微滴喷射与化学沉积技术制备柔性导电线路的方法及装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种微滴喷射与化学沉积技术制备柔性导电线路的方法，基于气压驱动双喷头微滴喷射装置，气压驱动双喷头微滴喷射装置先后控制金属盐溶液与还原剂溶液喷出，并按照相同的沉积轨迹沉积，沉积的还原剂微滴与金属盐微滴发生化学反应，形成柔性导电线路。本发明微滴喷射与化学沉积技术制备柔性导电线路的方法，将微滴喷射自由成型技术与化学沉积技术相结合，将溶液微滴按照需求堆积在基板表面，通过化学反应沉积形成柔性导电线路，解决了现有方法制备柔性织物导电线路影响织物柔软性的问题，并且基板表面不受弧度的限制，操作简单，节约材料，可控性好，能在织物表面得到微米级别的柔性导电线路。
【专利说明】微滴喷射与化学沉积技术制备柔性导电线路的方法及装置
【技术领域】
[0001]本发明属于柔性导电线路制备【技术领域】，本发明涉及一种微滴喷射与化学沉积技术制备柔性导电线路的方法，本发明还涉及使用该方法制备柔性导电线路的气压驱动双喷头微滴喷射装置。
【背景技术】
[0002]目前在柔性织物基板上制造导电线路的方法通常有丝网印刷或者刺绣、缝纫、编织等。刺绣、缝纫、编织等主要是将导电纤维或金属丝植入到基板的纹理中，来实现各电子元件在基板上的集成，成型后的织物太硬、重量大、不易弯曲，从而影响织物的柔软性。丝网印刷技术是印版(可通过油墨的网孔)在印刷时，通过一定的压力使导电油墨通过印版的孔眼转移到承印物上，形成所需的线路。然而丝网印刷技术它的基板表面会受到弧度的限制，所以只能针对一些平面的产品和部分微小弧度的产品，对于弧度超过某个数值的基板而言，此方法实现难度较大，并且印刷过程中无法实现墨量的精确控制，影响成形微细导电线路的制备精度。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是提供一种微滴喷射与化学沉积技术制备柔性导电线路的方法，解决了现有方法制备柔性导电线路影响织物柔软性的问题，并且基板表面不受弧度的限制。
[0004]本发明的另一个目的是提供使用该方法制备柔性导电线路的气压驱动双喷头微滴喷射装置。
[0005]本发明所采用的技术方案是:微滴喷射与化学沉积技术制备柔性导电线路的方法，基于气压驱动双喷头微滴喷射装置，气压驱动双喷头微滴喷射装置先后控制金属盐溶液与还原剂溶液喷出，并按照相同的沉积轨迹沉积，沉积的还原剂微滴与金属盐微滴发生化学反应，形成柔性导电线路。
[0006]本发明的特点还在于，
[0007]气压驱动双喷头微滴喷射装置包括三维移动平台，三维移动平台侧面设置有CXD照相机，三维移动平台上方设置有坩埚A和坩埚B，坩埚A通过接气管A连接气泵A，气泵A与坩埚A之间的接气管A上依次设置有电磁阀A和排气阀A，坩埚B通过接气管B连接气泵B，气泵B与坩埚B之间的接气管B上依次设置有电磁阀B与排气阀B ；电磁阀A、电磁阀B、三维移动平台和CCD照相机均与控制设备相连接。
[0008]坩埚A与坩埚B分别镶嵌有喷嘴；气泵A与气泵B分别连接有压力表。
[0009]具体制备方法包括以下步骤:
[0010]步骤1:将基板搭载在三维移动平台上，并在坩埚A与坩埚B中分别盛装金属盐溶液与还原剂溶液；
[0011]步骤2:打开气泵A与气泵B，根据压力表的示数，调节气压至合适范围；
[0012]步骤3:启动控制设备及三维移动平台，控制设备控制金属盐溶液喷出，金属盐微滴按照三维移动平台预设运动轨迹沉积在基板上，金属盐溶液沉积完成后控制设备停止工作；
[0013]步骤4:再次启动控制设备及三维移动平台，控制设备控制还原剂溶液喷出，还原剂溶液的喷射轨迹与金属盐溶液的喷射轨迹相同，还原剂微滴按照金属盐微滴的沉积轨迹沉积在金属盐微滴上，还原剂微滴与金属盐微滴发生化学反应，形成柔性导电线路。
