一种应用于柔性膜表面处理喷头的排气孔结构及喷头的制作方法

本实用新型属于原子层沉积领域，具体涉及一种应用于柔性膜表面处理喷头的排气孔结构及喷头。

背景技术：

ncap为nano-encapsulation的缩写形式，ncap技术(ncaptechnology)是专门针对柔性高分子聚合物膜材料(即“柔性膜”)表面封装应用所开发的多种技术集成总称。封装则特指针对柔性膜采用多种气体(特别是水气及氧气)进行高性能阻隔处理。ncap技术是气相表面处理技术，其实质是在气相条件下使柔性膜材料的表/界面及内部发生物理化学反应。

柔性膜表面处理喷头是ncap封装系统反应物分子传输的末端，同时也负责表/界面物理化学反应发生时全局环境的建立。喷头所喷出的工作/反应气体射流在喷头与柔性膜之间形成ncap工艺实施区，而ncap系统所有全局/局部变量的最终实施及控制都在该工艺实施区内部完成。根据ncap封装工艺，沿柔性膜的输送方向，封装工作面分为工作区、缓冲区以及气体回收槽等3部分功能区。工作区、缓冲区及气体隔离面上含有经特殊设计及分布的排气孔。所有排气孔排出的气体作为一个整体，需要确保可以控制柔性膜表面具有等于或接近刚性材料表面处理时的表面平坦度，即排气孔的气体射流在构建封装区时，要保证柔性膜不会产生任何整体或局部形变；或更确切的说，任何整体或局部形变产生的弛豫时间要小于柔性膜表面气体压力整体平衡达到的时间。因此，ncap喷头封装工作面要使得封装区内的气体在整个柔性膜表面形成压力一致且内部反应气体分子数密度均匀的气体层，并且该气体层的形成需要在喷头喷出的气体接触到柔性膜表面的同时。除了保证柔性膜表面平坦度外，封装层内压力的作用还在于提供表/界面物理化学反应所需的压力条件，确保主系统气路流向，以及提供柔性膜输送时的辅助夹持。排气孔材料必须具有良好的稳定性，避免出现气振现象。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种应用于柔性膜表面处理喷头的排气孔结构，所排出的气体能够在满足表面平坦度的前提下提供反应所需的压力条件。

为了实现上述目的，本实用新型应用于柔性膜表面处理喷头的排气孔结构：包括喷头本体，喷头本体的封装工作面沿着柔性膜的移动方向依次划分为若干先导气工作区，相邻两个先导气工作区之间为缓冲区，若干先导气工作区以及缓冲区的四周为气体隔离面；沿气体隔离面及封装工作面的先导气工作区和缓冲区上分布有多个排气孔，所述的排气孔包括基孔以及包覆在基孔上的晶体材料，所述的晶体材料密封固定在封装面上；

所述的封装面加工为凹形面，凹形面的开口直径通过算式(p/2p0)≤d/h进行求取，式中的p为喷头设计工作气压，p0为标准气压，d为凹形面的开口直径，h为排气孔与流体控制面基准面距离，流体控制面为封装工作面与气体隔离面共同的物理平面；

所述的基孔均开设于凹形面的中央。

所述晶体材料为红宝石材料，基孔使用激光在红宝石材料上击穿形成。

所述的晶体材料采用耐高温连接胶密封固定在封装面上。

所述的基孔的直径≤0.25mm；

当封装工作面的宽度w≤8cm时，所述的排气孔在气体隔离面以及封装工作面的先导气工作区和缓冲区上沿一维直线分布；8cm≤封装工作面的宽度w≤16cm时，排气孔交错排列。

排气孔沿一维直线分布时，排气孔直径、排气孔分布的总长度与排气孔之间的距离满足关系式：(p1/p0)(d/h1)≤l/d1；其中，p1为封装区内的气体压力，p0为标准气压，d为排气孔直径，h1为封装工作面与柔性膜的距离，l为排气孔分布的总长度，d1为排气孔之间的距离；

当排气孔交错排列时，数目与沿一维直线分布时相同，交错距离≈(w-8)/3。

凹形面与流体控制面基准面之间采用弧形面进行过渡，弧形面的弧度≥0.7倍凹形面弧度。

所述凹形面的开口直径d为100μm，排气孔与流体控制面基准面距离h为20μm，凹形面的弧度为118.8°，弧形面的弧度为95°，凹形面的开口直径为70μm。

所述的基孔的直径为0.11mm，排气孔在气体隔离面以及封装工作面的工作区和缓冲区上沿一维直线分布，每排设置23个排气孔，排气孔的间距为50mm，所述气体隔离面以及封装工作面的工作区和缓冲区的宽度均为60mm。

