多鞘多毛細管浮質噴射器的製作方法

2023-04-22 17:35:36 4

專利名稱：多鞘多毛細管浮質噴射器的製作方法
技術領域：
本發明總體涉及一種用於使用多個鞘以包圍浮質流並提供空氣動力聚集來對液 體和液體顆粒懸浮液進行高解析度、無掩模式沉積的設備和方法。

發明內容
本發明提供一種用於澱積材料的方法，所述方法包括以下步驟使材料成煙霧狀 散開以形成浮質流；利用第一鞘氣流包圍浮質流以形成第一混合流；利用第二鞘氣流包圍 第一混合流以形成第二混合流；使第二混合流通過至少一個第一毛細管；以及使得材料澱 積。被沉積材料的線寬在大約10微米與大約1毫米之間。所述方法優選地還包括以下步驟 在利用第二鞘氣流包圍第一混合流之前，使第一混合流通過第二毛細管，在這種情況下，被 沉積材料的線寬優選地小於大約10微米，並且更優選地小於大約1微米。每一個毛細管的 孔口直徑優選地在大約50微米與大約1毫米之間。被沉積材料的線寬優選地比毛細管孔 口尺寸小大約40倍。所述方法優選地還包括以下步驟打開排放閥以防止浮質流通過第一 毛細管。本發明還提供了一種用於澱積材料的設備，所述設備包括浮質入口 ；第一鞘氣 入口 ；第二鞘氣入口 ；和至少一個第一毛細管。所述設備還優選地包括第二毛細管，所述第 二毛細管設置在第一鞘氣入口與第二鞘氣入口之間。第一毛細管與第二毛細管之間的距離 優選地可變化。每一個毛細管的孔口直徑優選地在大約50微米與大約1毫米之間。被沉 積材料的線寬優選地比毛細管孔口尺寸小大約40倍。第一毛細管的孔口直徑優選地與第 二毛細管的孔口直徑相同。可選地，第一毛細管的孔口直徑可以小於第二毛細管的孔口直 徑。所述設備還包括排放閥或真空歧管，所述排放閥或真空歧管用於防止浮質流通過第一 毛細管。包括第一毛細管的第一設備級任選地與包括第二毛細管的第二設備級以串列的方 式疊置。以下結合附圖在隨後的詳細說明中部分地說明本發明的目的、優點和新穎性特 徵、和適用性的進一步保護範圍，並且所述目的、優點和新穎性特徵、和適用性的進一步保 護範圍對本領域的技術人員來說當進行以下參閱時變得清楚呈現，或者可以通過實踐本發 明來獲悉。本發明的目的和優點可以通過在所附權利要求中具體指出的手段和組合實現並獲得。


併入並形成說明書的一部分的附圖示出了本發明的一個或多個實施例，並且所述附圖與說明書一起用於說明本發明的原理。附圖僅僅用於顯示本發明的一個或多個優選的 實施例，並且不被認為是限制本發明。在附圖中圖1是本發明的雙鞘雙毛細管噴嘴的實施例的示意圖；圖2是本發明的沉積頭的雙鞘單毛細管實施例的示意圖；圖3是本發明的雙鞘多噴嘴陣列的實施例的示意圖；圖4是本發明的沉積頭的單鞘單毛細管實施例的示意圖；和圖5是根據本發明的第二和第三鞘氣流結構的示意圖。
具體實施例方式本發明總體涉及一種用於使用包圍浮質流且提供空氣動力聚集的多個鞘對液體 和液體_顆粒懸浮液進行高解析度、無掩模式沉積的設備和方法。在傳統的實施例中，浮質 流聚集並沉積到平面或非平面的目標上，從而形成被熱處理或光化學處理以獲得接近於對 應的粒狀材料(bulkmaterial)的物理、光學、和/或電特性的圖案。這種過程稱為M3D (無掩模中尺度材料沉積)技術，並且用於使成煙霧狀散開的材料沉積成線寬(Iinewidth) 可以小於一微米，這是小於利用傳統的厚膜工藝被沉積的線的數量級。