張禮兵，吳 婷，黃風(fēng)立，宋海軍

（嘉興學(xué)院信息科學(xué)與工程學(xué)院，浙江嘉興 314001）

0 引言

柔性電子是將有機(jī)或無(wú)機(jī)薄膜電子器件制作在柔性基板上的一種新興電子技術(shù)，在信息、能源、健康醫(yī)療、國(guó)防等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，如可穿戴設(shè)備［1］、柔性電子顯示器［2］、有機(jī)發(fā)光二極管［3］、薄膜晶體管［4］、射頻識(shí)別［5］、太陽(yáng)能電池［6］、電子皮膚［7］、柔性機(jī)器人［8］、柔性傳感器［9-10］等。由于柔性電子產(chǎn)品具有可彎曲和延展性，能夠表征人類的生命體征，柔性電子技術(shù)發(fā)展必將給產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和人類生活帶來(lái)革命性的變化。歐美發(fā)達(dá)國(guó)家針對(duì)柔性電子技術(shù)制定了重大研究計(jì)劃，如美國(guó)FDCASU計(jì)劃、日本TRADIM 計(jì)劃、歐盟第七框架計(jì)劃等。我國(guó)“十三五”國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃明確提出將大力發(fā)展柔性電子技術(shù)。

傳統(tǒng)的電子制造技術(shù)，如光刻、蝕刻、納米壓印、轉(zhuǎn)印、激光加工技術(shù)等，在生產(chǎn)率、成本、材料等方面難以滿足柔性電子器件的高效、低成本、批量化制造和工業(yè)化的需求，而且還面臨著設(shè)備昂貴、制造成本高、周期長(zhǎng)、可用材料少等問(wèn)題［11］。這些儀器設(shè)備不僅價(jià)格昂貴，功能單一，難以適應(yīng)柔性電子學(xué)新專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系及相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的要求，也不利于本專業(yè)的柔性電子器件研發(fā)的綜合性實(shí)踐教育的開(kāi)展，滿足不了新增專業(yè)培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的需要。因此，以柔性電子學(xué)新專業(yè)實(shí)踐教學(xué)的實(shí)際需求為出發(fā)點(diǎn)，根據(jù)電流體動(dòng)力打印團(tuán)隊(duì)在柔性電子制造技術(shù)領(lǐng)域的豐富經(jīng)驗(yàn)［12-16］，提出設(shè)計(jì)和研制“用于柔性電子制備的電流體動(dòng)力學(xué)打印實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”，研制出符合柔性電子學(xué)新專業(yè)自身需求的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備，可作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)、課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)的實(shí)踐教學(xué)和科研平臺(tái)。

1 電流體動(dòng)力學(xué)打印原理

電流體動(dòng)力學(xué)打印技術(shù)原理如圖1 所示，其工作原理：在基板和噴頭之間施加一個(gè)高壓電壓，在高壓靜電場(chǎng)力的作用下，移動(dòng)電荷在打印溶液表面聚集，電荷庫(kù)侖力導(dǎo)致液體表面產(chǎn)生剪切應(yīng)力，在剪切應(yīng)力的作用下，打印溶液在噴嘴處形成泰勒錐，隨著電場(chǎng)強(qiáng)度增加，當(dāng)電場(chǎng)作用力大于液體表面張力時(shí)，在泰勒錐頂端會(huì)產(chǎn)生射流，射流直徑通常為噴頭直徑的0.02～0.1倍，從而實(shí)現(xiàn)高分辨率圖案打?。?7］。電流體動(dòng)力學(xué)打印技術(shù)由于設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低、效率高、無(wú)需掩模、直接成形等優(yōu)點(diǎn)，適用于絕大多數(shù)功能材料（黏度范圍為1～10 000 mPa·s），是制造柔性電子器件的一種新型制造技術(shù)，在柔性電子制造方面具有巨大潛能和突出優(yōu)勢(shì)。

圖1 電流體動(dòng)力學(xué)打印原理示意圖

利用電流體動(dòng)力學(xué)打印技術(shù)制備柔性電子電路圖案時(shí)，打印溶液在電場(chǎng)和流場(chǎng)耦合作用下數(shù)學(xué)模型的控制方程包括電動(dòng)力學(xué)控制方程和電流體動(dòng)力學(xué)控制方程，對(duì)于不可壓縮黏性溶液的電流體動(dòng)力學(xué)方程表達(dá)式可表示為［18］：

式中：E為噴頭與基板之間的電場(chǎng)強(qiáng)度；Q為打印溶液的電荷體密度；ε為打印溶液的介電常數(shù)；φ為噴頭與基板之間的電勢(shì)；j為打印溶液的電流密度；t為時(shí)間。

