CN109016864B - 一种精准定位静电打印***和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种精准定位静电打印***和方法。该***包括处理装置、注射装置、拍摄装置和平移台，所述处理装置分别与所述注射装置、所述拍摄装置和所述平移台电连接，所述注射装置的打印针头位于所述平移台的正上方，所述拍摄装置位于所述打印针头的侧上方，且所述拍摄装置的拍摄方向与所述平移台的水平方向的夹角为锐角。本发明提供的技术方案可以从待打印器件的精密图案指定位置处开始静电打印，并有效提高批量打印的效率。
Description
技术领域
本发明涉及静电打印技术领域，尤其涉及一种精准定位静电打印***和方法。
背景技术
静电打印是一种基于电液耦合动力学原理的打印方法，相较于传统的喷墨打印技术，由于能够产生远小于喷嘴尺寸的微细射流和微滴，故在打印精密器件或制备高精度精密图案方面具有重要应用。但是，在具有高精度图案衬底的器件上，例如在芯片微热板上进行打印时，现有的静电打印***还无法实现准确的定点定位打印，也就是不能从精密图案上的确定点开始打印，这对于需要批量化生产的芯片而言，在每次静电打印前都需要调整打印位置，严重影响了效率。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种精准定位静电打印***和方法。
一方面，本发明提供一种精准定位静电打印***，该***包括处理装置、注射装置、拍摄装置和平移台，所述处理装置分别与所述注射装置、所述拍摄装置和所述平移台电连接，所述注射装置的打印针头位于所述平移台的正上方，所述拍摄装置位于所述打印针头的侧上方，且所述拍摄装置的拍摄方向与所述平移台所在的水平面的夹角为锐角。
所述处理装置用于：
当所述平移台上的标定位置处安装的是试验衬底时，控制所述打印针头在所述试验衬底上打印一个基准点，通过所述拍摄装置获取打印有所述基准点的试验衬底的试验图像。
当所述平移台上的标定位置处安装的是待打印衬底，且所述打印针头需要从所述待打印衬底上的标定点开始打印时，通过所述拍摄装置获取具有所述标定点的投影的待打印衬底的待打印图像，并根据所述试验图像和所述待打印图像确定所述标定点的实际坐标。
根据所述实际坐标控制所述平移台带动所述待打印衬底移动，并由所述打印针头进行打印。
另一方面，本发明还提供一种精准定位静电打印方法，应用于上述精准定位静电打印***，该方法包括：
步骤1，当平移台上的标定位置处安装的是试验衬底时，控制打印针头在所述试验衬底上打印一个基准点，通过拍摄装置获取打印有所述基准点的试验衬底的试验图像。
步骤2，当平移台上的标定位置处安装的是待打印衬底，且打印针头需要从所述待打印衬底上的标定点开始打印时，通过拍摄装置获取具有所述标定点的投影的待打印衬底的待打印图像，并根据所述试验图像和所述待打印图像确定所述标定点的实际坐标。
步骤3，根据所述实际坐标控制平移台带动所述待打印衬底移动，并由打印针头进行打印。
本发明提供的精准定位静电打印***和方法的有益效果是，在开始正式打印前，首先通过试验衬底进行初始化操作，也就是在与正式打印所使用的待打印衬底具有相同尺寸参数的试验衬底，例如厚度相同的硅片上以初始参数打印一个基准点，并采集具有此基准点的试验衬底图像。完成初始化后，取下试验衬底，并将待打印衬底安装于平移台上，根据衬底上图案的特性或实际加工需求，如果希望从衬底标定点，例如图案的中心点或角点等指定位置处开始打印，则获取具有此标定点投影的待打印衬底图像。由于试验衬底图像与待打印衬底图像上具有相同或相应的部分，且衬底的实际尺寸是已知的，可通过比例关系，基于实际尺寸和图像上的像素间距获得标定点相对于基准点，也就是当前初始打印落点的实际距离，进而获得其实际坐标。平移台可根据此实际坐标带动待打印衬底进行移动，从而在移动后，使打印针头在待打印衬底上的初始打印落点为所述标定点，实现从标定点，也就是指定位置开始对待打印衬底进行静电打印。如果待打印衬底具有多个阵列分布的相同图案，对于每个图案均可从与之匹配的标定点开始打印，减少了调试时间，提高了批量打印的效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的精准定位静电打印***的电路连接框图；
