衣珊珊，韋運(yùn)龍，李 凱，王 驍，王大志※

（1.大連理工大學(xué)遼寧省微納米技術(shù)及系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連 116024；2.海軍大連艦艇學(xué)院航海系，遼寧大連 116018）

0 引言

電噴射打印技術(shù)是一種非接觸式的材料成型技術(shù)，其原理是電流體動(dòng)力效應(yīng)，流體受到電場(chǎng)力等綜合力的作用后，在噴針出口處形成遠(yuǎn)小于噴針內(nèi)徑尺寸的穩(wěn)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(shí)現(xiàn)微納結(jié)構(gòu)的打印制造。該技術(shù)具有打印精度高、墨水適應(yīng)性廣、襯底要求低等優(yōu)點(diǎn)，因此在晶體管[1-2]、生物材料與結(jié)構(gòu)[3-4]等制造方面展現(xiàn)了其突出優(yōu)勢(shì)。但是打印過(guò)程容易受微環(huán)境的干擾，例如打印平臺(tái)的振動(dòng)等，導(dǎo)致射流不穩(wěn)定，進(jìn)而影響打印精度。因而在實(shí)際應(yīng)用中，構(gòu)建可靠的電射流打印過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控平臺(tái)是十分重要的。

目前對(duì)電射流打印過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控主要采用視覺(jué)監(jiān)控的方式，即利用CCD相機(jī)獲得噴針出口處液體形狀的圖像，通過(guò)監(jiān)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(lái)識(shí)別打印過(guò)程的穩(wěn)定性。之后，通過(guò)觀察到的現(xiàn)象來(lái)調(diào)節(jié)電壓，流量和高度等參數(shù)，使射流穩(wěn)定可控。然而，利用監(jiān)控射流模式的方式不能精確調(diào)節(jié)打印參數(shù)，影響了圖形的打印精度。Fernández de la Mora等人研究發(fā)現(xiàn)，液滴的形成伴隨著電荷的移動(dòng)，且射流尺寸與攜帶電荷量成正相關(guān)[8]?；诖嗽?，可以利用電流與打印參數(shù)及打印結(jié)果的關(guān)系，從而精確控制工作參數(shù)，有利于實(shí)現(xiàn)高精度結(jié)構(gòu)的打印制造。

對(duì)電噴射電流測(cè)量的理論研究可追溯至20世紀(jì)90年代，根據(jù)Fernández de la Mora的研究[8]，霧化電流不受?chē)娽樦睆?、施加電?chǎng)和工作距離的影響，只與流量和液體性質(zhì)有關(guān)。在此基礎(chǔ)上，Ga?án-Calvo[9]提出普遍適用的電流定律：在錐射流模式中，對(duì)于高電導(dǎo)率高粘度的液體，霧化電流與流量的1/2次方成正比；對(duì)于低電導(dǎo)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(mén)大學(xué)鄭高峰等人研究了電流曲線(xiàn)與不同射流模式的關(guān)系，用于監(jiān)控打印穩(wěn)定性[10]。Rogers團(tuán)隊(duì)將電流測(cè)量與峰值檢測(cè)電路相結(jié)合，可在高頻脈沖模式下進(jìn)行打印頻率的測(cè)量和記錄[11]。

本文作者通過(guò)電噴射打印平臺(tái)，以石墨烯溶液為打印墨水，在微滴模式下進(jìn)行電噴射按需打印實(shí)驗(yàn)，基于電噴射打印平臺(tái)的電流測(cè)量裝置，研究不同打印結(jié)構(gòu)與對(duì)應(yīng)的電流曲線(xiàn)關(guān)系，并分析工作參數(shù)對(duì)電流的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

電噴射按需打印及電流測(cè)量的裝置示意圖如圖1所示，主要由函數(shù)發(fā)生器、電壓放大器、微量注射泵、顯微成像系統(tǒng)、XYZ三軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，電流測(cè)量系統(tǒng)和上位機(jī)組成。函數(shù)發(fā)生器用于產(chǎn)生脈沖電壓信號(hào)，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(hào)經(jīng)過(guò)電壓放大器放大后，在金屬?lài)娽槪▋?nèi)徑50 μm）與鋁基板地電極間為射流的形成提供電場(chǎng)力。微量注射泵用于推動(dòng)微量注射器，將液體勻速推入噴針內(nèi)。顯微成像系統(tǒng)包括冷光源和CCD監(jiān)測(cè)相機(jī)，實(shí)時(shí)觀察打印過(guò)程是否在穩(wěn)定的微滴模式下進(jìn)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(guò)三軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)以一定速度進(jìn)行軌跡運(yùn)動(dòng)，用于打印形成不同微結(jié)構(gòu)。其中，電流檢測(cè)裝置連接到襯底和電壓放大器的陰極，當(dāng)襯底上收集到液滴時(shí)，電流檢測(cè)裝置檢測(cè)到相應(yīng)的電流值，電流數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)，經(jīng)過(guò)Labview軟件記錄并保存到Excel文件中。

