电喷射按需打印与电流测量的研究*

衣珊珊，韦运龙，李 凯，王 骁，王大志※

（1.大连理工大学辽宁省微纳米技术及系统重点实验室，辽宁大连 116024；2.海军大连舰艇学院航海系，辽宁大连 116018）

0 引言

电喷射打印技术是一种非接触式的材料成型技术，其原理是电流体动力效应，流体受到电场力等综合力的作用后，在喷针出口处形成远小于喷针内径尺寸的稳定微滴或射流，即可在常温常压下在衬底上形成所需的图形，实现微纳结构的打印制造。该技术具有打印精度高、墨水适应性广、衬底要求低等优点，因此在晶体管[1-2]、生物材料与结构[3-4]等制造方面展现了其突出优势。但是打印过程容易受微环境的干扰，例如打印平台的振动等，导致射流不稳定，进而影响打印精度。因而在实际应用中，构建可靠的电射流打印过程的实时监控平台是十分重要的。

目前对电射流打印过程的实时监控主要采用视觉监控的方式，即利用CCD相机获得喷针出口处液体形状的图像，通过监控射流模式[5-7]，包括滴状模式、微滴模式、纺锤体模式以及锥射流模式等，来识别打印过程的稳定性。之后，通过观察到的现象来调节电压，流量和高度等参数，使射流稳定可控。然而，利用监控射流模式的方式不能精确调节打印参数，影响了图形的打印精度。Fernández de la Mora等人研究发现，液滴的形成伴随着电荷的移动，且射流尺寸与携带电荷量成正相关[8]。基于此原理，可以利用电流与打印参数及打印结果的关系，从而精确控制工作参数，有利于实现高精度结构的打印制造。

对电喷射电流测量的理论研究可追溯至20世纪90年代，根据Fernández de la Mora的研究[8]，雾化电流不受喷针直径、施加电场和工作距离的影响，只与流量和液体性质有关。在此基础上，Gañán-Calvo[9]提出普遍适用的电流定律：在锥射流模式中，对于高电导率高粘度的液体，雾化电流与流量的1/2次方成正比；对于低电导率低粘度的液体，雾化电流与流量的1/4次方成正比。在此之后，厦门大学郑高峰等人研究了电流曲线与不同射流模式的关系，用于监控打印稳定性[10]。Rogers团队将电流测量与峰值检测电路相结合，可在高频脉冲模式下进行打印频率的测量和记录[11]。

本文作者通过电喷射打印平台，以石墨烯溶液为打印墨水，在微滴模式下进行电喷射按需打印实验，基于电喷射打印平台的电流测量装置，研究不同打印结构与对应的电流曲线关系，并分析工作参数对电流的影响。

1 实验部分

电喷射按需打印及电流测量的装置示意图如图1所示，主要由函数发生器、电压放大器、微量注射泵、显微成像系统、XYZ三轴运动平台，电流测量系统和上位机组成。函数发生器用于产生脉冲电压信号，其参量包括低电压、高电压、脉冲宽度和脉冲频率。该脉冲信号经过电压放大器放大后，在金属喷针（内径50 μm）与铝基板地电极间为射流的形成提供电场力。微量注射泵用于推动微量注射器，将液体匀速推入喷针内。显微成像系统包括冷光源和CCD监测相机，实时观察打印过程是否在稳定的微滴模式下进行按需打印。本文作者采用的衬底是厚度(1 000±10)μm单抛光的硅片，置于铝基板上。通过三轴运动平台以一定速度进行轨迹运动，用于打印形成不同微结构。其中，电流检测装置连接到衬底和电压放大器的阴极，当衬底上收集到液滴时，电流检测装置检测到相应的电流值，电流数据上传到上位机，经过Labview软件记录并保存到Excel文件中。

图1 基于电流测量的电喷射按需打印平台示意图Fig1 Schematic of E-Jet drop-on-demand printing platform based on current measurement

电喷射按需打印在微滴模式下进行，不仅对工作参数的设置限定在某一范围内，对打印材料的物理性质也有一定的要求，选用Sigma-Aldrich公司的石墨烯溶液作为打印材料，其物理性质如表1所示。

表1 石墨烯溶液的性质Table.1 Properties of graphene dispersion

2 实验结果及讨论

2.1 按需打印的微滴模式

电喷射按需打印采用脉冲电压，其参数包括高电压、低电压、脉冲频率和脉冲宽度。为了更加灵活地控制打印过程，采用微滴模式，其工作原理示意图如图2所示。在脉冲低压时维持喷针出口处的液滴为半球形，且无液滴产生，在施加脉冲高压的瞬间产生小液滴，沉积到衬底上，从而实现按需打印。微滴模式不易受微环境的干扰，且打印灵活可控，便于微结构的形成。

图2 微滴模式示意图Fig 2 Schematic diagram of microdripping mode

2.2 打印结构与电流的关系

基于电喷射打印的微滴模式，进行电喷射按需打印，通过调节打印频率，可得到如图3（c）和（d）对应的点结构及线结构。当打印频率为1Hz时，打印为图3（c）中的点结构，从图中可看出，打印频率不稳定，打印尺寸不均匀，对应的电流曲线如图3（a）所示，电流曲线在时间轴上不连续，电流峰值非定值，电流周期不固定。实验表明，电流值为0时，无液滴产生，电流峰值的形成伴随液滴产生，且电流峰值与打印尺寸成正相关。当打印频率为30Hz时，打印为图3（d）中的线结构，该线结构边缘光滑，尺寸均匀，对应电流曲线在时间轴上连续，且在某一常数附近上下波动，如图3（b）所示。该实验说明，通过对电流曲线的监控即可判断打印结构。

图3 点结构与线结构的电流特性曲线Fig 3 The current characteristic curves for dot and line structures

2.3 打印高度与电流的关系

脉冲打印关键参量直接影响打印线宽和稳定性，图4分析在工作高度影响下的电流特性，在实验中，保持流量不变，分别在200 μm、250 μm、300 μm的高度下进行实验。从图中明显看出，在打印过程中，随着工作高度的增加，电流值减小。这是因为，打印高度越高，电场强度越小，液滴下落速度减慢，液体在切向电场力的作用下有更加充裕的时间从气液交界面形成小液滴落下，从而使液滴直径减小，根据Gañán-Calvo电流定律，每个液滴携带的电荷量减少，导致电流值减小。在打印过程中改变高度的瞬时，喷针出口处的半球形液滴受力不平衡，出现震荡，导致打印产生直径较大的液滴，并伴随电流值出现短暂的峰值，如图4中红色虚线框所示。该实验说明，随着工作高度的增加，电流值减小；可利用电流值的变化判断打印过程受到的干扰因素，并做出相应的对策。

图4 电流曲线受打印高度的影响Fig 4 The influence of printing height on the current curve

3 结论

利用脉冲电喷射按需打印平台，在微滴模式下进行石墨烯的打印。利用电流检测系统，进行电喷印打印技术的实时监控，研究电流与打印结构的关系，以及电流与工作高度的关系。实验结果表明：当打印结果为点结构时，电流曲线的尖脉冲峰值与打印点的尺寸成正相关；当打印结果为线结构时，电流曲线在某一常数值附近上下波动。电流值随高度的增加而减小。