批量微液滴及微結(jié)構(gòu)的電流體動(dòng)力制備裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種批量制備微液滴及微結(jié)構(gòu)的裝置和方法，尤其涉及一種采用電流體動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的批量制備微液滴及微結(jié)構(gòu)的裝置和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]噴墨打印技術(shù)因?yàn)榫哂袩o需模板、環(huán)境友好、打印精度較高等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于圖像打印領(lǐng)域，并拓展到打印電子，微流道芯片等領(lǐng)域，可用于制備生物傳感器、太陽能電池芯片和微流道芯片等。傳統(tǒng)的噴墨打印技術(shù)，通常采用連續(xù)噴墨和按需打印兩種模式。
[0003]連續(xù)噴墨技術(shù)是利用壓電晶體振動(dòng)施加壓力，使得液滴連續(xù)噴射而出，根據(jù)打印圖案通過控制單元獲取墨滴偏轉(zhuǎn)距離的信息，再通過改變電壓來控制液滴打印圖案的技術(shù)。采用這種打印方式的打印機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要加壓裝置，且工作效率低，浪費(fèi)墨水。按需打印技術(shù)，目前分為兩種。一種是熱氣泡噴墨技術(shù)，一種是微壓電技術(shù)。熱氣泡技術(shù)是通過在短時(shí)間內(nèi)將墨水加熱、壓縮再噴射到基底上的打印方式，由于墨水在高溫下易發(fā)生化學(xué)變化，性質(zhì)不穩(wěn)定，且由于是瞬間加熱，液滴的大小和方向都比較難控制；微壓電技術(shù)是通過壓電原件，在墨滴的初始階段，射出階段和離開噴嘴的階段控制元件壓電變形程度，精確彈出所需尺寸的墨滴，打印圖案的技術(shù)。一般來說，噴墨打印技術(shù)打印的液滴的直徑為針頭直徑的1.89倍，打印的線寬大約在20-50微米之間。
[0004]當(dāng)需要打印尺寸更小的液滴時(shí)，需要尺寸更小的打印噴頭，這對(duì)噴頭的制備和成本控制提出了很高的要求；另外，由于墨水普遍具有大粘度大密度的特性，因此在打印時(shí)因?yàn)獒橆^尺寸過小而易造成針頭的堵塞，使得打印失敗。電流體動(dòng)力技術(shù)，作為一種新的先進(jìn)打印技術(shù)，廣泛應(yīng)用于微電子，微流道，生物芯片檢測等領(lǐng)域中。電流體動(dòng)力打印技術(shù)是指通過電場控制，將輸運(yùn)到針頭處的液滴拉伸變形成為泰勒錐，在電場力拉伸作用下，錐尖處少量液體克服粘性力及表面張力，脫離泰勒錐形成液線或液滴，并沉積到接收基板上的過程。通常的電流體打印技術(shù)，是以drop-on-demand技術(shù)為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)的。
[0005]drop-on-demand技術(shù)是指在單個(gè)脈沖內(nèi)，通過電壓調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)單個(gè)液線或液滴的射出及沉積。根據(jù)研宄，因?yàn)檎麄€(gè)彎月面參與振蕩來發(fā)生液滴，一方面增加了振蕩周期，使得打印模式的打印頻率較低；另一方面，提高了振蕩的振幅，導(dǎo)致振蕩后斷裂形成的液滴的尺寸較大。一般液滴僅略小于針頭的尺寸，針頭直徑與液滴直徑的比率略大于I。有研宄表明5微米的針頭可獲得2微米左右直徑的液滴。因此，要獲得更小的液滴，就需要更小的針頭，從而提高了針頭制備的技術(shù)難度和成本。此外，該模式多采用電導(dǎo)率較大的液體，這種液體具有對(duì)電場反應(yīng)迅速的特點(diǎn)，有利于電流體動(dòng)力打印，但對(duì)電導(dǎo)率較小的液體往往不太適用。另外，由于單個(gè)脈沖只產(chǎn)生一個(gè)墨滴，墨滴的生產(chǎn)效率較低，不易滿足批量制備的需求。
[0006]因此，本領(lǐng)域的技術(shù)人員致力于開發(fā)一種批量微液滴及微結(jié)構(gòu)的電流體動(dòng)力制備裝置和方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種可控的批量制備微液滴及微結(jié)構(gòu)的制備裝置及方法，采用電流體動(dòng)力打印技術(shù)，實(shí)現(xiàn)微米/亞微米液滴的噴印和微結(jié)構(gòu)的制備。