本实用新型应用于柔性膜表面处理的：包括封装工作面、衔接面、复合功能面以及电/气/机械控制面；所述的封装工作面与待处理材料的表面相对，设有先导气工作区、缓冲区、气体隔离面和排气孔；其中，沿气体隔离面以及封装工作面的先导气工作区和缓冲区分布多个排气孔。先导气工作区用于提供与柔性膜表/界面进行物理化学反应的反应气体，缓冲区用于提供间隔两个先导气工作区反应气体的工作气体，气体隔离面沿封装工作面的边缘设置，用于将封装工作面与外部区域隔离；所述的衔接面用于多个喷头之间连接，复合功能面用于集成附属功能，电/气/机械控制面用于为封装工作面提供工作气体与反应气体。

与现有技术相比，本实用新型具有如下的有益效果：当排气孔直径起伏≥直径的5％，则封装工作面内的气体会产生大幅度扰动，并导致封装层的基本功能丧失，柔性膜会因为封装层内的压力扰动而产生气振现象，即柔性膜会产生大幅度抖动，导致封装质量无法保证，本实用新型通过在基孔上包覆晶体材料，能够消除温度及机械形变对排气孔尺寸的影响，满足优良的物理学稳定性。由于气体隔离面除了将ncap封装区与外界隔离外，同时也协助保持封装层内压力的总平衡，流体控制面为封装工作面与气体隔离面共同的物理平面，流体控制面满足≤0.5μm的镜面抛光度即能够满足封装层及物体表面边界层内气体空气动力学方程所要求的边界条件，减少气体在流体控制面的滞留，保证气体的均匀分布，减少封装层内局部湍流及涡旋的产生，保证在柔性膜接触到喷头物理表面时不会造成损伤，确保高效反应副产物的排出，减少不同功能区的相互影响。通过将封装面加工为凹形面，基孔开设于凹形面的中央，凹形面设计加工时按ncap工艺最大工作压力实施，凹形面的作用是一方面加速了气体在柔性膜表面的均匀分布，同时也减少排气孔气体射流对正下方柔性膜区域的直接冲击。

附图说明

图1柔性膜表面处理喷头结构原理示意图；

图2柔性膜输送方向示意图；

图3封装工作面的排气孔分布示意图；

图4柔性膜表面处理喷头内部管道布置示意图；

图5工作区采用两种先导气时的排气孔布置示意图；

图6排气孔沿一维直线分布的示意图；

图7排气孔孔交错排列的布置示意图；

图8凹形面结构的封装面示意图；

1-气体隔离面；2-工作区；3-缓冲区；4-排气孔；4-1.基孔；4-2.晶体材料；4-3.封装面；100-喷头；200-待处理材料；300-工艺实施区；101-复合功能面；102-电/气/机械控制面；103-进气管道；104-衔接面；105-封装工作面；1051-气体回收槽；1052-排气管道；1053-衔接管道。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步的详细说明。

参见图1，柔性膜表面处理喷头100为长方体，喷头100的顶面或底面为封装工作面105，喷头100的侧面为电/气/机械控制面102。如图2所示，ncap喷头外形设计为长方体(含正方体)，其面积须覆盖柔性膜表面待处理区域。其6个外表面按工艺及系统集成需要分为5类，分别为“封装工作面”、“复合功能面”、“电/气/机械控制面”、“多喷头组合衔接面”以及“气体隔离面”，其中封装工作面与气体隔离面位于同一物理平面内。喷头长、宽、高中的长边须与柔性膜的幅宽平行。柔性膜的幅宽定义为与柔性膜输送方向垂直的边。

参见图3-4，根据ncap封装工艺，沿柔性膜的输送方向，封装工作面分为工作区、缓冲区以及气体回收槽等3部分功能区。工作区进一步分为先导气1工作区及先导气2工作区(先导气1与先导气2是工作气体分别与气相反应物分子1与2的混和气体，工作气体则为纯度≥99.999％的高纯惰性气体，例如高纯氮气或高纯氩气等)，主要负责先导气1、2与柔性膜表/界面的物理化学反应，缓冲区布置在先导气1工作区与先导气2工作区之间，负责柔性膜表面在先导气1、2反应之间的反应中间状态的稳定及反应中间副产物的清理。气体回收槽负责所有气体的平衡回收(即回收气体的同时辅助封装区内压力的均匀分布)。

参见图5-8，本实用新型应用于柔性膜表面处理喷头的排气孔结构，当封装工作面的宽度w≤8cm时，排气孔在气体隔离面1以及封装工作面的工作区2和缓冲区3上沿一维直线分布；当8cm≤封装工作面的宽度w≤16cm时，排气孔交错排列。