图2为本发明实施例的精准定位静电打印***的结构示意图；
图3为本发明实施例的精准定位静电打印方法的流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
在静电打印***中，通常包括高压脉冲发生装置、三坐标平移台以及位于平移台正上方的注射装置，注射装置包括精密微量双向注射泵，位于注射泵一端的打印针头，以及连接软管等部件。在进行静电打印前，需要将待打印精密器件衬底，例如芯片微热片固定于平移台上，并且在平移台和衬底间从上至下依次设置玻璃片和衬底电极。高压脉冲发生装置的正负极分别连接于打印针头和衬底电极上。在手动调整好位置后，启动高压脉冲发生装置便可开始在衬底上进行静电打印。在打印过程中，打印针头并不移动，衬底由平移台带动，从而实现在衬底上打印出不同的形状或图案。
如图1和图2所示，本发明实施例提供的一种精准定位静电打印***包括处理装置、注射装置、拍摄装置2和平移台3，所述处理装置分别与所述注射装置、拍摄装置2和平移台3电连接，所述注射装置的打印针头11位于平移台3的正上方，拍摄装置2位于打印针头11的侧上方，且拍摄装置2的拍摄方向与平移台3所在的水平面的夹角α为锐角。
所述处理装置用于：
当平移台3上的标定位置处安装的是试验衬底时，控制打印针头11在所述试验衬底上打印一个基准点，通过拍摄装置2获取打印有所述基准点的试验衬底的试验图像。
当平移台3上的标定位置处安装的是待打印衬底，且打印针头11需要从所述待打印衬底上的标定点开始打印时，通过拍摄装置2获取具有所述标定点的投影的待打印衬底的待打印图像，并根据所述试验图像和所述待打印图像确定所述标定点的实际坐标。
根据所述实际坐标控制平移台3带动所述待打印衬底移动，并由打印针头11进行打印。
在本实施例中，在开始正式打印前，首先通过试验衬底进行初始化操作，也就是在与正式打印所使用的待打印衬底具有相同尺寸参数的试验衬底，例如厚度相同的硅片上以初始参数打印一个基准点，并采集具有此基准点的试验衬底图像。完成初始化后，取下试验衬底，并将待打印衬底安装于平移台上，根据衬底上图案的特性或实际加工需求，如果希望从衬底标定点，例如图案的中心点或角点等指定位置处开始打印，则获取具有此标定点投影的待打印衬底图像。由于试验衬底图像与待打印衬底图像上具有相同或相应的部分，且衬底的实际尺寸是已知的，可通过比例关系，基于实际尺寸和图像上的像素间距获得标定点相对于基准点，也就是当前初始打印落点的实际距离，进而获得其实际坐标。平移台可根据此实际坐标带动待打印衬底进行移动，从而在移动后，使打印针头在待打印衬底上的初始打印落点为所述标定点，实现从标定点，也就是指定位置开始对待打印衬底进行静电打印。如果待打印衬底具有多个阵列分布的相同图案，对于每个图案均可从与之匹配的标定点开始打印，减少了调试时间，提高了批量打印的效率。
需要注意的是，图2中的4既可指代试验衬底，也可指代待打印衬底。
拍摄装置2可包括数码相机及安装于相机上的显微镜头。其中，数码相机可选用中国台湾衡欣公司生产的AZ9501专业数码相机，显微镜头可选用海约公司生产的HY-180XA显微镜头，放大倍数1至100倍连续可调，以实现对衬底上精密图***捕捉。相应地，拍摄装置还可包括角度可调的支架，用于支撑相机。