圖1 基于電流測(cè)量的電噴射按需打印平臺(tái)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(jìn)行，不僅對(duì)工作參數(shù)的設(shè)置限定在某一范圍內(nèi)，對(duì)打印材料的物理性質(zhì)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(zhì)如表1所示。

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

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shù)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(guò)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(shí)維持噴針出口處的液滴為半球形，且無(wú)液滴產(chǎn)生，在施加脈沖高壓的瞬間產(chǎn)生小液滴，沉積到襯底上，從而實(shí)現(xiàn)按需打印。微滴模式不易受微環(huán)境的干擾，且打印靈活可控，便于微結(jié)構(gòu)的形成。

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

2.2 打印結(jié)構(gòu)與電流的關(guān)系

基于電噴射打印的微滴模式，進(jìn)行電噴射按需打印，通過(guò)調(diào)節(jié)打印頻率，可得到如圖3（c）和（d）對(duì)應(yīng)的點(diǎn)結(jié)構(gòu)及線(xiàn)結(jié)構(gòu)。當(dāng)打印頻率為1Hz時(shí)，打印為圖3（c）中的點(diǎn)結(jié)構(gòu)，從圖中可看出，打印頻率不穩(wěn)定，打印尺寸不均勻，對(duì)應(yīng)的電流曲線(xiàn)如圖3（a）所示，電流曲線(xiàn)在時(shí)間軸上不連續(xù)，電流峰值非定值，電流周期不固定。實(shí)驗(yàn)表明，電流值為0時(shí)，無(wú)液滴產(chǎn)生，電流峰值的形成伴隨液滴產(chǎn)生，且電流峰值與打印尺寸成正相關(guān)。當(dāng)打印頻率為30Hz時(shí)，打印為圖3（d）中的線(xiàn)結(jié)構(gòu)，該線(xiàn)結(jié)構(gòu)邊緣光滑，尺寸均勻，對(duì)應(yīng)電流曲線(xiàn)在時(shí)間軸上連續(xù)，且在某一常數(shù)附近上下波動(dòng)，如圖3（b）所示。該實(shí)驗(yàn)說(shuō)明，通過(guò)對(duì)電流曲線(xiàn)的監(jiān)控即可判斷打印結(jié)構(gòu)。

圖3 點(diǎn)結(jié)構(gòu)與線(xiàn)結(jié)構(gòu)的電流特性曲線(xiàn)Fig 3 The current characteristic curves for dot and line structures

2.3 打印高度與電流的關(guān)系

脈沖打印關(guān)鍵參量直接影響打印線(xiàn)寬和穩(wěn)定性，圖4分析在工作高度影響下的電流特性，在實(shí)驗(yàn)中，保持流量不變，分別在200 μm、250 μm、300 μm的高度下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。從圖中明顯看出，在打印過(guò)程中，隨著工作高度的增加，電流值減小。這是因?yàn)?，打印高度越高，電?chǎng)強(qiáng)度越小，液滴下落速度減慢，液體在切向電場(chǎng)力的作用下有更加充裕的時(shí)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(jù)Ga?án-Calvo電流定律，每個(gè)液滴攜帶的電荷量減少，導(dǎo)致電流值減小。在打印過(guò)程中改變高度的瞬時(shí)，噴針出口處的半球形液滴受力不平衡，出現(xiàn)震蕩，導(dǎo)致打印產(chǎn)生直徑較大的液滴，并伴隨電流值出現(xiàn)短暫的峰值，如圖4中紅色虛線(xiàn)框所示。該實(shí)驗(yàn)說(shuō)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(guò)程受到的干擾因素，并做出相應(yīng)的對(duì)策。

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

3 結(jié)論

利用脈沖電噴射按需打印平臺(tái)，在微滴模式下進(jìn)行石墨烯的打印。利用電流檢測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)行電噴印打印技術(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，研究電流與打印結(jié)構(gòu)的關(guān)系，以及電流與工作高度的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)打印結(jié)果為點(diǎn)結(jié)構(gòu)時(shí)，電流曲線(xiàn)的尖脈沖峰值與打印點(diǎn)的尺寸成正相關(guān)；當(dāng)打印結(jié)果為線(xiàn)結(jié)構(gòu)時(shí)，電流曲線(xiàn)在某一常數(shù)值附近上下波動(dòng)。電流值隨高度的增加而減小。