批量微液滴及微结构的电流体动力制备装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种可控的批量制备微液滴及微结构的制备装置和方法，制备装置包括：液体输运系统、喷射接收系统、电压控制系统、高速摄像系统和底部平台运动控制系统。制备方法利用微量注射泵将液体从注射器按照一定的流量推送到针头尖端处，在针头尖端形成液体的聚集，在电场的作用下，针头处聚集的液体形成泰勒锥，并持续从泰勒锥尖端处射出液线，液线落到接收基板上最终形成沉积的液滴。底台运动配合液线连续射出，可以制备批量的微液滴或一定模式的微结构。

【技术实现步骤摘要】
一种批量微液滴的电流体动力制备装置和方法
本专利技术涉及一种批量制备微液滴的装置和方法，尤其涉及一种采用电流体动力驱动的批量制备微液滴的装置和方法。
技术介绍
喷墨打印技术因为具有无需模板、环境友好、打印精度较高等优点，已经广泛应用于图像打印领域，并拓展到打印电子，微流道芯片等领域，可用于制备生物传感器、太阳能电池芯片和微流道芯片等。传统的喷墨打印技术，通常采用连续喷墨和按需打印两种模式。连续喷墨技术是利用压电晶体振动施加压力，使得液滴连续喷射而出，根据打印图案通过控制单元获取墨滴偏转距离的信息，再通过改变电压来控制液滴打印图案的技术。采用这种打印方式的打印机结构复杂，需要加压装置，且工作效率低，浪费墨水。按需打印技术，目前分为两种。一种是热气泡喷墨技术，一种是微压电技术。热气泡技术是通过在短时间内将墨水加热、压缩再喷射到基底上的打印方式，由于墨水在高温下易发生化学变化，性质不稳定，且由于是瞬间加热，液滴的大小和方向都比较难控制；微压电技术是通过压电原件，在墨滴的初始阶段，射出阶段和离开喷嘴的阶段控制元件压电变形程度，精确弹出所需尺寸的墨滴，打印图案的技术。一般来说，喷墨打印技术打印的液滴的直径为针头直径的1.89倍，打印的线宽大约在20-50微米之间。当需要打印尺寸更小的液滴时，需要尺寸更小的打印喷头，这对喷头的制备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，因此在打印时因为针头尺寸过小而易造成针头的堵塞，使得打印失败。电流体动力技术，作为一种新的先进打印技术，广泛应用于微电子，微流道，生物芯片检测等领域中。电流体动力打印技术是指通过电场控制，将输运到针头处的液滴拉伸变形成为泰勒锥，在电场力拉伸作用下，锥尖处少量液体克服粘性力及表面张力，脱离泰勒锥形成液线或液滴，并沉积到接收基板上的过程。通常的电流体打印技术，是以drop-on-demand技术为基础实现的。drop-on-demand技术是指在单个脉冲内，通过电压调节，实现单个液线或液滴的射出及沉积。根据研究，因为整个弯月面参与振荡来发生液滴，一方面增加了振荡周期，使得打印模式的打印频率较低；另一方面，提高了振荡的振幅，导致振荡后断裂形成的液滴的尺寸较大。一般液滴仅略小于针头的尺寸，针头直径与液滴直径的比率略大于1。有研究表明5微米的针头可获得2微米左右直径的液滴。因此，要获得更小的液滴，就需要更小的针头，从而提高了针头制备的技术难度和成本。此外，该模式多采用电导率较大的液体，这种液体具有对电场反应迅速的特点，有利于电流体动力打印，但对电导率较小的液体往往不太适用。另外，由于单个脉冲只产生一个墨滴，墨滴的生产效率较低，不易满足批量制备的需求。因此，本领域的技术人员致力于开发一种批量微液滴的电流体动力制备装置和方法。
技术实现思路
