有芯噴頭結構對電液耦合噴印的影響

徐 磊 汪 超

（1.江西景德鎮陶瓷學院 江西 景德鎮：333403；2.武漢工程職業技術學院 湖北 武漢：430080）

目前，噴印技術不僅應用于傳統的文字打印，也在微電子制造方面發揮了獨特的作用，如電極［1］、太陽能電池［2－3］、半導體［4］、有機場效應管［5－6］、發光器件［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電器件，能夠實現無掩膜光刻工藝［11］，簡化微器件的生產工藝、降低其生產成本。

傳統的按需噴印技術主要包括熱氣泡式、壓電式、靜電式，它們通過液腔變形擠壓溶液而實現噴射。但是當溶液粘度較高時，有限的擠壓變形產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，故傳統的噴印技術一般要求溶液粘度較低（＜20mPa·s［12－13］）。

基于電液動力學原理的電液噴印技術（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微滴［14］，或者使微滴重疊成連續線結構。EHD噴印能夠替代傳統噴印技術，直接應用于柔性電子領域，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構。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系，因而能實驗噴印的有效控制［15－16］。但是由于有芯噴頭中針芯抑制著溶液流動，使得有芯噴頭更能實現高頻率噴印。本文主要討論有芯噴頭結構對脈沖噴印的影響。

1 實驗

實驗使用前期研究中采用的實驗裝置［16］，其中高壓脈沖電源（圣火HVP－402NP1）的正極接有芯噴頭、負極接硅收集板，收集板與XY運動平臺（固高GXY1515GT4）固定連接，微注射泵（Harvard 11 Pico Plus）向噴頭內連續供給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為本文的實驗參數，即噴管內徑、針芯伸出噴管的長度、噴管至收集板距離。

實驗時，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。沉積物的形態通過光學顯微鏡（Mitutoyo）及數字攝像機（Sony SSC－DC80）進行觀察，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則表示為收集板運動速度vcol與沉積液滴間距的比值。

圖1 有芯噴頭結構

2 結果

2.1 噴管內徑對脈沖噴印的影響

圖2表征了噴管內徑dcap對溶液噴射的影響。實驗中，噴管至收集板間距lctc＝2.2mm，針芯伸出長度為htip＝0.16mm。實驗使用了三種噴管，其內徑分別為0.26mm、0.34mm、0.41mm，外徑對應為0.51mm、0.64mm、0.72mm。圖2（a）顯示了溶液在不同噴管內徑下的實際沉積情況，更多的實驗統計結果反映在圖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律［16］。當fdep＜fapp時，溶液的沉積頻率跟隨噴管內徑的減小而增加。圖2（c）則揭示了噴管內徑對溶液極限噴射電壓的影響。當電壓頻率fapp＝50Hz時，溶液噴射電壓的上極限不隨噴管內徑發生變化，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 噴管內徑對脈沖噴印的影響

2.2 針芯伸出長度對脈沖噴印的影響

圖3表征了針芯由噴管中伸出長度htip對溶液噴射的影響。實驗中，噴管內徑dcap＝0.26mm，噴管至收集板間距lctc＝2mm。實驗中，調針芯伸出長度htip分別調節為100um、200um、350μm。圖3（a）顯示了溶液在不同針芯伸出長度下的實際沉積情況，更多的實驗統計結果反映在圖3（b）中，其工作電壓為3000V。由圖可知，實驗滿足噴印規律，即溶液沉積頻率具有分頻關系，且隨電壓頻率增加而增大。同時，當電壓頻率fapp＞60Hz時，溶液在不同針芯伸出長度下的沉積頻率是相同的，但是當fapp＜60Hz時，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溶液極限噴射電壓的影響。當電壓頻率fapp＝50Hz時，溶液噴射電壓的下極限不跟隨針芯伸出長度發生變化，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脈沖噴印的影響

圖4表征了噴管至收集板距離lctc對溶液噴射的影響。實驗中，噴管內徑dcap＝0.26mm，針芯伸出長度htip＝200μm。實驗中，噴管至收集板間距lctc分別調節為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際沉積情況，更多的實驗統計結果反映在圖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律，即溶液沉積頻率的分頻特性。同時，當電壓頻率fapp＝60Hz時，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fapp＜60Hz時，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溶液極限噴射電壓的影響。當電壓頻率fapp＝50Hz時，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 針芯伸出長度對脈沖噴印的影響

圖4 噴管至收集板距離對脈沖噴印的影響

3 討論

粘性溶液在噴管中流動時，由于附壁效應，實心針芯的表面起著抑制溶液流動的作用。即當溶液順流時，針芯表面會阻礙溶液向收集板方向運動；而溶液回流時，針芯表面會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現高分辨率的噴印［16］。

另一方面，實心針芯也改變了電極間的電場分布，使得針芯尖端存在強電場區。因而針芯尖端表面附著的溶液在電場作用下流動較快，并率先發生噴射。當電場作用時間越長或者電場力越大，則從針芯尖端噴射的溶液量越多。這種現象導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，當針芯伸出長度變長，會導致尖端距收集板距離縮小，從而使尖端電場增強，以致于從尖端噴射的溶液增多，沉積頻率下降（圖3）。同理，當針芯伸出噴管的長度保持固定不變時，若噴管至收集板距離減小，也會導致針芯尖端電場增強，沉積頻率下降（圖4）。同時，噴管內徑增大，會導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，在有芯噴頭結構中，當針芯突出噴管或者與噴管持平時，由于針芯頂端的曲率半徑很小，同時脈沖噴射時的電極間距較小，這使得針芯頂端處的電場強度遠遠高于噴頭的其它部位。因此，若電壓升高導致電極間出現擊穿放電現象時，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，以致于溶液總是從針芯尖端處開始噴射。實驗表明，噴管內徑減小、針芯伸出長度縮短、噴管至收集板距離增加，會導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，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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