管8-8内还插装有中空的高压电极8-7，该高压电极8-7的上端与墨液输入接口8-12相连，墨液输入接口8-12与墨液腔7相连，高压电极8-7与石英管8-8之间留有间隙，其中空部分作为墨液通道8-9；衔接头8-3固定在中间接头8-2的外部，并与固定接头8-4相连；固定接头8-4为一空心圆筒，用于保护气体输入接口8-11和墨液输入接口8-12连接处不受外界影响，同时也为后续集成预留了一定空间。

具体的，石英管8-8的外径小于中间接头8-2的内径，其插入中间接头8-2内部，并通过橡胶塞8-6固定在中间接头8-2内，如图2所示，开设在中间接头8-2上端的气体输入通道具有一转折处，以便于与通孔导通，为了保证气体有效的送至喷嘴8-5处，使石英管8-8的布置高度不超过气体输入通道在中间接头8-2转折处的高度，以便于气体顺利流出用于产生等离子体，石英管8-8的下端设计为缩口结构，用于限制喷印墨液或者等离子体射流的束径。

进一步的，高压电极8-7为空心金属针，其通过橡胶塞8-6固定在中间接头8-2上，该橡胶塞8-6除了可以固定高压电极外，另一作用是密封，防止气体从中间接头8-2的上端泄露。

更进一步的，高压电极8-7的一端插入石英管8-8中，其内径小于石英管8-8的内径，因此在石英管8-8和高压电极8-7之间有一定空隙，以用作气体通道8-10，该气体通道8-10与开设在中间接头8-2上端的气体输入通道导通，如此可经气体输入接口8-11将用于产生等离子体的稀有气体经气体输入通道导入气体通道8-10中，并在电压的作用下形成等离子射流经喷嘴8-5喷出，该高压电极8-7的另一端穿过中间接头8-2的上端，并与高压电源和墨液输入接口8-12相连，通过高压电源(一般指输出电压在2kv-7kv的电源)为高压电极8-7通电后，向墨液通道8-9通入墨液，用于电流体喷印，向气体通道8-10通入稀有气体，用于产生等离子体。

如图6所示，电极板1为通过通电螺栓2连接高压电源的金属板，每一喷头组的输出头8-1的两侧对称设有一块电极板，该电极板1的电位为正且小于喷头所连接的电位，用于对从喷头喷射出来的锥状雾化墨滴进行平面内的聚焦，以实现对喷印薄膜的可控性，其电位可调，以实现不同类型聚焦的要求，紫外灯(uv灯)4为固定在喷头旁侧的一排紫外灯，用于对从喷头喷印出的墨液进行固化，以便进行下一步工艺。进一步的，每一喷头组对应设置有一移动组件，每一喷头组与对应的移动组件构成喷头阵列组件，每一移动组件用于调节同组中各喷头间的距离以及相邻喷头组间的距离，以此改变喷头的空间分布。例如，如图1所示，共设有三组喷头组，每一喷头组中设置有四个喷头，12个喷头呈阵列分布，每一喷头组对应设置有一移动组件，即共设有三组移动组件，每一移动组件用于调节同组中4个喷头之间的相对位置，以及该喷头组与相邻喷头组的相对位置。

如图1、3和5所示，移动组件布置在箱体14的内部，其用于安装喷头并带动喷头运动，该移动组件包括支撑架3、位于支撑架3上方的伸缩架以及电机，伸缩架包括彼此配合的第一伸缩臂9和第二伸缩臂10，所述第一伸缩臂9和第二伸缩臂10的结构相同，均为由一系列通过连接螺栓11铰接在一起的伸缩杆构成。如图3所示，伸缩杆的中部设有放置喷头的孔，两端设置有铰接孔，相邻两伸缩杆铰接处的下方设置有带滚珠13的滚珠球头12，使用时喷头插入伸缩杆的孔中，并穿过支撑架3，通过电机带动第一伸缩臂9和第二伸缩臂10做伸缩运动，以调整喷头的位置，进而改变喷头的空间分布，从而调节所喷印薄膜的厚度或者喷印的密集程度，滚珠球头12的滚珠13在喷头运动过程中在支撑架3表面滚动，以大大减小运动时的能量损耗。具体的，所述电机包括纵向移动电机5和横向移动电机6，伸缩架的两端分别连接有横向移动电机6，两端的横向移动电机6用于带动伸缩架做伸缩运动以调节同一喷头组中相邻喷头间的距离，纵向移动电机5与支撑架3相连，通过推动支撑架运动，以改变相邻喷头组间的距离。