針對(duì)不可壓縮的黏性流體，根據(jù)流體的質(zhì)量守恒定律和動(dòng)量守恒定律，分別得到電流體動(dòng)力學(xué)打印射流模型的連續(xù)性方程與動(dòng)量方程［12］：

式中：u為打印溶液的速度；ρ為打印溶液的密度；p為打印溶液的壓強(qiáng)；μ 為打印溶液的粘度；Fg為打印溶液的重力；Fs打印溶液的表面張力；Fe為電場(chǎng)力。

2 電流體動(dòng)力學(xué)打印實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為滿足電流體動(dòng)力學(xué)打印實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的需求，所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用“工控機(jī)＋功能控制器”模式的開(kāi)放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，即工控機(jī)結(jié)合運(yùn)動(dòng)控制器、視覺(jué)監(jiān)控器、流量控制器和電壓控制器的結(jié)構(gòu)模式。電流體動(dòng)力學(xué)打印實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示，主要由應(yīng)用層、功能層和設(shè)備層等部分組成，構(gòu)成了面向柔性電子制備的電流體動(dòng)力學(xué)打印實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的3 級(jí)結(jié)構(gòu)模式。

圖2 電流體動(dòng)力學(xué)打印實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 應(yīng)用層設(shè)計(jì)

電流體動(dòng)力學(xué)打印實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)用層包括運(yùn)動(dòng)控制、視覺(jué)監(jiān)控、打印模式和電壓控制4 個(gè)模塊。應(yīng)用層的各模塊功能集成在實(shí)驗(yàn)教學(xué)界面系統(tǒng)中，并在工控機(jī)上實(shí)現(xiàn)，主要有人機(jī)交互、運(yùn)動(dòng)距離和打印圖案的指令發(fā)送、打印過(guò)程視覺(jué)監(jiān)控、打印模式選擇、高壓電源電壓的設(shè)定以及實(shí)時(shí)顯示打印狀態(tài)等功能。工控機(jī)采用控端的工控機(jī)，應(yīng)用層開(kāi)發(fā)采用Visual Studio 2012開(kāi)發(fā)工具的VC ＋＋編譯環(huán)境，所開(kāi)發(fā)的電流體動(dòng)力學(xué)打印實(shí)驗(yàn)教學(xué)界面系統(tǒng)如圖3 所示。

圖3 電流體動(dòng)力學(xué)打印實(shí)驗(yàn)教學(xué)界面系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

運(yùn)動(dòng)控制模塊主要實(shí)現(xiàn)電流體動(dòng)力學(xué)打印實(shí)驗(yàn)教學(xué)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的位置控制，控制模式主要有連續(xù)移動(dòng)、手動(dòng)移動(dòng)和XYZ軸回零3 種控制模式；連續(xù)移動(dòng)控制模式可實(shí)現(xiàn)X、Y和Z軸從當(dāng)前位置向正方向或負(fù)方向的連續(xù)運(yùn)動(dòng)；手動(dòng)移動(dòng)控制模式可實(shí)現(xiàn)X、Y和Z軸增量位置或絕對(duì)位置的指定距離的運(yùn)動(dòng)；XYZ軸回零控制模式可先后實(shí)現(xiàn)Z、X和Y軸回到零點(diǎn)位置的運(yùn)動(dòng)模式。視覺(jué)監(jiān)控模塊主要實(shí)現(xiàn)打印過(guò)程監(jiān)控和相機(jī)光源亮度調(diào)控。通過(guò)水平方向安裝的工業(yè)相機(jī)實(shí)現(xiàn)電流體動(dòng)力學(xué)打印過(guò)程的泰勒錐形態(tài)觀測(cè)，通過(guò)切換垂直方向安裝的工業(yè)相機(jī)實(shí)現(xiàn)電流體動(dòng)力學(xué)打印圖案的形貌觀測(cè)；相機(jī)光源亮度調(diào)控可以實(shí)現(xiàn)相機(jī)光源的打開(kāi)、關(guān)閉和亮度的調(diào)節(jié)。打印模式模塊包括測(cè)試打印、數(shù)據(jù)打印、圖形打印、位圖打印、參數(shù)優(yōu)化和激光燒結(jié)等功能。測(cè)試打印模式主要實(shí)現(xiàn)水平平行線、豎直平行線和網(wǎng)格線等圖案的打??；數(shù)據(jù)打印模式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)文件的圖案打?。粓D形打印模式實(shí)現(xiàn)dxf 圖形文件的圖案打??；位圖打印模式實(shí)現(xiàn)jpg 格式圖像文件的圖案打印；參數(shù)優(yōu)化功能模塊采用少量試驗(yàn)樣本數(shù)據(jù)的多變量灰色調(diào)控方法實(shí)現(xiàn)施加電壓、噴射高度、平臺(tái)移動(dòng)速度和注射泵流量等工藝參數(shù)優(yōu)化；激光燒結(jié)功能模塊是為了提高打印圖案的導(dǎo)電率對(duì)打印圖案進(jìn)行在線燒結(jié)。電壓控制模塊對(duì)高壓電源的電壓進(jìn)行設(shè)置和復(fù)位以及實(shí)時(shí)顯示高壓電源的電壓和電流。