在不使用掩模的情 況下執行沉積。M3D備優選地使用浮質噴嘴沉積頭，以形成由外部鞘氣流和內部載有浮質的載流 構成的環狀傳播噴嘴。在環狀浮質噴射工藝中，浮質載氣進入沉積頭，優選地直接在霧化工 藝後或在所述浮質載氣通過加熱器組件之後包圍並帶走浮質，並且所述浮質載氣沿裝置的 軸線朝向沉積頭孔口被引導。質量通過量優選地由浮質載氣質量流動控制器控制。在沉積 頭內，浮質流優選地經通過毫米尺寸的孔口而被初始校準。然後，出現的顆粒流優選地與環 狀鞘氣結合，所述鞘氣用於消除噴嘴的堵塞並且聚集浮質流。載氣和鞘氣大多數通常包括 壓縮空氣或惰性氣體，其中所述壓縮空氣和惰性氣體中的一個或兩個都可以含有改良的溶 劑蒸氣成分。例如，當浮質由水溶液形成時，水蒸氣可被加入到載氣或鞘氣以防止液滴蒸 發。鞘氣優選地通過浮質入口下方的鞘氣空氣入口進入，並形成具有浮質流的環狀 流。與浮質載氣一樣，鞘氣流量優選地由質量流動控制器控制。混合流優選地通過指向目 標處的孔口以高速(例如，近似50m/s)離開噴嘴，並隨後撞擊在目標上。環狀流將浮質流 聚集到目標上，並且允許進行具有尺寸在1毫米、小到1微米和更小的特徵的沉積。輔助鞘氣流通過使用包圍環狀、載有浮質的主要流的輔助鞘氣流可以實現環狀浮質噴射器的 流動特性和沉積特性的提高。每一個輔助鞘氣流優選地引導混合的鞘氣流/浮質流進入到 輔助毛細管。增強的流動使得減少過度噴塗和衛星液滴，並且增加空氣動力聚集的量。在 M3D應用中，將環形流注射到陶瓷毛細管內。在雙鞘雙毛細管(DSDC)結構中，第二鞘氣包圍 環形噴射器，並且產生的流動被引導到第二毛細管內。圖1中示出了 DSDC浮質噴射器的示 意圖。浮質通過室上方的埠 10進入噴嘴，或者可選地從安裝在側部的埠進入噴嘴。主 要鞘氣和次要鞘氣分別通過埠 12和14進入。主要鞘氣聚集流動，並然後將所述流動噴 射到主要毛細管16內。然後，次要鞘氣提供環形流的二次聚集，並且將整個分布注射到次 要毛細管18內。圖1的結構包括兩個聚集階段。所述設備被設計成使得毛細管之間的距離可以變化。DSDC浮質噴射器被增強的流動可以通過使用多級、或採用三個或更多個串聯 輔助鞘氣流和毛細管的多鞘多毛細管(MSMC)結構來擴展。可以使用雙鞘雙毛細管或多鞘 多毛細管結構實現降至1微米或更小的線寬。在本發明的一個實施例中，輔助鞘氣流被獨立控制。優選的毛細管孔口尺寸的直 徑近似為150微米或大約100微米，然而，與串聯輔助鞘氣流和毛細管的使用結合，孔口直 徑可小到大約為50微米和大到大約1000微米或以上。在M3D應用中產生的環形流通常能夠沉積具有大約為毛細管出口的尺寸的十分之 一的線寬的成煙霧狀散開的材料。DSDC結構能夠產生小於毛細管孔口的尺寸的十分之一的 線寬，從而降至比毛細管孔口小40倍，並且DSDC結構使得能夠直接書寫具有小到大約1微 米或更小的線寬的跡線。使用環形噴射器對成煙霧狀散開材料進行直接沉積的兩個常見問題在於過度噴 塗的產生和衛星液滴的發生。過度噴塗可以廣泛地被定義為額外浮質顆粒，在氣體撞擊基 板並開始沿基板表面橫向流動之後，所述額外浮質顆粒保持被攜帶在載氣流內。然後，液滴 可以在距離沉積物的幾微米或遠至距離沉積特徵的幾十微米的範圍內撞擊到基板上。DSDC 噴嘴通過增加浮質流的空氣動力聚集來減少過度噴塗和衛星液滴的發生。