CN104108248A - 液态金属喷墨打印设备及打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种液态金属喷墨打印设备，包括：控制电路，用于对所述打印设备进行整体控制；液态金属打印机构，用于承载墨盒及电控喷嘴，并在基底上打印液态金属油墨；字车机构，用于承载所述液态金属打印机构并根据所述控制电路的指令而运动；输纸机构，用于对所述打印设备的打印基底进行传输；状态传感器，用于检测所述打印设备的工作状态。本发明提供的液态金属喷墨打印设备及打印方法，解决了现有集成电路或电子器件制造程序复杂、材料及能源消耗大、环境污染相对较高等问题，获得了相应较好的技术效果。

Description

液态金属喷墨打印设备及打印方法

技术领域

本发明涉及印刷电路及印刷电子器件制造领域，特别涉及一种液态金属喷墨打印设备及打印方法。 

背景技术

以半导体单晶硅为衬底材料的微电子集成电路技术已经发展了50年。现代硅基集成电路的制造已经成为极其复杂的技术领域，从单晶硅沉底材料的制备到在其上形成晶体管与互连线所需要的薄膜沉积、光刻、刻蚀、封装等，所涉及的工艺步骤比较复杂。近些年来，传统的集成电路技术的一些弊端也逐渐被认知，包括高设备成本、高能耗、高污染、高洁净要求等。其主要原因在于基于减除技术的传统集成电路制造技术，其制造过程需要消耗大量的原材料，水资源等，并且部分加工工艺必须在一定的条件下完成，这需要消耗大量的能源并会带来外部环境的污染。若集成电路乃至电子器件能采用添加技术以直接打印的方式制作，则可望极大地改观电子制造行业的现状，建成高效、低成本、“绿色”的电路及器件生产模式。 

为改变上述现状，科研人员已经提出了利用有机或聚合物导体墨水直接印刷。但这类材料的导电性一般相对较差，且溶液化和可印刷性存在一定问题；为解决这些问题，研究者们继而通过在有机或聚合物中添加高导电性纳米颗粒来实现可印刷的导电墨水，但其仍有配制工艺复杂、电阻率较高、导线形成需要借助一定的化学反应实现、器件成型固化温度高等缺憾，且已有的高温焊锡等金属在柔性基底上受到了极大限制。实际的制造过程需要先印刷，再通过数百摄氏度以上的高温使这类墨水发生蒸发、化学反应乃至烧结，才能最后沉积下所需的导体部件，故整个工艺仍然相对复杂。总之，到目前为止，国内 外电子工业界尚未建立起快速简捷的可将集成电路或电子器件直接以印刷方式制造出来的设备及工艺。 

近期，我们首次提出了采用低熔点金属墨水直接打印电子电路的技术思路，并引入机械控制机构如气体泵驱动方式，将液态金属油墨压送打印到特定基底上实现电路印刷。然而，此类装置距离纯电控及全自动化尚有一定距离；而其他可能的驱动方式如激光打印方法在液态金属油墨的输运及控制上存在较大难度。为此，本发明提供一种纯电控型喷墨式液态金属打印机，通过引入压电驱动元件或电磁泵机构，控制喷嘴喷射出液态金属墨水，这种电子喷墨打印设备，可将室温液态金属导电墨水或其组合墨水直接喷涂到基底上，形成特定功能的电子器件，在此基础上还可实现复杂集成电路。本发明提供的基于导电型液态金属墨水乃至复合型墨水的直接喷墨式印刷电路及电子器件制造技术，可望引申出高度自动化的先进电子制造模式，对电子工业领域会带来实质性影响。 

发明内容

（一）要解决的技术问题 

本发明的目的在于提供一种可将电路及电子器件以直接打印的方式制造出来的液态金属喷墨打印设备及打印方法，以解决现有集成电路或电子器件制造程序复杂、材料及能源消耗大、环境污染相对较高等问题。 

（二）技术方案 

为解决上述问题，本发明提供一种液态金属喷墨打印设备，包括：控制电路，用于对所述打印设备进行整体控制；液态金属打印机构，用于承载液态金属墨盒及电控喷嘴，并在基底上打印液态金属油墨；字车机构，用于承载所述液态金属打印机构并根据所述控制电路的指令而运动；输纸机构，用于对所述打印设备的打印基底进行传输；状态传感器，用于检测所述打印设备的工作状态。 

优选地，还包括：与所述控制电路装置相连的计算机，所述计算机用于生成印刷控制指令；所述控制电路装置用于接收所述计算机的印刷控制指令，并根据所述印刷控制指令控制所述液态金属印刷机械装置及所述打印机状态传感器进行工作。 

