一种超声聚焦喷印气溶胶油墨颗粒的装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种超声聚焦喷印气溶胶油墨颗粒的装置及方法，涉及气溶胶喷印技术领域，包括固定环设于气溶胶喷印系统的喷嘴外壁上的压电

【技术实现步骤摘要】
一种超声聚焦喷印气溶胶油墨颗粒的装置及方法


[0001]本专利技术涉及气溶胶喷印
，特别是涉及一种超声聚焦喷印气溶胶油墨颗粒的装置及方法。

技术介绍

[0002]共形电子打印在保留平面电子功能的前提下能通过转印、直接书写以及热成形等方式实现二维电子电路在任意曲面的制备，以提升电子系统设计灵活性，进而实现电子系统的小型化、轻量化、智能化，被认为是颠覆传统电子制造的创新技术之一。气溶胶喷墨打印技术作为一种新型的共形电子打印技术，具有非接触式、高精度的喷印特性，可实现有源、无源电子元件及传感器的共形打印制造，目前对该技术的优化研究成为了近年来的研究热点。
[0003]气溶胶喷墨打印技术因其非接触式的设计方式，喷头至基底之间存在1
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5mm的间隙；油墨液滴直径极小，仅为2
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5μm；油墨颗粒喷射速率极高，达80
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100m/s，因此，气溶胶油墨颗粒在高速经过喷射通道时，气溶胶油墨流会出现漂移分散，该漂移分散情况具有不确定性，导致出现“过度喷涂”的现象，即在原规划的喷印沉积周围出现由漂移分散的油墨液滴沉积形成的“卫星液滴”。“卫星液滴”会使规划的喷印沉积量不足而导致打印对象的强度、电气性能不足，此外，规划的相近的沉积部分会因“卫星液滴”沉积而接触短路。综上，气溶胶油墨颗粒在喷射过程中漂移分散而出现的“过度喷涂”，会导致打印对象的沉积质量不够或电气性能不足甚至失效等严重问题。
[0004]对气溶胶喷印的“过度喷涂”的可靠控制是实现气溶胶喷印稳定制备高性能、高集成度共形电子的关键条件之一，控制“过度喷涂”的直接方法是对气溶胶喷印过程中的油墨颗粒进行充分的聚焦，以抑制油墨颗粒的漂移分散。目前对气溶胶油墨流的聚焦方法主要为以下三种：
[0005]方法一，调节载气与鞘气的流量：载气的作用是将气溶胶油墨输运至喷头，决定气溶胶油墨颗粒在喷射前的分布与运动状态；鞘气的作用是对喷印过程中的气溶胶油墨颗粒聚焦并喷射，因而可通过调节鞘气与载气的气流量来控制油墨流的聚焦效果；
[0006]方法二，调整喷头内部的油墨通道结构：喷头内部微观几何结构的复杂性增加了油墨颗粒在喷射通道内分散的不确定性，调整喷头内部油墨通道的几何结构可实现对油墨流形貌和油墨颗粒聚焦程度的调整，以减小油墨颗粒在喷射过程中漂移分散的不确定性；
[0007]方法三，外加磁场对磁性金属油墨颗粒施加磁辐射力进行聚焦：在气溶胶喷印系统的外部设置磁场，对磁性金属油墨颗粒施加磁辐射力，使油墨颗粒产生径向的运动，进而实现油墨流的聚焦。
[0008]以上所述的气溶胶油墨颗粒聚焦方法虽然可实现一定程度的聚焦优化效果，但是，在应用实践中均存在一定的弊端。方法一与方法二仅可实现定性的聚焦优化，因为油墨材料物理属性的多样性，实际应用所选择油墨的特殊性、未知性，以及油墨物理属性与载气、鞘气流量、喷射通道几何结构的关联关系极为复杂，定量分析不明确，因此方法一和方
法二难以实现气溶胶油墨颗粒的定量聚焦，因而难以实现对“过度喷涂”可靠、定量的控制。方法三对被聚焦的油墨材料的物理属性有强烈的依赖性和选择性，因此，在实际应用中，基于此方法的油墨选择和打印规划存在一定的局限性。

