實驗名稱：氣流輔助靜電聚焦電流體噴頭實驗研究

測試設備：高壓放大器、函數發生器、精密流量泵、激光共聚焦顯微鏡和超景深光學顯微鏡等。

實驗過程：

圖1：實驗平臺：(a)實驗平臺示意圖；(b)實驗平臺實物圖

實驗中使用的實驗平臺如圖1所示。基板安裝在運動平臺上，噴頭安裝在運動平臺正上方，軟件控制電機帶動運動平臺進行運動。通過軟件可以對平臺的運動速度、運動軌跡及噴頭高度等進行調節，打印圖案的位圖文件和運動軌跡文件均可導入到平臺軟件中，軟件對文件進行讀取后直接控制運動平臺進行預定圖案的運動，從而實現各種定制圖案的打印。精密流量泵對噴頭進行溶液供給。氣泵對噴頭進行氣流供給，通過調節調壓閥對輸入噴頭的氣流壓力進行控制，同時噴頭氣流入口處設置有氣壓表用于實時監測其氣壓的變化以保證氣壓的穩定，所使用的是調壓閥和數顯氣壓表。高壓電源為噴頭各電機提供高壓，高壓電源由函數信號發生器和高壓放大器組成，函數信號發生器用于產生各種形式（直流、交流、脈沖等）的電壓信號，高壓放大器將函數信號發生器輸出的電壓信號放大（1000倍）后輸出到噴頭的高壓電極上。實驗平臺上設置有觀測相機對打印的實時情況進行觀測。對打印在基板上的實驗結果采用顯微鏡進行觀測，所使用的包括激光共聚焦顯微鏡和超景深光學顯微鏡。

實驗結果：

圖2：絕緣基板銀漿打印結果：(a)常規電流體噴印打印結果；(b)噴頭靜電聚焦功能打印結果；(b)線寬隨基板速度變化

常規電流體噴印在絕緣的PI膜基板上打印的結果如圖2(a)所示，受基板的影響，打印的銀漿呈現彎曲狀態，調節噴嘴距基板的距離也不能解決這種問題。靜電聚焦電流體噴印實驗中使用半徑為20μm的玻璃噴嘴并采用納米銀漿溶液打印在絕緣聚酰亞胺(PI)基板和玻璃基板上。采用的靜電透鏡結構是內徑為2.2mm的電極膜片結構。圖2(b)顯示了納米銀漿溶液在玻璃基板和PI基板上的打印結果。圖2(c)顯示了打印的銀漿溶液的線寬隨基板運動速度的增大而減小，在基板速度為300mm/s時，在PI基板上的線寬能到達20μm，在玻璃基板上的線寬能到達10μm。這顯示了噴頭采用靜電聚焦功能時在絕緣基板上具有良好的打印效果。

圖3：傾斜基板上打印結果：(a)打印過程觀測圖；(b)誤差系數隨傾斜角度的變化

為證明靜電聚焦功能的噴頭能在傾斜基板上提高打印精度，進行實驗比較靜電聚焦電流體噴頭和常規電流體噴印在傾斜的基板上的打印效果，如圖3所示。為了便于相機觀測，實驗使用半徑為150μm的金屬噴嘴并采用納米銀漿溶液打印在傾斜的導電硅基板和絕緣聚酰亞胺(PI)基板上。采用的靜電透鏡結構是內徑為4mm的藍寶石片結構。打印所采用的參數如圖3(a)和(b)所示，在導電硅基板上打印時，常規電流體噴印中噴嘴與基板之間形成的傾斜電場造成了射流很明顯的偏移。而靜電聚焦電流體噴頭中，靜電透鏡對電場的聚焦作使射流的偏移明顯的減小。其中ds表示射流與噴頭中心線在基板上落點之間的距離，hs表示噴頭中心線在基板上的落點與噴頭之間的距離，并將誤差系數(ds/hs)作為在傾斜基板上打印誤差的評估。實驗結果如圖3(c)所示，在導電硅基板上，靜電聚焦電流體噴頭的誤差系數(ds/hs)明顯小于常規電流體噴印的誤差系數。在絕緣的PI(相對介電常數為3.5)基板上，常規電流體噴印很難實現穩定的打印。靜電聚焦電流體噴頭不僅能實現穩定的打印而且具有比硅基板上打印的更小的誤差系數，在基板傾斜角度小于30°時誤差系數小于0.03。這表明噴頭的采用靜電聚焦功能時在絕緣和傾斜的基板上具有更高的打印精度。

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審核編輯 黃宇