大面积微纳结构电流体动力学打印的喷射高度误差补偿方法

摘要

本发明公开了一种大面积微纳结构电流体动力学打印的喷射高度误差补偿方法，其步骤如下：(一)确定基板约束点的数量；(二)得到基板约束点的Z轴坐标值zi；(三)构建XY平面四边形网格；(四)确定XY平面四边形网格顶点的Z轴坐标值zj；(五)构建基板打印面积的三维曲面；(六)获得当前打印基板位置的Z轴坐标值zc；(七)补偿电流体动力学打印的喷射高度。本发明突破现有的电流体动力学打印技术对大面积微纳结构器件的精确成形的限制，实现大面积结构的微纳米器件的喷墨打印和微纳米结构器件的制备。

说明书

技术领域

本发明涉及电流体动力学打印技术领域，尤其涉及一种大面积微纳结构电流体动力学打印的喷射高度误差补偿方法。

背景技术

电流体动力学打印在电子器件、可穿戴设备、柔性电子显示器、太阳能薄膜电池、生物支架、组织工程、有机发光二极管、生物传感器等方面具有广泛的应用前景。传统的聚合物器件制备技术一般是在各种基底上利用光、粒子、机械或者物理接触等工艺进行聚合物器件的制备，如光刻印刷技术、电子束印刷技术、干涉光刻技术、激光直写等。这些制备技术涉及的步骤繁多，而且工艺复杂，造成开发和生产成本高，而且时间周期长，需要高温条件，聚合物在高温环境下对打印溶液的性能产生影响。因此，基于溶液制造方法的喷墨打印更加适合制备聚合物器件。

喷墨打印技术主要依靠压电、热气泡或声波等作用，以推挤方式进行喷墨打印，由于这种方式所产生的能量有限，并且聚合物溶液具有较高的黏性和表面张力，容易堵塞喷嘴。电流体动力学打印技术可实现聚合物溶液的高分辨率的喷墨打印，电流体动力学打印技术是在基板和喷嘴之间施加电压，在诱导电场力作用下，溶液从喷头流出，在喷嘴处形成弯液面，随着电压逐渐升高，电荷在弯液面聚集，电荷间的库仑力导致液体表面产生切向应力，在剪切力的作用下，弯液面在喷嘴顶端形成泰勒锥，随着电场强度增加，库仑力克服液体表面张力，液体从泰勒锥的顶端射出，形成液滴或射流。

电流体动力学打印工艺容易受到喷印溶液的属性、电场强度、喷头的结构等因素影响，可通过基板的移动速度、所施加的电压、喷射高度等参数进行调控，这些参数会影响打印功能器件的形貌。电流体动力学打印技术所制备的结构形貌会影响功能器件的性能，如打印厚度、均匀性等，对于电流体动力学打印大面积微纳结构的功能器件，由于基板表面的不平整，引起喷射高度的变化，从而影响功能器件的精确成形，然而，现有的电流体动力学打印技术在大面积微纳结构的器件制备过程中，对喷射高度的变化并没有采取有效的方法，影响大面积微纳器件的结构形貌，从而影响其性能。

综上所述，现有的电流体动力学打印技术对大面积微纳结构的制备受到限制，其结构形貌难以得到进一步提高，因此现有的电流体动力学打印技术难以满足大面积微纳结构器件精确成形的要求。

发明内容

针对现有的电流体动力学打印技术难以实现大面积微纳结构器件的精确成形，本发明提出一种大面积微纳结构电流体动力学打印的喷射高度误差补偿方法。

本发明的技术方案是：一种大面积微纳结构电流体动力学打印的喷射高度误差补偿方法，其步骤如下：

(一)确定基板约束点的数量；

(二)得到基板约束点的Z轴坐标值z_i；

(三)构建XY平面四边形网格；

(四)确定XY平面四边形网格顶点的Z轴坐标值z_j；

(五)构建基板打印面积的三维曲面；

(六)获得当前打印基板位置的Z轴坐标值z_c；

(七)补偿电流体动力学打印的喷射高度。

(一)中根据电流体动力学打印面积，确定约束点的数量，在基板的XY平面内确定X轴和Y轴上的约束点数量分别为N和M，N≥3，M≥3，得到约束点的数量为N×M，根据电流体动力学装置的运动平台的移动距离分别得到各个约束点的X轴和Y轴的位置，其N×M个约束点在XY平面的坐标为(x_i,y_i)_N×M，其中，1≤i≤N×M。