排气孔4包括基孔4-1以及包覆在基孔4-1上的晶体材料4-2，晶体材料4-2采用耐高温连接胶4-4密封固定在封装面4-3上。排气孔材料必须具有良好的化学稳定性(即不与反应物分子发生任何物理化学反应)，且排气孔直径≤0.25mm以形成上述ncap工艺所需的稳定气体射流。封装工作面上所有排气孔的直径需保持一致，此要求对形成封装层内稳定的压力至关重要。当排气孔直径起伏≥直径的5％，则封装层内的气体会产生大幅度扰动，并导致封装层基本功能丧失。柔性膜会因为封装层内的压力扰动而产生所谓的气振现象，即柔性膜会产生大幅度抖动，封装质量无法保证。为了消除温度及机械形变对排气孔尺寸的影响以及满足优良的物理学稳定性，排气孔采用高硬度晶体材料，例如红宝石材料。具体制作过程为：使用高能激光在红宝石材料(或类似材料)上击穿所需直径的圆孔，后将红宝石材料用某种安装方式(例如使用耐高温胶)安装到封装工作面内预先留好的排气孔位置。

排气孔沿一维直线分布时，排气孔直径、排气孔分布的总长度与排气孔之间的距离满足关系式：(p1/p0)(d/h1)≤l/d1；其中，p1为封装区内的气体压力，p0为标准气压，d为排气孔直径，h1为封装工作面与柔性膜的距离，l为排气孔分布的总长度，d1为排气孔之间的距离。此公式适用的条件为宽度不超过8厘米的矩形区域，即覆盖的矩形面积为(8l)厘米²。设计加工时按封装层所承载的最大工作压力实施。当宽度超过8厘米且小于16厘米时，排气孔交错排列时，数目与沿一维直线分布时相同，交错距离≈(w-8)/3。

封装面4-3加工为凹形面，定义为“排气缓冲凹形面”，凹形面的开口直径通过算式(p/2p0)≤d/h进行求取，式中的p为喷头设计工作气压，p0为标准气压，d为凹形面的开口直径，h为排气孔与流体控制面基准面距离，流体控制面为封装工作面与气体隔离面1共同的物理平面，流体控制面满足≤0.5μm的镜面抛光度即能够满足封装层及物体表面边界层内气体空气动力学方程所要求的边界条件，减少气体在流体控制面的滞留，保证气体的均匀分布，减少封装层内局部湍流及涡旋的产生，保证在柔性膜接触到喷头物理表面时不会造成损伤，确保高效反应副产物的排出，减少不同功能区的相互影响，基孔4-1开设于凹形面的中央。凹形面的作用是进一步加速气体在柔性膜表面的均匀分布；同时，减少排气孔气体射流对正下方柔性膜区域的直接冲击。h需小于120μm以防止局部气压过高导致的反应物分子数分布不均匀。凹形面设计加工时按ncap工艺最大工作压力实施。凹形面与流体控制面基准面之间的过渡须以弧度面过渡，以杜绝局部气旋的形成，其弧度≥0.7倍凹形面弧度。

实施例

处理幅宽为1m的柔性膜，喷头尺寸为1200mm(长)×300mm(宽)×56mm(厚)，即封装工作面+气体隔离面以及复合功能面尺寸为1200mm(长)×300mm(宽)，电/气/机械控制面尺寸为300mm(长)×56mm(宽)，多喷头组合衔接面尺寸为1200mm(长)×56mm(宽)。

气体隔离面、先导气1或2工作区以及缓冲区内所有排气孔直径均为0.11mm。在每一个功能区内排气孔呈直线排列，每排含23个排气孔，间距50mm。排气孔所覆盖的有效矩形区域宽度为60mm，即气体隔离面、先导气1或2工作区、缓冲区的宽度均为60mm。

每个排气孔派出以的气体都会对应一个排气缓冲凹面以减缓垂直喷射流速并加速气体沿柔性膜表面的扩散，凹形面的开口直径d为100μm，排气孔与流体控制面基准面距离h为20μm，凹形面的弧度为118.8°，弧形面的弧度为95°，凹形面的开口直径为70μm。

实际测试验证，本实用新型能形成压力均匀的封装层，均匀压力值高于标准大气压且压力梯度变化小于5％。本实用新型排气孔具有优良的物理学稳定性，气体分布均匀平稳，能在满足表面平坦度的前提下提供反应所需的压力条件，实现针对柔性膜表面处理的高精度加工。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以对本实用新型做任何形式上的限定，本领域技术人员应当理解的是，在不脱离本实用新型精神和原则的条件下，还可以做出若干简单的变型和替换，修改后的技术内容同样会落入由所提交权利要求限定的保护范围之内。