高速且按需喷墨的脉冲电流体射流喷印 翻译.docx

高速且按需喷墨的脉冲电流体喷流喷印
摘要：
我们提出一个用于高速、高分辨率和高精度电流体喷印的脉冲直流电压喷印的方法。电压脉冲峰值在短时间内从喷嘴中感应到非常快的电流体喷应模式,而起始的直流电压需要确保当不处于喷印模式时的弯月面总是处于锥形形状。脉冲的持续时间决定了液滴的体积，因而决定了基板上的（产生物）的特征尺寸。液滴沉积速率受连续两个脉冲之间的时间间隔限制。通过选择合适的脉冲宽度和频率,可以得到一种能够指定的液滴大小和液滴间距的喷印方法。进一步, 适当地通过定位命令协调脉冲也可以实现高空间分辨率。我们通过1 kHz的按需喷墨展示高速印刷能力，通过液滴大小的3 - 5μm的水性油墨和1 - 2μm固化聚合物油墨体现可定义功能。
（本文一些数字的颜色只有电子版本）
1. 引言：
纳米和微米级的喷印制造工艺是许多研究的目标，因为它能够产生非常小规模的液滴。喷印的例子包括现在无处不在使用的热喷墨打印和压电激励器和电流体喷印。其中,电流体喷印已经证明具有较好的分辨率, 可以使用各种油墨打印的微米和亚微米尺度滴 [1 - 4]。然而,工作速度以及和维持统一的印刷质量被认为它的（发展）障碍,正如一篇关于电流体喷印的综述[5]指出。
因为能够用许多油墨打印高分辨率的液滴和线条，电流体喷印在金属(Ag)互联的印刷电子产品[2]出巨大的应用前,生物传感器[1,4],等方面表现出巨大的应用前景。随着电流体喷印的优点更加明显(如潜在的纯粹的加性算子,直接打印生物材料的能力,无掩模光刻技术),例如按需喷墨和能够精确控制液滴大小的附加功能变得必要。更进一步，为了独立调节过程输出而加强对过程如液滴大小和交付频率的控制变得至关重要。最后,与任何制造过程一样,吞吐率(在这种情况下指印刷速度)和过程参数的鲁棒性是决定（是否）采用（这种方法）过程中的关键。因此,为了充分实现流体喷印的能力,本研究叙述通过如何利用输入电压调制提高液滴沉积率,获得一致的液滴体积和准确的空间位置。
电流体喷印利用电场诱导液体流过细微毛细管喷嘴来在微-纳米级范围[1]内构建设备。通常,这些电场是在携带墨水的喷嘴 (打印头)和喷印底板之间建立一个恒定的电压差而产生的。电场从底板吸引离子,使得弯月面呈锥形,最终导致不稳定,导致锥顶释放液滴[1,6]。从喷嘴放出的电流体自然导致放电脉冲流。陈[9]利用这个原理准确放置液滴。Juraschek和Rollgen[7]研究称, 这种脉冲在存在10赫兹和高频1 kHz脉动的电流体喷射的喷射状态之中。利用这个自然脉动,陈等[9]和崔等[8]发展来用于描述电流体大小的标度规则。直到现在,高分辨率电流体印刷已经使用这种自然脉动,因此受限于上述放电的自然脉动频率,这有着实质性的变化。为了克服这个限制,金等人[10]建议使用压电激励喷嘴(混合喷射印花)应随着电场诱导喷射。Nyugen等[11]展示了用于电流体喷印交流脉冲。交流调制在喷嘴的制造,液滴排斥和基于正弦电压的频率按需喷墨功能这些方面优于直流电压。金等[12]将直流方波用于电流体喷印并使用电压振幅控制液滴的大小。Stachewicz等[13]展示了了单次脉冲电流体喷印的液滴生成,并研究了按需喷墨电喷射法的弛豫时间 [14]。
在上面引用的文献中,液滴直径和脉冲频率仅限于大小50μm印刷频率为 25赫兹。此外,据我们所知,没有任何系统控制高速印刷的方法能够产生具有准确的高保真空间和时间分辨率的液滴容量。本文提出了一种面向制造业的脉冲输入电压电流体印刷包括(1)高速印刷,(2)高分辨率印刷和(3)完整的形成脉冲信号的方法。
在本文中,我们提出一种能够对高速度且独立控制液滴大小的和印刷的频率的电流体喷印模式。具体来说,这种模式了展示的印刷速度为每秒1000滴,且生产出一致并可控的尺寸3 - 6μm的为液滴。这个模式使用一个脉冲电压信号来从喷嘴中生成电流体流。为了快速从喷嘴中诱导电流体喷射需要选择脉冲峰值 ,同时挑选基准电压以确保近锥形的弯月面总是存在,但不会释放任何液体。脉冲的持续时间决定了液滴的体积, 因而决定了底板上的（产生物）的特征尺寸。另一方面,液滴沉积速率是由两个连续的不同脉冲之间的时间间隔决定。通过选择合适的脉冲宽度和频率,可以得到一种能够指定的液滴大小和液滴间距的喷印方法。
本文剩余部分按以下内容组织。第二节介绍了电流体喷印过程。第三节接着讨论一种用于高速高分辨率电流体喷印功能的新型电压调制方案。用于确定这个方案参数的设计方法在第四节中描述。第五部分描述了实验电流体喷印试验台。部分6和7演示电压调制高速印刷和按需喷墨印刷功能的印刷方法。最后,在第8部分总结了本文的贡献。
2. 电流体喷印

