交指型共挤设备及用于沉积包括交指型材料的结构的方法

摘要

共挤设备，具有：至少一个第一入口，接收第一材料；至少一个第二入口，接收第二材料；第一组合通道，接收第一材料和第二材料并将它们组合成在第一方向上流动的第一组合流；分裂通道，接收第一组合流并将它分裂成至少部分地正交于第一方向的第二方向上的至少两个分裂流，每个分裂流由第一材料和第二材料组成；第二组合通道，接收分裂流并将它组合成第一方向上的第二组合流；及至少一个出口，布置为允许材料作为单个流流出该设备。用于沉积包括交指型材料的结构的方法，包括：将至少两个材料的流合并成第一方向上的第一组合流；在第二方向上分割第一组合流以产生至少两个分离流，其中该第二方向垂直于该第一方向；将两个分离流合并成第二组合流。

说明书

技术领域

本发明涉及交指型共挤设备(interdigitated co-extrusion device)。 

背景技术

诸如蓄电池、燃料电池、电互连线等的许多设备都可以受益于不同材料的紧密相间的交指型条(tightly spaced interdigitatedstrip)。术语“条”用在这里的意思是，线状或其他形状的材料，其仅包含该材料。它不与相邻的其他材料的条混合。 

当试图制造紧密相间的交指型条时，出现了一些问题。在一个方法中，使用压缩的流动聚焦(flow focusing)产生浆形功能性材料的优良特征。这一方法的实例可以在2010年8月3日颁布的美国专利No.7,765,949以及在2010年9月21日颁布的美国专利No.7,799,371中找到。这些专利中采取的方法涉及将材料组合成“共层(co-laminar)”流，其中两个不同材料的三个层流被带到一起以形成一个流，但是这两个材料不混合在一起。这一方法满足了其中特征以毫米标度间距按照数十微米的数量级排列的应用。例如，一个太阳能电池可以具有156mm的宽度和大约80个栅线，每个栅线大约50微米宽，且相邻栅线之间间隔将近2mm。 

相比而言，在用于能量存储设备的电极设计中需要的交指型结构可能要求以微米标度交叉的微米标度特征。例如，一个通常的阴极结构可以包括5微米宽和100微米高的交叉结构。一个电极结构可以是300mm宽且有不同材料的60,000个交叉指。从分立的喷嘴或从多材料的缝容器中分配这些材料将是不切实际的。 

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种共挤设备，包括：至少一个 第一入口，用于接收第一材料；至少一个第二入口，用于接收第二材料；第一组合通道，所述第一组合通道被布置为接收所述第一材料和所述第二材料，并将所述第一材料和所述第二材料组合成在一个第一方向上流动的一个第一组合流；分裂通道，所述分裂通道被布置为接收所述第一组合流，并将所述第一组合流分裂成在一个第二方向上的至少两个分裂流，所述第二方向至少部分地正交于所述第一方向，其中每个分裂流是由所述第一材料和所述第二材料组成；第二组合通道，所述第二组合通道被布置为接收所述分裂流，并将所述分裂流组合成在所述第一方向上的一个第二组合流；及至少一个出口，所述至少一个出口被布置为允许所述材料作为单个流流出所述设备。 

在一个实施方案中，所述组合通道还被布置为聚焦所述组合流，以使得所述组合流的横向延伸量小于该流被组合之前的个体流的横向延伸量之和的横向延伸量。 

在一个实施方案中，所述共挤设备具有多个分裂通道和多个组合通道。 

在一个实施方案中，所述出口与一个最终组合通道流体连通，以允许所述材料作为一个最终组合流流出所述设备。 

在一个实施方案中，所述设备中的通道被清扫(sweep)。 

在一个实施方案中，所述出口是斜切的(chamfered)。 

在一个实施方案中，所述设备以相对于衬底成一个角度的方式位于所述衬底附近。 

在一个实施方案中，所述共挤设备还包括一个第三入口，用于接收第三材料，所述第一组合通道被布置为接收所述第一材料、所述第二材料和所述第三材料，并将它们组合成所述第一组合流。 

根据本发明的另一方面，提供一种共挤设备，包括：第一片材料，所述第一片材料具有至少一个分离结构阵列以及至少一个分裂结构阵列，所述分离结构和所述分裂结构具有入口和出口；第二片材料，所述第二片材料被布置为与所述第一片材料相邻，所述第二片材料具有至少一个组合结构阵列以及至少一个挤压结构阵列，所述组合结构具有入口和出口；所述分离结构的出口与所述组合结构的入口对齐；所述组合结构的出口与所述分裂结构的入口对齐；及所述分裂结构的出 口要么与另一组合结构阵列的入口对齐，要么与一个挤压结构阵列的入口对齐。 