有鉴于现有技术的上述缺陷，本专利技术的目的在于提供一种可控的批量制备微液滴的制备装置及方法，采用电流体动力打印技术，实现微米/亚微米液滴的喷印的制备。电流体动力打印技术，可以通过使用普通直径成本较低的针头，将聚集在针头处的液体拉伸断裂形成射出液线，并最终在底板上沉积形成微小液滴。液滴的尺寸相较于针头直径很小，沉积频率可达500Hz，且设备简单，无需前期处理，溶液的选择范围很广，适用性强，且操作步骤简单易重复，生产效率高，成本低，环境影响小。为实现上述目的，本专利技术提供了一种批量微液滴的电流体动力制备装置，其特征在于，包括：液体输运系统、喷射接收系统、电压控制系统、摄像系统和底部平台运动控制系统；其中液体输送系统包括注射泵和注射器，注射器中的液体通过注射泵推送出注射器；喷射接收系统包括针头和接收基板，针头与注射器相连，且针头正对接收基板，使注射器中的液体通过针头射出至接收基板上；电压控制系统包括彼此相连的电压放大器和函数发生器，电压放大器与针头连接，电压控制系统用于产生电压信号，并将电压信号输出至针头；摄像系统包括显微镜头，显微镜头用于观察针头的尖端处的液体形态、液线射出行为以及沉积情况。进一步地，喷射接收系统还包括z轴升降平台，z轴升降平台用于调节所述针头与接收基板之间的距离；针头与电压控制系统的正极相连，接收基板与接地端相连，通过针头输运液体，在电场作用下形成泰勒锥，并且形成稳定的液线射出，最终在接收基板上形成批量液滴的沉积。进一步地，针头的材质为不锈钢、玻璃或塑料，当针头的材质为玻璃或塑料时，使用电极丝与电压控制系统相连；接收基板的材质为不锈钢、硅片、涂覆有亲水/疏水涂层的硅片或柔性PET基板。进一步地，通过函数发生器设定所需电压波形、电压幅值、电压占空比及电压频率，输出到电压放大器放大形成施加于针头的电压信号；函数发生器生成的电压波形为方波或正弦波，电压幅值、电压占空比和电压频率均可调节，电压放大器的放大倍率可调节。进一步地，摄像系统还包括摄像机及光源，摄相机与显微镜头连接，光源同轴正对显微镜头，摄相机的帧率和分辨率及曝光时间可调，可拍摄尺度为2μm，帧率为20000帧的微观行为，摄像系统用于观察针头尖端处的液体形态、液线射出行为形态以及沉积情况。进一步地，底台运动控制系统还包括电机驱动器和电脑控制系统，电脑控制系统与电机驱动器连接，电机驱动器分别与x-y运动平台和z轴旋转平台连接，通过电脑控制系统控制电机驱动器，使电机驱动器控制x-y运动平台的速度和z轴旋转平台的转速；x-y运动平台可向x、y方向及x、y联动方向运动，x-y运动平台和z轴旋转平台联动。进一步地，该批量微液滴的电流体动力制备装置还包括为真空吸附模块。由一个真空泵和连通在z轴支撑固件中的管道组成，将真空泵伸入到z轴支撑固件之中，吸附放置于底台上的接收基板(硅片，不锈钢片或其材料的基板)，起吸附固定接收基板的作用，防止在底台运动时接收基板发生位移影响最终的位置精度。本专利技术还提供一种使用上述批量微液滴的电流体动力制备装置的制备方法，包括以下步骤：1)选择或配制溶液，装入注射器并固定在注射泵上；2)根据所选溶液和打印需求，选择针头及接收基板，确定针头与接收基板之间的距离；3)连接摄像机和显微镜头，设定摄像机的帧率和分辨率，设定电压幅值和针头的流量，测试打印效果，实时观察液体在针头处的聚集及射出情况，根据观察结果调节所设定的参数，以获得稳定的打印过程；4)根据打印需求，选择打印频率和电压占空比，测试打印并检查打印效果。5)根据打印所需的间距要求，选择底台运动速度和z轴旋转平台转速，开始打印，并检测分析打印效果。进一步地，步骤(1)中的溶液是指醇类、聚合物去离子水混合溶液中一种或两种液体的混合物，醇类包括乙二醇或三甘醇，聚合物去离子水混合溶液包括体积百分比2％的400000分子量的聚乙二醇去离子水溶液。进一步地，溶液为低电导率溶液，低电导率溶液的电导率低于10-5s/m，粘度大于12mPas且小于50mPas，表面张力大于20mN/m。