多鞘氣流/單毛細管流圖2顯示本發明的穿過通過單個毛細管的雙鞘氣流的結構的實施例。雙鞘單毛細 管結構提供環形流分布的二次聚集，所述環形流分布由浮質和主要鞘氣流組成，但是沒有 將混合流引入到第二毛細管內。浮質從室上方的埠 100進入噴嘴，或者可選地從安裝在 側部的埠進入所述噴嘴。主要鞘氣和次要鞘氣分別通過埠 120和140進入。由浮質和 主要鞘氣流組成的環形流分布被次要鞘氣流包圍，並且被注射到單個毛細管160內。可選 地，可以使用多於兩個的鞘氣流。當澱積浮質易於撞擊到沉積頭的內表面上時，使用多鞘/ 單毛細管是有利的。當對由易於在輸送給沉積頭期間蒸發的揮發性、高蒸氣壓力油墨形成 的浮質進行澱積時，通常可觀察到這種碰撞。多鞘/單毛細管(MSSC)結構提供限制或在一 些情況下完全防止這種液滴的碰撞的次要鞘氣層。當沉積頭的長度必須被最小化時，或者當第二級毛細管的增加是有問題的或不可 行的，多鞘/單毛細管(MSSC)結構也是有利的。一種這種結構的示例是多噴嘴陣列，所述多 噴嘴陣列是用於同時將平行線印刷到基板上的兩個或更多個毛細管的陣列。在多噴嘴陣列 結構中，浮質流被等同地分配給通常位於相同平面中的多個噴嘴，優選地使得浮質流同時 並且等同地流動通過陣列的每一個毛細管。然而，噴嘴陣列的使用增加了空氣動力流的復 雜性，使得用於增加聚集的第二級陣列或毛細管的使用可能是不可行的。然而，使用多鞘結 構可以獲得增加的浮質聚集。在這種設計中，浮質流的輔助聚集通過產生進入到毛細管陣 列內的多鞘氣流來實現。圖3是雙鞘/多噴嘴陣列的示意圖。浮質霧進入每一個霧管20， 並且由通過埠 22進入的主要鞘氣被聚集。在將環形流分布注射到陣列的每一個單個毛 細管26內之前，浮質和主要鞘氣流的二次聚集由通過下埠 24進入的次要鞘氣執行。在 此結構中浮質流增加的空氣動力聚集能夠實現小到大約10微米的線寬。串列級結構圖4是通過移除所有輔助級而形成的單鞘/單毛細管結構級的示意圖。除了對沉 積頭的下部分進行修改之外，單鞘/單毛細管結構類似於傳統的M3D 沉積頭，這允許多級串列疊置，從而使得初始環形浮質噴射器的聚集增加。通常，每一級由通過埠 112進入 的單鞘氣流和單毛細管116組成。所有級使用具有相同直徑的毛細管。然而，在可選的實 施例中，毛細管可以被漸縮，從而使每一個相繼的毛細管具有比先前的毛細管小的直徑。對 於給定毛細管直徑，串列結構的使用增加可沉積線寬的範圍。在串列結構中，浮質以串聯方 式流動通過每一個毛細管，並且在通過每一級期間聚集到較小的直徑。串列結構允許對小 到1微米的線寬進行沉積。多鞘氣流/多毛細管流作為串列級原理的示例，由次要鞘氣流和次要毛細管產生的流動增強可以通過使 用另外的鞘氣流和毛細管來增加。圖5顯示次要鞘氣流和第三鞘氣流結構，其中第三鞘氣 流與主要鞘氣流和次要鞘氣流混合以產生更多的聚集並且使衛星液滴減少。產生的流動被 引導到第三毛細管。在類似的實施例中，四個或更多個輔助鞘氣流和毛細管可以用於進一 步增加浮質噴射器的空氣動力聚集特性。空氣動力關斷多鞘浮質噴射器的材料關斷可以通過打開排放閥來實現，所述排放閥位於噴射器 的後兩個毛細管之間，或噴射器的第一毛細管和噴射器的最後一個毛細管之間。閥的橫截 面面積相對於最終孔口的橫截面面積較大，使得流動通過排放閥被轉向。排放閥通常在真 空泵之前。