电流体打印制备非晶In-Zn-O线型场效应晶体管

无掩膜版直接图形化制备非晶氧化物场效应晶体管的方法在透明电子学领域受到了广泛关注。提出了一种简易可行的采用电流体打印技术制备高性能的铟锌氧化物In-Zn-O(IZO)底栅型场效应晶体管。在氧化物表面打印自组装单分子膜作为湿法刻蚀的化学保护层,制备了轮廓清晰的线条型IZO场效应晶体管。直写式制备的底栅型IZO晶体管展现了优良的电学性能:极低的漏电流(<1 nA)、高电子迁移率[2.0 cm^(2)/(V·s)]、合理的通断比(3.1×10^(4))和较高的器件稳定性。实验结果为无掩膜版制备高性能氧化物晶体管提供了全新的方法。

基于电流体喷墨打印直写纳米银浆的柔性应变传感器及其应用

柔性传感器在皮肤信号监测方面应用广泛,但传统印刷工艺难以满足其高精度定位、高黏度墨液印刷的制备要求。利用电流体喷墨打印工艺在高黏度材料制备方面的优势,使用纳米银浆制作用于人体皮肤信息采集的电阻式柔性应变传感器。探索电喷印工艺参数对导电线宽的影响规律,使用内径0.16 mm的喷嘴以30 mm/s的打印速度移动制得宽度120μm的银线。通过实验得出打印速度和喷嘴内径对银线线条宽度和质量的影响规律,利用电流体喷墨打印工艺制备出基于聚二甲基硅氧烷柔性基底和纳米银浆敏感层的柔性应变传感器。利用自主研制的检测系统,测试并计算出传感器应变范围在3%内时灵敏度可达172.67。最后将传感器用于多个人体部位的姿态监测,证明其具有检测微小信号的能力。测试结果证明,电流体喷墨打印工艺可用于制备柔性应变传感器,制得的柔性应变传感器在智能穿戴设备上具有应用潜力。

面向绝缘基底的正负极一体化电流体喷墨打印头射流沉积行为

针对常规电流体喷墨打印在绝缘基底上打印时易产生射流偏斜和卫星液滴等现象,研制了一种正负极一体化电流体喷墨打印头。先对正负极一体化电流体喷墨打印头进行数值模拟,再通过按需喷印的方式对影响射流形态和沉积行为的相关参数进行实验研究。结果发现,相比常规电流体喷墨打印结构,正负极一体化电流体喷墨打印头可减小空间电场对绝缘基底的影响。圆孔电极直径大于1 mm的正负极一体化电流体喷墨打印头结构具有聚焦射流和抑制卫星液滴的效果,该效果与圆孔电极直径呈负相关。此外,随着喷嘴与圆孔电极之间的距离增大,射流区域电场方向趋于更竖直。当间距大于0.6 mm时,正负极一体化电流体喷墨打印头能够有效抑制卫星液滴。工作电压幅值过小易导致液滴丢失,过大易使液滴变形。电压幅值在1.8 kV左右时,液滴平均直径约为210μm。

电流体动力学打印柔性电子的实验系统研制

研制了一套适用于多种材料制备柔性电子图案的电流体动力学打印柔性电子的实验系统。该系统采用“工控机+功能控制器”模式的开放式系统结构,主要由应用层、功能层和设备层等组成,构成了面向柔性电子制备的电流体动力学打印实验系统的三级结构模式。实验结果表明,该系统可用于多种材料的电流体动力学打印柔性电子图案,也可用于观测电流体动力学打印泰勒锥形成过程,以及各种形状柔性电子图案打印和柔性压力压阻传感器制备等实验。

银微结构的电流体喷射按需打印研究

基于电流体喷射打印技术,采用自主研发的电流体喷射打印平台,以2000 cps黏度的纳米银墨水为打印材料,以厚度为0.5 mm的柔性材料PET为打印衬底,通过实验开展相关技术研究,探明了电流体喷射打印过程中锥射流的形成过程及控制机理,并采用单因素控制变量方法研究了关键工艺参数对打印线形结构的影响规律。研究结果表明,电喷打印过程中的锥射流的形成与所施加的电场有关,且电场强度大小直接影响到锥射流的稳定性以及微结构制造质量;此外,在一定范围内,随着所施加电压的增大,打印线形结构的线宽变得越来越小,随着打印速度的增加,线形结构的线宽亦变得越来越小,即打印线形结构的线宽与施加电压大小和打印速度均成反比;最后利用优化后的工艺参数在PET柔性衬底上完成了线宽约为100μm的图案化银微结构的电流体喷射按需打印制造。