进一步地，步骤3)和步骤4)中，通过调节电压频率和流量，实现对单个脉冲内打印频率和液滴半径的控制。本专利技术的液体输运系统中，注射器为普通注射器，其容量为1ml至5ml均可，优选1ml的注射器。微量注射泵的流量可设定最小值为16.67pl/s，所选择的流量范围为1.5nl/s到60nl/s，本专利技术优选的流量本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种批量微液滴及微结构的电流体动力制备装置，其特征在于，包括：液体输送系统、喷射接收系统、电压控制系统、摄像系统和底部平台运动控制系统；其中所述液体输送系统包括注射泵和注射器，所述注射器中的液体通过所述注射泵推送出所述注射器；所述喷射接收系统包括针头和接收基板，所述针头与所述注射器相连，且所述针头正对所述接收基板，使所述注射器中的液体通过所述针头射出至所述接收基板上；所述电压控制系统包括彼此相连的电压放大器和函数发生器，所述电压放大器与所述针头连接，所述电压控制系统用于产生电压信号，并将所述电压信号输出至所述针头；所述摄像系统包括显微镜头，所述显微镜头用于观察所述针尖的尖端处的液体形态、液线射出行为以及沉积情况；所述底部平台运动控制系统包括彼此相连的x‑y运动平台和z轴旋转平台，所述z轴旋转平台上承载有所述接收基板，所述x‑y运动平台和所述z轴旋转平台的运动引起所述接收基板的运动，在所述接收基板的运动下，从所述针头射出的液线能够在所述接收基板上形成批量的微液滴或微结构；所述微液滴为微米或亚微米级别的液滴，所述微结构为微米或亚微米级别的结构。

【技术特征摘要】
1.一种批量微液滴的电流体动力制备装置，其特征在于，包括：液体输送系统、喷射接收系统、电压控制系统、摄像系统和底部平台运动控制系统；其中所述液体输送系统包括注射泵和注射器，所述注射器中的液体通过所述注射泵推送出所述注射器；所述喷射接收系统包括针头和接收基板，所述针头与所述注射器相连，且所述针头正对所述接收基板，使所述注射器中的液体通过所述针头射出至所述接收基板上；所述电压控制系统包括彼此相连的电压放大器和函数发生器，所述电压放大器与所述针头连接，所述电压控制系统用于产生电压信号，并将所述电压信号输出至所述针头；所述摄像系统包括显微镜头，所述显微镜头用于观察所述针头的尖端处的液体形态、液线射出行为以及沉积情况；所述底部平台运动控制系统包括彼此相连的x-y运动平台和z轴旋转平台，所述z轴旋转平台上承载有所述接收基板，所述x-y运动平台和所述z轴旋转平台的运动引起所述接收基板的运动，在所述接收基板的运动下，从所述针头射出的液线能够在所述接收基板上形成批量的微液滴；所述微液滴为微米或亚微米级别的液滴；所述喷射接收系统还包括z轴升降平台，所述z轴升降平台用于调节所述针头与所述接收基板之间的距离；所述针头与所述电压控制系统的正极相连，所述接收基板与接地端相连；所述针头的材质为不锈钢、玻璃或塑料，当所述针头的材质为玻璃或塑料时，使用电极丝与所述电压控制系统相连；所述接收基板的材质为不锈钢、涂覆有亲水/疏水涂层的硅片或柔性PET基板；通过所述函数发生器设定所需电压波形、电压幅值、电压占空比及电压频率，输出到所述电压放大器放大形成施加于所述针头的电压信号；所述函数发生器生成的所述电压波形为方波或正弦波，所述电压幅值、电压占空比和电压频率均可调节，所述电压放大器的放大倍率可调节；所述的摄像系统还包括摄像...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊振华，袁鑫，盛鑫军，朱向阳，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31