(二)中采用测量检测设备对基板的XY平面上的N×M个约束点进行原位检测Z轴位置，得到N×M个约束点的Z轴坐标值为z_i，其中，1≤i≤N×M。

(三)中根据电流体动力学打印面积，构建XY平面的四边形网格，X轴和Y轴上的网格数量分别为S和T，从而得到XY平面上的平面四边形网格数为S×T，并得到各网格点的平面坐标为(x_j,y_j)_S×T，其中1≤j≤S×T。

(四)中根据基板的N×M个约束点三维坐标值(x_i,y_i,z_i)_N×M，确定平面四边形网格顶点的Z轴坐标值z_j，其具体过程如下：

(1)根据基板的N×M个约束点的三维坐标值(x_i,y_i,z_i)_N×M，获得线性方程组：

$\left(\begin{array}{c}{c}_1\delta (P_1-P_1)+c_2\delta (P_1-P_2)+...c_{N\times M}\delta (P_1-P_{N\times M})=z_1\\ c_1\delta (P_2-P_1)+c_2\delta (P_2-P_2)+...c_{N\times M}\delta (P_2-P_{N\times M})=z_2\\ .\\ .\\ .\\ c_1\delta (P_i-P_1)+c_2\delta (P_i-P_2)+...c_{N\times M}\delta (P_i-P_{N\times M})=z_i\\ .\\ .\\ .\\ c_1\delta (P_{N\times M}-P_1)+c_2\delta (P_{N\times M}-P_2)+...c_{N\times M}\delta (P_{N\times M}-P_{N\times M})=z_{N\times M}\end{array}\right),$

其中，P_i-P_j，i,j＝1,2,…,N×M，为XY平面上约束点之间的距离，且

δ(P_i-P_j)＝|P_i-P_j|²[(ln|P_i-P_j|-1)]，c_i为线性方程组的系数；

(2)从(1)中获得线性方程组的系数c_i，i＝1,2,…,N×M；

(3)获得平面四边形网格顶点的Z轴坐标值z_j：

z_j＝c₁δ(P_j-P₁)+c₂δ(P_j-P₂)+…c_N×Mδ(P_j-P_N×M)，其中，j＝1,2,…,S×T。

(五)中根据平面四边形网格顶点的三维坐标值(x_j,y_j,z_j)_S×T，分别沿着X、Y方向依次连接，构成四角网格的基板喷印面积的三维曲面。

(六)中获得当前打印基板位置的Z轴坐标值z_c，包括以下步骤：

a、确定当前电流体动力学打印的基板在XY平面内的位置，在XY平面内判断当前打印位置所在的平面四边形网格，

b、根据当前打印位置所在的平面四边形网格的四个顶点，获得当前打印基板位置的Z轴坐标值z_c，利用当前电流体动力学打印的基板在XY平面内的位置与平面四边形网格顶点之间的距离作为权值，对平面四边形网格顶点的Z轴坐标值z_j进行加权平均，得到当前打印基板位置的Z轴坐标值z_c：

其中z_c为当前打印基板位置的Z轴坐标值，z_f、z_s、z_t和z_l分别为当前打印位置所在的平面四边形网格的四个顶点的Z轴坐标值，d_f、d_s、d_t和d_l分别为当前打印基板位置与当前打印位置所在的平面四边形网格的四个顶点z_f、z_s、z_t和z_l之间的距离。

(七)中补偿电流体动力学打印的喷射高度，根据当前打印基板的Z轴坐标值z_c，确定电流体动力学打印的补偿喷射高度：H₂＝H₁+z_c，

其中H₂为当前打印基板位置的补偿喷射高度，H₁为当前打印基板位置的原始喷射高度，z_c为当前打印基板位置的Z轴坐标值。

本发明突破现有的电流体动力学打印技术对大面积微纳结构器件的精确成形的限制，实现大面积结构的微纳米器件的喷墨打印和微纳米结构器件的制备。

附图说明

图1为本发明的流程框图。

图2为三维曲面的示意图。

具体实施方式

下面针对附图对本发明的实施例作进一步说明：

如图1所示，一种大面积微纳结构电流体动力学打印的喷射高度误差补偿方法，包括如下步骤：

1、确定基板约束点的数量。

根据电流体动力学打印面积，确定约束点的数量，在基板的XY平面内确定X轴和Y轴上的约束点数量分别为N和M，一般N≥3，M≥3，打印面积越大，N和M的取值越大，得到约束点的数量为N×M，根据电流体动力学装置的运动平台的移动距离分别得到各个约束点的X轴和Y轴的位置，其N×M个约束点在XY平面的坐标为(x_i,y_i)_N×M，其中，1≤i≤N×M。