优选地，所述液态金属印刷机械装置包括：液态金属墨盒，用于承载液态金属墨水、温度传感器和维持液态金属处于液态的电热丝；供墨针，用于深入到墨盒内吸取液态金属油墨；供墨通道，用于将液态金属墨水输送至喷嘴基板；喷嘴基板，用于承载与液态金属相配套的喷嘴；电控喷嘴，为压电型或电磁驱动型电控喷嘴，用于喷射液态金属油墨。 

优选地，所述液态金属墨盒内部安装有电热丝及温度传感器，以调控墨盒内的液态金属墨水的温度。 

优选地，所述供墨通道上安装有推动液态金属流动的电磁泵。 

优选地，所述液态金属墨水包括低熔点液态金属及其合金、含少量氧化物或磁性纳米颗粒的液态金属导电墨水、P型或N型半导体性墨水或以上三者的纳米颗粒掺杂液的一种或多种。 

优选地，所述喷嘴个数是32、48或96。 

优选地，所述字车机构包括：字车，用于安装所述液态金属墨盒和喷墨盒；字车驱动电机，用于驱动字车；字车导轨，用于引导字车左右运动；字车传动皮带，用于带动所述字车沿着所述字车导轨运动；打印头清洁器，用于清洗液态金属喷嘴。 

优选地，所述输纸机构包括进纸器、搓纸辊、走纸辊、压纸轮、出纸辊、以及出纸轮。 

优选地，所述状态传感器包括：初始位置传感器，用于检测字车是否停在原始位置；温度传感器，用于检测墨盒内液态金属墨水的温度；纸尽传感器，用于检测所装的打印基底是否用尽。 

本发明还提供了一种使用液态金属喷墨打印设备的打印方法，包括：设计需要打印的电子电路图案，并生成结构印刷指令；所述控制 电路接收所述印刷控制指令，并根据所述印刷控制指令控制所述印刷机械装置中各构件的运动，实现具体电子电路的打印。 

（三）有益效果 

本发明提出的用于制造集成电路及电子器件的液态金属喷墨打印机，特别采用了可印刷的液态金属导电墨水及其电控机构，从而以纯电控喷射方式使得电路以及电子器件能以一种高度自动化的印刷模式直接制造出来。整个制备过程在常温或常规条件下甚至普通办公场所即可完成，其无高的环境要求，能源消耗及材料无效损耗低，可显著降低集成电路及电子器件制备工艺的复杂性和成本，大幅度提高其生产效率。使用该方法得到的液态金属集成电路及电子器件，可广泛用于电子工业制造领域，尤其是发展柔性电子功能器件，甚至重塑集成电子电路产业。 

附图说明

图1是本发明中的电子器件液态金属喷墨打印机的结构示意图； 

图2是本发明中字车机构的结构示意图； 

图3是本发明中打印机构中的喷墨打印头的结构示意图； 

图4是本发明中喷墨打印机喷嘴基板与喷嘴的结构示意图。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。 

本发明提供了一种可将电路及电子器件以直接打印的方式制造出来的液态金属喷墨印刷装置，所述液态金属喷墨打印机主要包括控制电路、液态金属打印机构、字车机构、输纸机构、状态传感器，其中： 

所述的控制电路，用于对打印机的整机进行控制； 

所述的液态金属打印机构，用于承载液态金属墨盒及电控喷嘴并在基底上打印液态金属油墨； 

所述的字车机构，用于承载所述打印机构并根据所述的控制电路 装置的指令而运动； 

所述的输纸机构，用于对喷墨打印机打印基底的传输。 

所述的状态传感器，用于检测打印机一些工作状态。 

上述控制电路装置是位于打印机上的控制电路板，主要用于对打印机的整机进行控制，通过控制电路对打印机的压电元件或电磁驱动元件、电控喷墨头、字车和驱动电机进行控制。其内部主要由CPU、RAM、ROM地址译码器和I/O电路组成，可以直接与打印机连接的计算机进行通信。 

可选的，所述装置进一步包括与所述控制电路装置相连的计算机，所述计算机用于设计并生成结构印刷指令；所述控制电路用于接收所述计算机的印刷控制指令，并根据所述印刷控制指令控制打印机构、字车机构、输纸机构各构件的运动。 

上述计算机内置印刷控制程序，具备电子设计自动化功能。印刷控制程序进一步包括电路图绘制模块和印刷过程控制模块；电路图绘制模块用于绘制所要印刷的电路和电子器件的结构图，印刷过程控制模块根据所述电路图生成印刷控制指令，并将印刷控制指令发送给控制电路。其具体功能叙述如下： 

