基于热释电效应的纳米喷射-微纳复合喷射装置及其控制方法

摘要

本发明公开了一种基于热释电效应的纳米喷射-微纳复合喷射装置的机构设计及其控制方法。该纳米喷射装置包括喷射机构、热释电晶体、压力源、热源以及控制机构，该装置通过热释电晶体在热源作用下产生电场，将溶液拉出形成纳米级液滴，其可避免传统纳米喷射装置上直接施加电场所需的高电压和复杂电路引起的诸多问题。该微纳复合喷射装置还增加了传统喷射装置的压电机构，当需制作微米级液滴时，断开热源，即可采用进行微米级喷射，从而实现微纳米的复合转换。

说明书

技术领域

本发明涉及微滴喷射及其自由成形技术领域，尤指一种基于热释电效应的纳米喷射-微纳复合喷射装置的机构设计及其控制方法。

背景技术

微滴喷射装置被广泛应用于印刷电路板制造技术、显示器制造技术以及喷墨打印机技术等。目前微滴喷射装置根据其喷射分辨率不同，通常分为微米级喷射和纳米级喷射，两者的喷射原理完全不同。微米级喷射是通过驱动膜片等使喷射腔内的液体喷射而出，是一种“喷”式喷射，其结构相对简单；而近年来，备受关注的电流体喷射是一种“拉”式喷射，可达到纳米级的分辨率，但由于需要配备高压电路和复杂电极，其应用受到较大限制。

针对现有纳米级喷射装置的不足，需要设计一种喷射装置，其可避免直接施加电场所需的高电压和复杂电路引起的诸多问题。

另一方面，由于微米喷射与纳米喷射在原理、喷嘴结构及其他辅助设备上的不同，一般在喷射印刷技术中很难实现两者的复合使用，为此在对具有纳米级结构的产品进行喷射时，必须采用纳米喷射装置，即使某些结构可以采用微米级喷射，也很难再转换到微米喷射设备中，这将大大降低喷射效率。针对这一问题，开发一种微米与纳米喷射复合的装置意义重大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于热释电效应的纳米喷射装置，其通过热释电效应产生强电场，无需复杂电路，结构简单。

本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种基于热释电效应的微纳复合喷射装置，其可以方便实现微米及纳米喷射的切换。

本发明所要解决的又一技术问题在于提供一种上述微纳复合喷射装置的控制方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术解决方案是：

一种基于热释电效应的纳米喷射装置，包括喷射机构、热释电晶体、压力源、热源以及控制机构；该喷射机构包括喷嘴、喷射腔以及储料筒，该喷嘴设置在喷射腔的下方，该喷射腔与该储料筒内的储料腔相连通，该储料筒设有进口接头与外部的压力源相连接，该压力源使储料腔内部形成背压；该热释电晶体设置在所述喷嘴的正下方；该热源对热释电晶体加热以产生热释电效应。

优选地，所述的喷射腔直接设置在储料筒的下方，或者通过一流道与所述的储料腔相连通。

优选地，所述的储料筒外侧设置有加热圈。

优选地，所述的加热圈外侧设置有隔热圈。

优选地，所述的流道内设置一加热棒。

优选地，进一步包括热释电晶体夹持及运动机构，该热释电晶体夹持及运动机构包括用以固定安装热释电晶体的夹持架以及可调节夹持架高度的直线电机。

一种基于热释电效应的微纳复合喷射装置，包括喷射机构、热释电晶体、压力源、热源以及控制机构；该喷射机构包括喷嘴、喷射腔、驱动膜片、推杆、压电陶瓷以及储料筒；该喷嘴设置在喷射腔的下方，该驱动膜片设置在该喷射腔的上方，该推杆位于所述驱动膜片上方；所述的压电陶瓷施加电压后产生变形带动推杆移动；该储料筒内的储料腔通过流道与所述的喷射腔相连通，该储料筒设有进口接头与外部的压力源相连接，该压力源使储料腔内部形成背压；该热释电晶体设置在所述喷嘴的正下方；该热源对热释电晶体加热以产生热释电效应。

