实验名称：气流辅助静电聚焦电流体喷头实验研究

　　测试设备：高压放大器、函数发生器、精密流量泵、激光共聚焦显微镜和超景深光学显微镜等。

　　实验过程：

　　图1：实验平台：(a)实验平台示意图；(b)实验平台实物图

　　实验中使用的实验平台如图1所示。基板安装在运动平台上，喷头安装在运动平台正上方，软件控制电机带动运动平台进行运动。通过软件可以对平台的运动速度、运动轨迹及喷头高度等进行调节，打印图案的位图文件和运动轨迹文件均可导入到平台软件中，软件对文件进行读取后直接控制运动平台进行预定图案的运动，从而实现各种定制图案的打印。精密流量泵对喷头进行溶液供给。气泵对喷头进行气流供给，通过调节调压阀对输入喷头的气流压力进行控制，同时喷头气流入口处设置有气压表用于实时监测其气压的变化以保证气压的稳定，所使用的是调压阀和数显气压表。高压电源为喷头各电机提供高压，高压电源由函数信号发生器和高压放大器组成，函数信号发生器用于产生各种形式（直流、交流、脉冲等）的电压信号，高压放大器将函数信号发生器输出的电压信号放大（1000倍）后输出到喷头的高压电极上。实验平台上设置有观测相机对打印的实时情况进行观测。对打印在基板上的实验结果采用显微镜进行观测，所使用的包括激光共聚焦显微镜和超景深光学显微镜。

　　实验结果：

　　图2：绝缘基板银浆打印结果：(a)常规电流体喷印打印结果；(b)喷头静电聚焦功能打印结果；(b)线宽随基板速度变化

　　常规电流体喷印在绝缘的PI膜基板上打印的结果如图2(a)所示，受基板的影响，打印的银浆呈现弯曲状态，调节喷嘴距基板的距离也不能解决这种问题。静电聚焦电流体喷印实验中使用半径为20µm的玻璃喷嘴并采用纳米银浆溶液打印在绝缘聚酰亚胺(PI)基板和玻璃基板上。采用的静电透镜结构是内径为2.2mm的电极膜片结构。图2(b)显示了纳米银浆溶液在玻璃基板和PI基板上的打印结果。图2(c)显示了打印的银浆溶液的线宽随基板运动速度的增大而减小，在基板速度为300mm/s时，在PI基板上的线宽能到达20µm，在玻璃基板上的线宽能到达10µm。这显示了喷头采用静电聚焦功能时在绝缘基板上具有良好的打印效果。

　　图3：倾斜基板上打印结果：(a)打印过程观测图；(b)误差系数随倾斜角度的变化

　　为证明静电聚焦功能的喷头能在倾斜基板上提高打印精度，进行实验比较静电聚焦电流体喷头和常规电流体喷印在倾斜的基板上的打印效果，如图3所示。为了便于相机观测，实验使用半径为150µm的金属喷嘴并采用纳米银浆溶液打印在倾斜的导电硅基板和绝缘聚酰亚胺(PI)基板上。采用的静电透镜结构是内径为4mm的蓝宝石片结构。打印所采用的参数如图3(a)和(b)所示，在导电硅基板上打印时，常规电流体喷印中喷嘴与基板之间形成的倾斜电场造成了射流很明显的偏移。而静电聚焦电流体喷头中，静电透镜对电场的聚焦作使射流的偏移明显的减小。其中ds表示射流与喷头中心线在基板上落点之间的距离，hs表示喷头中心线在基板上的落点与喷头之间的距离，并将误差系数(ds/hs)作为在倾斜基板上打印误差的评估。实验结果如图3(c)所示，在导电硅基板上，静电聚焦电流体喷头的误差系数(ds/hs)明显小于常规电流体喷印的误差系数。在绝缘的PI(相对介电常数为3.5)基板上，常规电流体喷印很难实现稳定的打印。静电聚焦电流体喷头不仅能实现稳定的打印而且具有比硅基板上打印的更小的误差系数，在基板倾斜角度小于30°时误差系数小于0.03。这表明喷头的采用静电聚焦功能时在绝缘和倾斜的基板上具有更高的打印精度。

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