注射装置的注射泵12可选用Harvard Apparatus公司生产的单通道双向微量精密注射泵Pump 11Elite Syringe Pump，打印针头11可以是金属材质，也可以是陶瓷或玻璃等材质的毛细管针头，针头尖端表面有疏水薄膜。
平移台3装置可选用北京茂丰光电科技有限公司定制的三轴可动精密平移台，用于控制待打印衬底以较小步进运动。
优选地，所述处理装置还用于：通过拍摄装置2获取打印针头11的出液口液面形貌图像，并根据所述出液口液面形貌图像调整所述注射装置的双向注射泵12。
优选地，所述处理装置具体用于：
当根据所述出液口液面形貌图像确定出液口液面低于标准液面时，则向双向注射泵12发送回吸信号，使双向注射泵12以一定的量或一定的速率回吸出液口墨水。
当根据所述出液口液面形貌图像确定出液口液面高于标准液面时，则向双向注射泵12发送推进信号，使双向注射泵12以一定的量或一定的速率推进出液口墨水。
由于拍摄装置2位于打印针头11的侧上方，拍摄装置2采集的图像中可以既包括具有特定图案的衬底，也包括可显示针头出液量的出液口液面形貌。通过对液面形貌进行图像识别，可确定当前出液口液面与标准液面的高低关系。并通过确定的高低关系对双向注射泵12进行相应操作，使打印针头11的液面处于合适的高度，避免出现缺液或溢液的情况。
同时，通过摄像装置2还可在打印过程中监测打印针头11和打印图案的实时状态，如果出现异常情况，可由处理装置生成相应的告警信号。
优选地，所述待打印衬底表面具有标定图案，所述处理装置具体还用于：
以所述基准点为基准，在所述试验图像上生成与所述标定图案匹配的投影。
根据所述标定图案的轮廓将所述试验图像和所述待打印图像对准。
从对准的试验图像上获得所述基准点的像素坐标，以及所述标定图案的轮廓上两定点间的像素坐标差值，并确定所述两定点间的所述像素坐标差值与所述两定点间的实际距离之间的比值。
从对准的待打印图像上获得所述标定点的像素坐标。
确定所述基准点的像素坐标与所述标定点的像素坐标的像素差值，并根据所述像素差值和所述比值确定所述基准点与所述标定点间的实际间距，根据所述实际间距确定所述标定点的所述实际坐标。
由于待打印衬底表面具有例如微热板图像等标定图像，相应地，待打印图像上也会具有此标定图像的投影。在获取试验图像时，可首先将基准点作为中心点生成与微热板图像相同的标定图像，例如一个外轮廓尺寸确定的正方形，然后根据真实试验衬底与试验图像中的试验衬底投影间的投影关系，在试验图像上生成标定图像的投影。
由于试验衬底和待打印衬底在平移台上的安装方式相同，且试验图像和待打印图像上具有相同的标定图案的投影，也就是轮廓相同的图案投影，而在整个过程中摄像装置与平移台的相对位置也是固定的，所以试验图像和待打印图像上具有相同的表示特定图案的部分，即使二者图案有所区别，也只是比例上的区别，轮廓还是相同的，因此可在需要的时候，根据图案轮廓将试验图像和待打印图像对准。
另外，由于标定图案轮廓通常为矩形，且例如距离两个相邻定点间的实际距离是已知的，令此实际距离为A。通过试验图像可提取两个相邻定点的像素坐标，进而确定其在图像上的像素距离，也就是像素坐标差值，令此像素坐标差值为a。
由于将试验图像和待打印图像进行了对准，故基准点和坐标点相当于位于同一相同坐标系内，分别确定二者的像素坐标及相应的像素差值，令此像素差值为b，且令二者之间的实际间距为B。则可通过比例关系A：a＝B：b，确定基准点和标定点间的实际间距，进而根据定点间的方向关系确定标定点相对于基准点的实际坐标。
如果不调整平移台，则当前状态下的打印针头的初始打印落点将为基准点，在根据上述实际坐标调整平移台后，打印针头的初始打印落点将变为标定点，从而实现从标定点开始对待打印衬底进行静电打印。
优选地，所述***还包括与所述处理装置电连接的照明装置，所述照明装置的照射方向指向所述打印针头和所述平移台。