技术实现思路

[0009]本专利技术的目的是提供一种超声聚焦喷印气溶胶油墨颗粒的装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，以适应较大范围的油墨类别或不受油墨类别限制，并且保证聚焦方法对油墨材料无破坏性，实现对气溶胶油墨颗粒的定量聚焦，最终实现对气溶胶喷印的“过度喷涂”问题有效、可靠、精确的控制。
[0010]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0011]本专利技术提供一种超声聚焦喷印气溶胶油墨颗粒的装置，包括固定环设于气溶胶喷印系统的喷嘴外壁上的压电
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超声换能器，所述压电
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超声换能器电连接有功率放大器，所述功率放大器电连接有信号发生器；所述压电
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超声换能器能够构造环形声压环境，在气溶胶油墨颗粒流外围形成水平层面全覆盖的径向高频声场，产生的径向声辐射力，能够实现对气溶胶油墨颗粒的径向聚焦。高频声场具有方向性好、穿透性强、灵敏度高、作用无损伤等特点，是用于粒子操纵的有效手段之一，因此，本专利技术采取对气溶胶油墨流喷射通道外加环形高频声场的方式，对气溶胶油墨颗粒进行水平层面全覆盖的径向超声聚焦。
[0012]可选的，所述压电
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超声换能器为管状结构，且所述压电
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超声换能器的内径与所述喷嘴的外径尺寸相同。
[0013]可选的，所述压电
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超声换能器的长度为喷嘴长度的80％。
[0014]可选的，所述压电
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超声换能器采用陶瓷压电材料制成，在实现逆压电效应的同时，保证所产生的逆压电效应不足以使得压电
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超声换能器在工况条件下因压电材料属性原因产生谐振而影响系统的稳定工作；压电
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超声换能器的内部电极采用烧结银(厚膜)材料，外部电极采用PVD薄膜(CuNi、Au)材料，可保证激励输入的稳定；所述压电
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超声换能器的内部电极采用烧结银材料制成，所述压电
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超声换能器的外部电极采用PVD薄膜材料制成。
[0015]可选的，所述喷嘴外壁与所述压电
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超声换能器内壁之间添加有超声耦合剂；所述喷嘴外壁包覆有所述压电
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超声换能器的部分为聚焦作用区域，所述压电
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超声换能器上端外侧和下端外侧分别与所述喷嘴外壁在聚焦作用区域外的部分采用粘合剂粘合连接。
[0016]可选的，所述喷嘴内部中空，且所述喷嘴底部一体成型有锥形喷头，所述喷嘴顶部连通有喷射通道，所述喷射通道用于输送气溶胶油墨颗粒和载气；所述喷射通道外侧环设有锥形结构的鞘气通道，所述鞘气通道底部与所述喷嘴顶部外侧连通。
[0017]本专利技术还提供一种超声聚焦喷印气溶胶油墨颗粒的方法，包括如下步骤：
[0018]步骤一，根据喷印沉积分布要求、喷印系统内外部环境，确定气溶胶油墨颗粒的聚焦程度；
[0019]步骤二，针对步骤一中的聚焦程度，根据聚焦作用区域范围、气溶胶油墨颗粒的物理属性，对气溶胶油墨颗粒进行力
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运动分析，确定气溶胶油墨颗粒的径向聚集力；
[0020]步骤三，针对所需的径向聚焦力，调节超声聚焦换能器工作参数，输出与聚焦效应对应的高频声波响应，产生聚焦所需的声辐射力使喷射过程中的气溶胶油墨颗粒产生径向
的加速度，最终实现对气溶胶油墨颗粒的径向定量聚焦。
[0021]本专利技术相对于现有技术取得了以下技术效果：
[0022]本专利技术中激发的高频声波可针对喷印的聚焦要求，结合气溶胶油墨材料属性、喷印环境，通过声辐射力对气溶胶油墨颗粒的力
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运动分析定量计算得出，并通过调节压电
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超声换能器的工况参数准确输出，实现本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超声聚焦喷印气溶胶油墨颗粒的装置，其特征在于：包括固定环设于气溶胶喷印系统的喷嘴外壁上的压电
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超声换能器，所述压电
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超声换能器电连接有功率放大器，所述功率放大器电连接有信号发生器；所述压电
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超声换能器产生的径向声辐射力，能够实现对气溶胶油墨颗粒的径向聚焦。2.根据权利要求1所述的超声聚焦喷印气溶胶油墨颗粒的装置，其特征在于：所述压电
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超声换能器为管状结构，且所述压电
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超声换能器的内径与所述喷嘴的外径尺寸相同。3.根据权利要求2所述的超声聚焦喷印气溶胶油墨颗粒的装置，其特征在于：所述压电
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超声换能器的长度为喷嘴长度的80％。4.根据权利要求2所述的超声聚焦喷印气溶胶油墨颗粒的装置，其特征在于：所述压电
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超声换能器采用陶瓷压电材料制成；所述压电
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超声换能器的内部电极采用烧结银材料制成，所述压电
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超声换能器的外部电极采用PVD薄膜材料制成。5.根据权利要求2所述的超声聚焦喷印气溶胶油墨颗粒的装置，其特征在于：所述喷嘴外壁与所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：易城林，马腾，张开富，程晖，骆彬，梁彪，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：