有芯噴頭結(jié)構(gòu)對(duì)電液耦合噴印的影響

徐 磊 汪 超

（1.江西景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院 江西 景德鎮(zhèn)：333403；2.武漢工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖北 武漢：430080）

目前，噴印技術(shù)不僅應(yīng)用于傳統(tǒng)的文字打印，也在微電子制造方面發(fā)揮了獨(dú)特的作用，如電極［1］、太陽能電池［2－3］、半導(dǎo)體［4］、有機(jī)場效應(yīng)管［5－6］、發(fā)光器件［7－8］、傳感器［9－10］等。由于噴印方式屬于加成工藝，因而使用這種方法制作微機(jī)電器件，能夠?qū)崿F(xiàn)無掩膜光刻工藝［11］，簡化微器件的生產(chǎn)工藝、降低其生產(chǎn)成本。

傳統(tǒng)的按需噴印技術(shù)主要包括熱氣泡式、壓電式、靜電式，它們通過液腔變形擠壓溶液而實(shí)現(xiàn)噴射。但是當(dāng)溶液粘度較高時(shí)，有限的擠壓變形產(chǎn)生的擠壓力難以克服液體的粘滯力作用，因而難以有效地將液流分裂成液滴噴射，故傳統(tǒng)的噴印技術(shù)一般要求溶液粘度較低（＜20mPa·s［12－13］）。

基于電液動(dòng)力學(xué)原理的電液噴印技術(shù)（簡稱EHD噴?。?，由于從外部提供靜電力，并誘使液體射出，因而不僅能夠噴射粘度很高的溶液，而且其射流直徑遠(yuǎn)小于噴頭尺寸，因此噴頭不易堵塞。

脈沖高壓作用下的EHD噴印能夠噴射微米級(jí)微滴［14］，或者使微滴重疊成連續(xù)線結(jié)構(gòu)。EHD噴印能夠替代傳統(tǒng)噴印技術(shù)，直接應(yīng)用于柔性電子領(lǐng)域，是較為理想的、潛在的無掩膜圖形化噴印方法。在EHD噴印中，有芯噴頭與空心噴頭是噴頭的兩種基本結(jié)構(gòu)。前期的研究工作表明，使用有芯噴頭與空心噴頭，在脈沖高壓作用下，溶液的沉積頻率與電壓頻率間存在分頻關(guān)系，因而能實(shí)驗(yàn)噴印的有效控制［15－16］。但是由于有芯噴頭中針芯抑制著溶液流動(dòng)，使得有芯噴頭更能實(shí)現(xiàn)高頻率噴印。本文主要討論有芯噴頭結(jié)構(gòu)對(duì)脈沖噴印的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)使用前期研究中采用的實(shí)驗(yàn)裝置［16］，其中高壓脈沖電源（圣火HVP－402NP1）的正極接有芯噴頭、負(fù)極接硅收集板，收集板與XY運(yùn)動(dòng)平臺(tái)（固高GXY1515GT4）固定連接，微注射泵（Harvard 11 Pico Plus）向噴頭內(nèi)連續(xù)供給1%PEO溶液。溶液的粘度為5cP，供液速度為50μL／hr。有芯噴頭是在空心噴管中插入直徑為0.20mm的實(shí)心不銹鋼針制做而成，針尖曲率半徑約為10μm，如圖1所示。圖中，dcap、htip、lctc為本文的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，即噴管內(nèi)徑、針芯伸出噴管的長度、噴管至收集板距離。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，溶液在脈沖占空比為12%的脈沖電場作用下由噴頭噴出，沉積在硅收集板上。沉積物的形態(tài)通過光學(xué)顯微鏡（Mitutoyo）及數(shù)字?jǐn)z像機(jī)（Sony SSC－DC80）進(jìn)行觀察，并利用圖像處理軟件（CoolRuler）測量沉積液滴的間距。溶液沉積頻率fdep則表示為收集板運(yùn)動(dòng)速度vcol與沉積液滴間距的比值。

