专利摘要

本发明提供一种控制电流体动力学打印分辨率的控制装置及设备与方法，该控制电流体动力学打印分辨率的控制装置包括用于产生向心洛伦兹力的磁场发生装置，与磁场发生装置连接的控制器，所述控制器与两个视觉检测装置连接，所述视觉检测装置、控制器以及磁场发生装置构成闭环控制回路，在喷射液滴飞行区域内通过环形电磁感应线圈产生环形磁场，带电液滴在环形磁场中运动受到向心洛伦兹力的作用，根据视觉检测装置的检测结果，实时调整控制装置的控制参数改变向心洛伦兹力的大小，对带电液滴的运动进行有效约束，限制液滴向四周扩散，减小液滴的飞行角度，从而提高电流体动力学打印的分辨率。

权利要求

1.一种控制电流体动力学打印高分辨率的控制装置，其特征在于：其包括用于产生向心洛伦兹力的磁场发生装置，与磁场发生装置连接的用于调节向心洛伦兹力大小的控制器，所述控制器与两个视觉检测装置连接，所述视觉检测装置、控制器以及磁场发生装置构成闭环控制回路。

2.根据权利要求1所述的一种控制电流体动力学打印分辨率的控制装置，其特征在于：所述磁场发生装置由至少一个环形电磁感应线圈缠绕在环形铁芯上构成。

3.根据权利要求2所述的一种控制电流体动力学打印分辨率的控制装置，其特征在于：多个环形铁芯层叠设置，且每个环形铁芯上分别缠绕环形电磁感应线圈。

4.一种采用上述权利要求1或2或3所述的控制电流体动力学打印分辨率的控制装置的打印设备，其包括运动平台，在运动平台上设置用以固定承载用于作为图案打印基底的导电基板，在导电基板上方固定设置打印装置，其具有用于打印溶液的导电喷头，用于打印溶液喷射到导电基板上以进行图案打印，所述导电喷头与流量泵连接，在导电喷头与导电基板之间连接高压脉冲电源，其特征在于：在所述导电喷头与导电基板之间设置上述的控制电流体动力学打印分辨率的控制装置，所述导电喷头喷射的液滴穿过该电流体动力学打印控制装置的磁场发生装置落到导电基板上，在喷射液滴飞行空间的一侧设置两个视觉检测装置，第一视觉检测装置用于检测打印溶液的滴落过程，第二视觉检测装置用于检测喷射液滴在导电基板上的沉积结果，且第一视觉检测装置和第二视觉检测装置分别与控制器反馈连接。

5.一种用于上述权利要求4所述的打印设备的控制方法，其特征在于：其包括以下步骤：

一、对打印参数进行预处理，包括对高压脉冲电源的电压和频率、导电喷头与导电基板的距离、磁场发生装置的电流参数进行调整；

二、对打印装置进行控制，

（1）控制流量泵，使得打印溶液以一定的流量进行供给，

（2）在高压脉冲电源正负极分别连接的导电喷头和导电基板之间施加步骤一中获得的高压脉冲电源的电压和频率参数的处理数据，形成诱导电场，使导电喷头顶端的打印溶液形成泰勒锥，

（3）调节导电喷头处的溶液所受到的电场力，使其克服溶液表面张力，使得打印溶液形成液滴，

（4）液滴在诱导电场力的作用下向下喷射，在喷射液滴的飞行区域，根据步骤一中对磁场发生装置预处理的电流值，对控制器施加相应的电流值，喷射的导电液滴受到磁场发生装置产生的向心洛伦兹力作用，在向心洛伦兹力的约束下，导电液滴沉积到导电基板上，形成高分辨率的打印图案；

三、两个视觉检测装置分别对喷射液滴的飞行过程和导电基板的沉积结果进行检测，并将检测结果发送至控制器，根据检测结果，控制器对控制电流动力学打印分辨率的控制装置中的相应控制参数进行实时调整，从而提高电流体动力学打印图案的分辨率。

6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于：步骤一中通过实验方法或多物理耦合软件对打印参数进行预处理。