图1.电流体喷印装置示意图包括喷嘴和墨水室，背压的空气供应,导电底板,和平移和倾斜台。

图2.对处于弯月面中液体的发生变化是由于喷嘴和底板之间的电势增加的说明。
图1展示了一个电流体喷印过程的示意图。从图1可以看到,电流体喷印主要组成包括一个油墨室,金属包覆的玻璃喷嘴底板和定位系统。可控的印刷工艺参数指应用于油墨室(气动)的背压，喷嘴和底板之间的偏移高度差，以及工作时喷嘴和底板之间的外加电压的。注意,喷嘴和底板通常涂有金属以确保导电性。
由于喷嘴利用电压导致墨水中的移动离子在喷嘴表面附近积累。离子之间相互的库仑排斥力在液体表面产生了一个切向应力,从而使得弯月面变形成一个锥形[1]。在某些时候, 弯月面的静电压力克服表面张力和来自锥的液滴喷射。图2说明了由于电压的增加墨水中的弯月面发生改变。根据流体属性,随着应用领域的增加这种放电开始作为一个脉冲或间歇喷射(pre-jet模式)转变成一个稳定的单一的喷流,多个不稳定喷流,最后成为一个电场强度非常大的喷雾。每个不同的喷射模式(例如:脉动、稳定的喷射,静电喷涂[15])可以用来实现各种印刷/喷涂的应用程序。间歇喷射模式由于更好的可控性通常用于打印速度较高时。
背压的变化, 组装间隙和外加电压影响液滴的大小和产生频率。在印刷条件下，这个过程的输出灵敏度变化需要高分辨率遥感和控制以达到稳定和可预测的印刷结果。
3. 电流体喷印的电压调制
通常情况下,通过改变应用于喷嘴和底板之间电压差控制喷流频率和液滴直径。从过程开发的角度来看,这有很大的缺点。首先,对于一个给定的喷嘴直径、油墨和组装间隙(底板与喷嘴的距离),表面的液滴直径(D)和喷射频率(f)是耦合的。崔等[8]所提的标度率通过下列方程捕捉这些关系:

dN的是半月板固定半径, d是喷射液滴的液滴直径,E是外加电位引起的电场，θ是表面的接触角,F(θ)是关于接触角θ函数的。从上面的方程可以看到,我们可以设置一个电压水平获得所需的液滴直径或者印刷速度(滴/秒),但不是两个。在不同的尖端和底板之间设置一个恒定电压的第二个与印刷相关缺点是通过产生的每分钟组装间隙的变化积累(例如,因为与运动台相关的小失调或错误)可
造成喷射频率和液滴直径的巨大变化。
只要有足够高电位差,超快速喷射频率可以实现几千赫。然而,由此产生的强电场,操作条件下系统变得对组装间隙,弯月面润湿特性,等的变化更加敏感。在印刷中喷射频率大幅变化会导致液滴间距不一致。因此,恒高压电流体喷印不适合印刷要求普通液滴直径和液滴间距一致的大液滴阵列 (就好比DNA微阵列所要求的那样)。同时,低压电流体喷印导致印刷速度缓慢(液滴沉积率每秒1 – 5滴)。