在一个实施方案中，所述共挤设备还包括第三片材料，所述第三片材料被布置为邻接所述第二片材料的与所述第一片材料对立的一侧。 

在一个实施方案中，所述第一片材料被布置为接收第一材料。 

在一个实施方案中，所述第三片材料被布置为接收第二材料。 

在一个实施方案中，所述共挤设备还包括：第一分配歧管，所述第一分配歧管被布置为邻接所述第一片材料；及第二分配歧管，所述第二分配歧管被布置为邻接所述第三片材料，每个分配歧管被布置为分发与其他分配歧管不同的材料。 

在一个实施方案中，所述共挤设备还包括印刷头。 

在一个实施方案中，所述第一片材料包括一个分离结构阵列和两个分裂结构阵列。 

在一个实施方案中，所述第二片材料包括两个组合结构阵列和一个挤压结构阵列。 

在一个实施方案中，所述组合结构还包括：组合和聚焦结构，所述组合和聚焦结构在一个组合区域中的横向延伸量与在该组合区域之前的一个区域的横向延伸量大致相同。 

根据本发明的又一方面，提供一种用于沉积包括交指型材料的结构的方法，包括：将在第一方向上的至少两个材料的流合并成一个第一组合流；在第二方向上分割所述第一组合流，以产生至少两个分离流，其中所述第二方向垂直于所述第一方向；及将这两个分离流合并成一个第二组合流。 

在一个实施方案中，所述合并至少两个材料的流包括：将所述流合并成一个组合流，所述组合流的横向延伸量小于该流在组合之前的个体流的横向延伸量之和的横向延伸量。 

在一个实施方案中，所述方法还包括将所述第二组合流沉积在一个衬底上。 

在一个实施方案中，所述分割和所述合并根据需要被重复，以获得具有一个预定数量的交指型区域的一个最终组合流。 

在一个实施方案中，一个第一材料的流具有比一个第二材料的流更大量的材料。 

在一个实施方案中，所述合并至少两个材料的流包括合并三个或更多个材料的流。 

附图说明

图1示出了两个材料的流体流形成一个交指型单流的框图。 

图2示出了流体路径的一个实施方案的等比例视图。 

图3示出了流体共挤设备的一个实施方案的分解视图。 

图4示出了共挤设备和衬底的一个实施方案。 

图5示出了具有交指型结构的金属空气电池的一个实施方案。 

图6-10示出了交指型共挤的一些实施方案。 

图11示出了组合通道的一个实施方案。 

具体实施方式

为了获得具有微米标度的微米特征的交指型结构，可以组合和聚焦两个或更多个流，将该组合流分裂成分离的组合流，然后在重复阶段中再组合并进一步聚焦所述流。这一讨论将把产生不同流体的交指型流的流体处理称为“流体折叠(fluid folding)”。这一讨论也把执行组合、聚焦、分裂和再组合等操作的流体结构称为“折叠级联(folding cascade)”。 

术语“聚焦”用在这里的意思是，不同流体的两个或更多个流组合成一个组合流，该组合流在宽度上的横向延伸量至少小于组合之前的流的横向延伸量之和。通常，聚焦之后的组合流的宽度的横向延伸量近似等于组合之前的流之一的横向延伸量。例如，如果组合流由材料A和材料B各自的一个“条”或指组成，那么该组合流将具有度量为X的横向延伸量。当该流被分裂然后再组合时，现在具有两个条，每个条由材料A和B交叉而成，这一流将具有与先前流相同的横向延伸量X。 

图1示出了两个材料的流的横截面图。图1中的所有流都在垂直于页面的轴向方向上。所有的流都沿着从页面出来的横截面示出。材料A 10和材料B 12在阶段14彼此分离地流动。然后它们在阶段16 组合，以形成第一组合流。这一流在阶段18聚焦。应注意，该组合和聚焦可以在级联内同时或逐渐发生。 