优选地，所述的储料筒外侧设置有加热圈。

优选地，所述的加热圈外侧设置有隔热圈。

优选地，所述的流道内设置一加热棒。

优选地，进一步包括热释电晶体夹持及运动机构，该热释电晶体夹持及运动机构包括用以固定安装热释电晶体的夹持架以及可调节夹持架高度的直线电机。

优选地，所述的喷射机构进一步包括可将压电陶瓷的变形量放大的压电放大机构。

优选地，所述的压电放大机构为菱形放大机构，所述的推杆通过锁紧螺母固定在菱形放大器的一侧，所述的压电陶瓷安装在菱形放大器的中间。

上述基于热释电效应的微纳复合喷射装置的控制方法，包括如下两个喷射模式：

（1）微米量级的喷射：由控制机构控制热源断开，控制动力源使储料腔内保持一定背压；控制机构输入一电压脉冲信号作用于压电陶瓷，压电陶瓷产生微小的变形推动推杆向下运动，进而推动驱动膜片向下变形，导致喷射腔的容积减小形成喷射压力，促使液体通过喷嘴形成一定长度的射流；之后控制机构控制电压脉冲信号瞬间消失，推杆复位，使喷射腔内压强减小，液柱回拉，液柱尖端由于惯性继续向远离喷嘴方向前进，最终断裂形成微米级液滴；

（2）纳米量级的喷射：由控制机构控制热源接通，控制动力源工作继续保持储料腔内具有一定背压；同时，控制机构控制切断对压电陶瓷的电压脉冲信号，使压电陶瓷不工作；当热源开始工作时，喷嘴与热释电晶体之间形成电压差，当电场力足够大时，受背压作用汇聚在喷嘴处的溶液将被拉出形成纳米级液滴。

采用上述方案后，本发明提出了基于热释电效应的纳米喷射技术，可避免传统纳米喷射装置上直接施加电场所需的高电压和复杂电路引起的诸多问题。具体的，本发明具有如下优点：

1．将传统的“推”式喷射装置直接用于热释电效应喷射，当热释电晶体在热源作用下产生电场时，利用微喷嘴作为限位体提高纳米喷射稳定性，确保液滴的定位精度；

2．将传统微米喷射方式与热释电效应喷射方式相结合，通过热释电晶体的切换实现无需更换装置的微纳复合喷射方式，这样在进行具有复合特征尺寸的喷射场合时，就可以根据所需特征尺寸灵活选择工作模式，有效提高生产效率。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明所述喷射及压电放大机构的示意图；

图3为本发明所述喷射及压电放大机构的剖视图；

图4为本发明具体应用的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详述。在此需要说明的是，下面所描述的本发明各个实施例中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明所揭示的是一种基于热释电效应的纳米喷射装置，如图1至图3所示，为本发明所述纳米喷射装置的较佳实施例。所述的纳米喷射装置包括喷射机构1、热释电晶体2、压力源、热源以及控制机构。其中：

所述的喷射机构1包括喷嘴101、喷射腔102以及储料筒103，所述的喷嘴101设置在喷射腔102的下方，该喷射腔102与所述储料筒103内的储料腔相连通，该储料筒103设有进口接头104与外部的压力源相连接。

所述的热释电晶体2设置在喷射机构1的喷嘴101正下方。

所述的压力源图中未示出，其可以为气源，用以使储料腔内部形成一定的背压。

所述的热源图中也未示出，其用以对热释电晶体2加热，使该热释电晶体2产生热释电效应。该热源可以为高精度红外热源。

所述的控制机构也未在图中显示，其用于控制各部件的动作。

上述纳米喷射装置的工作原理为：当红外热源开始工作时，喷嘴101与热释电晶体2之间形成电压差（当喷嘴与热释电晶体薄片间的距离适当时，100℃下的热释电晶体可产生电流体喷射时极间10KV的电压），当电场力足够大时，受背压作用汇聚在喷嘴101处的溶液将被拉出形成纳米级液滴，由于喷嘴101处于热释电晶体2的上方，液滴会沉积在基底材料上成型。

进一步的，所述的喷射腔102可以直接设置在储料筒103的下方，也可以通过一流道105与所述的储料腔相连通。

为了增加喷射材料的流动性，或者对于常态为固态的喷射材料来说，可以在储料筒103外侧设置加热圈106，在喷射材料进入到储料腔之后，通过加热圈106对材料进行一次加热，为了防止热量的散失以及影响到其他零部件，可以在加热圈106的外面添加了一个隔热圈107，起到隔热作用的同时也起到了安全保护的作用。还可以在流道105内设置一加热棒108，进一步增加材料的流动性。

所述储料腔的底部可以加工成锥形，有利于喷射材料的汇聚以及供给到流道105中。

由于热释电晶体2距离喷嘴101位置的远近，直接影响着喷嘴附近所形成的电场的强弱，进而影响所制备的微滴的质量，因此在实际使用时，需要可以更精确的设置热释电晶体2与喷嘴101之间的距离。本实施例通过设置热释电晶体夹持及运动机构3来实现。该热释电晶体夹持及运动机构3包括用以固定安装热释电晶体2的夹持架31以及可调节夹持架31高度的直线电机32，采用直线电机32的目的是因为直线电机的精度相对较高，也可以采用其他运动机构。