图3. 电流体喷印脉冲的关于时间的电压波形图 TD表示连续脉冲之间的时间间隔，而TP表示脉冲宽度。VH和VL分别表示高电压和低电压
为了能够克服这些限制,我们提出将短期高压脉冲在一个较低的基线恒压叠加。高压短脉冲从喷嘴释放液滴(或有限数量的水滴),而低恒压保持弯月板上的电荷。图3显示了一个典型的脉冲的时间曲线图。脉冲的持续时间控制释放液滴的数量。这些液滴合并, 在底板表面形成一个更大的液滴。因此在底板上沉积的流体体积是由每个高压脉冲内释放水滴的数量决定，也就是受这种脉冲的持续时间影响。另一方面,两个脉冲之间的时间决定了时间或(匀速运动的阶段)连续液滴在底板上的间距(s)。
为了确保处于基准电压没有喷射，必须选择基准电压;然而,它必须足够大,以确保形成泰勒锥[16]且保持在微毛细管喷嘴顶端。另一方面,选择脉冲峰值电压Vh,它决定一个喷射频率为fh非常快的自然喷射模式。通过调整脉冲峰值电压到一个足够大的值, 大多数油墨可以得到的fh范围在10 - 50 kHz [1,9]。
3.1脉冲间隔Td
脉冲间隔Td直接控制在底板上的液滴间距。这是因为液滴之间的距离可以改变通过调整连续脉冲之间的时间间隔和 底板相对于喷嘴的运动速度(wst)。液滴间距由sd = wstTd决定。
3.2脉冲宽度TP
假设一个半球形液滴的在底板表面，我们有(当 fhTp > 2)
fhvhTp = πD312 (3)

其中Vh是从喷嘴释放单个液滴的体积TP是脉冲宽度。给定一个固定的Vh（峰值），fh和Vh是固定的。因此，我们可以通过改变脉冲宽度Tp控制沉积的液滴的直径。此外，由于平均化效果，这些的“聚合”液滴的大小的均匀性明显优于逐个排出的液滴。对于一个足够小的脉冲宽度，由于在的弯月面成型和液滴排出的时间延迟，可能导致没有液滴从尖端释放。这个最低的TP由VH的取值决定（见图13的记录输入电压脉冲产生的电流信号的一个例子）。图4显示一张在光固化聚氨酯聚合物中这一关系的图（诺兰光学胶NOA 73）。

因此,通过调整Tp和Td我们分别得到所需的液滴直径和间距。

图4. 一种聚氨酯聚合物油墨的最小脉冲宽度Tp关于输入电压Vh的图。对于较大的电压,我们可以获得较小的液滴喷射脉冲宽度。Vh = 425 V,我们获得fh> 18 kHz。
4. 设计方案
在本节中,我们从算法上描述如何确定输入参数,特别是脉冲调制参数Vh,Vl,Tp和Td, 同时基于印刷过程的输出需求,如液滴间距和液滴(特征)的大小。
（i） 设置工艺参数:油墨类型、基质类型、背压(psi)和喷嘴直径。通常,选择喷嘴直径是所需液滴直径的2至5倍,而选择的背压能够使弯月面在喷嘴上保持球形
（ii） 设置Vl比释放单个液滴所需的初始电压低5 - 10 V。(该电压可以通过逐渐提高电压释放一个液滴,直到从喷嘴释放第一滴。)
（iii） 确定底板速度(在运动时受的硬件约束下尽可能快)wst。
（iv） 确定脉冲之间的时间Td = sd wst sd为所需的液滴之间的间距。
（v） 估计Vh 可能的范围,以满足
(a) Vh明显低于喷涂,不稳定的喷射或击穿电压。
(b) Vh大于喷射时的频率为fh的电压,满足fh,minTd > 2。
（vi） 在不违反上述(a) 尽可能选择较大的Vh。基于方程(2)，确定能够得到所需的液滴直径D的脉冲宽度Tp。
5. 系统描述
为了验证电流体喷印过程中高速和按需喷墨的可行性,基于前一节中描述的设计方案构建了一个如图5所示实验性的电流体喷印试验台。表1描述了系统的硬件组件。