在阶段20，该组合流分裂成两个分离的组合流。注意，该级联是三维的，因此该分裂发生在一个既正交于流向、又正交于初始组合和聚焦方向的方向，即，该图中的上下方向。 

这两个组合流彼此分离地移动，并且在阶段22被引导为横向邻近。在阶段24，这两个分离的组合流组合成第二组合流，然后该第二组合流在阶段26聚焦。然后，这一组合流在阶段28以与阶段20相似或相同的方式再次分裂，在阶段30分离，然后在阶段32再组合。然后，在阶段34，该组合流被聚焦。尽管这一处理可以如期望的重复多次，且仅受限于材料在组合时保持彼此分离而不完全混合的能力，但在某一点该组合流将作为单个流经由出口或喷嘴流出该级联。这一技术的一个优势在于，它有能力产生比输送它们的流体通道小得多且数量更多的材料特征。 

图2示出了级联的一个实施方案。第一材料经由通道40进入该级联，并且第二材料经由通道42进入该级联。注意，这些通道，因其分离流或维持流之间的分离而被称为分离通道，可以弯向一侧或另一侧，并改变水平位置。这两个流被使用组合通道44组合。如上所述，该组合通道具有聚焦区域46，在该聚焦区域46中该组合流被压缩或聚焦到一个其横向延伸量近似等于个体分离通道40和分离通道42中的任一个的横向延伸量的通道中。 

然后该组合流在组合通道46和分裂通道50和48的连接处分裂成两个分离的组合流。如图2所示，所述分裂通道在正交于组合通道46中的组合流的方向上将流分裂。在这一实例中，该组合流相对于组合通道46被“上”“下”分裂。该方向可以不是完全正交的，而是可以是部分正交的，诸如以正上方和正前方之间的一个角度向上。分裂通道50和48中的每个组合流是由一条或一指第一材料和一条或一指第二材料组成。如上所述，该设备是三维的，并且可以由一些层形成。 

这两个分离的组合流被组合通道52再组合成第二组合流，该组合通道52也聚焦第二组合流。在这一实例中，第二组合流由四个交叉指组成，第一材料和第二材料各2个。然后第二组分裂通道58和54将 第二组合流分裂成两个分离的组合流。结构58包括另一个组合通道，形成具有8个交叉指的第三组合流，第一材料和第二材料各4个。可选地，结构58也可以包括具有斜切壁(chamfered wall)的出口，以允许组合流作为单个流流出该级联。 

在操作中，参看图2，第一材料在层+140进入该级联。组合层充当参考层0。然后第二材料在层-142进入该级联。这两个材料在层0--在该实例中为Y结构46--组合成组合流。注意，该组合流由两条材料组成，第一材料和第二材料各一条。然后分裂通道48和50将该组合流分成两个分离的组合流，各自流入层+1和层-1。然后这些层在52再组合成第二组合流。注意，该组合流现在具有4条材料，第一材料和第二材料各2条。 

应注意，图2的结构在各层之间可以具有陡峭的过渡。这会在各个过渡的角落中导致死体积(dead volume)，其中材料初始聚集在角落中，而其余的流经过该聚集的材料。然而，随着时间的流逝，并且随着该设备的启动和停止，聚集的材料会变硬或以其他方式阻塞出口。另外，这些陡峭的过渡可以引起流的不规则性，这可以导致条中的材料的基本上或完全的混合。于是，或许期望对流进行“清扫”，这意味着角落成角度地或以其他方式加工、切割或成型，以消除陡峭的阶梯。这在如下共同未决的申请中进行了讨论：“Oblique Angle Micromachining of Fluidic Structures”(Attorney Docket No.20100587-US-NP-9841-0215)。 

在流体--其可以是浆--的维持它们的单独成分而不完全混合的约束内，只要期望，分裂和组合处理就可以继续。在组合和聚焦的每个阶段，线数(line count)加倍且每个线的宽度减半。累积的线宽度减小是2ⁿ，其与线的数量的增加相同。从制造立场看有益的是，该设备由一些被分立地制作然后以对齐公差堆叠的层组装而成。然后这些层被夹住或结合在一起。图3示出了这样的设备的一个实施方案。 

在这一实施方案中，该设备由9层组成，在这一具体实例中，螺栓--诸如将使用螺栓孔63的螺栓--通过所有这些层上的相应孔将该设备夹在一起。两个材料从该设备的对立侧进入。然而，这只是一个实例，而不旨在、也不应暗示限于任何特定配置。进一步，这一 具体实例使用两个材料，并且具有重复25次的3个级联。这些都由用于辅助理解本发明的实例组成，而不旨在、也不应暗示限于任何特定配置。 

第一材料通过密封板63进入设备，进入分配歧管61；第二材料通过对面的密封板59进入设备，进入分配歧管65。每个歧管向将要执行流体折叠的级联阵列产生基本相等的流体压力源。 