如图4所示，墨液腔7包括供墨腔体7-3、用于封盖供墨腔体7-3的供墨腔盖7-1、以及设于供墨腔体7-3上的墨液入口7-2和墨液出口7-4，供墨腔体7-3用于储存电流体喷印所需的墨液，墨液出口7-4通过导管与墨液输入接口8-12相连，供墨腔体7-3内的墨液依次经墨液出口7-4、导管、墨液输入接口8-12导入墨液通道中，以为喷头连续不断的输送墨液，并从喷嘴8-5喷出。

如图7所示，箱体14为一槽式腔体，的内部设置有用于放置墨液腔7的墨液腔槽15和用于布置喷头阵列组件的喷头阵列槽16，箱体14的外部设置有用于布置电机的电机槽17。槽的数量可以根据喷头阵列组件的数量来决定，槽的大小与喷头阵列组件的尺寸都是固定的，可以根据实际需要方便灵活的装拆组件。每增加一组喷头阵列组件，就相应增加一组紫外灯4，箱体外还设置有压线板18，用于固定电流体或者等离子体加工所需的一系列线路，方便机构运行的同时增加美观性。

下面对本发明的空间分布可调的阵列集成式喷印装置的工作过程进行简要说明。

向喷头阵列组件对应的供墨腔通入相应的喷印溶液，并为喷头组连接电压+v1(例如为5kv)，可以在收集基板上打印出点阵列，通过移动组件改变喷头之间的间距，可以缩小点阵列的间距，提高密集程度，如图9(a)和(b)所示；

打开喷头阵列组件对应的紫外灯4，并为置于该喷头阵列组件底部的电极板1连接+v2(例如为2kv，v2<v1)的电压，使收集基板开始运动，同时喷头阵列组件开始喷印工作，在收集基板上形成一层位于电极板1对称中心的平面状喷雾，相邻两喷嘴8-5喷出的平面状喷雾可能会有重叠，在收集基板上形成一层厚度不均匀的膜，如图10(a)所示；

通过电机的协调工作调节伸缩臂，改变喷头之间的距离，直到在基板上形成一层比较均匀的膜为止，此时在平面收集基板上形成一层厚度均匀的薄膜，如图10(b)所示；

向不同的墨液腔7中加入不同的墨液，当墨液从一种喷嘴8-5喷出来形成薄膜后被固化，然后继续在该薄膜上喷印另一种墨液，如此往复，可以根据实际需要喷印不同层数与材料的薄膜，如图10(c)所示；

向气体通道8-10通入稀有气体并为高压电极8-7接上电压，在喷嘴8-5底部形成等离子体射流，利用阵列化的等离子体射流对薄膜进行图案化的刻蚀与改性，接着可以在所刻蚀的沟道里面填充所需材料，从而实现增减材一体化成形，如图11所示。

当然，本发明装置不仅限于该加工工艺，可以根据实际需要实时调整电流体喷印和等离子体喷头的数量和相对位置，进行更加复杂、精细的加工。为了进一步增强该装置的灵活性和适用范围，可以在每个喷头上安装独立的驱动装置。因此可以根据基板的高度实时调整每个喷嘴8-5的高度，实现在曲面上的加工，如图12所示。

本发明将电流体喷头和等离子体喷头集成为一体，根据不同的工作需要，通入喷印墨液或者稀有气体，可以分别在同一喷头上实现电流体喷印和等离子体加工(刻蚀、改性等)，实现了增减材一体化。同时，本发明对兼容电流体和等离子体的喷头实现了阵列化，将喷头阵列进行分组，可以根据需要实时增减喷头阵列的数量，组与组之间独立工作，可以先后在同一基底上喷印不同类型的墨液。另外，喷头阵列之间的距离可以改变，这对于提高打印阵列化图案的密集度和喷印薄膜的均一性有一定帮助。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。