说明书

技术领域

本发明涉及电流体动力学打印技术领域，尤其涉及一种控制电流体动力学打印分辨率的控制装置及打印设备及控制方法。

背景技术

喷墨打印技术在微纳米加工技术方面得到广泛关注，如柔性电子电路、可穿戴电子设备、太阳能电池、生物功能器件、微流道芯片等。传统喷墨打印方法通常采用热气泡型和压电型驱动方式，它们均采用推挤式的驱动原理，喷墨打印线宽一般在20-50um，随着喷嘴尺寸减小，形成喷射液滴需要更大的压力，而溶液粘度则使喷嘴更容易阻塞。对于热气泡型喷墨打印需要加热，然而高温对墨水性能产生影响；对于压电型喷墨打印由于压电效应产生振动会造成液滴定位不准确等问题，因此传统喷墨打印方法不适合打印尺寸更小的微纳米器件。

电流体动力学打印技术是在基板和喷嘴之间施加一定电压，在诱导电场力作用下，溶液中移动的电荷在液体表面聚集，电荷间的库仑力导致液体表面产生切向应力，在剪切力的作用下，被打印的溶液在喷嘴顶端形成圆锥形液面，随着电场强度增加，液体克服表面张力，在圆锥顶端产生射流或液滴。由于射流或液滴是在圆锥顶端产生，液滴直径通常比喷嘴直径小得多，因此可以实现较高分辨率打印。但是喷射出来的射流或液滴表面带有同种电荷，相同电荷之间存在排斥力，导致液滴表面会向四周扩散，从而影响电流体动力学打印分辨率。一些研究者通过增加电场强度、减小喷嘴出口直径和减小喷射距离等方法提高电流体动力学打印的分辨率，然而喷嘴直径和喷射距离受到工艺要求的几何参数约束，分辨率一般能达到10um左右。

综上所述，现有的电流体动力学打印方法对高分辨率的打印受到限制，其分辨率难以得到进一步提高，因此这种方式的电流体动力学打印技术难以满足高分辨率的微纳米器件打印要求。

而申请号为CN201510966964.6，公开日为2016.3.2的中国发明专利公开了一种基于磁场调控的3D金属打印系统，通过实时调整打印定位装置的偏转磁场强度，改变带电金属微滴的运动轨迹，实现准确堆积在模型放置装置的平台上，该方法并没有涉及对电流体动力学打印的分辨率进行控制。

发明内容

本发明的目的之一在于，针对现有的电流体动力学打印技术难以实现高分辨率的微纳米器件打印等缺陷，提出一种控制电流体动力学打印分辨率的控制装置，突破现有的电流体动力学打印技术在对高分辨率的微纳米器件打印限制，实现高分辨率微纳米器件的打印和微纳米结构器件的制备。

本发明提供：一种控制电流体动力学打印分辨率的控制装置，其包括用于产生向心洛伦兹力的磁场发生装置，与磁场发生装置连接的用于调节向心洛伦兹力大小的控制器，所述控制器与两个视觉检测装置连接，所述视觉检测装置、控制器以及磁场发生装置构成闭环控制回路。

所述磁场发生装置由至少一个环形电磁感应线圈缠绕在环形铁芯上构成。

多个环形铁芯层叠设置，且每个环形铁芯上分别缠绕环形电磁感应线圈。

一种具有上述控制电流体动力学打印分辨率的控制装置的打印设备，其包括运动平台，在运动平台上设置用以固定承载用于作为图案打印基底的导电基板，在导电基板上方固定设置打印装置，其具有用于喷墨的导电喷头，用于喷墨到导电基板上以进行图案打印，所述导电喷头与流量泵连接，在导电喷头与导电基板之间连接高压脉冲电源，在所述导电喷头与导电基板之间设置上述的控制电流体动力学打印分辨率的控制装置，所述导电喷头喷射的液滴穿过该电流体动力学打印控制装置的磁场发生装置落到导电基板上，在喷射液滴的滴落飞行空间的一侧设置两个视觉检测装置，第一视觉检测装置用于检测打印溶液的滴落过程，第二视觉检测装置用于检测喷射液滴在导电基板上的沉积结果，且第一视觉检测装置和第二视觉检测装置分别与控制器反馈连接。