為了重新接合浮質流，閥閉合，使得流動被重新引導通過噴射器的長度並通過最 終出口孔板。還可以使用用於真空的歧管形式的多個真空埠實現關斷，所述歧管對來自 霧管的霧產生拉動力。材料關斷的這種方法和設備可以應用於單個鞘系統。雖然已經具體地參考這些優選的實施例詳細地說明了本發明，但是其它實施例可 以實現相同的結果。本發明的變化和修改對本領域的技術人員是顯而易見的，並且目的是 在所述權利要求中涵蓋所有這些修改和等效物。以上引用的所用參考、申請、專利、和出版 物的整個公開通過引用在此併入。
權利要求
一種用於澱積材料的方法，所述方法包括以下步驟使所述材料成煙霧狀散開以形成浮質流；利用第一鞘氣流包圍所述浮質流以形成第一混合流；利用第二鞘氣流包圍所述第一混合流以形成第二混合流；使所述第二混合流通過至少一個第一毛細管；以及澱積所述材料。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，被沉積的所述材料的線寬在大約10微米與大約 1毫米之間。
3.根據權利要求1所述的方法，還包括以下步驟在利用所述第二鞘氣流包圍所述第一混合流之前，使所述第一混合流通過第二毛細管。
4.根據權利要求3所述的方法，其中，被沉積的所述材料的線寬小於大約10微米。
5.根據權利要求4所述的方法，其中，所述線寬小於大約1微米。
6.根據權利要求3所述的方法，其中，每一個毛細管的孔口直徑在大約50微米與大約 1毫米之間。
7.根據權利要求3所述的方法，其中，被沉積的所述材料的線寬比毛細管孔口尺寸小 大約40倍。
8.根據權利要求1所述的方法，還包括以下步驟 打開排放閥以防止所述浮質流通過所述第一毛細管。
9.一種用於澱積材料的設備，所述設備包括 浮質入口 ；第一鞘氣入口； 第二鞘氣入口 ；和 至少一個第一毛細管。
10.根據權利要求9所述的設備，還包括第二毛細管，所述第二毛細管設置在所述第一 鞘氣入口與所述第二鞘氣入口之間。
11.根據權利要求10所述的設備，其中，所述第一毛細管與所述第二毛細管之間的距 離能夠變化。
12.根據權利要求10所述的設備，其中，每一個毛細管的孔口直徑在大約50微米與大 約1毫米之間。
13.根據權利要求10所述的設備，其中，被沉積的所述材料的線寬比毛細管孔口尺寸 小大約40倍。
14.根據權利要求10所述的設備，其中，所述第一毛細管的孔口直徑與所述第二毛細 管的孔口直徑相同。
15.根據權利要求10所述的設備，其中，所述第一毛細管的孔口直徑小於所述第二毛細管的孔口直徑。
16.根據權利要求10所述的設備，還包括排放閥或真空歧管，所述排放閥或真空歧管 用於防止浮質流通過所述第一毛細管。
17.根據權利要求10所述的設備，其中，包括所述第一毛細管的第一設備級與包括所 述第二毛細管的第二設備級以串列的方式疊置。
全文摘要
本發明公開了一種用於澱積成煙霧狀散開材料的設備和方法，其中，浮質流被多於一個的連續鞘氣流包圍和聚集。混合的鞘氣流和浮質流可以連續流動通過多於一個的毛細管，從而使流動進一步變窄。可以實現小於一微米的線寬。
文檔編號C23C24/02GK101896642SQ200880119970
公開日2010年11月24日 申請日期2008年10月9日 優先權日2007年10月9日
發明者布魯斯·H·金, 馬瑟裡諾·埃辛 申請人:奧普託美克公司