图5.五轴电流体印刷测试平台
从图5可以看出,运动控制系统包括五个连接轴(X,Y,Z,U),底板台,喷嘴和用于喷嘴对齐和喷印显像的相机。底板的平移运动通过X、Y轴控制,而通过U，A轴完成倾斜和偏转。喷嘴和底板的电气连接,连同底板侧的测量方案, 设置后如图10所示。可以通过在线或是离线测量电流型号来确定喷印信息。喷印在涂有金以提高电导率的玻璃片底板上完成。对于底板没有其他后续处理。关于Z轴的喷印投射距离设置在30μm。读者感兴趣的投射距离的影响在[8]中有研究。使用的电源是双极性的，不过在本文中，我们将使用正极性的喷嘴显示打印。我们现在展示的是高速印刷（a），在下个部分展示按需喷墨（b）。
6. 高速打印的结果
脉冲电流体喷印可以显著提高速度(液滴沉积速率)。通常在不断喷射模式下，喷射频率约为每秒1 - 5滴[1]。胶片所呈现的在1.5毫米×0.3毫米下对恒定电压和脉冲电压下的电流体喷印印刷速度的比较。恒压印刷只能达到每秒1滴喷射领率，并需要2200秒印刷。另一方面,使用脉冲喷射能够达到每秒60滴需要70s。

图6. 图表显示使用恒压模式和脉冲电压模式的电流体喷射模式打印时间由1.5毫米×0.3毫米。脉冲电压印刷所需的70秒,在恒压喷射印刷需2200秒。

图7. (a)使用恒压喷射印刷图案(5μm毛细管,磷酸缓冲溶液与10%甘油(酒精度))。总面积= 0.3毫米×1.5毫米。(b)使用脉冲电压印刷图案
喷射(5μm毛细管、磷酸盐缓冲溶液与10%的甘油(酒精度))0.3毫米×1.5毫米。使用恒压印刷得到不规则的液滴间距和大小并且需要2200秒。脉冲印刷得到一致的液滴间距和液滴尺寸且需70秒。一般的液滴直径是3μm。
图7显示的是光学显微镜下两种印刷方法得到的印制图案。图6中的图表所示, 使用脉冲模式操作时印刷时间减少了30倍使用脉冲模式液滴的位置精度的取决于平台的同步运动和电压脉冲。这是相比于图7中的下一个图那些不规则液滴产生的原因
。
图8. 印刷图案使用诺兰胶73(固化聚氨酯聚合物) 打印频率为1 kH，毛细管喷嘴使用2μm 。液滴直径从1到2μm变化。

此外，脉冲电流体喷印展现了印刷速度达到几千赫兹的巨大潜在性，会使这项技术向纳米技术转变。图8展示了一幅在1kHz打印的，液滴大小在1到 2μm的图像。图9所示，在底板上打印线的速度可以达到10kHz
7. 按需喷墨打印

图9使用诺亚胶73打印的扫描电镜图像(固化聚氨酯聚合物)打印频率为10 kHz，使用2μm内径的毛细管喷嘴。右边的放大细节显示打印之后液滴的扩散。

图10. 电流体喷印过程在底板侧的电流测量装置
7.1电流检测
监测电流体喷印过程变得非常挑战，尤其是在印刷分辨率为1微米的和速度接近每秒1000滴是。因此,这个方案根据电流监控而开发。从本质上讲,电流体喷印过程包括底板和喷嘴之间质量和电荷的转移，即每个从喷嘴释放液滴净的正或负电荷[3],这取决于应用的领域
。随着每个带电液滴从喷嘴的释放,电流会产生并消除由于流体在半月板导致的电荷失衡。通过检测这个电流，可以确定液滴释放的时间。此测量方案称为喷嘴端测量。另一种方案测量带电液滴喷嘴的到达导电底板是从底板流向地面的电流。这种电流可以通过引入电流传感器在测量这种电流可以通过引入电流传感器在底板接地端测量。此测量方案称为底板端测量。图 10 显示了底板端电流测量装置的示意图。高电压源与喷嘴端相连，电流传感器连接到底板侧时。电流传感器自由端的连到地面。而这当两个计划的监控工作时，我们将使用底板端组态作为下面提到的实验结果。

