一种双圆环诱导聚焦的电射流打印方法

本发明涉及先进制造，尤其涉及一种双圆环诱导聚焦的电射流打印方法。

背景技术：

1、基于电流体动力学(electrohydrodynamic)原理的电射流打印(e-jet printing)技术，利用静电场力将流体从喷孔处拉伸出大径缩比微细射流，并结合工作平台的平面运动可以直接在接收基板上形成微纳结构器件。其工作原理是：在喷嘴与接收板之间施加一定强度的外部电场，液体内部将产生极化电荷，极化电荷与液体中自由电荷在电场作用下向液体外表面运动，聚集于液体表面的电荷在电场作用下产生电场力，驱使液体向液膜顶端流动并被拉伸成尖锥状(泰勒锥)，最终在尖锥末端形成稳定锥射流，沉积到接收基板上。在这一过程中，作用于液体尖锥上的电场力、表面张力、重力、粘性力达到动态平衡，从而维持电流体动力射流的稳定。当前的电喷射打印技术与传统的压电、加热或气泡驱动的喷墨技术相比具有明显的优势。如，电喷射打印不需要复杂的喷头制作工艺，只需要一根金属导管，降低了喷孔制作的难度；同时电喷射相比喷墨打印最明显的优势是它可以采用简单的方法获得射流直径远小于喷孔直径1～2个数量级的射流。

2、电流体动力射流的电场控制是电射流打印的关键环节。在电射流打印的过程中，电场力极易受到接收基板与喷嘴间距离以及基板材料属性的影响而变得离散，不仅难以获得精确聚焦的稳定射流，而且会大大降低打印图案的质量。

3、现有研究表明，为了提高射流稳定性，通常需将打印距离设置为微米级。然而，在此基础上调控电场时，不仅容易产生电压击穿，而且打印图案会影响电场线的分布，降低打印的均匀性。文献“n.martinez-prieto,m.abecassis,j.xu,p.guo,j.cao,andk.f.ehmann,feasibility of fiber-deposition control by secondary electricfields in near-field electrospinning,j.micro nano-manufacturing,2015,3(4),1–6.”通过在喷嘴和基板之间添加辅助电极环来诱导射流流动的方法，可以有效提高打印距离。但是会发生边缘效应，这将导致射流移动到辅助电极，所以需要及时调整辅助电极的位置，否则会严重影响射流的连续性。除此之外，在绝缘基板上进行电射流打印同样面临着巨大的挑战。一方面，绝缘基板与喷嘴之间不能形成稳定的静电场，甚至抑制射流的产生。另一方面，绝缘基板的极化会排斥带电射流，严重影响打印精度。文献“c.wei,h.qin,c.p.chiu,y.s.lee,and j.dong,drop-on-demand e-jet printing of continuousinterconnects with ac-pulse modulation on highly insulating substrates,j.manuf.syst.,2015,37,505–510.”通过使用交流脉冲电压进行打印来抵消电荷在绝缘衬底上的积累，但仍然不能避免衬底极化现象，从而影响电射流的打印质量。所以，以上所述方法都不能同时改善绝缘基板和打印距离的问题，严重阻碍了电射流打印技术的发展和应用。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是克服现有技术缺陷，发明了一种双圆环诱导聚焦的电射流打印方法。该方法中利用双圆环作为诱导电极，产生静电聚焦电场，从而诱导金属微针尖端处墨水聚焦并喷射出分辨率为微纳米尺度的液滴，突破了电射流打印的近场距离限制和对接收基板的依赖性。不仅能够在毫米级打印距离条件下实现微纳尺度的图案化打印，而且不依赖于接收基板的材料属性，即在绝缘基板上同样可以实现微纳打印制造，具有打印分辨率高，成本低，材料适应性广等特点。

2、本发明采取的技术方案如下：一种双圆环诱导聚焦的电射流打印方法，设置双圆环作为诱导电极，产生静电聚焦电场，用于诱导金属微针1尖端处墨水喷射出微小液滴至接收基板5，实现微纳器件的制造。具体步骤如下：