本发明所公开的控制电流体动力学打印分辨率的控制装置，在喷射液滴飞行区域内通过环形电磁感应线圈产生的环形磁场，带电液滴在磁场中运动会受到向心洛伦兹力的作用，对带电液滴的运动进行约束，限制液滴向四周扩散，减小液滴飞行角度，从而提高电流体动力学打印的分辨率。

本发明目的之二在于提供一种具有上述的控制电流体动力学打印分辨率的控制装置的打印设备的控制方法，其包括以下步骤：

一、对打印参数进行预处理，包括对高压脉冲电源的电压和频率、导电喷头与导电基板的距离、磁场发生装置的电流等参数进行调整；

二、对打印装置进行控制，

（1）控制流量泵，使得打印溶液以一定的流量进行供给，

（2）在高压脉冲电源正负极分别连接的导电喷头和导电基板之间施加步骤一中获得的高压脉冲电源的电压和频率参数的处理数据，形成诱导电场，使导电喷头顶端的打印溶液形成泰勒锥，

（3）调节导电喷头处的溶液所受到的电场力，使其克服溶液表面张力，使得打印溶液形成液滴，

（4）液滴在诱导电场力的作用下向下喷射，在喷射液滴的飞行区域，根据步骤一中对磁场发生装置预处理的电流值，对控制器施加相应的电流值，喷射的导电液滴受到磁场发生装置产生的向心洛伦兹力作用，在向心洛伦兹力的约束下，导电液滴沉积到导电基板上，形成高分辨率的打印图案。

三、两个视觉检测装置分别对喷射液滴的滴落过程和导电基板的沉积结果进行检测，并将检测结果发送至控制器，根据检测结果，控制器对控制电流动力学打印分辨率的控制装置中的相应控制参数进行实时调整，从而提高电流体动力学打印图案的分辨率。

步骤一中通过实验方法或多物理耦合软件对打印参数进行预处理。

本发明的控制电流体动力学打印分辨率的控制装置及控制方法可用于电子器件和生物功能器件等不同类型的功能器件的高分辨率打印，其中电子器件包括传统电子器件和柔性电子器件、MEMS器件、传感器等器件，生物功能器件包括生物支架、生物芯片和生物传感器等器件，其打印所采用的溶液为聚合物或金属纳米颗粒溶液等导电溶液。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的环形磁场的结构示意图。

图3为本发明的导电液滴在环形磁场内的受力分析图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例作进一步说明：

本发明提供：一种控制电流体动力学打印分辨率的控制装置，其包括用于产生向心洛伦兹力的磁场发生装置4，与磁场发生装置4连接的用于调节向心洛伦兹力大小的控制器1，所述控制器1与两个视觉检测装置2连接，所述视觉检测装置2、控制器1以及磁场发生装置4构成闭环控制回路。

所述磁场发生装置4由至少一个环形电磁感应线圈缠绕在环形铁芯上构成，多个环形铁芯层叠设置，且每个环形铁芯上分别缠绕环形电磁感应线圈，当通过环形电磁感应线圈的电流发生变化时，其所产生的向心洛伦兹力也会发生变化，根据该原理，利用向心洛伦兹力克服电流体动力学打印设备的喷射液滴在带电状态下产生的同种电荷之间的同轴斥力，避免液滴表面会发生向四周扩散，从而提高电流体动力学打印的分辨率，并且通过设置的视觉检测装置，用于实时检测喷射液滴在飞行过程以及落在导电基板上的沉积结果，通过实时检测，并将检测结果发送到控制器，使得控制器能够实时对环形电磁感应线圈的电流进行调节，从而保证磁场发生装置产生的向心洛伦兹力能够很好的克服液滴本身的所带同种电荷的同轴斥力。