圖1 有芯噴頭結(jié)構(gòu)

2 結(jié)果

2.1 噴管內(nèi)徑對(duì)脈沖噴印的影響

圖2表征了噴管內(nèi)徑dcap對(duì)溶液噴射的影響。實(shí)驗(yàn)中，噴管至收集板間距l(xiāng)ctc＝2.2mm，針芯伸出長度為htip＝0.16mm。實(shí)驗(yàn)使用了三種噴管，其內(nèi)徑分別為0.26mm、0.34mm、0.41mm，外徑對(duì)應(yīng)為0.51mm、0.64mm、0.72mm。圖2（a）顯示了溶液在不同噴管內(nèi)徑下的實(shí)際沉積情況，更多的實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果反映在圖2（b）中，其工作電壓為3300V。由圖可知，溶液沉積頻率隨電壓頻率增加而增大，且電壓頻率與溶液沉積頻率的比值均近似為整數(shù)倍，即滿足fdep＝fapp／N（N＝1，2，3，…），這是使用有芯噴頭噴印的基本規(guī)律［16］。當(dāng)fdep＜fapp時(shí)，溶液的沉積頻率跟隨噴管內(nèi)徑的減小而增加。圖2（c）則揭示了噴管內(nèi)徑對(duì)溶液極限噴射電壓的影響。當(dāng)電壓頻率fapp＝50Hz時(shí)，溶液噴射電壓的上極限不隨噴管內(nèi)徑發(fā)生變化，其基本維持在3375V，但溶液噴射電壓的下極限隨噴管直徑增大而從2875V提高到3025V。

圖2 噴管內(nèi)徑對(duì)脈沖噴印的影響

2.2 針芯伸出長度對(duì)脈沖噴印的影響

圖3表征了針芯由噴管中伸出長度htip對(duì)溶液噴射的影響。實(shí)驗(yàn)中，噴管內(nèi)徑dcap＝0.26mm，噴管至收集板間距l(xiāng)ctc＝2mm。實(shí)驗(yàn)中，調(diào)針芯伸出長度htip分別調(diào)節(jié)為100um、200um、350μm。圖3（a）顯示了溶液在不同針芯伸出長度下的實(shí)際沉積情況，更多的實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果反映在圖3（b）中，其工作電壓為3000V。由圖可知，實(shí)驗(yàn)滿足噴印規(guī)律，即溶液沉積頻率具有分頻關(guān)系，且隨電壓頻率增加而增大。同時(shí)，當(dāng)電壓頻率fapp＞60Hz時(shí)，溶液在不同針芯伸出長度下的沉積頻率是相同的，但是當(dāng)fapp＜60Hz時(shí)，溶液沉積頻率隨針芯的收縮而提高。圖3（c）則揭示了針芯伸出長度對(duì)溶液極限噴射電壓的影響。當(dāng)電壓頻率fapp＝50Hz時(shí)，溶液噴射電壓的下極限不跟隨針芯伸出長度發(fā)生變化，即基本維持在2750V，而溶液噴射電壓的上極限隨針芯伸出長度增加而從3450V下降到3025V。

2.3 噴管至收集板距離對(duì)脈沖噴印的影響

圖4表征了噴管至收集板距離lctc對(duì)溶液噴射的影響。實(shí)驗(yàn)中，噴管內(nèi)徑dcap＝0.26mm，針芯伸出長度htip＝200μm。實(shí)驗(yàn)中，噴管至收集板間距l(xiāng)ctc分別調(diào)節(jié)為1.8um、2.0um、2.3mm。圖4（a）顯示了溶液在不同噴管至收集板距離下的實(shí)際沉積情況，更多的實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果反映在圖4（b）中，工作電壓為3000V。由圖可知，噴管至收集板距離不影響已知的噴印規(guī)律，即溶液沉積頻率的分頻特性。同時(shí)，當(dāng)電壓頻率fapp＝60Hz時(shí)，溶液在不同噴管至收集板距離下的沉積頻率是相同的，但是當(dāng)fapp＜60Hz時(shí)，溶液沉積頻率隨噴管至收集板距離的增加而提高。圖4（c）則揭示了噴管至收集板距離對(duì)溶液極限噴射電壓的影響。當(dāng)電壓頻率fapp＝50Hz時(shí)，隨著噴管至收集板距離的增加，溶液噴射電壓的下極限從2700V提高到2975V，而溶液噴射電壓的上極限從3150V提高到3525V。