可选地，层71和75分别包含系列端口60和70。这些层针对该设备的每个级联提供了一个进入点，并且可以有助于进入这些级联的材料的压力平衡。这些层也可以被称为层-2和+2，以对应于上文使用的层参考标记。 

在第一流体折叠层71上，端口阵列70将第一流体从其分配歧管运送到第二流体折叠层81上的分离通道阵列62。在第二流体折叠层上，第一流体被在第一方向上横向地转向。在第三流体折叠层75上，端口阵列70将第二流体从其分配歧管运送到第四流体折叠层85上的分离通道阵列72。在第四流体折叠层85上，第二流体被在与第一方向对立的第二方向上横向地转向。 

分离通道的方向可以是灵活的。为了方便，在这一实施方案中，给定层上的所有分离通道都在同一方向上弯曲。参看层81，例如，阵列62、64和66中的分离通道都使流横向转向该图的右侧。这些通道可以采取不同方向，或者也可以全都朝左。对于层85上的阵列72、74和76中的分离通道，这也同样成立。 

在第五流体折叠层95上，来自第二层和第四层的流被阵列80中的组合通道组合并聚焦成共层流。然后这些流在第二折叠层和第四折叠层上分别通过阵列64和74“竖直地”分裂成两个流。在第二流体折叠层上，使用阵列64，第一组合流在第一方向上被横向地转向。在第四流体折叠层上，使用阵列74，第二组合流被横向地转向到分离通道的阵列中。 

然后这些流返回到第五流体折叠层95，这里，使用阵列82，它们组合并聚焦成第二组合的共层流。这一处理重复n次，每次都使材料的交指型条数量加倍。在分裂和分离的最后阶段的下游，来自所有这些级联的流可选地一起组合到一个公共挤出缝孔。在所提供的实例中， 存在重复3次该处理，导致从每个级联得到8个交指型条。存在25个级联，从而得到的流将具有200个交指型条，每个材料100个。 

应注意，尽管这里示出该设备将材料布置在挤出孔的对立侧，但这些材料可以在该孔的同一侧被引入。 

图3的这一共挤设备可以被配置为并相对于衬底移动以运输材料线，如图4中作为设备104所示。衬底102将被布置为与施加器以一个10-1000微米的数量级的距离紧密相邻，该距离被称为工作距离。该衬底相对于该设备以一个相当于流体流出印刷头/施加器106的速度移动。该共挤设备包含流体储存器以及印刷头/施加器106，以及控制和电源电路。可选地，所述流体储存器可以位于远程位置，并且根据需要通过软管或其他管道将流体输送到该设备。 

在一个实施方案中，该印刷头组件被配置为具有以使得分层组件可以以倾斜角度保持与衬底紧密相邻的方式--通常以45度--被斜切或切除的部件。印刷头组件的倾斜使得能够形成如下特征，即，从流体出口流出的浆与衬底上沉积的浆形成钝角(在90度和180度之间)。这减小了挤出浆上的弯曲张力，这可以有助于保存交指型特征保真度、降低混合并提高印刷速度。 

诸如图2-4所示的共挤设备，可以被用来形成受益于不同材料的紧密相间的交指型条的设备，包括蓄电池、燃料电池、电互连线及其他。在互连线的情况下，竖直堆叠的集成电路可以沿着它们的边缘与由绝缘间隔物分隔的一系列金属线互连。在电化学设备--诸如燃料电池和蓄电池--的情况下，交指型结构可以在多方面增强性能。金属空气蓄电池的空气阴极可以被构造为具有亲水区域和疏水区域的交指型区域。这通常将展现出改进的氧还原活性，从而改进该设备的功率输出。 

图5示出了这样的设备110的一个实例。疏水膜114上具有电极112。分离器116位于电极112上。这一实例中的电极由多孔疏水区域118和多孔亲水电催化剂区域120的交叉指组成。如上所述，这可以展现出改进的氧还原活性，并改进功率输出。进一步，增大三相边界的表面积，在此三相边界处，固体催化剂颗粒、液体电解质和气相反应物相互作用。对于昂贵的催化剂，诸如铂，这样的结构提供了显著 降低成本的潜力。 

图6-10示出了尤其用于蓄电池电极构成的交指型共挤结构的实施方案。在图6中，电极130由两个材料组成。第一材料132是电极材料，诸如阴极活性电极或阳极活性电极。材料134是离子性传导材料(ionically conductive material)，要么通过固体电解质传导，要么通过多孔结构。或者，材料134的区域可以是在制造过程中的稍后的干燥或烘烤阶段被去除的临时材料(fugitive material)或牺牲材料。在图6中，较薄的、离子性传导区域贯穿该电极层的整个厚度。 