照明装置可以提供足够的反射光线，从一定程度上减轻对图像处理的负担，提高处理效率。
优选地，所述锐角为45度，即α＝45度。
拍摄装置与平移台间的45度夹角，可以保证由拍摄装置获取的图像兼顾平移台上衬底材料的实时打印情况及打印针头的实时液位情况，既能准确地实现打印针头与衬底材料的对准，又能监控针头液位，在需要调整时及时进行调整，保证打印质量。
需要注意的是，摄像装置拍摄的视野平面可以与平移台的X轴平行，这样通过图像比对获得的真实距离误差较小，并可以有效降低因拍摄角度问题引起的后续图像处理的复杂程度。
如图3所示，本发明实施例提供一种应用于上述***的精准定位静电打印方法，该方法包括：
步骤1，当平移台上的标定位置处安装的是试验衬底时，控制打印针头在所述试验衬底上打印一个基准点，通过拍摄装置获取打印有所述基准点的试验衬底的试验图像。
步骤2，当平移台上的标定位置处安装的是待打印衬底，且打印针头需要从所述待打印衬底上的标定点开始打印时，通过拍摄装置获取具有所述标定点的投影的待打印衬底的待打印图像，并根据所述试验图像和所述待打印图像确定所述标定点的实际坐标。
步骤3，根据所述实际坐标控制平移台带动所述待打印衬底移动，并由打印针头进行打印。
优选地，所述方法还包括：
步骤4，通过拍摄装置获取所述打印针头的出液口液面形貌图像，并根据所述出液口液面形貌图像调整注射装置的双向注射泵。
优选地，所述步骤4具体包括：
步骤4.1，当根据所述出液口液面形貌图像确定出液口液面低于标准液面时，则向双向注射泵发送回吸信号，使双向注射泵以一定的量或一定的速率回吸出液口墨水。
步骤4.2，当根据所述出液口液面形貌图像确定出液口液面高于标准液面时，则向双向注射泵发送推进信号，使双向注射泵以一定的量或一定的速率推进出液口墨水。
优选地，所述待打印衬底表面具有标定图案，所述步骤2中所述根据所述试验图像和所述待打印图像确定所述标定点的实际坐标的具体实现包括：
以所述基准点为基准，在所述试验图像上生成与所述标定图案匹配的投影。
根据所述标定图案的轮廓将所述试验图像和所述待打印图像对准。
从对准的试验图像上获得所述基准点的像素坐标，以及所述标定图案的轮廓上两定点间的像素坐标差值，并确定所述两定点间的所述像素坐标差值与所述两定点间的实际距离之间的比值。
从对准的待打印图像上获得所述标定点的像素坐标。
确定所述基准点的像素坐标与所述标定点的像素坐标的像素差值，并根据所述像素差值和所述比值确定所述基准点与所述标定点间的实际间距，根据所述实际间距确定所述标定点的所述实际坐标。
读者应理解，在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种精准定位静电打印***，其特征在于，所述***包括处理装置、注射装置、拍摄装置和平移台，所述处理装置分别与所述注射装置、所述拍摄装置和所述平移台电连接，所述注射装置的打印针头位于所述平移台的正上方，所述拍摄装置位于所述打印针头的侧上方，且所述拍摄装置的拍摄方向与所述平移台所在的水平面的夹角为锐角；
所述处理装置用于：
当所述平移台上的标定位置处安装的是试验衬底时，控制所述打印针头在所述试验衬底上打印一个基准点，通过所述拍摄装置获取打印有所述基准点的试验衬底的试验图像；
当所述平移台上的标定位置处安装的是待打印衬底，且所述打印针头需要从所述待打印衬底上的标定点开始打印时，通过所述拍摄装置获取具有所述标定点的投影的待打印衬底的待打印图像，并根据所述试验图像和所述待打印图像确定所述标定点的实际坐标；
根据所述实际坐标控制所述平移台带动所述待打印衬底移动，并由所述打印针头进行打印。
2.根据权利要求1所述的精准定位静电打印***，其特征在于，所述处理装置还用于：
通过所述拍摄装置获取所述打印针头的出液口液面形貌图像，并根据所述出液口液面形貌图像调整所述注射装置的双向注射泵。