[0014]步骤I中金属盐溶液为银盐类溶液，具体为硝酸银、月桂酸银、肉豆蘧酸银，柠檬酸银中的任意一种。
[0015]步骤I中还原剂溶液为乙二醇、NaBH4、三乙胺，抗坏血酸中的任意一种。
[0016]步骤2中气压的压强为30KPa_250KPa。
[0017]本发明所采用的另一个技术方案是:使用上述方法制备柔性导电线路的气压驱动双喷头微滴喷射装置，包括三维移动平台，三维移动平台侧面设置有CCD照相机，三维移动平台上方设置有坩埚A和坩埚B，坩埚A通过接气管A连接气泵A，气泵A与坩埚A之间的接气管A上依次设置有电磁阀A和排气阀A，坩埚B通过接气管B连接气泵B，气泵B与坩埚B之间的接气管B上依次设置有电磁阀B与排气阀B ；电磁阀A、电磁阀B、三维移动平台和CXD照相机均与控制设备相连接。
[0018]本发明的特点还在于，
[0019]坩埚A与坩埚B分别镶嵌有喷嘴。
[0020]气泵A与气泵B分别连接有压力表。
[0021]本发明的有益效果是:本发明微滴喷射与化学沉积技术制备柔性导电线路的方法，将微滴喷射自由成型技术与化学沉积技术相结合，将溶液微滴按照需求堆积在基板表面，通过化学反应沉积形成柔性导电线路，解决了现有方法制备柔性织物导电线路影响织物柔软性的问题，并且基板表面不受弧度的限制，操作简单，节约材料，可控性好，能在织物表面得到微米级别的柔性导电线路。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1是本发明使用的气压驱动双喷头微滴喷射装置的结构示意图。
[0023]图中，1.接气管A，2.电磁阀A，3.电磁阀B，4.基板，5.三维移动平台，6.(XD照相机，7.控制设备，8.坩埚A，9.坩埚B，10.排气阀A，11.排气阀B，12.气泵A，13.气泵B，14.接气管B。
【具体实施方式】
[0024]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明进行详细说明。
[0025]本发明微滴喷射与化学沉积技术制备柔性导电线路的方法，基于气压驱动双喷头微滴喷射装置，如图1所示，包括三维移动平台5，三维移动平台5侧面设置有CCD照相机6，三维移动平台5上方设置有坩埚AS和坩埚B9，坩埚AS与坩埚B9分别镶嵌有喷嘴，喷嘴直径为80-300 μ m,坩埚A8通过接气管Al连接气泵A12，气泵A12与坩埚A8之间的接气管Al上依次设置有电磁阀A2和排气阀A10，坩埚B9通过接气管B14连接气泵B13，气泵B13与坩埚B9之间的接气管B14上依次设置有电磁阀B3与排气阀BI I，气泵A12与气泵B13分别连接有压力表；电磁阀A2、电磁阀B3、三维移动平台5和CCD照相机6均与控制设备7相连接。控制设备7包括北京卓立汉光的MC600-4B型控制器，MC600-4B型控制器通过USB接口或者RS232接口与计算机相连，实现对三维运动平台5的运动轨迹及电磁阀A2、电磁阀B3打开与关闭的控制，实现微滴喷射过程的控制。
[0026]上述装置先后控制金属盐溶液与还原剂溶液喷出，并按照相同的沉积轨迹沉积，沉积的还原剂微滴与金属盐微滴发生化学反应，形成柔性导电线路，具体包括以下步骤:
[0027]步骤1:将基板4搭载在三维移动平台5上，并在坩埚AS与坩埚B9中分别盛装金属盐溶液与还原剂溶液；此处的金属盐溶液为银盐溶液，具体为硝酸银、月桂酸银、肉豆蘧酸银，柠檬酸银中的任意一种；还原剂溶液为乙二醇、NaBH4、三乙胺，抗坏血酸中的任意一种；
[0028]步骤2:打开气泵A12与气泵B13，根据压力表的示数，调节气压压强在30KPa-250KPa范围内，具体压强主要与喷嘴的直径大小有关，喷嘴直径小所需压强大；