在这样的特征的形成过程的一个实施方案中，在折叠之前的初始流可以由两个材料流组成，一个是134，一个是132。或者，在折叠之前可以存在三个流，材料134的一个流被132的流包围。这可能是重要的，要是这两个材料与流体通道壁的相互作用不同，否则会在这些流的组合、混合和分离中导致缺乏对称性。 

应注意，导电阴极材料或导电阳极材料以及第二材料在膜上的沉积形成了具有流体形式的不同材料的交指型特征的结构。术语“流体”用在这里的意思是，凝胶(gel)、浆(paste)、浆液(slurry)或悬浮液(suspension)。尽管这些结构可以经历干燥或烘烤阶段，但它们将初始以流体形式存在。 

进一步，这些结构中的至少之一将通常具有高纵横比。术语“纵横比”用在这里的意思是，一个结构或特征的最大高度对最大宽度的比值。参看图6，可以看到该交指型结构中的特征134具有高纵横比，其高度(从该页面顶部到底部的方向上)远大于其宽度(从左到右横跨该页面)。通常，由交指型材料之一形成的特征中的至少之一将具有大于1的纵横比。 

在一个替代实施方案中，如图7所示，离子性传导区域并没有贯穿该电极的整个厚度。这可以在两个处理中形成：首先形成阴极材料或阳极材料的总涂层(blanket coat)，接着形成该离子性传导区域和该电极材料的交指型涂层。单步骤的方法将利用聚挤(poly-extrusion)，其中通过调整将材料引入印刷头中的时机，将总的电极材料引入在离子性传导材料之下。 

必须注意，材料的比例相差很大，阴极或阳极材料132的宽度远 大于离子性传导材料134的宽度。这可以以许多不同方式发生。例如，输入通道，诸如图2中的42和40，可以具有不同的尺寸。或者，将材料放入通道中的流率可以不同，进入这些通道之一的材料132比材料134多得多。 

在图8中，第三材料通过印刷头被引入，在此情况下，第三材料是主要导电材料140，这里术语“主要”指的是具有比其他材料更高的相关特性表现的材料。印刷头中的材料的操纵以及后续折叠处理可以被控制，以允许形成这些类型的结构。例如，这三个材料可以在一个三路折叠操作中被组合以形成该结构的中心层，并且可以在施加中心层之前或之后执行两层折叠。这可以用三个相续的施加器执行，或集中在执行所有三个折叠操作的单个施加器中。在这一实施方案中，重要的将是，对齐流体层以使得图9中的特征在挤出的结构中连贯。 

图9示出了与图7相似的结构，其中材料134是临时材料，在印刷之后被去除，留下诸如142之类的间隙。图10示出了与图8相似的一个实施方案，其中临时材料被去除，留下间隙142，并且具有主要导电材料140。这些间隙可以随后被填充有电解质材料，诸如液体电解质，以在该电极结构中制成基本离子性导电区域。 

这些间隙也可以随后被填充有相反的阴极或阳极材料，以及间隔物材料--其防止阳极材料和阴极材料电接触，但允许离子在电极之间传输，从而形成诸如蓄电池之类的电化学电池的具有交替的阴极区域和阳极区域的相对电极(opposing electrode)。或者，这些间隙可以被填充有第二电极材料和间隔物材料，从而形成电解电容器或超级电容器的相对电极。 

前文讨论中提及了一个替代实施方案，其涉及流动的三个材料。回顾图2，可以看到有可能改变初始流。可以有三个或更多个输入通道进入组合通道46，而不是仅有两个输入通道40和42。它的一个实例由图11中的组合通道146示出。在图11中，组合通道具有三个输入通道，从而允许组合3个材料。从这一点起，在该过程中向前，其余结构将是相同的。然而，其余结构将折叠三个材料流，而不是折叠两个材料流。也可以使用多于3个输入通道；这里只提供了多于2个材料的一个实例。 

以此方式，可以使用共挤设备形成在微米标度上具有微米特征的交指型结构。该共挤设备可以采取印刷头的形式，从而允许使用印刷技术来更快地形成该结构。 

应认识到，上面公开的一些特征和功能以及其他特征和功能，或其替代物，可以根据需求组合成许多其他的不同系统或应用。而且，本领域技术人员以后可以做出的各种目前尚未预见的或预料的替代、变体、改型或改进，也旨在被下列权利要求覆盖。