制备组合材料芯片的方法及所使用的电磁喷射系统技术方案

本发明专利技术涉及一种制备组合材料芯片的方法及所使用的系统，其特征在于可溶物溶液或难溶物悬浮液预先在溶液管路中混合均匀，然后用外界气体驱动的电磁式喷射系统，将混合均匀的可溶物溶液或难溶物悬浮液喷射到基板上，通过热处理制备成组合材料芯片。所使用的电磁喷射系统由管路系统和定位系统构成。在电磁泵的驱动下充分混合后于混合池中获得不同组成的样品，由电磁喷头喷出；电磁喷头固定于喷头升降架上，喷头相对于基板的高度由喷头升降架调节；基板固定于二维Ｘ－Ｙ电动平台上，二维电动平台水平放置，喷头升降架和二维电动平台固定在同一工作平台，单片机通过电动平台的控制器驱动二维电动平台，通过电磁阀的控制驱动器控制电磁阀的开闭。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及制备组合材料芯片的方法及所使用的电磁喷射系统，主要是 通过喷射前将可溶物溶液或难溶物悬浮液混合和喷射的方法，属于组合筛选 新材料时制备材料样品库的并行合成装置及使用方法。
技术介绍
组合方法是一种高效筛选新材料的方法。采用组合方法，可在一块基片 上同时合成出大量不同组分的材料样品，构成一个庞大而密集的材料样品阵 列，即材料芯片(又称材料样品库)。这种同时合成大量材料样品的方法称为 并行合成。现有的并行合成方法主要可分为薄膜沉积法和液相法两大类。其中液相 法主要是通过移液技术将不同的溶液按设定的比例注入不同的微反应器中， 合成不同材料。目前比较成功的是液滴喷射技术。而，液滴喷射技术分为压电式驱动喷射，热泡式驱动喷射和电磁式驱动 喷射。压电式喷射采用陶瓷多晶压电片在喷头产生压力从而将液体喷出。热 泡式喷射是指通过加热液体利用液体瞬时沸腾生成的气泡破裂后产生的压力 将液体喷出。将这两种技术用于材料芯片的并行合成，是通过将不同的液体 依设定的比例喷入不同的微反应器中混合再通过后处理获得不同的材料。如中国专利CN1603011和CN2759615报道了用于制备组合材料样品库的难溶 物悬浮液喷射方法和装置，即采用压电陶瓷产生的压力驱动液体从喷头喷 出，利用压电式或者热泡式技术方案制作的溶液喷射系统操作方便简单，但 是对于粘度较大的难溶物悬浮液，一方面压电式或热泡式产生的驱动力不足， 难于有效喷出或者喷出的量有一定的随机性难于精确控制；另一方面，这两 种方式采用的是喷射后混合，因此粘度较大的难溶物悬浮液在微反应器中不 易混合均匀容易产生成分偏析。对比以上两种技术方案，电磁式喷射则是通过外界对液体提供驱动力如气体压力通过电磁阀控制供液管路和控制喷头的 开闭达到混合及喷射的目的。不同组分的液体量以及喷头喷射的量可以通过 电磁阀不同的开闭时间和调节不同的液体驱动力控制。从原理上来说电磁驱 动的液体喷射系统可以将不同的液体在喷射前混合后再喷出，不同的液体设 定的不同比例可以通过控制电磁阀不同的开闭时间实现，这样的模式既可以 保证溶液或难溶物悬浮液的充分混合又能通过调节驱动力达到喷射的目的。 这就引导出本专利技术的目的。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种制备组合材料芯片的方法及电磁喷射系统。 本专利技术区别于以往的利用溶液喷射技术进行材料芯片制备的方法，最大 的改进在于将喷射后在基板上微反应器中混合的模式变为喷射前在溶液管路 中混合然后喷射的模式。喷射后混合的模式，通常需采用搅拌，超声，摇晃 等手段促进液体在微反应器中的混合，显而易见，对于流动性好的溶液，这 些手段能较好的促进混合，但是对于较为粘稠且流动性差的难溶物悬浮液， 这些方法就不能使液体充分的混合均匀，而热处理后又容易产生成分偏析。 因此在设计的管路中为使混合粘稠流动性差的难溶物悬浮液充分混合均匀， 从而根本上克服喷射后在混合时易产生的成分偏析的问题。本专利技术的另一个 改进在于将压电式的喷头驱动模式改变为气压电磁式的驱动模式。压电驱动 模式的喷射系统优点在于结构简单，维护方便，但是对于粘度较大的难溶物 悬浮液， 一方面压电式产生的驱动力不足，难于有效喷出，同时喷出的量有 一定的随机性难于精确控制；另一方面，增加压电驱动力需要更高的电压， 这样势必会提高使用者的安全风险，同时，压电喷头的驱动力在制作时已固 定，不能针对不同的液体进行灵活的调节，这样势必会限制其发挥。