[0029]步骤3:启动控制设备7及三维移动平台5，控制设备7控制金属盐溶液喷出，金属盐微滴按照三维移动平台5预设运动轨迹沉积在基板4上，金属盐溶液沉积完成后控制设备7停止工作；
[0030]步骤4:再次启动控制设备7及三维移动平台5，控制设备7控制还原剂溶液喷出，还原剂溶液的喷射轨迹与金属盐溶液的喷射轨迹相同，还原剂微滴按照金属盐微滴的沉积轨迹沉积在金属盐微滴上，还原剂微滴与金属盐微滴发生化学反应，形成柔性导电线路。
[0031]本发明使用的气压驱动双喷头微滴喷射装置工作原理为:在控制设备7中建立柔性导电线路的数字化模型，该模型在建立过程中，主要依据“逐层叠加”的思想，先设计出所需的模型，然后进行分层处理，根据每个层片的信息，再将层面信息离散为线和点，最后结合工艺参数，生成数控代码。通过线路的数控代码，实现三维运动平台5的数字化驱动；同时通过控制设备7控制金属盐溶液和还原剂溶液喷射，两者协调控制，将金属盐微滴和还原剂微滴按照相同的预设轨迹先后沉积在基板4上，金属盐微滴与还原剂微滴发生还原反应，在基板4上形成柔性导电线路。
[0032]其中，气泵A12和气泵B13为坩埚A8和坩埚B9提供所需的喷射压力；
[0033]电磁阀A2和电磁阀B3分别控制坩埚AS和坩埚B9中的压力，电磁阀打开时坩埚中充气，关闭时坩埚中停止充气；
[0034]三维移动平台5承载基板4，根据规划的路径运动；
[0035]坩埚AS和坩埚B9镶嵌有喷嘴，分别盛装金属盐溶液和还原剂溶液，也是微滴的发生装置，是微滴形成的发生器；
[0036]排气阀AlO与排气阀Bll分别用于排除坩埚AS和坩埚B9中多余的气体，使坩埚中形成一定的负压，促进微滴的断裂形成。
[0037]CCD相机6对喷射动态过程进行采集，将采集到的信息传至控制设备7，控制设备7对微滴的尺寸及沉积形态进行分析，便于调节喷射过程中各参数，有助于修正微滴的尺寸和定位偏差，得到优良性能的柔性导电线路。
[0038]实施例1
[0039]步骤1:将织物搭载在三维移动平台5上，并在坩埚AS中盛装硝酸银溶液，在坩埚B9中盛装抗坏血酸溶液；
[0040]步骤2:打开气泵A12与气泵B13，根据压力表的示数，调节气压压强为30KPa (喷嘴直径为300 μ m)；
[0041 ] 步骤3:启动控制设备7及三维移动平台5，控制设备7控制硝酸银溶液喷出，硝酸银微滴按照三维移动平台5预设运动轨迹沉积在织物指定位置，具体控制过程为:控制设备7通过脉冲信号控制电磁阀A2的打开与断开，电磁阀A2打开时，气体通过接气管Al进入坩埚AS中，其中的硝酸银溶液在受到压力后，由喷嘴喷出；电磁阀A2断开时，通气瞬间断开，坩埚AS中的压力变小，悬挂在喷嘴口的硝酸银液体因失去压力作用从而回流断裂；硝酸银溶液沉积完成后，控制设备7停止工作；
[0042]步骤4:三维移动平台5沿Z轴下降一段微小距离，再次启动控制设备7及三维移动平台5，控制设备7控制抗坏血酸溶液喷出，三维移动平台5的运动轨迹为步骤3中预设运动轨迹的逆运动，以保证抗坏血酸溶液的喷射轨迹与硝酸银溶液的喷射轨迹完全重合，抗坏血酸微滴沉积在硝酸银微滴上，具体控制过程为:控制设备7通过脉冲信号控制电磁阀B3的打开与断开，电磁阀B3打开时，气体通过接气管B14进入坩埚B9中，其中的抗坏血酸溶液在受到压力后，由喷嘴喷出；电磁阀B3断开时，通气瞬间断开，坩埚B9中的压力变小，悬挂在喷嘴口的抗坏血酸液体因失去压力作用从而回流断裂；沉积在织物上的抗坏血酸微滴与硝酸银微滴发生还原反应，在织物表面形成柔性导电线路。
[0043]实施例2
[0044]步骤1:将织物搭载在三维移动平台5上，并在坩埚AS中盛装月桂酸银溶液，在坩埚B9中盛装NaBH4溶液；
[0045]步骤2:打开气泵A12与气泵B13，根据压力表的示数，调节气压压强为150KPa (喷嘴直径为180 μ m)；