2.2 功能層設(shè)計(jì)

電流體動(dòng)力學(xué)打印實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)功能層包括運(yùn)動(dòng)控制功能、視覺(jué)監(jiān)控功能、流量控制功能和電源控制功能4個(gè)功能模塊組成。

運(yùn)動(dòng)控制功能由Turbo Ethernet Ultralite型可編程多軸運(yùn)動(dòng)控制器（Programmable Multi-Axes Controller，PMAC）實(shí)現(xiàn)。運(yùn)動(dòng)控制功能實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖4 所示，應(yīng)用層的打印模式模塊或運(yùn)動(dòng)控制模塊通過(guò)應(yīng)用程序接口調(diào)用PComm32 庫(kù)函數(shù)將打印圖案或移動(dòng)距離發(fā)送給多軸運(yùn)動(dòng)控制器，多軸運(yùn)動(dòng)控制器根據(jù)柔性加減速控制模型對(duì)接收的打印圖案或移動(dòng)距離進(jìn)行速度規(guī)劃，計(jì)算出每個(gè)插補(bǔ)周期的速度，經(jīng)過(guò)插補(bǔ)計(jì)算，得到每個(gè)軸的插補(bǔ)數(shù)據(jù)，并將插補(bǔ)數(shù)據(jù)信息分別發(fā)送到X／Y／Z軸的驅(qū)動(dòng)器。

圖4 運(yùn)動(dòng)控制功能設(shè)計(jì)圖

視覺(jué)監(jiān)控功能采用Basler的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)電流體動(dòng)力學(xué)打印過(guò)程的泰勒錐形態(tài)和打印圖案形貌的實(shí)時(shí)監(jiān)控，Basler機(jī)器視覺(jué)軟件系統(tǒng)對(duì)采集的視覺(jué)信息進(jìn)行處理，應(yīng)用層的視覺(jué)監(jiān)控模塊采用基于以太網(wǎng)模式的GigE Vision 機(jī)器視覺(jué)標(biāo)準(zhǔn)接口與機(jī)器視覺(jué)硬件系統(tǒng)連接，通過(guò)調(diào)用Pylon 驅(qū)動(dòng)程序?qū)C(jī)器視覺(jué)軟件系統(tǒng)處理的圖像信息顯示在電流體動(dòng)力學(xué)打印實(shí)驗(yàn)教學(xué)界面系統(tǒng)上。流量控制功能采用保定蘭格的微量注射泵的控制器，控制器和執(zhí)行單元為分體結(jié)構(gòu)，采用機(jī)械裝置推動(dòng)注射器完成打印溶液的輸送，通過(guò)485 通信總線可與工控機(jī)相連，并對(duì)其進(jìn)行控制。電源控制功能通過(guò)高壓直流電源產(chǎn)生很強(qiáng)的負(fù)高壓，將它的一端接入陰極，另一端接入陽(yáng)極，然后讓陰極和陽(yáng)極之間產(chǎn)生強(qiáng)烈的電場(chǎng)，應(yīng)用層的電壓控制模塊通過(guò)RS-232 串口通信總線與高壓直流電源的控制器相連，實(shí)現(xiàn)電壓數(shù)據(jù)的傳輸與通信。

2.3 設(shè)備層設(shè)計(jì)

構(gòu)成電流體動(dòng)力學(xué)打印實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)備組件如圖5 所示，主要由注射系統(tǒng)、X／Y／Z軸直線模組、高壓電源和機(jī)器視覺(jué)硬件系統(tǒng)等組件組成。注射系統(tǒng)采用分體式實(shí)驗(yàn)室注射泵（保定蘭格，TJ-2A），主要由注射器、執(zhí)行單元和控制器三部分組成。X／Y直線模組主要由直線電動(dòng)機(jī)（HIWIN LMCB6）、驅(qū)動(dòng)器（HIWIN D1）、光柵尺（Renishaw 分辨率0.1 μm）和直線導(dǎo)軌（HIWIN EGR20P）組成；Z軸直線模組主要由交流伺服電動(dòng)機(jī)（HIWIN 400W 抱閘電動(dòng)機(jī)）、驅(qū)動(dòng)器（HIWIN）、光柵尺（Renishaw分辨率0.1 μm）、滾珠絲杠（HIWIN R16-05／C4）和直線導(dǎo)軌（HIWIN EG系列）組成。高壓電源采用高壓直流電源（天津東文DWP303-2ACF1）。機(jī)器視覺(jué)硬件系統(tǒng)主要由工業(yè)相機(jī)（Basler acA1300-30gc）、鏡頭（MORITEX MML6-ST110和ML8-ST65S）、光源（嘉肯JK-B5050W）、光源控制器（嘉肯JK-PWT6024-2）、千兆網(wǎng)卡（英特爾EXPI9402PT）和網(wǎng)線組成。