电路图绘制模块：软件中预存常见的电子元器件模块数据库，用户在图形化界面中可以调用该数据库，同时也可以根据需求直接绘制出各种复杂电路元器件模块。用户须确定每个电子元器件的尺寸与结构以及材料属性（如导电金属墨水或半导体墨水等）。 

印刷过程控制模块：软件读取用户所绘制的电路图，根据不同的打印内容生成微压电或电磁力喷墨控制指令实现不同的打印效果。此外，软件还可实时监控印刷过程，能及时响应印刷装置所发出的报警，并反馈相应的控制指令。如当打印机发出“墨水”用完警告或“基底”用完警告时，软件能及时暂停印刷，等待用户添加基底和添加液态金属墨水。 

所述的打印机构进一步包括液态金属墨盒、供墨针、供墨通道、 喷嘴基板、电控喷嘴。所述的液态金属墨盒用于承载液态金属墨水、温度传感器和维持液态金属处于液态的电热丝；所述的供墨针用于深入到墨盒内吸取液态金属油墨，所述的供墨通道用于将液态金属墨水输送至喷嘴基板；所述的喷嘴基板，用于承载液态金属喷嘴；所述的电控喷嘴可为压电型或电磁驱动泵型，用于喷射液态金属油墨；所述的压电元件可以是压电薄膜或压电薄片，比如，若采用的是压电方式时，则其用于接受电信号并产生应变从而挤压所述的喷墨头，使其工作以实现喷墨印刷；若采用电磁驱动型，则在电路信号驱动下可自动驱动导电油墨喷射出。供墨针深入墨盒内在电磁泵的辅助下吸取液态金属墨水并传输到喷墨头，在控制指令的作用下，在喷墨头两侧的压电元件挤压喷墨头或通过电磁力驱动，使液态金属墨水从喷嘴中喷出。在喷墨操作前，压电元件首先在信号的控制下微微收缩；然后，压电元件产生一次较大的延伸，把墨滴推出喷嘴；在墨滴马上就要飞离喷嘴的瞬间，元件又会进行收缩，干净利索地把墨水液面从喷嘴收缩。同样的喷射过程，也可由电磁泵控制完成。这样，墨滴液面得到了精确控制，每次喷出的墨滴都有完美的形状和正确的飞行方向。同时，墨盒内的温度传感器和电热丝确保液态金属墨水处于可印刷状态。 

所述的字车机构进一步包括字车、字车驱动电机、字车导轨、字车传动皮带和打印头清洁器等部件。其中所述的字车，用于安装所述的打印机构，所述的字车驱动电机用于驱动字车，所述的字车导轨用于引导字车的左右运动，所述的字车传动皮带用于带动所述字车沿着所述字车导轨运动。所述的打印头清洁器用于清洗液态金属喷嘴以保证印刷质量。开始印刷时，初始位置传感器检测字车机构是否处于初始位置，字车驱动机构根据控制电路的控制指令控制字车的运动，使其在传动皮带和导轨的作用下左右运动，以实现喷墨印刷。 

所述的输纸机构进一步包括进纸器、搓纸辊、走纸辊、压纸轮、出纸辊、出纸轮等。 

所述的状态传感器，包括字车初始位置传感器、墨盒温度传感器、 纸尽传感器等，其中： 

所述的字车初始位置传感器，用于检测字车是否停在原始位置； 

所述的纸尽传感器，用于检测所装的打印基底是否用尽； 

所述的温度传感器，用于检测墨盒内液态金属墨水的温度。 

可选的，所述打印基底包括打印纸、柔性塑料片等。 

可选的，所述液态金属墨水包括低熔点液态金属及合金、含少量氧化物或磁性纳米颗粒的液态金属导电墨水、P型或N型半导体性墨水或三者的纳米颗粒掺杂液的一种或多种等。 

上述导电性金属墨水包括镓、镓铟合金、镓锡合金、铟锡合金、镓铟锡合金、镓铟锡锌合金、镓铟锡锌铋合金中的一种或多种；P型或N型半导体性墨水包括红荧烯rubrene、并五苯pentacene、聚3-己基噻吩P3HT、聚3,3’-二烷基连四噻吩PQT、聚3芳基胺PTAA、梯形聚合物BBL中的一种或多种； 