继续配合图1至图3所示，本发明还揭示了一种基于热释电效应的微纳复合喷射装置，该微纳复合喷射装置同样包括喷射机构1、热释电晶体2、压力源、热源以及控制机构。其中：

所述的喷射机构1包括喷嘴101、喷射腔102、驱动膜片109、推杆110、压电陶瓷111以及储料筒103。所述的喷嘴101设置在喷射腔102的下方；所述的驱动膜片109设置在该喷射腔102的上方，其可以通过膜片压紧件112固定在所述喷射腔102上方。所述的推杆110位于所述驱动膜片109上方；所述的压电陶瓷111施加电压后产生变形可带动推杆110移动。所述储料筒103内的储料腔通过流道105与所述的喷射腔102相连通，该储料筒103设有进口接头104与外部的压力源相连接。

进一步的，由于压电材料具有位移小的缺点，因此可以添加一个压电放大机构也叫做微位移放大机构。本实施例选择菱形放大机构113与压电陶瓷111灵活结合使用，使得结构简单、紧凑。所述的推杆110通过锁紧螺母固定在菱形放大器113的一侧，所述的压电陶瓷111安装在菱形放大器113的中间，这样在压电陶瓷111发生横向微位移的时候，通过菱形放大机构113就带动推杆110在纵向上发生较大的位移，从而喷射出微滴。采用菱形放大机构113不仅可以起到位移放大的功能，还可以将横向的位移转变成纵向的位移。为了使菱形放大器113在发生位移后能够恢复到原来的状态，可以进一步设置一蝶形弹簧组114。由于压电晶体是一种高频发生器，采用蝶形弹簧组114能够更好地响应菱形放大机构113的位移，使得喷射的频率更加稳定，而且蝶形弹簧组114负载变形特性曲线是非线性的，安装方便、使用寿命长等优点。

另外，与上述纳米喷射装置相同的，可以进一步设置加热圈106、隔热圈107以及加热棒108。

所述的热释电晶体2设置在喷射机构1的喷嘴101正下方。所述的压力源及所述的热源均可与上述纳米喷射装置相同。所述的控制机构用于控制各部件的动作。

所述微纳复合喷射装置无需更换喷嘴及辅助设备，即可实现微/纳之间的喷射切换，下面具体说明这两种喷射的具体控制步骤及工作原理：

（1）微米量级的喷射：由控制机构控制红外热源断开，且热释电晶体夹持及运动机构3不工作，控制气源使储料腔内保持一定背压。

射流形成阶段：在这一阶段，控制机构输入一电压脉冲信号作用于压电陶瓷111，压电陶瓷111产生微小的变形经菱形放大机构113放大后，推动推杆110向下运动，进而推动驱动膜片109向下变形，导致喷射腔102的容积减小形成喷射压力，促使液体通过喷嘴101形成一定长度的射流，射流具有远离喷嘴101的速度。

液柱的回拉及颈缩阶段：液体从喷嘴101出来形成射流后，控制机构控制电压脉冲信号瞬间消失，在蝶形弹簧组114的作用下推杆110向上移动，驱动膜片109开始回弹并出现向上的变形，喷射腔102内压强减小。于是由喷嘴101喷射出的液柱受到朝向喷嘴101的作用力，液柱产生朝向喷嘴101方向的加速度。而液柱尖端的液滴由于惯性将远离喷嘴101继续向前运动，于是尖端液滴与液柱间形成颈缩。

液柱断裂及液滴形成阶段：颈缩形成后尖端液滴由于惯性继续远离喷嘴101运动，而液柱则在腔内负压作用下朝向喷嘴101运动。在液滴惯性、液柱回拉力以及表面张力的共同作用下，液柱尖端最终断裂形成液滴，受到回拉作用力的液柱则重新进入到喷射腔102。断裂形成的液滴则飞行至基底指定的位置，与此同时驱动膜片109恢复至初始位置为下一次喷射做好准备。

（2）纳米量级的喷射：由控制机构控制红外热源接通，热释电晶体夹持及运动机构工作，控制气源工作继续保持储料腔内具有一定背压；同时，控制机构切断对压电陶瓷111的电压脉冲信号，使压电陶瓷不工作。

射流形成阶段：在这一阶段，喷射材料在储料腔内背压的作用下汇聚在喷嘴101内；之后在红外热源的作用下，喷嘴101与热释电晶体2之间形成电压差，调整热释电晶体2与喷嘴101的间距，使喷嘴101处的液柱电场的作用下从喷嘴101中“拉”出来。