[0008]電流體動(dòng)力打印技術(shù)，可以通過使用普通直徑成本較低的針頭，將聚集在針頭處的液體拉伸斷裂形成射出液線，并最終在底板上沉積形成微小液滴及微結(jié)構(gòu)。液滴的尺寸相較于針頭直徑很小，沉積頻率可達(dá)500Hz，且設(shè)備簡單，無需前期處理，溶液的選擇范圍很廣，適用性強(qiáng)，且操作步驟簡單易重復(fù)，生產(chǎn)效率高，成本低，環(huán)境影響小。
[0009]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種批量微液滴及微結(jié)構(gòu)的電流體動(dòng)力制備裝置，其特征在于，包括:液體輸運(yùn)系統(tǒng)、噴射接收系統(tǒng)、電壓控制系統(tǒng)、攝像系統(tǒng)和底部平臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)；
[0010]其中液體輸送系統(tǒng)包括注射泵和注射器，注射器中的液體通過注射泵推送出注射器;
[0011]噴射接收系統(tǒng)包括針頭和接收基板，針頭與注射器相連，且針頭正對(duì)接收基板，使注射器中的液體通過針頭射出至接收基板上；
[0012]電壓控制系統(tǒng)包括彼此相連的電壓放大器和函數(shù)發(fā)生器，電壓放大器與針頭連接，電壓控制系統(tǒng)用于產(chǎn)生電壓信號(hào)，并將電壓信號(hào)輸出至針頭；
[0013]攝像系統(tǒng)包括顯微鏡頭，顯微鏡頭用于觀察針尖的尖端處的液體形態(tài)、液線射出行為以及沉積情況。
[0014]進(jìn)一步地，噴射接收系統(tǒng)還包括z軸升降平臺(tái)，z軸升降平臺(tái)用于調(diào)節(jié)所述針頭與接收基板之間的距離；針頭與電壓控制系統(tǒng)的正極相連，接收基板與接地端相連，通過針頭輸運(yùn)液體，在電場作用下形成泰勒錐，并且形成穩(wěn)定的液線射出，最終在接收基板上形成批量液滴的沉積。
[0015]進(jìn)一步地，針頭的材質(zhì)為不銹鋼、玻璃或塑料，當(dāng)針頭的材質(zhì)為玻璃或塑料時(shí)，使用金屬電極、電極絲與電壓控制系統(tǒng)相連；接收基板的材質(zhì)為不銹鋼、硅片、涂覆有親水/疏水涂層的硅片或柔性PET基板。
[0016]進(jìn)一步地，通過函數(shù)發(fā)生器設(shè)定所需電壓波形、電壓幅值、電壓占空比及電壓頻率，輸出到電壓信號(hào)放大器放大形成施加于針頭的電壓信號(hào)；函數(shù)發(fā)生器生成的電壓波形為方波、脈沖波或正弦波，電壓幅值、電壓占空比和電壓頻率均可調(diào)節(jié)，電壓信號(hào)放大器的放大倍率可調(diào)節(jié)。
[0017]進(jìn)一步地，攝像系統(tǒng)還包括攝像機(jī)及光源，攝相機(jī)與顯微鏡頭連接，光源同軸正對(duì)顯微鏡頭，攝相機(jī)的幀率和分辨率及曝光時(shí)間可調(diào)，可拍攝尺度為2 μ m，幀率為20000幀的微觀行為，攝像系統(tǒng)用于觀察針頭尖端處的液體形態(tài)、液線射出行為形態(tài)以及沉積情況。
[0018]進(jìn)一步地，底臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)還包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和電腦控制系統(tǒng)，電腦控制系統(tǒng)與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器連接，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器分別與χ-y運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和z軸旋轉(zhuǎn)平臺(tái)連接，通過電腦控制系統(tǒng)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，使電機(jī)控制器控制χ-y運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的速度和z軸旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的轉(zhuǎn)速；x_y運(yùn)動(dòng)平臺(tái)可向X、y方向及X、y聯(lián)動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)，χ-y運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和z軸旋轉(zhuǎn)平臺(tái)可聯(lián)動(dòng)。
