實(shí)驗(yàn)名稱：氣流輔助靜電聚焦電流體噴頭實(shí)驗(yàn)研究

測(cè)試設(shè)備：高壓放大器、函數(shù)發(fā)生器、精密流量泵、激光共聚焦顯微鏡和超景深光學(xué)顯微鏡等。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：

圖1：實(shí)驗(yàn)平臺(tái)：(a)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖；(b)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物圖

實(shí)驗(yàn)中使用的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖1所示。基板安裝在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上，噴頭安裝在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)正上方，軟件控制電機(jī)帶動(dòng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。通過(guò)軟件可以對(duì)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)軌跡及噴頭高度等進(jìn)行調(diào)節(jié)，打印圖案的位圖文件和運(yùn)動(dòng)軌跡文件均可導(dǎo)入到平臺(tái)軟件中，軟件對(duì)文件進(jìn)行讀取后直接控制運(yùn)動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行預(yù)定圖案的運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)各種定制圖案的打印。精密流量泵對(duì)噴頭進(jìn)行溶液供給。氣泵對(duì)噴頭進(jìn)行氣流供給，通過(guò)調(diào)節(jié)調(diào)壓閥對(duì)輸入噴頭的氣流壓力進(jìn)行控制，同時(shí)噴頭氣流入口處設(shè)置有氣壓表用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其氣壓的變化以保證氣壓的穩(wěn)定，所使用的是調(diào)壓閥和數(shù)顯氣壓表。高壓電源為噴頭各電機(jī)提供高壓，高壓電源由函數(shù)信號(hào)發(fā)生器和高壓放大器組成，函數(shù)信號(hào)發(fā)生器用于產(chǎn)生各種形式（直流、交流、脈沖等）的電壓信號(hào)，高壓放大器將函數(shù)信號(hào)發(fā)生器輸出的電壓信號(hào)放大（1000倍）后輸出到噴頭的高壓電極上。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上設(shè)置有觀測(cè)相機(jī)對(duì)打印的實(shí)時(shí)情況進(jìn)行觀測(cè)。對(duì)打印在基板上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果采用顯微鏡進(jìn)行觀測(cè)，所使用的包括激光共聚焦顯微鏡和超景深光學(xué)顯微鏡。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

圖2：絕緣基板銀漿打印結(jié)果：(a)常規(guī)電流體噴印打印結(jié)果；(b)噴頭靜電聚焦功能打印結(jié)果；(b)線寬隨基板速度變化

常規(guī)電流體噴印在絕緣的PI膜基板上打印的結(jié)果如圖2(a)所示，受基板的影響，打印的銀漿呈現(xiàn)彎曲狀態(tài)，調(diào)節(jié)噴嘴距基板的距離也不能解決這種問(wèn)題。靜電聚焦電流體噴印實(shí)驗(yàn)中使用半徑為20μm的玻璃噴嘴并采用納米銀漿溶液打印在絕緣聚酰亞胺(PI)基板和玻璃基板上。采用的靜電透鏡結(jié)構(gòu)是內(nèi)徑為2.2mm的電極膜片結(jié)構(gòu)。圖2(b)顯示了納米銀漿溶液在玻璃基板和PI基板上的打印結(jié)果。圖2(c)顯示了打印的銀漿溶液的線寬隨基板運(yùn)動(dòng)速度的增大而減小，在基板速度為300mm/s時(shí)，在PI基板上的線寬能到達(dá)20μm，在玻璃基板上的線寬能到達(dá)10μm。這顯示了噴頭采用靜電聚焦功能時(shí)在絕緣基板上具有良好的打印效果。

圖3：傾斜基板上打印結(jié)果：(a)打印過(guò)程觀測(cè)圖；(b)誤差系數(shù)隨傾斜角度的變化

為證明靜電聚焦功能的噴頭能在傾斜基板上提高打印精度，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)比較靜電聚焦電流體噴頭和常規(guī)電流體噴印在傾斜的基板上的打印效果，如圖3所示。為了便于相機(jī)觀測(cè)，實(shí)驗(yàn)使用半徑為150μm的金屬噴嘴并采用納米銀漿溶液打印在傾斜的導(dǎo)電硅基板和絕緣聚酰亞胺(PI)基板上。采用的靜電透鏡結(jié)構(gòu)是內(nèi)徑為4mm的藍(lán)寶石片結(jié)構(gòu)。打印所采用的參數(shù)如圖3(a)和(b)所示，在導(dǎo)電硅基板上打印時(shí)，常規(guī)電流體噴印中噴嘴與基板之間形成的傾斜電場(chǎng)造成了射流很明顯的偏移。而靜電聚焦電流體噴頭中，靜電透鏡對(duì)電場(chǎng)的聚焦作使射流的偏移明顯的減小。其中ds表示射流與噴頭中心線在基板上落點(diǎn)之間的距離，hs表示噴頭中心線在基板上的落點(diǎn)與噴頭之間的距離，并將誤差系數(shù)(ds/hs)作為在傾斜基板上打印誤差的評(píng)估。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3(c)所示，在導(dǎo)電硅基板上，靜電聚焦電流體噴頭的誤差系數(shù)(ds/hs)明顯小于常規(guī)電流體噴印的誤差系數(shù)。在絕緣的PI(相對(duì)介電常數(shù)為3.5)基板上，常規(guī)電流體噴印很難實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的打印。靜電聚焦電流體噴頭不僅能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的打印而且具有比硅基板上打印的更小的誤差系數(shù)，在基板傾斜角度小于30°時(shí)誤差系數(shù)小于0.03。這表明噴頭的采用靜電聚焦功能時(shí)在絕緣和傾斜的基板上具有更高的打印精度。

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圖：ATA-7050高壓放大器指標(biāo)參數(shù)

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審核編輯 黃宇