图 11.喷印液滴和测量电流的峰值之间的一对一关系插图
喷射的频率可以通过测量两个连续喷流之间时间间隔确定。每个峰值电流信号对应于单次喷流。图 11 所示。在我们操作使用的分辨率下 （< 5μm），测得每个标准的微低的电流在 10 到 100nA.因此，喷流检测功能可用于确定每脉冲释放的液滴数目，而不用采用脉冲电流体喷印模式此信息可用于确定第 3 及 4 条所述的电压脉冲调制参数。
7.2. 打印结果
我们通过下图展示高速脉冲电子喷墨印刷模式的附加功能。图 12 显示底板端测量的电流的时间图与电压脉冲时间图的叠加。使用的墨水是 10%（酒精含量） 甘油 ，10mM磷酸盐缓冲溶液。我们观察到在一个脉冲时间内单一的液滴从微毛细管内被释放。这种能力可以转化为电流体喷印的按墨喷印功能，将极大地提高电流体喷印在生物传感器，及其他应用程序之间的适用性。
图 13 显示一连串电压脉冲序列和相应的液滴的电流测量。我们注意到在每个脉冲周期有多个水滴 （在本次情况下，有4个）排出。通过改变脉冲时间 （Tp），可以控制每脉冲内的液滴的排出数目。

图 12. 显示单个液滴的电压脉冲和的对应的峰电流测量情况

图 13.电压脉冲序列与每个脉冲中释放的多个液滴的电流测量图
在不同的脉冲时间内,脉冲宽度内的可以有多个液滴喷射并合并形成不同的液滴大小。图14显示了底板上不同脉冲宽度 (Tp)所对应的液滴直径(D)。墨水使用紫外光固化聚氨酯油墨; 喷射使用微毛细管喷管的内径 为 5 μ m。液滴直径从6 至 22 μ m取决于脉冲宽度的大小。
电流体喷印过程中的脉冲模式下操作可以显示液滴直径的变化。图 15 说明了这一点。液滴直径随脉冲宽度的变化而变化，并生成密度大和密度较小的打印的区域，而无需改变喷嘴，电压或沉积频率变化的调整。因此我们分别对液滴直径和液滴的间距进行控制，第 3 节中所述。

图14.(D) 液滴的表面直径（D）关于脉冲宽度Tp的的直线，绘制出斜率为 0.33 预测线。我们可以看到的预测和测量值之间较好的相关性。

图 15.（a）打印的部分使用诺兰胶703和5微米的微毛细管，可以通过改变脉冲宽度（Tp）动态调整液滴直径。（b)显示控制液滴尺寸 从3.9微米 过渡 8.1 微米的过程。液滴间距（16 μ m）不受液滴直径控制 。
利用这样对液滴间距和液滴直径的独立控制，可得到不同密度的液滴或液滴尺寸可动态调整的的图案。图 15 展示从 5 μ m 的微毛细管使用 NOA 73打印的图案的可行性。液滴尺寸因通过脉冲宽度 （Tp） 从 500 到 2500微秒变化而变化。在这两种情况下产生的平均粒径是为 3.9 μ m 和 8.1 μ m ，分别为有 0.4 微米、 0.3微米 （随机选取16个液滴直径的测量） 的标准偏差。液滴间距 （16 μ m）不受液滴粒径的变化。
8. 结论
电流体喷印技术在印刷的电子、 生物技术和微型机电装置方面显示了广阔的应用前景。印刷速度和液滴大小控制是当前喷印技术的最大挑战。为了同时解决这些问题，有人研究了高速高精度电子-喷墨印花技术。通过使用直流电压脉冲信号来产生电子喷射，可以在非常快的打印速度下得到精确的液滴位置和液滴间距。打印时间被减少了三个数量级，同时还可以选者的液滴沉积速率和特征尺寸。进一步，该方法也表现出按需喷墨的可行性，以及即时产生的液滴特征尺寸和液滴的体积控制。