[0046]步骤3:启动控制设备7及三维移动平台5，控制设备7控制月桂酸银溶液喷出，月桂酸银微滴按照三维移动平台5预设运动轨迹沉积在织物指定位置，具体控制过程为:控制设备7通过脉冲信号控制电磁阀A2的打开与断开，电磁阀A2打开时，气体通过接气管Al进入坩埚AS中，其中的月桂酸银溶液在受到压力后，由喷嘴喷出；电磁阀A2断开时，通气瞬间断开，坩埚AS中的压力变小，悬挂在喷嘴口的月桂酸银液体因失去压力作用从而回流断裂；月桂酸银溶液沉积完成后，控制设备7停止工作；
[0047]步骤4:三维移动平台5沿Z轴下降一段微小距离，再次启动控制设备7及三维移动平台5，控制设备7控制NaBH4溶液喷出，三维移动平台5的运动轨迹为步骤3中预设运动轨迹的逆运动，以保证NaBH4溶液的喷射轨迹与月桂酸银溶液的喷射轨迹完全重合，NaBH4微滴沉积在月桂酸银微滴上，具体控制过程为:控制设备7通过脉冲信号控制电磁阀B3的打开与断开，电磁阀B3打开时，气体通过接气管B14进入坩埚B9中，其中的NaBH4溶液在受到压力后，由喷嘴喷出；电磁阀B3断开时，通气瞬间断开，坩埚B9中的压力变小，悬挂在喷嘴口的NaBHjf体因失去压力作用从而回流断裂；沉积在织物上的NaBH4微滴与月桂酸银微滴发生还原反应，在织物表面形成柔性导电线路。
[0048]实施例3
[0049]步骤1:将织物搭载在三维移动平台5上，并在坩埚AS中盛装柠檬酸银溶液，在坩埚B9中盛装三乙胺溶液；
[0050]步骤2:打开气泵A12与气泵B13，根据压力表的示数，调节气压压强为250KPa (喷嘴直径为80 μ m)；[0051]步骤3:启动控制设备7及三维移动平台5，控制设备7控制柠檬酸银溶液喷出，柠檬酸银微滴按照三维移动平台5预设运动轨迹沉积在织物指定位置，具体控制过程为:控制设备7通过脉冲信号控制电磁阀A2的打开与断开，电磁阀A2打开时，气体通过接气管Al进入坩埚AS中，其中的柠檬酸银溶液在受到压力后，由喷嘴喷出；电磁阀A2断开时，通气瞬间断开，坩埚AS中的压力变小，悬挂在喷嘴口的柠檬酸银液体因失去压力作用从而回流断裂；柠檬酸银溶液沉积完成后，控制设备7停止工作；
[0052]步骤4:三维移动平台5沿Z轴下降一段微小距离，再次启动控制设备7及三维移动平台5，控制设备7控制三乙胺溶液喷出，三维移动平台5的运动轨迹为步骤3中预设运动轨迹的逆运动，以保证三乙胺溶液的喷射轨迹与柠檬酸银溶液的喷射轨迹完全重合，三乙胺微滴沉积在柠檬酸银微滴上，具体控制过程为:控制设备7通过脉冲信号控制电磁阀B3的打开与断开，电磁阀B3打开时，气体通过接气管B14进入坩埚B9中，其中的三乙胺溶液在受到压力后，由喷嘴喷出；电磁阀B3断开时，通气瞬间断开，坩埚B9中的压力变小，悬挂在喷嘴口的三乙胺液体因失去压力作用从而回流断裂；沉积在织物上的三乙胺微滴与柠檬酸银微滴发生还原反应，在织物表面形成柔性导电线路。
[0053]本发明的有益效果是:
[0054](I)微滴大小、微滴沉积位置可控；
[0055](2)整个制造过程工艺简单，生产成本低，与基板的结合性好；
[0056](3)其金属盐和还原剂接触后在室温下发生化学反应，沉积出所需的柔性电路，此方法现有条件下最小可实现100 μ m左右宽度的导电线路的制备；
[0057](4)微滴喷射技术仍处在起步阶段，采用微滴喷射技术沉积柔性导电线路的方法，为微滴喷射技术的发展起到一定的推动作用，为微滴喷射技术的应用提供新的方向。
【权利要求】
1.微滴喷射与化学沉积技术制备柔性导电线路的方法，其特征在于，基于气压驱动双喷头微滴喷射装置，所述气压驱动双喷头微滴喷射装置先后控制金属盐溶液与还原剂溶液喷出，并按照相同的沉积轨迹沉积，沉积的还原剂微滴与金属盐微滴发生化学反应，形成柔性导电线路。