[0019]進(jìn)一步地，該批量微液滴及微結(jié)構(gòu)的電流體動(dòng)力制備裝置還包括為真空吸附模塊。由一個(gè)真空泵和連通在z軸支撐固件中的管道組成，將真空泵伸入到z軸支撐固件之中，吸附放置于底臺(tái)上的接收基板(硅片，不銹鋼片或其材料的基板)，起吸附固定接收基板的作用，防止在底臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)接收基板發(fā)生位移影響最終的位置精度。
[0020]本發(fā)明還提供一種使用上述批量微液滴及微結(jié)構(gòu)的電流體動(dòng)力制備裝置的制備方法，包括以下步驟:
[0021]I)選擇或配制溶液，裝入注射器并固定在注射泵上；
[0022]2)根據(jù)所選溶液和打印需求，選擇針頭及接收基板，確定針頭與接收基板之間的距離；
[0023]3)連接攝像機(jī)和顯微鏡頭，設(shè)定攝像機(jī)的幀率和分辨率，設(shè)定電壓幅值和針頭的流量，測試打印效果，實(shí)時(shí)觀察液體在針頭處的聚集及射出情況，根據(jù)觀察結(jié)果調(diào)節(jié)所設(shè)定的參數(shù)，以獲得穩(wěn)定的打印過程；
[0024]4)根據(jù)打印需求，選擇打印頻率和電壓占空比，測試打印并檢查打印效果。
[0025]5)根據(jù)打印所需的間距要求，選擇底臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度和z軸旋轉(zhuǎn)平臺(tái)轉(zhuǎn)速，開始打印，并檢測分析打印效果。
[0026]進(jìn)一步地，步驟(I)中的溶液是指醇類、聚合物去離子水混合溶液中一種或兩種液體的混合物，醇類包括乙二醇或三甘醇，聚合物去離子水混合溶液包括2%的400000分子量的聚乙二醇去離子水溶液。
[0027]進(jìn)一步地，溶液為低電導(dǎo)率溶液，低電導(dǎo)率溶液的電導(dǎo)率低于10_5s/m，粘度大于12mPas且小于50mPas，表面張力大于20mN/m。
[0028]進(jìn)一步地，步驟3)和步驟4)中，通過調(diào)節(jié)電壓頻率和流量，實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)脈沖內(nèi)打印頻率和液滴半徑的控制。
[0029]本發(fā)明的液體輸運(yùn)系統(tǒng)中，注射器為普通注射器，其容量為Iml至5ml均可，優(yōu)選Iml的注射器。微量注射泵的流量可設(shè)定最小值為16.67pl/s，所選擇的流量范圍為1.5nl/s到60nl/s，本發(fā)明優(yōu)選的流量范圍為1.5nl/s到16.67nl/s。
[0030]本發(fā)明所述的電壓控制系統(tǒng)，其函數(shù)發(fā)生器，可輸出方波、三角波、正弦波、脈沖波，其波形的頻率、幅值、占空比均可調(diào)節(jié)。優(yōu)選輸出方波，波形的頻率從IHz到ΙΟΚΗζ，優(yōu)選范圍為IHz至100Hz。占空比可調(diào)，范圍從0.1%到99.9%，優(yōu)選范圍為30%到80%。電壓放大器的放大倍率可以是固定，也可以是可調(diào)節(jié)的，優(yōu)選倍率為1000倍，電壓輸出值根據(jù)針頭與接收基板之間的距離的變化，其范圍為100v到5000v，優(yōu)選范圍為100v到3000v。
[0031]本發(fā)明所述的針頭為不銹鋼針頭，內(nèi)徑為160 μπι，為配合溶液且獲得較大的針頭直徑與液滴直徑的比率，所選針頭的內(nèi)徑范圍為60 μπι至500 μπι，優(yōu)選尺寸為160?280 μ mo針頭的材質(zhì)可為不銹鋼，也可以為玻璃或塑料，玻璃或塑料針頭通過電極絲或電極片連接方式與電壓控制系統(tǒng)連接。所述的接收基板材質(zhì)可為硅片也可以為不銹鋼，也可以為玻璃基板或其他柔性基板。所述的針頭與接收基板之間的間距，其范圍在Imm到5_之間，其優(yōu)選針頭與接收基板之間的距離為1.5_。
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