与之相 比，气压电磁式是一种利用外界对液体提供的驱动力如气体压力通过电磁阀 控制供液管路和控制喷头的开闭达到混合及喷射的目的。不同组分的液体量 以及喷头喷射的量可以通过电磁阀不同的开闭时间和调节不同的液体驱动力 控制。从原理上来说气压驱动的电磁式液体喷射系统的动力来源于外界气体 压力，这样可以安全而方便的进行压力调节，使得针对不同的液体可以方便地选择匹配的驱动力进行喷射，同时可以将不同的液体在喷射前混合后再喷 出，，不同的液体设定的不同比例可以通过控制电磁阀不同的开闭时间实现， 这点如上所述区别于以往的液体喷射系统，因此气压电磁式的模式既可以保 证溶液或难溶物悬浮液的充分混合又能通过调节驱动力达到控制喷射的目 的。显然这样的选择也有一定的缺点即结构及维护较为复杂。本专利技术所述的可溶物溶液为所有的可溶物溶液，可溶物是针对特定溶剂 的单质或化合物。本专利技术所述的难溶物包括如氧化物、硫化物、碳化物、氮化物、氯化物、氟化物、碳酸盐、硫酸盐、硅酸盐等(如Ti02、 Nb205、 Bi203、 ZnS、 SiC、 BC、 SiN、 BN、 AgCl、 CaF2、 BaF2、 BaC03、 CaC03、 BaS04、 CaSi03)。综上所述，本专利技术旨在给出一种制备组合材料芯片的液体喷射方法，并 依据此方法提出 一种制备组合材料样品库的可溶物溶液或难溶物悬浮液喷射 系统以实现以可溶物溶液或难溶物为原料的液相法并行合成。本专利技术的实质是将液滴喷射技术和难溶物悬浮液的制备技术结合起来， 用于从难溶物原料出发制作材料芯片。通过两者集成，可以将所需要的溶液 或者难溶物颗粒定向喷射到材料基片的适当位置，从而实现材料芯片打印。本专利技术的核心思想在于通过在喷射前先将可溶物溶液或难溶物的悬浮液 混合均匀的方法以克服现有技术中喷射后混合方案存在的混合不均问题，其 最大特点在于系统为开放式平台，通过增加供液系统的单元数，可实现二元 到多元组分的并行合成，即使用者可以根据自己需要对系统进行改进；气压 电磁式驱动模式较多的系统控制参数也为使用者提供一个可扩展的平台。为此，本专利技术还提供了实现上述制备组合芯片的方法所使用的电磁喷射 系统。本专利技术所提供的电磁喷射系统由管路系统和定位系统组成。其中，所述的管路系统包括气体管路、液体管路、流量控制电磁阔以及混合电磁泵构成喷射定位系统则由二维X-Y电动平台和电动平台的控制器组成。所述的气体管路由样品进气管、喷射进气管和清洗液进气管组成，欲混 合可溶物溶液或难溶物溶液依需要分别放置在贮液池相连接，喷射进气管与混合池相连，清洗液进气管与清洗液池相连接；使用外界气体作为液体注入、 混合及喷射的压力；使用电磁阀进行液体流量的控制，使用电磁式喷头进行混合后的可溶物溶液或难溶物溶液的液体喷射，而液体的混合通过电磁泵实 施的。通过增减进气管、贮液池和进液管的数量实现二元或多元材料芯片的制备。液体管路由连接贮液池、样品进液管、混合池、电磁泵和混合池的连接 管道、清洗液池组成，其中贮液池通过样品进液管与混合池连接，电磁泵通 过连接管道和混合池连接，清洗液池与混合池连接。流量控制电磁阀由与样 品进液管连接的样品电磁阀，与清洗液进液管连接的清洗液电磁阀，与混合 池通过连接管道连接的电磁泵，与喷射进气管连接的三通电磁阀，与混合池 连接的电磁喷头组成。在外接气体压力驱动下，气压通过进气管推动贮液池 中可溶物的溶液或难溶物悬浮液通过进液管进入混合池，利用进液管连接的 电磁阀的开闭控制进入混合池的不同溶液或悬浮液的量，混合池由混合腔体、 混合撞针和管道接头组成，混合腔体为圆柱形，混合撞针位于管道接头液体 出口处，管道接头连接进液管、进气管、电磁泵与混合池连接管道和电磁喷 头，通过电磁泵及其与混合池连接管道对本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备组合材料芯片的方法，其特征在于可溶物溶液或难溶物悬浮液预先在溶液管路中混合均匀，然后用外界气体驱动的电磁式喷射系统，将混合均匀的可溶物溶液或难溶物悬浮液喷射到基板上，通过热处理制备成组合材料芯片。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李永祥，王卓，王东，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]