随机森林算法在电喷印液滴直径预测中的应用

电流体喷射打印技术是一种新型微纳尺度增材制造工艺,由于电喷印成本低、工艺简单、效率高、精度高,在制备微流控芯片、印刷柔性电子器件和各种光学器件等领域具有广阔的应用前景。精确预测并控制电喷印液滴直径是保证加工质量的关键。因此,以电喷印液滴直径预测为研究对象,运用随机森林回归算法进行建模,来预测在几种关键参数(基电压、高电压、脉冲频率、喷头与基板的距离、油墨电导率及粘度)的条件下打印出的液滴直径。预测结果显示,该模型的预测精度较传统的理论建模及回归分析的结果有明显提高。在几种常见的算法预测模型中,随机森林回归模型在训练样本受限的情况下,预测精度最高。基于随机森林回归算法的液滴直径预测模型为电喷印液滴直径预测及控制提供了一种经济有效的方法。

一种可消除承印物影响的电流体动力喷墨打印技术

电流体动力喷墨打印技术(EHDP)已广泛应用于直接印刷。然而,现有的EHDP方法,其印刷特性受承印物的影响,且打印线宽由喷嘴的尺寸决定。本文提出的一种EHDP新方法能够消除承印物的影响,并且能够通过控制喷嘴阵列中每个喷嘴的开关来实现对打印线宽的控制。本文检验了EHDP系统的印刷特性,同时证明了喷嘴阵列开关控制的可行性。这种新型EHDP技术可以不受承印物的影响得到稳定的弯月形液面;即使使用同样的喷嘴也能得到不同的线宽。

基于EHD微尺度3D打印喷射机理与规律研究

基于电流体动力学(EHD)微尺度3D打印(电流体动力喷射打印或电喷印)的成形机理复杂,成形影响因素较多,首先对泰勒锥的受力状况进行了理论分析,然后用有限元数值模拟和实验方法进行验证,探索了该微尺度3D打印方法的喷射机理,并揭示了电压、压力对锥射流喷射性能的影响规律。结果表明,电压越大,锥形越短;入口压力越大,锥形越长,同时也表明了在一定的电压和气压范围内喷印均可以正常进行,而不是特定的电压或气压,从而可以通过调节电压和气压改善锥射流及喷印质量。用光固化树脂材料进行的喷印实例中获得了较好的喷印质量。

面向高深宽比微细嵌入式金属网格结构的选择性镀铜工艺

高深宽比微细嵌入式金属网格结构具有出色的光电性能和机械稳定性,可广泛应用于柔性触摸/显示器、太阳能电池、智能窗户等领域,但是传统的制备方法存在难以形成高深宽比结构、分辨率不足或材料利用率低等问题。借助电流体喷墨打印高分辨率按需喷印的优势结合选择性镀铜的特点实现高深宽比微细嵌入式金属网格的制备。通过实验研究,揭示了镀液温度、铜离子质量浓度、电流密度、电镀时间等参数对铜生长的速率和截面质量的影响规律,并对比了电镀和化学镀的优劣。结果表明,在电流密度约为1.5 A/dm^(2)时,电镀铜15 min能够实现线宽为10μm、深宽比为1的微细凹槽结构内金属铜的完全填充。最后,通过优化后的镀铜工艺参数结合电流体喷印,制备了线宽为10μm、深宽比为1、周期为800μm的28 mm×60 mm的嵌入式金属网格,其透过率(可见光波段550 nm处)为87.3%,方阻约为0.26Ω/□,品质因数(FOM)达到10 318,达到行业较高水准,可为高性能柔性光电子器件的制备提供新途径。

基于EHD的聚苯乙烯打印工艺研究

采用电流体动力学(EHD)打印方式,以聚苯乙烯(PS)作为打印材料,对打印工艺参数进行了深入的研究。探究了打印溶液的质量分数、喷嘴处施加的工作电压以及基板移动速度对打印线条的形貌及直径的影响。研究结果表明:当PS溶液质量分数为18%时,可以打印得到光滑的线条;在一定范围内,线条的直径随电压增大而增大,随基板移动速度增大而减小。相较于传统静电纺丝技术,使用优化后的参数进行EHD打印的微尺度线条有着更好的沉积精度与控制效果,通过调节工艺参数,成功打印出直径小于5μm的螺旋状与网格状的聚合物图案。

用于微热板气体传感器的EHD打印有限元仿真

为了研究通过电流体动力学(EHD)打印在微热板上涂覆气敏材料过程中各参数对锥射流形成的影响,采用多物理场有限元仿真软件分析了锥射流形成过程。高速摄像机拍摄锥射流形成过程与仿真锥射流形成过程一致,验证了仿真分析的有效性。仿真结果表明:随着针头与衬底之间距离减小,锥射流形成时间单调减小;针头内径和接触角的增大都会使锥射流直径增大。根据仿真结果优化EHD打印参数,在微热板上打印花状气敏材料,不但保留了材料的微观纳米结构,而且形成了较为均匀的薄膜。