液柱的回拉及颈缩阶段：液体从喷嘴101中“拉”出形成射流后，控制机构切断红外热源，在表面张力的作用下，被“拉”出喷嘴101的液柱受到朝向喷嘴101的作用力，而液柱尖端的液滴由于惯性将远离喷嘴101继续向前运动，于是尖端液滴与液柱间形成颈缩。

液柱断裂及液滴形成阶段：颈缩形成后尖端液滴由于惯性继续远离喷嘴101运动，而液柱继续朝向喷嘴101运动。在液滴惯性、液柱回拉力以及表面张力的共同作用下，液柱尖端最终断裂形成液滴，受到回拉作用力的液柱则重新进入到喷射腔102，断裂形成的液滴则飞行至基底指定的位置，完成一次喷射。

上述微纳复合喷射装置可以具体应用于制作印刷电子器件的设备中，所述的设备包括上述微纳复合喷射装置，还包括三维运动机构4以及基底材料固定或运动机构，还可以进一步设置视觉引导系统及检测系统（图中未示出）。其中：

所述的喷射机构1安装在所述三维运动机构4上，用以实现该喷射机构1在三维空间内的移动。该三维运动机构4可以采用多种结构实现，本实施例主要由三组线性模组构成，即X轴线性模组41、Y轴线性模组42以及Z轴线性模组43，且各线性模组通过一些组件将其连接在一起可以实现三轴的运动，并将所述的喷射机构1安装在上面。进一步的，所述三维运动机构4安装在一机架6上，该机架6上安装有左支撑架61及右支撑架62，控制前后运动的Y轴线性模组42安装在左支撑架61上面，而控制左右运动的X轴线性模组41通过连接结构安装在Y轴线性模组42的上面，控制上下运动的Z轴线性模组43又利用另一个连接结构安装在X轴线性模组41上，这样就构成了三维运动机构4。为了提高三维运动机构4的稳定性以及控制的精确性，使X轴线性模组41左侧安装在所述Y轴线性模组42上，其右侧通过支撑架44安装在所述右支撑架62上的导轨45上，这样设计的三维运动机构就变成了龙门式，而不是悬臂式，提高了整个装置的稳定性。

所述的基底材料固定机构用于将印刷电子器件的基底材料固定于其上，对于需要基底材料运动的场合，可以设置基底材料运动机构以实现该基底材料的运动。根据基底材料的结构以及性质的不同，该基底材料固定或运动机构可以根据需要采用不同的结构。本实施例以柔性基底为倒，并设置基底材料运动机构5，其包括两组电机51、传动机构52、卷膜筒53、滚筒54以及手轮55。所述的卷膜筒53及滚筒54固定在所述机架6的左、右支撑板63、64之间，柔性基底绕在各卷膜筒53及滚筒54上，且其中一个卷膜筒为卷出卷膜筒，另一个为卷入卷膜筒。该电机51通过电机座56被固定在机架6上。电机51通过传动机构52与卷膜筒53连接，并带动卷膜筒53的转动，实现卷膜筒53对柔性基底的滚卷。而在柔性基底的卷出卷膜筒53与柔性基底的卷入卷膜筒53的另一侧可进一步安装有手轮55，可以在喷射印刷的前期通过手轮55以手动的形式将柔性基底卷在卷膜筒53上，并通过滚筒54可以调整柔性基底的张力，而柔性基底主要是由前后两个滚筒54撑起。在正常喷射的时候，通过电机51的转动，就可以实现柔性基底向前运动的目标，达到高效率的工作。

为了实现所述热释电晶体2与喷嘴101的同步移动，所述的夹持架31可以设置成长槽结构，所述的热释电晶体2为长条状的薄片结构并安装在该长槽之内，且其热释电晶体2的长度与柔性基底的宽度相当，这样设计使热释电晶体2工作时在左右方向（即X轴方向）上静止不动，以简化机构。但为了使热释电晶体2在Y轴方向上跟随所述喷嘴101一起移动，所述的热释电晶体夹持及运动机构3可以进一步设置Y轴滚珠丝杆移动副33，以实现热释电晶体3在Y轴上的移动。

所述的视觉引导系统主要由CCD相机组成。喷射机构1在基底材料上方由CCD相机检测对准，通过移动喷射机构1消除对准误差，将喷嘴101下降到与热释电晶体2指定间隙后控制红外热源进行喷射。

所述的检测系统由图像检测系统和平行度及距离检测光学系统组成。利用光学系统检测基底材料标记、计算喷嘴与沉积图案的误差，进而控制喷射机构1的高精度运动，实现准确的图案化成膜。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故但凡依本发明的权利要求和说明书所做的变化或修饰，皆应属于本发明专利涵盖的范围之内。