基于电场辅助的高分辨喷墨打印微纳制造系统研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 周培林1,2
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| 答辩日期 | 2020-05-27 |
| 授予单位 | 中国科学院沈阳自动化研究所 |
| 授予地点 | 沈阳 |
| 导师 | 王志东 |
| 关键词 | 微纳制造 E-jet打印 微纳器件 跨尺度 增材直写 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 机械电子工程 |
| 其他题名 | High Resolution Inkjet Printing Micro-nano Manufacturing System based on Electric Field |
| 英文摘要 | 微纳制造技术，作为微纳技术发展的基础，一直以来就是研究的热点和前沿。采用微纳增材制造技术实现多功能微纳器件的直写制造是微纳研究领域的一个重要发展趋势。其中高分辨率的激光聚合直写技术与喷墨打印技术是两种重要的代表性技术，然而，现有技术方法各自的局限性限制了其在微纳制造领域更广泛的发展与应用。电场辅助喷墨打印技术，因为其兼具喷墨微打印和激光微纳打印的突出优势，有望解决传统的喷墨打印技术分辨率低、材料性质要求高，激光直写技术成本高、效率低、加工过程复杂和材料适用性低等方面的难题和挑战。在微纳制造领域具有显著的优势和研究价值。虽然E-jet打印技术具有极高的分辨率，但是由于基于E-jet技术的打印过程中，打印结构的精度和稳定性严重依赖液滴的驱动状态，目前尚无稳定的方法实现对打印过程的精确观测和预判，进而实现对打印液滴的精确控制。因此，也难以解决E-jet打印系统在打印过程中稳定性稍差的问题，同样也无法发挥E-jet打印技术实现多材料多次续原位精确打印的优势。针对以上问题和面临的挑战，本研究基于电流体动力学原理，从近场微纳喷印的实时观测与近场带电射流的稳态控制入手，围绕电场辅助的高分辨喷墨打印微纳制造系统的研发与应用，开展了如下几个方面的研究内容：（1）基于电场辅助的喷墨打印微纳制造系统研究：本项研究是基于电流体动力学理论，构建电场辅助喷墨打印系统。在实现微纳喷印的实时观测与带电液滴稳定驱动喷射的基础上，实现对系统的基本设计与优化升级。围绕近场带电射流的稳态控制等科学问题，突破介观尺度实时观测与快速制造等关键技术的基础上，开展了基于电场辅助的E-jet高分辨喷墨打印微纳制造系统的微纳打印制造研究。通过研究界面润湿性、咖啡环效应、液滴自组装等关键问题对微纳制造的可靠形貌调控与优化，实现了微纳尺度结构/器件的精确可控、快速批量化制造。为探索2D/3D微纳器件的跨尺度制造与集成应用研究，提供新的思路和技术，拓展E-jet打印技术和微纳制造的研究与应用领域。（2）银纳米粒子的高分辨率图形化沉积研究：高精度可控的纳米材料图案因其在纳米制造和纳米器件中的多个领域有重要应用，而受到越来越广泛的关注。为了提高通过电液射流(E-jet)打印形成的功能纳米材料沉积图案的分辨率，并生成所需的沉积形貌，控制在液滴蒸发过程中，咖啡环的演化形态至关重要。在此，为了能够通过E-jet打印银纳米颗粒(AgNPs)形成高分辨率的沉积图案，我们研究了在纳米尺度的咖啡环效应机理。在实验研究中，通过在不同处理条件的基底上，打印由不同化学成分组成的AgNP溶液，并采用原子力显微镜(AFM)对所形成的不同沉积结构的形貌进行了统计分析。因此，详细研究了基于咖啡环效应在纳米尺度上形成沉积图案的机理和三维形貌参数。实现了不同形貌结构的可控制备，并得到了一个线宽小于50nm的环状结构。本研究中所提出的制备纳米沉积图案的工艺方法也适用于其他类型的纳米材料；因此，这项工作对功能材料的图形化、纳米器件的制备和柔性电子器件的研究具有巨大的应用潜力和研究意义。（3）跨尺度增材直写制造微/纳米透镜阵列研究：高质量的微纳透镜阵列(M/NLAs)已经成为各种小型集成化光学系统和功能器件中不可替代的组成部分。因此迫切需要探索一种低成本、高效率和高精度的技术来制造高质量的微纳透镜阵列(M/NLAs)，以满足各种多样化和个性化的应用。在本文中，我们报道了一种采用电流体动力喷射(E-jet)打印技术实现一步无掩模制造微纳透镜阵列M/NLAs的方法。为了获得具有最佳形态参数的微纳透镜阵列M/NLAs，我们采用了参数优化的稳定锥射流打印模式来代替微滴打印模式。通过研究E-jet打印参数、基底润湿性和UV光固化胶的粘度对微纳透镜阵列M/NLAs光学参数的影响，对M/NLAs的光学参数进行了分析和优化。因此，获得了多样化和可定制化的M/NLAs。在此，我们实现了最小直径为120nm的纳米透镜的制备，并将具有不同参数的NLAs打印在硅衬底、原子力显微镜探针悬臂梁和单层石墨烯上。本研究提出的制造微透镜阵列和纳透镜阵列的技术可以广泛应用于制造多种微纳光学器件和光学集成系统。（4）防水可变视场人工复眼的仿生制造研究：在微型化的微光学系统中，平面微透镜阵列和曲面微透镜阵列一直起着至关重要的作用。随着光学器件的应用发展，迫切需要探索一种灵活方便的微透镜阵列制造方法，用于满足先进和多用途光学器件的应用，如具备防水性能和可变视场(FOV)成像功能的微透镜阵列。在本文的研究中，受天然荷叶的超疏水表面的启发，在微流体芯片的辅助下，提出了一种利用具有防水性能的微透镜阵列从平面到曲面变形制造人工复眼的新方法。采用电流体动力学喷射技术在PDMS薄膜上制备了分级结构的微透镜阵列和纳透镜阵列。混合纳透镜阵列的微透镜阵列薄膜表现出优异的超疏水特性，接触角可达158º。通过集成微流控芯片的辅助调节，微透镜阵列薄膜可以从平面变形到曲面用作制备可调节的人工复眼,视场的可调节范围从0到160º。人工复眼的实验表征结果，表明该制造方法有望在微光学领域得到更广泛的应用。本文的工作为电场辅助高分辨喷墨打印微纳制造的研究提供了相关理论和工作基础，在理论分析、系统构建、以及实验研究的基础上，提高了基于E-jet打印技术的制造能力，将进一步推动其今后在微纳制造领域的应用和发展。 |
| 语种 | 中文 |
| 产权排序 | 1 |
| 页码 | 156页 |
| 源URL | [http://ir.sia.cn/handle/173321/27168]  |
| 专题 | 沈阳自动化研究所_机器人学研究室 |
| 作者单位 | 1.中国科学院大学 2.中国科学院沈阳自动化研究所; |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 周培林. 基于电场辅助的高分辨喷墨打印微纳制造系统研究[D]. 沈阳. 中国科学院沈阳自动化研究所. 2020. |
入库方式： OAI收割
来源：沈阳自动化研究所
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