上述掺杂液体中的纳米颗粒可选用粒径1nm～900nm的铂、金、银、铜、铁、铝、锑、铋、镉、锗、镍、铑、钽、铅、钨、铼、钴、钆(其中铁、镍、钴、钆等为磁性材料)，康铜、钨铼合金、镍镉合金、碳纳米管或石墨烯；或是选用硫化锗颗粒、硒化锗颗粒、碲化锗颗粒、铋化铟颗粒、砷化铟颗粒、锑化铟颗粒、氧化铟颗粒、磷化铟颗粒、砷化镓颗粒、磷化镓颗粒、硫化铟颗粒、硒化铟颗粒、氧化铟锡颗粒、碲化铟颗粒、氧化铅颗粒、硫化铅颗粒、硒化铅颗粒、碲化铅颗粒、硅化镁颗粒、氧化锡颗粒、氯化锡颗粒、硫化锡颗粒、硒化锡颗粒、碲化锡颗粒、硫化银颗粒、硒化银颗粒、碲化银颗粒、氧化碲颗粒、氧化锌颗粒、砷化锌颗粒、锑化锌颗粒、磷化锌颗粒、硫化锌颗粒、硫化镉颗粒、氧化硼颗粒、硒化锌颗粒或碲化锌颗粒等。 

下面结合附图和具体实施实例进一步描述本发明专利。 

实施例1： 

附图1是本发明的液态金属微压电式打印机的结构示意图，该打 印机主要结构包括：内置有印刷控制软件的计算机1、内置于液态金属微压电式打印机的控制电路板2、进纸器3、压纸辊4、走纸辊5、齿轮组6、出纸辊轮7、字车机构8、底部尽纸传感器9和字车初始位置传感器10。其中，控制电路板2用于接收计算机1的印刷控制指令，并根据所述印刷控制指令控制进纸器3、压纸辊4、走纸辊5、齿轮组6、出纸辊轮7、初始位置传感器9与字车机构进8行协调运作。进纸器3与压纸辊4用于引导以及平铺打印基底。走纸辊5与齿轮组6用于使进纸器3和压纸辊4配合运动，使打印基底顺利进入打印区域。底部纸尽传感器9与初始位置传感器10分别用于检测打印基底是否用尽以及字车是否位于初始位置。 

附图2字车机构8包括字车81、字车导轨82、传动皮带83、打印头清洁器84和字车驱动电机85。字车81用于承载液态金属墨盒811以及电控喷墨构件等(如附图3所示)，字车导轨82与传动皮带83在字车驱动电机85协同作用下带动字车81左右运动。附图3是装载在字车81内的液态金属墨盒811等结构的示意图，812是深入到墨盒811内的供墨针；813是过滤器，用于过滤液态金属油墨；814是墨腔，从墨盒811吸取过来的液态金属油墨，经过过滤器813后就会暂时存放在墨腔814内，以便为喷嘴供墨。当微压电元件818开始运行后，液态金属油墨会被挤压到喷嘴并喷射到印刷基底上。微压电元件818是采用金属液体压电式工作原理的喷墨头驱动器件，当控制电路板2发出打印命令信号后，压电元件818在电流作用下开始收缩，进而墨腔814中存储的液态金属油墨被挤压，且在电磁泵815的辅助下，液态金属墨水就会从喷嘴基板816中的喷嘴817中喷射出来。位于墨盒811内的温度传感器与电热丝组合819用于保证液态金属处于液态。附图4所示是喷嘴基板816上带有的喷嘴817的结构布置以及放大图。喷嘴817成排布置于喷嘴基板816上，喷嘴是圆形的微小孔洞，且其之间的间距很小，因而易实现高密度、多喷嘴打印，从而保证打印质量。喷嘴个数可以是32、48、96的，喷嘴数越多，打印质量就越高，可根 据用户的各种打印要求来选择使用。 

上述液态金属压电式喷墨打印机的印刷过程主要包括以下步骤： 

S1.计算机1根据用户绘制的所要印刷的电路或电子器件的结构图，生成印刷控制指令； 

S2.当用户点击打印时，控制电路板2根据印刷控制指令，控制所述打印机构、字车机构、输纸机构等各构件的运动。进而输纸机构与字车机构开始协调工作，位于打印机构内的压电元件接收到电信号后开始工作，在电压的作用下，挤压喷嘴基板，使液态金属墨水受到挤压后从喷嘴中喷出，当液态金属墨水喷出后，墨腔内再次存储液态金属油墨，为下一次喷墨而准备。 