3.根据权利要求2所述的精准定位静电打印***，其特征在于，所述处理装置具体用于：
当根据所述出液口液面形貌图像确定出液口液面低于标准液面时，则向所述双向注射泵发送回吸信号，使所述双向注射泵以一定的量或一定的速率回吸出液口墨水；
当根据所述出液口液面形貌图像确定出液口液面高于标准液面时，则向所述双向注射泵发送推进信号，使所述双向注射泵以一定的量或一定的速率推进出液口墨水。
4.根据权利要求1至3任一项所述的精准定位静电打印***，其特征在于，所述待打印衬底表面具有标定图案，所述处理装置具体还用于：
以所述基准点为基准，在所述试验图像上生成与所述标定图案匹配的投影；
根据所述标定图案的轮廓将所述试验图像和所述待打印图像对准；
从对准的试验图像上获得所述基准点的像素坐标，以及所述标定图案的轮廓上两定点间的像素坐标差值，并确定所述两定点间的所述像素坐标差值与所述两定点间的实际距离之间的比值；
从对准的待打印图像上获得所述标定点的像素坐标；
确定所述基准点的像素坐标与所述标定点的像素坐标的像素差值，并根据所述像素差值和所述比值确定所述基准点与所述标定点间的实际间距，根据所述实际间距确定所述标定点的所述实际坐标。
5.根据权利要求4所述的精准定位静电打印***，其特征在于，所述***还包括与所述处理装置电连接的照明装置，所述照明装置的照射方向指向所述打印针头和所述平移台。
6.根据权利要求4所述的精准定位静电打印***，其特征在于，所述锐角为45度。
7.一种精准定位静电打印方法，其特征在于，应用于如权利要求1至6任一项所述的精准定位静电打印***，所述方法包括：
步骤1，当平移台上的标定位置处安装的是试验衬底时，控制打印针头在所述试验衬底上打印一个基准点，通过拍摄装置获取打印有所述基准点的试验衬底的试验图像；
步骤2，当平移台上的标定位置处安装的是待打印衬底，且打印针头需要从所述待打印衬底上的标定点开始打印时，通过拍摄装置获取具有所述标定点的投影的待打印衬底的待打印图像，并根据所述试验图像和所述待打印图像确定所述标定点的实际坐标；
步骤3，根据所述实际坐标控制平移台带动所述待打印衬底移动，并由打印针头进行打印。
8.根据权利要求7所述的精准定位静电打印方法，其特征在于，所述方法还包括：
步骤4，通过拍摄装置获取所述打印针头的出液口液面形貌图像，并根据所述出液口液面形貌图像调整注射装置的双向注射泵。
9.根据权利要求8所述的精准定位静电打印方法，其特征在于，所述步骤4具体包括：
步骤4.1，当根据所述出液口液面形貌图像确定出液口液面低于标准液面时，则向双向注射泵发送回吸信号，使双向注射泵以一定的量或一定的速率回吸出液口墨水；
步骤4.2，当根据所述出液口液面形貌图像确定出液口液面高于标准液面时，则向双向注射泵发送推进信号，使双向注射泵以一定的量或一定的速率推进出液口墨水。
10.根据权利要求7至9任一项所述的精准定位静电打印方法，其特征在于，所述待打印衬底表面具有标定图案，所述步骤2中所述根据所述试验图像和所述待打印图像确定所述标定点的实际坐标的具体实现包括：
以所述基准点为基准，在所述试验图像上生成与所述标定图案匹配的投影；
根据所述标定图案的轮廓将所述试验图像和所述待打印图像对准；
从对准的试验图像上获得所述基准点的像素坐标，以及所述标定图案的轮廓上两定点间的像素坐标差值，并确定所述两定点间的所述像素坐标差值与所述两定点间的实际距离之间的比值；
从对准的待打印图像上获得所述标定点的像素坐标；
确定所述基准点的像素坐标与所述标定点的像素坐标的像素差值，并根据所述像素差值和所述比值确定所述基准点与所述标定点间的实际间距，根据所述实际间距确定所述标定点的所述实际坐标。
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