2.如权利要求1所述的微滴喷射与化学沉积技术制备柔性导电线路的方法，其特征在于，所述气压驱动双喷头微滴喷射装置包括三维移动平台(5)，所述三维移动平台(5)侧面设置有CCD照相机(6)，所述三维移动平台(5)上方设置有坩埚A(S)和坩埚B(9)，所述坩埚A(S)通过接气管A(I)连接气泵A(12)，所述气泵A(12)与所述坩埚A(S)之间的接气管A(I)上依次设置有电磁阀A(2)和排气阀A(10)，所述坩埚B(9)通过接气管B(14)连接气泵B(13)，所述气泵B(13)与所述坩埚B(9)之间的接气管B(14)上依次设置有电磁阀B(3)与排气阀B(Il);所述电磁阀A(2)、电磁阀B(3)、三维移动平台(5)和CCD照相机(6)均与控制设备(7)相连接。
3.如权利要求2所述的微滴喷射与化学沉积技术制备柔性导电线路的方法，其特征在于，所述坩埚A (8)与坩埚B (9)分别镶嵌有喷嘴；所述气泵A (12)与气泵B (13)分别连接有压力表。
4.如权利要求1-3中任一权利要求所述的微滴喷射与化学沉积技术制备柔性导电线路的方法，其特征在于，具体制备方法包括以下步骤: 步骤1:将基板(4)搭载在三维移动平台(5)上，并在坩埚A(S)与坩埚B (9)中分别盛装金属盐溶液与还原剂溶液； 步骤2:打开气泵A (12)与气泵B (13)，根据压力表的示数，调节气压至合适范围； 步骤3:启动控制设备(7)及三维移动平台(5)，控制设备(7)控制金属盐溶液喷出，金属盐微滴按照三维移动平台(5)预设运动轨迹沉积在基板(4)上，金属盐溶液沉积完成后控制设备(7)停止工作； 步骤4:再次启动控制设备(7)及三维移动平台(5)，控制设备(7)控制还原剂溶液喷出，还原剂溶液的喷射轨迹与金属盐溶液的喷射轨迹相同，还原剂微滴按照金属盐微滴的沉积轨迹沉积在金属盐微滴上，还原剂微滴与金属盐微滴发生化学反应，形成柔性导电线路。
5.如权利要求4所述的微滴喷射与化学沉积技术制备柔性导电线路的方法，其特征在于，所述步骤I中金属盐溶液为银盐类溶液，具体为硝酸银、月桂酸银、肉豆蘧酸银，柠檬酸银中的任意一种。
6.如权利要求4所述的微滴喷射与化学沉积技术制备柔性导电线路的方法，其特征在于，所述步骤I中还原剂溶液为乙二醇、NaBH4、三乙胺，抗坏血酸中的任意一种。
7.如权利要求4所述的微滴喷射与化学沉积技术制备柔性导电线路的方法，其特征在于，所述步骤2中气压的压强为30KPa-250KPa。
8.一种使用如权利要求1所述方法制备柔性导电线路的气压驱动双喷头微滴喷射装置，其特征在于，包括三维移动平台(5)，所述三维移动平台(5)侧面设置有CXD照相机(6)，所述三维移动平台(5)上方设置有坩埚A(S)和坩埚B (9)，所述坩埚A(8)通过接气管A(I)连接气泵A(12)，所述气泵A(12)与所述坩埚A(S)之间的接气管A(I)上依次设置有电磁阀A(2)和排气阀A(10)，所述坩埚B(9)通过接气管B(14)连接气泵B(13)，所述气泵B (13)与所述坩埚B (9)之间的接气管B (14)上依次设置有电磁阀B (3)与排气阀B(Il);所述电磁阀A(2)、电磁阀B(3)、三维移动平台(5)和CCD照相机(6)均与控制设备(7)相连接。
9.如权利要求8所述的气压驱动双喷头微滴喷射装置，其特征在于，所述坩埚A(S)与坩埚B (9)分别镶嵌有喷嘴。
10.如权利要求8所述的气压驱动双喷头微滴喷射装置，其特征在于，所述气泵A(12)与气泵B (13)分别连接有压力表。
【文档编号】H05K3/14GK104010446SQ201410239569
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年5月30日 优先权日:2014年5月30日
【发明者】肖渊, 陈兰, 黄亚超, 张丹, 蒋龙 申请人:西安工程大学