基于数字化液滴微喷射的印制电子技术及实验研究

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印制电子技术采用印制工艺,把功能化的油墨快速地印制在有机或无机基底上,形成电子元器件或电子线路,能够有效地解决现有采用硅加工工艺制造电子产品存在的工艺流程复杂、生产周期长、材料浪费大,环境污染严重等诸多问题。液滴微喷射式印制电子技术以其数字化、非接触式、基底适用性广等优势理论上可适用于几乎所有的可印制电子器件,是印制电子技术的主要研究方向。然而,目前发展比较成熟的热气泡式和压电容积式液滴微喷射方式均存在着印制电子材料适用性差、喷嘴结构及制作工艺复杂和成本较高等不足。因此,实现基于新的微流体驱动-控制技术、对微喷射电子材料具有广泛适用性、成本低廉可应用于印制电子的液滴微喷射技术是印制电子技术研究的重要课题。  微流体脉冲驱动-控制技术的研究在基本概念和理论上有原创性,为建立与信息数字化、能量传输及固体运动数字化有同等意义的物质传输数字化开辟了道路,对液滴微喷射式印制电子技术的研究和进步具有重要意义。本文对微流体脉冲驱动-控制过程及机理、内构双锥形微喷嘴设计制作、数字化液滴微喷射技术在印制电子中的应用等方面进行了分析和论证。  论文在深入分析微流体脉冲驱动-控制机理的基础上,提出了压电致动器驱动电压波形的“椭圆修圆法”,获得了不同修圆位置和修圆系数的驱动电压修圆波形,研究了波形修圆对微流体脉冲惯性力大小和脉冲驱动-控制效果的影响规律。进行了驱动电压波形修圆对一维等径圆形微流道中液体和粉体两种微流体的脉冲驱动-控制效果影响实验,所得液体体积流量可在0~15.4pL/min范围内连续变化,实现了分散态球形微纳米干粉体单颗稳定输送。通过组合修圆波形的方法有效地改善了密集态微纳米干粉体脉冲微输送过程中因粉体密实度增加或结拱导致的输送不稳定现象。上述波形修圆方法及相关实验结果为数字化液滴微喷射技术提供了驱动电压波形的设计和选择依据。  分析了基于数字化液滴微喷射的印制电子技术三个基本过程,建立了使用内构锥形微喷嘴进行均匀液滴数字化微喷射过程的数学模型,得出了在典型参数下内构锥形微喷嘴内流体在一个脉冲驱动周期内的平均速度曲线;从能量守恒的角度,分析了微喷射液滴与水平固体壁面的碰撞过程,得出了微液滴在水平固体壁面上碰撞后铺展直径大小的主要影响因素;搭建了数字化印制电子实验系统并分析了微液线的数字化喷射成形过程,提出了斑点重叠度的概念,研究了斑点重叠度在数字化印制电子实验系统中的控制方法,为印制边缘清晰、形状规则的电子材料微液线提供了理论依据。  根据印制电子技术中印制电子材料微液滴喷射用微喷嘴结构和材料两个方面的要求,设计了基于玻璃冷热加工工艺的内构双锥形玻璃微喷嘴结构及其制备工艺。进行了毛细管微喷嘴和普通玻璃管微喷嘴对不同粘度液体的数字化液滴微喷射基础实验研究。实验结果表明,与内构单锥形微喷嘴相比,内构双锥形微喷嘴进一步提高了微喷嘴内液体沿轴向方向上的速度放大效果,有效地提高了基于数字化液滴微喷射的印制电子实验系统喷射较高粘度电子材料的能力,实现了最大喷射粘度为35cp的液体的稳定喷射,为数字化液滴微喷射技术在印制电子中的应用研究提供了实验方法依据。  应用数字化液滴微喷射技术在玻璃基底上进行了纳米银微导电图形薄膜的印制实验。将水合肼溶液数字化印制在涂有AgNO3-PVP溶液的玻璃基底上形成纳米银悬浮液液线,经高温烧结后形成纳米银微导电图形薄膜,避免了纳米银颗粒导电墨水复杂的配置工艺。探索了电压幅值、驱动频率、纳米银浓度和烧结温度等印制条件对薄膜尺寸和导电性能的影响规律,印制了厚度约3μm,最小线宽约20μm且最小电阻率达2.5μΩ·cm(相当于块状金属银电阻率的1.6倍)的纳米银微导电图形薄膜。  应用数字化液滴微喷射技术在尺寸为70μm×300μm的微热板上进行了半导体式催化燃烧气体传感器敏感材料涂层的印制实验。数字化液滴微喷射技术能够精确控制敏感材料中载体层的厚度和催化剂的印制量,有效地解决了溶剂易挥发或具有一定腐蚀作用的特殊电子材料的印制问题。研究了载体层厚度和催化剂量等印制条件对传感器性能的影响规律,传感器起始输出信号强度达75mV,经200小时老化处理后仍可稳定在36 mV左右,其功耗为75mW,远小于传统以铂金丝线圈为微加热器结构的可燃气体传感器。
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