2、确定基板约束点的Z轴坐标值。

采用测量检测设备对基板的XY平面上的N×M个约束点进行原位检测Z轴位置，得到N×M个约束点的Z轴坐标值为z_i，其中，1≤i≤N×M。

3、构建XY平面四边形网格。

根据电流体动力学打印面积，构建XY平面的四边形网格，设X和Y轴上的网格数量分别为S和T，从而得到XY平面上的平面四边形网格数为S×T，并得到各网格点的平面坐标为(x_j,y_j)_S×T，其中，1≤j≤S×T。

4、确定平面四边形网格顶点的Z轴坐标值。

根据基板的N×M个约束点三维坐标值(x_i,y_i,z_i)_N×M，确定平面四边形网格顶点的Z轴坐标值，其具体实现过程如下：

(1)根据基板的N×M个约束点的三维坐标值(x_i,y_i,z_i)_N×M，组成线性方程组为：

$\left(\begin{array}{c}{c}_1\delta (P_1-P_1)+c_2\delta (P_1-P_2)+...c_{N\times M}\delta (P_1-P_{N\times M})=z_1\\ c_1\delta (P_2-P_1)+c_2\delta (P_2-P_2)+...c_{N\times M}\delta (P_2-P_{N\times M})=z_2\\ .\\ .\\ .\\ c_1\delta (P_i-P_1)+c_2\delta (P_i-P_2)+...c_{N\times M}\delta (P_i-P_{N\times M})=z_i\\ .\\ .\\ .\\ c_1\delta (P_{N\times M}-P_1)+c_2\delta (P_{N\times M}-P_2)+...c_{N\times M}\delta (P_{N\times M}-P_{N\times M})=z_{N\times M}\end{array}\right)---\left(1\right)$

式中，P_i-P_j，i,j＝1,2,…,N×M，为XY平面上约束点之间的距离，满足：

$P_i-P_j=\sqrt{{(x_i-x_j)}^2+{(y_i-y_j)}^2}---\left(2\right)$

δ(P_i-P_j)＝|P_i-P_j|²[(ln|P_i-P_j|-1)]，c_i为线性方程组的系数。

(2)对式(1)进行求解，得到线性方程组的系数c_i，i＝1,2,…,N×M。

(3)计算平面四边形网格顶点的Z轴坐标值，其关系式可表示为：

z_j＝c₁δ(P_j-P₁)+c₂δ(P_j-P₂)+…c_N×Mδ(P_j-P_N×M)>

式中，j＝1,2,…,S×T。

5、构建基板打印面积的三维曲面。

如图2所示，根据平面四边形网格顶点的三维坐标值(x_j,y_j,z_j)_S×T，分别沿着X、Y方向依次连接，构成四角网格的基板喷印面积的三维曲面。

6、计算当前打印基板位置的Z轴坐标值，其具体实现过程如下：

(1)确定当前电流体动力学打印的基板在XY平面内的位置，在XY平面内判断当前打印位置所在的平面四边形网格。

(2)根据当前打印位置所在的平面四边形网格的四个顶点，计算当前打印基板的Z轴坐标值，利用当前电流体动力学打印的基板在XY平面内的位置与平面四边形网格顶点之间的距离作为权值，对平面四边形网格顶点的Z轴坐标值进行加权平均，得到当前打印基板位置的Z轴坐标值，其计算公式如下：

$z_c=\frac{z_f{d}_f+z_s{d}_s+z_t{d}_t+z_l{d}_l}{d_f+d_s+d_t+d_l}---\left(4\right)$

式中z_c为当前打印基板位置的Z轴坐标值，z_f、z_s、z_t和z_l分别为当前打印位置所在的平面四边形网格的四个顶点的Z轴坐标值，d_f、d_s、d_t和d_l分别为当前打印基板位置与当前打印位置所在的平面四边形网格的四个顶点z_f、z_s、z_t和z_l之间的距离。

7、根据当前打印基板位置的Z轴坐标值，补偿电流体动力学打印的喷射高度为：

H₂＝H₁+z_c>

式中H₂为当前打印基板位置的补偿喷射高度，H₁为当前打印基板位置的原始喷射高度，z_c为当前打印基板位置的Z轴坐标值。

实施例不应视为对发明的限制，但任何基于本发明的精神所作的改进，都应在本发明的保护范围之内。