微型压电厚膜执行器的仿真与实验研究

采用ANSYS有限元软件建立了微型压电厚膜执行器的多物理场耦合仿真模型,求解了微型压电厚膜执行器B(0,3)模态的共振频率为80673 Hz,在15 V交流电压下的振幅为210 nm。同时通过磁控溅射、电流体喷射打印工艺,制备了外径为4.5 mm的环形PZT压电厚膜执行器并对其进行性能表征,采用阻抗分析仪对压电执行器进行扫频测试,得出压电执行器的谐振频率为79 kHz,与模态仿真分析所得结果误差为2.1%;采用单点式激光多普勒测振仪,对压电执行器进行动态振幅测试,得出压电执行器定子齿部分表面质点的Z方向振幅为202.4 nm,与瞬态仿真分析结果相比误差为3.6%,实验结果验证了仿真的准确性。

喷头润湿性对EHD打印射流形态影响的数值模拟

在电流体动力学理论的基础上,通过有限体积法和VOF界面追踪方法求解流体动力学连续性方程、动量方程和电场方程,分析电流体锥射流的形态变化机理。计算结果表明:射流时间相同时,打印流体与毛细管喷头的接触角越小,润湿性越强;两者的接触面积越大,锥射流的长度越小;形成稳定射流时,接触角越小,锥射流的长度和半径越大,达到稳态所需的时间越长;当接触角大于75°时,回流现象不明显;接触角小于60°时,锥射流两端形成明显的回流区域,接触角越小,回流区域越大。研究结果有助于进一步理解电流体动力学打印过程中的射流动力学机理,可为改进喷头结构提供参考。

基于机器学习的电喷印精度预测方法研究

目的节省电流体喷射打印精度预测的时间和解决电流体工艺参数的选择问题,达到提高电流体打印的质量和效率的目的。方法为了对电流体喷射打印精度进行预测,提出有限元模型与机器学习相结合的方法。基于线性回归、支持向量回归和神经网络等机器学习算法建立4种参数与射流直径的关系模型。结果算法结果表明:支持向量回归和神经网络预测模型的决定系数R2能达到0.9以上,表示模型可信度高;支持向量回归和神经网络预测模型指标都比线性回归预测模型的小。结论机器学习算法可对电喷印打印精度进行有效预测,预测效率提高了十几倍,节省了精度预测的时间。

基于EHD的聚酰亚胺打印工艺研究

针对目前多数增材制造设备在加工聚酰亚胺(PI)聚合物材料时成型分辨率低、精度差等缺点,课题组提出将电流体动力学(electro-hydro dynamics, EHD)打印方法应用于PI的高精度成型,并对此进行了研究。采用控制变量的方法探究了打印喷嘴处施加的工作电压以及收集板移动速度对PI线条成型分辨率的影响;在分析其打印原理的基础上对PI打印工艺进行了优化。研究结果表明:在一定范围内,PI线条直径随电压增大而减小,随收集板速度增大而减小。通过优化后的工艺参数实现了复杂网格形状的微图案打印,证明了利用EHD打印PI的可行性。

电流体动力喷射3D打印工艺参数对泰勒锥和打印图形的影响和规律

电流体动力喷射3D打印是一种新型微纳增材制造技术,它具有成本低、结构简单、精度高、打印材料广泛等突出特点和优势.但是,由于电流体动力喷射3D打印的打印速度快、喷嘴和基底打印距离小,特别是对于微尺度特征图形的打印,其实际图形及打印质量难以直接观测,而且影响打印图形精度和质量的工艺参数较多,各个工艺参数相互耦合和相应作用.因而直接有效的控制打印图形的精度（线宽）和质量（线边缘粗糙度）是其面临的一个挑战性难题.本文提出一种通过调整打印工艺参数间接控制泰勒锥形状和尺寸,进而实现对于打印图形精度和质量有效控制的新方法.建立了线宽与工艺参数、材料性能和基底关系的理论模型;通过实验,系统研究并揭示了电流体动力喷射3D打印工艺参数对泰勒锥和打印图形的影响及其规律;优化出针对同一喷嘴较为理想的喷印工艺窗口;并通过典型实验工程案例研究,采用内径60μm喷嘴实现了最小线宽3μm打印,验证了实验研究结果的正确性和有效性.本文提出的方法和实验研究结果为电流体动力喷射3D打印的打印精度、图形质量和打印稳定性改进及提高奠定了基础,并为简化和易于操作提供了一种切实可行的方法.