圖5 電流體動(dòng)力學(xué)打印實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)備

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

以質(zhì)量濃度3%的聚氧化乙烯（PEO）溶液作為打印溶液，噴頭與基板之間的噴射高度為3.6 mm，高壓電源施加的工作電壓為4 kV，注射泵流量為166.0 nL／min，電流體動(dòng)力學(xué)打印泰勒錐形成過(guò)程如圖6所示。

圖6 電流體動(dòng)力學(xué)打印泰勒錐形成過(guò)程圖

以質(zhì)量濃度1.5%的聚（3，4-乙烯二氧噻吩）-聚苯乙烯磺酸（PEDOT：PPS）有機(jī)導(dǎo)電聚合物溶液作為打印溶液，電流體動(dòng)力學(xué)打印工藝參數(shù)為：高壓電源施加的工作電壓2.6 kV、噴頭與基板之間的噴射高度0.3 mm、平臺(tái)移動(dòng)速度10 mm／s、注射泵流量55 nL／min的條件下，在可彎曲的相紙上分別打印蛇形線圖案、回形線圖案、網(wǎng)格線圖案和二級(jí)自相似結(jié)構(gòu)圖案等不同形狀的圖案，其結(jié)果如圖7 所示。

圖7 電流體動(dòng)力學(xué)打印不同形狀的圖案

以質(zhì)量濃度1.5%的PEDOT：PPS 有機(jī)導(dǎo)電聚合物溶液作為打印溶液，采用電流體動(dòng)力學(xué)打印技術(shù)，在PDMS可延展柔性基板上打印可延展柔性有機(jī)電路，當(dāng)打印圖案固化后，柔性有機(jī)電路的延展性約為100%，其結(jié)果如圖8 所示。

圖8 電流體動(dòng)力學(xué)打印可延展柔性電路圖

以PEDOT：PSS／石墨烯／單壁碳納米管（PEDOT：PSS／GR／SWCNTs）混合溶液作為打印溶液，通過(guò)電流體動(dòng)力學(xué)打印技術(shù)制備柔性壓力壓阻傳感器［16］。制作過(guò)程如圖9（a）所示，首先，對(duì)厚度為200 μm 的PDMS 表面進(jìn)行親水性處理，使表面具有—OH 和—COOH等親水基團(tuán)；其次，利用自主研制的電流體動(dòng)力學(xué)打印實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)備，在預(yù)處理的PDMS 基板上打印PEDOT：PSS／GR／SWCNTs復(fù)合材料圖案，制備具有蛇形圖案的柔性壓敏元件；在自然晾干后，在柔性壓敏單元的兩端分別涂上一層銀漿，并在銀漿中分別粘貼兩個(gè)銅電極，電極固化后，兩個(gè)電極分別引出導(dǎo)線；最后，用同樣尺寸的PDMS 薄膜對(duì)壓敏單元和電極進(jìn)行封裝。所制作的柔性壓力壓阻傳感器實(shí)物如圖9（b）所示。

圖9 電流體動(dòng)力學(xué)打印柔性壓力壓阻傳感器

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)柔性電子制造技術(shù)面臨著設(shè)備昂貴、制造成本高、周期長(zhǎng)、可用材料少等問(wèn)題，本文采用電流體動(dòng)力學(xué)打印技術(shù)，研制了一套用于柔性電子制備的電流體動(dòng)力學(xué)打印實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在同一臺(tái)設(shè)備上可以打印多種不同材料的柔性電子電路圖案和制備柔性壓力壓阻傳感器，降低柔性電子制造成本和提高生產(chǎn)效率。該系統(tǒng)可用于多種材料的電流體動(dòng)力學(xué)打印泰勒錐形成過(guò)程、各種形狀柔性電子圖案打印和柔性壓力壓阻傳感器制備等實(shí)驗(yàn)，通過(guò)前期的學(xué)生參與的科學(xué)研究實(shí)驗(yàn)，促進(jìn)了電流體動(dòng)力學(xué)打印技術(shù)在高等教育教學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用和推廣，也為后續(xù)柔性電子學(xué)新專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了良好的借鑒。