電噴射按需打印與電流測量的研究*

衣珊珊，韋運龍，李 凱，王 驍，王大志※

（1.大連理工大學遼寧省微納米技術及系統重點實驗室，遼寧大連 116024；2.海軍大連艦艇學院航海系，遼寧大連 116018）

0 引言

電噴射打印技術是一種非接觸式的材料成型技術，其原理是電流體動力效應，流體受到電場力等綜合力的作用后，在噴針出口處形成遠小于噴針內徑尺寸的穩定微滴或射流，即可在常溫常壓下在襯底上形成所需的圖形，實現微納結構的打印制造。該技術具有打印精度高、墨水適應性廣、襯底要求低等優點，因此在晶體管[1-2]、生物材料與結構[3-4]等制造方面展現了其突出優勢。但是打印過程容易受微環境的干擾，例如打印平臺的振動等，導致射流不穩定，進而影響打印精度。因而在實際應用中，構建可靠的電射流打印過程的實時監控平臺是十分重要的。

目前對電射流打印過程的實時監控主要采用視覺監控的方式，即利用CCD相機獲得噴針出口處液體形狀的圖像，通過監控射流模式[5-7]，包括滴狀模式、微滴模式、紡錘體模式以及錐射流模式等，來識別打印過程的穩定性。之后，通過觀察到的現象來調節電壓，流量和高度等參數，使射流穩定可控。然而，利用監控射流模式的方式不能精確調節打印參數，影響了圖形的打印精度。Fernández de la Mora等人研究發現，液滴的形成伴隨著電荷的移動，且射流尺寸與攜帶電荷量成正相關[8]。基于此原理，可以利用電流與打印參數及打印結果的關系，從而精確控制工作參數，有利于實現高精度結構的打印制造。

對電噴射電流測量的理論研究可追溯至20世紀90年代，根據Fernández de la Mora的研究[8]，霧化電流不受噴針直徑、施加電場和工作距離的影響，只與流量和液體性質有關。在此基礎上，Ga?án-Calvo[9]提出普遍適用的電流定律：在錐射流模式中，對于高電導率高粘度的液體，霧化電流與流量的1/2次方成正比；對于低電導率低粘度的液體，霧化電流與流量的1/4次方成正比。在此之后，廈門大學鄭高峰等人研究了電流曲線與不同射流模式的關系，用于監控打印穩定性[10]。Rogers團隊將電流測量與峰值檢測電路相結合，可在高頻脈沖模式下進行打印頻率的測量和記錄[11]。

本文作者通過電噴射打印平臺，以石墨烯溶液為打印墨水，在微滴模式下進行電噴射按需打印實驗，基于電噴射打印平臺的電流測量裝置，研究不同打印結構與對應的電流曲線關系，并分析工作參數對電流的影響。

1 實驗部分

電噴射按需打印及電流測量的裝置示意圖如圖1所示，主要由函數發生器、電壓放大器、微量注射泵、顯微成像系統、XYZ三軸運動平臺，電流測量系統和上位機組成。函數發生器用于產生脈沖電壓信號，其參量包括低電壓、高電壓、脈沖寬度和脈沖頻率。該脈沖信號經過電壓放大器放大后，在金屬噴針（內徑50 μm）與鋁基板地電極間為射流的形成提供電場力。微量注射泵用于推動微量注射器，將液體勻速推入噴針內。顯微成像系統包括冷光源和CCD監測相機，實時觀察打印過程是否在穩定的微滴模式下進行按需打印。本文作者采用的襯底是厚度(1 000±10)μm單拋光的硅片，置于鋁基板上。通過三軸運動平臺以一定速度進行軌跡運動，用于打印形成不同微結構。其中，電流檢測裝置連接到襯底和電壓放大器的陰極，當襯底上收集到液滴時，電流檢測裝置檢測到相應的電流值，電流數據上傳到上位機，經過Labview軟件記錄并保存到Excel文件中。

圖1 基于電流測量的電噴射按需打印平臺示意圖Fig1 Schematic of E-Jet drop-on-demand printing platform based on current measurement

電噴射按需打印在微滴模式下進行，不僅對工作參數的設置限定在某一范圍內，對打印材料的物理性質也有一定的要求，選用Sigma-Aldrich公司的石墨烯溶液作為打印材料，其物理性質如表1所示。

表1 石墨烯溶液的性質Table.1 Properties of graphene dispersion

2 實驗結果及討論

2.1 按需打印的微滴模式

電噴射按需打印采用脈沖電壓，其參數包括高電壓、低電壓、脈沖頻率和脈沖寬度。為了更加靈活地控制打印過程，采用微滴模式，其工作原理示意圖如圖2所示。在脈沖低壓時維持噴針出口處的液滴為半球形，且無液滴產生，在施加脈沖高壓的瞬間產生小液滴，沉積到襯底上，從而實現按需打印。微滴模式不易受微環境的干擾，且打印靈活可控，便于微結構的形成。

圖2 微滴模式示意圖Fig 2 Schematic diagram of microdripping mode

2.2 打印結構與電流的關系

基于電噴射打印的微滴模式，進行電噴射按需打印，通過調節打印頻率，可得到如圖3（c）和（d）對應的點結構及線結構。當打印頻率為1Hz時，打印為圖3（c）中的點結構，從圖中可看出，打印頻率不穩定，打印尺寸不均勻，對應的電流曲線如圖3（a）所示，電流曲線在時間軸上不連續，電流峰值非定值，電流周期不固定。實驗表明，電流值為0時，無液滴產生，電流峰值的形成伴隨液滴產生，且電流峰值與打印尺寸成正相關。當打印頻率為30Hz時，打印為圖3（d）中的線結構，該線結構邊緣光滑，尺寸均勻，對應電流曲線在時間軸上連續，且在某一常數附近上下波動，如圖3（b）所示。該實驗說明，通過對電流曲線的監控即可判斷打印結構。

圖3 點結構與線結構的電流特性曲線Fig 3 The current characteristic curves for dot and line structures

2.3 打印高度與電流的關系

脈沖打印關鍵參量直接影響打印線寬和穩定性，圖4分析在工作高度影響下的電流特性，在實驗中，保持流量不變，分別在200 μm、250 μm、300 μm的高度下進行實驗。從圖中明顯看出，在打印過程中，隨著工作高度的增加，電流值減小。這是因為，打印高度越高，電場強度越小，液滴下落速度減慢，液體在切向電場力的作用下有更加充裕的時間從氣液交界面形成小液滴落下，從而使液滴直徑減小，根據Ga?án-Calvo電流定律，每個液滴攜帶的電荷量減少，導致電流值減小。在打印過程中改變高度的瞬時，噴針出口處的半球形液滴受力不平衡，出現震蕩，導致打印產生直徑較大的液滴，并伴隨電流值出現短暫的峰值，如圖4中紅色虛線框所示。該實驗說明，隨著工作高度的增加，電流值減??；可利用電流值的變化判斷打印過程受到的干擾因素，并做出相應的對策。

圖4 電流曲線受打印高度的影響Fig 4 The influence of printing height on the current curve

3 結論

利用脈沖電噴射按需打印平臺，在微滴模式下進行石墨烯的打印。利用電流檢測系統，進行電噴印打印技術的實時監控，研究電流與打印結構的關系，以及電流與工作高度的關系。實驗結果表明：當打印結果為點結構時，電流曲線的尖脈沖峰值與打印點的尺寸成正相關；當打印結果為線結構時，電流曲線在某一常數值附近上下波動。電流值隨高度的增加而減小。