本发明还公开了一种采用控制电流体动力学打印分辨率的控制装置的打印设备，其包括运动平台5，在运动平台5上设置用以固定承载用于作为图案打印基底的导电基板6，由于运动平台可以带动导电基板进行移动，从而实现图案打印，在导电基板6上方固定设置打印装置，其具有用于喷墨的导电喷头3，用于喷墨到导电基板6上以进行图案打印，所述导电喷头3与流量泵连接，在导电喷头与导电基板之间连接高压脉冲电源，在现有的电流体动力学打印设备的基础上，在导电喷头与导电基板之间加装控制电流体动力学打印分辨率的控制装置，其由多个环形铁芯层叠设置，并且各个环形铁芯上分别缠绕环形电磁感应线圈构成的磁场发生装置，则被放置在导电喷头和导电基板之间，而且导电喷头上喷射的液滴，会穿过环形电磁感应线圈后，滴落在导电基板上，在喷射液滴飞行空间的一侧设置两个视觉检测装置2，第一视觉检测装置用于检测喷射液滴的滴落过程，第二视觉检测装置用于检测喷射液滴在导电基板上的沉积结果，且第一视觉检测装置和第二视觉检测装置分别与控制器反馈连接。

而现有的电流体动力学打印设备本身具有视觉检测装置，因此上述的控制电流体动力学打印分辨率的控制装置可以直接利用现有的视觉检测装置，即从电流体动力学打印设备的视觉检测装置上接出信号线与控制器相连，即可实现实时检测信号反馈到控制器，实现闭环控制。

导电喷头3与导电基板6分别连接到高压脉冲电源7的正负端，在诱导电场作用下，打印溶液通过导电喷头流出并形成射流或液滴喷射到运动的导电基板上，在喷射射流或液滴的飞行区域内通过环形电磁感应线圈产生的环形磁场，对带电的射流或液滴产生向心的洛伦兹力，限制喷射液滴向四周扩散，减小液滴的飞行角度。

本发明目还提供一种基于设有控制电流体动力学打印分辨率的控制装置的打印设备的控制方法，其包括以下步骤：

一、对打印参数进行预处理，包括对高压脉冲电源的电压和频率、导电喷头与导电基板的距离、环形电磁感应线圈的电流等参数进行调整，提高电流体动力学打印的分辨率，在预处理过程中打印参数既可以通过实验方法进行调整，也可以采用多物理耦合软件对打印参数进行调整；

二、对打印装置进行控制，使得打印溶液以一定的流量进行供给，该打印装置包括流量泵，对流量泵进行压力控制，使得聚合物或金属纳米颗粒溶液等导电溶液以一定的流量进行供给，在高压脉冲电源正负极分别连接的导电喷头和对导电基板之间施加步骤一中获得的高压脉冲电源的电压和频率参数的处理数据，形成诱导电场，在导电喷头部分顶端的打印溶液形成泰勒锥，当导电喷头部分的溶液所受到的电场力大于溶液表面张力时，打印溶液形成液滴，液滴在诱导电场力的作用下向下喷射，在喷射液滴的飞行区域，根据步骤一中对环形电磁感应线圈预处理的电流参数值，对控制器1施加相应的电流值，喷射的导电液滴受到环形磁场产生的向心洛伦兹力作用，在向心洛伦兹力的约束下，导电液滴沉积到导电基板上，形成高分辨率的打印图案。

三、在电流体动力学打印过程中，对控制电流动力学打印分辨率的控制装置进行闭环控制，通过视觉检测装置分别对喷射液滴的滴落过程和导电基板沉积结果进行检测，根据检测结果，对控制器的相应的控制参数进行自适应调整，提高电流体动力学打印图案的分辨率。

在喷射液滴滴落过程中，由于液滴自身带有同种电荷产生的同轴斥力，会导致液滴的各个微粒向四周扩散，改变液滴的直径，从而影响电流体动力学打印的分辨率，而通过设置环形磁场，通过控制器调节环形电磁感应线圈的电流大小，使得环形电磁感应线圈产生向心洛伦兹力，约束液滴自身的同轴斥力，使得液滴的直径不会变大，提高其打印分辨率。

而设置两个视觉检测装置，分别对喷射液滴的滴落过程和导电基板沉积结果进行检测，并将检测的结果反馈到控制器，使得控制器能够根据液滴以及滴落后的结果实时调节环形电磁感应线圈的电流大小。

实施例不应视为对本发明的限制，但任何基于本发明的精神所作的改进，都应在本发明的保护范围之内。

一种控制电流体动力学打印分辨率的控制装置及设备与方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。