圖3 針芯伸出長度對(duì)脈沖噴印的影響

圖4 噴管至收集板距離對(duì)脈沖噴印的影響

3 討論

粘性溶液在噴管中流動(dòng)時(shí)，由于附壁效應(yīng)，實(shí)心針芯的表面起著抑制溶液流動(dòng)的作用。即當(dāng)溶液順流時(shí)，針芯表面會(huì)阻礙溶液向收集板方向運(yùn)動(dòng)；而溶液回流時(shí)，針芯表面會(huì)阻擋溶液向噴管方向收縮。這種阻流作用，使有芯噴管比空心噴管更容易實(shí)現(xiàn)高分辨率的噴?。?6］。

另一方面，實(shí)心針芯也改變了電極間的電場分布，使得針芯尖端存在強(qiáng)電場區(qū)。因而針芯尖端表面附著的溶液在電場作用下流動(dòng)較快，并率先發(fā)生噴射。當(dāng)電場作用時(shí)間越長或者電場力越大，則從針芯尖端噴射的溶液量越多。這種現(xiàn)象導(dǎo)致了溶液的單次噴射量增加，液滴沉積后的尺寸增大。在確定的供液速度下，則使溶液的沉積頻率下降。

在固定的噴管至收集板距離下，當(dāng)針芯伸出長度變長，會(huì)導(dǎo)致尖端距收集板距離縮小，從而使尖端電場增強(qiáng)，以致于從尖端噴射的溶液增多，沉積頻率下降（圖3）。同理，當(dāng)針芯伸出噴管的長度保持固定不變時(shí)，若噴管至收集板距離減小，也會(huì)導(dǎo)致針芯尖端電場增強(qiáng)，沉積頻率下降（圖4）。同時(shí)，噴管內(nèi)徑增大，會(huì)導(dǎo)致流入針芯尖端處的溶液增多、單次噴射量增加，從而使沉積頻率下降（圖2）。

另外，在有芯噴頭結(jié)構(gòu)中，當(dāng)針芯突出噴管或者與噴管持平時(shí)，由于針芯頂端的曲率半徑很小，同時(shí)脈沖噴射時(shí)的電極間距較小，這使得針芯頂端處的電場強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于噴頭的其它部位。因此，若電壓升高導(dǎo)致電極間出現(xiàn)擊穿放電現(xiàn)象時(shí)，幾乎都是由針芯頂端開始的。由此可見，溶液噴射電壓的上極限是由針芯尖端到收集板的距離確定。另一方面，溶液是在電場作用下，經(jīng)由噴管末端的懸滴表面涌向針芯尖端并形成噴射。因而，能否形成懸滴的表面流是噴射的關(guān)鍵，故噴管尺寸及其到收集板的距離決定著溶液噴射電壓的下極限。

4 結(jié)論

噴管中插入的針芯不僅起著抑制溶液順流與回流的作用，還改變了電極間的電場分布。這使得針芯尖端處的電場最強(qiáng)，以致于溶液總是從針芯尖端處開始噴射。實(shí)驗(yàn)表明，噴管內(nèi)徑減小、針芯伸出長度縮短、噴管至收集板距離增加，會(huì)導(dǎo)致單次從針芯尖端處噴射的溶液量減少，從而使溶液的沉積頻率更容易等于電壓頻率。同時(shí)，由于針芯尖端曲率半徑小、距離收集板近，因而限制了溶液噴射的上極限電壓；而噴管末端懸滴表面流是電紡絲形成的基本條件，故噴管尺寸及其至收集板板距離決定了溶液噴射的下極限電壓。

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