在步骤S1中，用户通过使用具备电子设计自动化功能的计算机印刷软件，绘制出自己所需的电路及电子器件结构图，并生成相应的印刷控制指令。 

在步骤S2中，用户连接好计算机与打印机间的线路，调用印刷控制指令，启动印刷过程。印刷过程中，压电元件在驱动电路控制下开始形变而挤压喷嘴基板使液态金属墨水从喷嘴中喷出，同时输纸机构适时纵向移动基底，随着基底的移动，即完成所需的打印工作。 

待印刷完毕，用户通过软件关闭印刷程序，再切断设备电源，完成电路或电子器件的针式打印工作。 

实施例2： 

本实施例与实施例1唯一不同的是电控驱动方式。本实施例喷嘴处油墨的喷射采用电磁泵驱动。由于液态金属是导电流体，因此采用电磁泵易于实现自动控制下的喷射，其喷射速度取决于流道上的电流大小。此处，喷射驱动元件为电磁泵818，其开始运行后，液态金属油墨会被电磁泵产生的电磁力推动到喷嘴并喷射到印刷基底上。元件818是采用金属液体电磁驱动工作原理的喷墨头驱动器件，当控制电路板2发出打印命令信号后，电磁泵元件818对其内部流体施加洛仑兹电磁 力，进而墨腔814中存储的液态金属油墨会被抽吸，且在电磁泵815的辅助下，液态金属墨水就会从喷嘴基板816中的喷嘴817中喷射出来。采用本实施例的打印过程除通过电控电磁泵实现喷墨印刷外，其余过程全部与实施例1一致。 

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。 

Claims (11)

1.一种液态金属喷墨打印设备，其特征在于，包括：

控制电路，用于对所述打印设备进行整体控制；

液态金属印刷机械装置，用于承载液态金属墨盒及电控喷嘴，并在基底上打印液态金属油墨；

字车机构，用于承载所述液态金属打印机构并根据所述控制电路的指令而运动；

输纸机构，用于对所述打印设备的打印基底进行传输；

状态传感器，用于检测所述打印设备的工作状态。

2.根据权利要求1所述的打印设备，其特征在于，还包括：

与所述控制电路装置相连的计算机，所述计算机用于生成印刷控制指令；

所述控制电路装置用于接收所述计算机的印刷控制指令，并根据所述印刷控制指令控制所述液态金属印刷机械装置及所述打印机状态传感器进行工作。

3.根据权利要求1或2所述的打印设备，其特征在于，所述液态金属印刷机械装置包括：

液态金属墨盒，用于承载液态金属墨水、温度传感器和维持液态金属处于液态的电热丝；

供墨针，用于深入到墨盒内吸取液态金属油墨；

供墨通道，用于将液态金属墨水输送至喷嘴基板；

喷嘴基板，用于承载与液态金属相配套的喷嘴；

电控喷嘴，为压电型或电磁驱动型电控喷嘴，用于喷射液态金属油墨。

4.根据权利要求3所述的打印设备，其特征在于，所述液态金属墨盒内部安装有电热丝及温度传感器，以调控墨盒内的液态金属墨水的温度。

5.根据权利要求3所述的打印设备，其特征在于，所述供墨通道上安装有推动液态金属流动的电磁泵。

6.根据权利要求3所述的打印设备，其特征在于，所述液态金属墨水包括低熔点液态金属及其合金、含少量氧化物或磁性纳米颗粒的液态金属导电墨水、P型或N型半导体性墨水或以上三者的纳米颗粒掺杂液的一种或多种。

7.根据权利要求3所述的打印设备，其特征在于，所述喷嘴个数是32、48或96。

8.根据权利要求1或2所述的打印设备，其特征在于，所述字车机构包括：

字车，用于安装所述液态金属墨盒和喷墨盒；

字车驱动电机，用于驱动字车；

字车导轨，用于引导字车左右运动；

字车传动皮带，用于带动所述字车沿着所述字车导轨运动；

打印头清洁器，用于清洗液态金属喷嘴。

9.根据权利要求1或2所述的打印设备，其特征在于，所述输纸机构包括进纸器、搓纸辊、走纸辊、压纸轮、出纸辊、以及出纸轮。

10.根据权利要求1或2所述的打印设备，其特征在于，所述状态传感器包括：

初始位置传感器，用于检测字车是否停在原始位置；

温度传感器，用于检测墨盒内液态金属墨水的温度；

纸尽传感器，用于检测所装的打印基底是否用尽。

11.一种根据权利要求1～10中任一项所述的液态金属喷墨打印设备的打印方法，其特征在于，包括：

设计需要打印的电子电路图案，并生成结构印刷指令；

所述控制电路接收所述印刷控制指令，并根据所述印刷控制指令控制所述印刷机械装置中各构件的运动，实现具体电子电路的打印。