3、第一步，制备并安装打印装置；

4、腐蚀金属微针1，使其表面具有粗糙化结构3，从而改变其表面能，促使墨水能够浸润其表面，以提供充足的墨水量；将腐蚀后的金属微针1底端固定在底座8上，尖端位于上导电圆环4和下导电圆环2之间；脉冲电源6与高压放大器7相连，并将放大后的电压施加到金属微针1上；下导电圆环2和上导电圆环4接地作为接地极，与金属微针1之间形成静电聚焦电场；

5、第二步，打印微纳米液滴；

6、配置打印墨水，通过类似蘸笔的方式将微量墨水附着在金属微针1尖端处，使尖端完全浸没在墨水中；墨水在粗糙化表面结构3的作用下提高自身的浸润性，保持停留在微针1尖端表面；通过脉冲电源6和高压放大器7在金属微针1上施加直流电压或脉冲电压，调节脉冲幅值、脉冲占空比和脉冲频率，使得金属微针3尖端处的微量墨水在静电聚焦电场作用下克服液膜表面张力和粘滞力，进一步变形、聚焦和锐化，形成微纳米液滴，发射到距离金属微针1尖端0.01～5mm处的绝缘基板5上，随后浸润在尖端粗糙化结构3表面的墨水进入下一次液滴发射周期。

7、所述上导电圆环4和下导电圆环2分别固定于移动平台上，二者中轴线同轴；金属微针1处于两导电圆环的中轴线上。

8、金属微针1的尖端曲率半径为0.01～10μm。

9、所述直流电压的电压值为50～2000v；脉冲电压的脉冲幅值为50～1000v，脉冲频率为10～5000hz，控制其打印速率；脉冲占空比为10～40％，控制液滴体积。

10、所述步骤一的腐蚀金属微针1采用氯化铁溶液进行腐蚀。

11、本发明的有益效果：能够在毫米级的打印距离实现微纳米尺度的电射流打印制造。此外，打印过程可以不依赖于接收基板的材料属性，即使在绝缘基板上同样可以实现高分辨图案化打印。通过改变外加脉冲电压参数(脉冲幅值、脉冲频率和脉冲占空比)，可调节墨水聚焦状态，进一步控制液滴打印速度和液滴体积。采用双圆环静电聚焦电场进行电射流打印，可以有效扩大接收基板的材料及墨水种类的适应性，同时可以实现毫米级打印距离的微纳米图案化打印。该方法在柔性薄膜晶体管与微透镜等领域有着广泛的应用前景。

技术特征：

1.一种双圆环诱导聚焦的电射流打印方法，其特征在于，设置双圆环作为诱导电极，产生静电聚焦电场，用于诱导金属微针(1)尖端处墨水喷射出微小液滴至接收基板(5)；具体步骤如下：

2.根据权利要求1所述的双圆环诱导聚焦的电射流打印方法，其特征在于，所述上导电圆环(4)和下导电圆环(2)分别固定于移动平台上，二者中轴线同轴；金属微针(1)处于两导电圆环的中轴线上。

3.根据权利要求1或2所述的双圆环诱导聚焦的电射流打印方法，其特征在于，

4.根据权利要求3所述的双圆环诱导聚焦的电射流打印方法，其特征在于，所述直流电压的电压值为50～2000v；脉冲电压的脉冲幅值为50～1000v，脉冲频率为10～5000hz，脉冲占空比为10～40％。

5.根据权利要求1或2所述的双圆环诱导聚焦的电射流打印方法，其特征在于，所述步骤一的腐蚀金属微针(1)采用氯化铁溶液进行腐蚀。

技术总结
本发明属于先进制造技术领域，提出一种双圆环诱导聚焦的电射流打印方法。该方法利用双导电圆环作为诱导电极，产生静电聚焦电场，从而诱导金属微针尖端处油墨打印出分辨率为微纳米尺度的图案。首先制备并安装打印装置，然后通过类似蘸笔的方式将墨水覆盖在金属微针尖端表面。接着将双导电圆环接地，金属微针接电源，在双导电圆环与金属微针之间形成静电聚焦电场，墨水在静电聚焦作用下形成泰勒锥并进一步锐化，最后发射至接收基板上。该方法将金属微针放置在双导电圆环中，能实现在绝缘基板上进行电射流打印，同时可以将打印距离提高至毫米级，操作简便，打印分辨率高，墨水适应性强。

技术研发人员：梁军生,李晓建,肖剑平
受保护的技术使用者：大连理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13