【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于微尺度电子结构增材制造，尤其涉及一种在粗糙表面制造微尺度电子结构的同轴静电打印方法。
技术介绍
1、微纳电子电路在航空航天、生物检测和可穿戴电子器件等领域有非常广阔的应用前景，市场潜力巨大。电场驱动的静电打印作为一种新兴的微纳3d打印技术，在制造高精度微纳电子结构、复杂三维微纳电子结构、柔性电子和传感器等方面具有突出的优势，同时具有设备简单、成本低、可使用材料种类多、无需掩模或模具以及能直接成形的优点(兰红波,李涤尘,卢秉恒.微纳尺度3d打印[j].中国科学：技术科学,2015(9):22.doi:cnki:sun:jexk.0.2015-09-002)。
2、目前利用静电打印在制造微纳电子结构时，主要以表面光滑的普通玻璃、导电玻璃、光固化树脂模板、挤出打印的聚乳酸模板和各种柔性薄膜(如硅胶薄膜、聚酰亚胺薄膜、聚酯薄膜和聚乙烯醇薄膜等)作为打印基底，确保打印过程中电场电荷的均匀分布和锥射流的稳定性，从而提高微纳电子结构的打印精度和导电性。
3、然而实际工程应用中要在粗糙的陶瓷、木头以及聚合物表面实现微尺度电子结构的制造，静电打印工艺在粗糙表面打印微纳电子结构时，会因表面粗糙导致打印过程中的电荷分布不均匀引起锥射流不稳定，从而影响微纳电子结构的打印精度和连通性。另一方面，在利用多材料3d打印工艺(如挤出打印工艺和静电打印工艺)制造功能结构电子器件时，首先通过挤出工艺打印所需的聚合物基底，如聚乳酸材质的样件和聚醚醚酮材质的样件，因其多层叠加的打印过程，使其表面一般较为粗糙，并有细小的沟槽和孔洞；
4、针对以上存在的问题，通常采用物理打磨和化学涂覆的方式对粗糙表面进行处理，降低其表面粗糙度，使其表面形貌更加均匀，电荷分布更加均匀，有利于静电打印过程中导电材料喷射过程更加稳定。但物理打磨经常是通过人为经验控制打磨时间和打磨位置，多个样件打磨之后表面粗糙度的一致性较差。化学涂覆法(r.singh,s.singh,i.p.singh,f.fabbrocino,f.fraternali,investigation for surface finishimprovement offdm parts by vapor smoothing process,compos.part beng.111(2017)228–234.)在针对不同材质的粗糙表面处理时需要采取不同的有机溶剂，并且部分有机溶剂需要旋涂和后处理工艺，使整个制造工艺复杂、效率低，并且易对环境造成污染。
技术实现思路
1、为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供了一种在粗糙表面制造微尺度电子结构的同轴静电打印方法，在打印过程中利用同轴针头外层绝缘材料迅速扩散填充粗糙表面的特性，克服了因基底表面粗糙导致静电打印过程中电荷分布不均匀引起的射流不稳定等问题，实现了粗糙表面高分辨率微尺度电子结构的高效快速制造，并进一步实现曲面共形微尺度电子结构和层间嵌入微尺度电子结构的一体化制备；该方法不需要光刻和溅射设备，没有复杂多步骤的工艺过程，也不会造成大量的导电/绝缘材料浪费，具有低成本、高效率、环保无毒的优点。
2、为了达到上述目的，本专利技术采取的技术方案为：
3、一种在粗糙表面制造微尺度电子结构的同轴静电打印方法，包括以下步骤:
4、步骤1:选用导电材料和绝缘材料作为粗糙表面微尺度导电结构的打印墨水，将导电材料和绝缘材料分别注入打印针筒，并将其与同轴针头和打印平台进行组装；
5、步骤2:根据设计的导电结构几何图案，采用电场驱动的同轴静电打印工艺，在粗糙基底表面打印出预设的微尺度电子结构；
6、在同轴静电打印过程中，同轴针头出口处形成外层绝缘材料包裹内层导电材料的同轴锥射流，在配合打印平台移动的情况下，同轴针头外层的部分绝缘材料首先与粗糙基底表面接触，部分绝缘材料在粗糙表面瞬间扩散并填充覆盖打印区域，在粗糙表面形成一层致密的液态保护层，降低表面粗糙度；
7、在粗糙基底表面形成液态保护层的同时，通过同轴静电打印在粗糙基底表面的液态保护层上制造具有封装层的微尺度导电结构；打印过程中绝缘材料一边扩散填充同轴针头附近的粗糙表面，一边在填充表面打印具有封装层的微尺度导电结构，直至打印完成；
8、步骤3：利用高温烧结工艺，按照设定的烧结温度、烧结时间和烧结曲线，对导电结构中的导电材料进行烧结后处理提升其导电性，并使微尺度导电结构中的绝缘材料进行固化；
9、步骤4：利用高温烧结工艺，按照设定的烧结温度、烧结时间和烧结曲线，让粗糙基底表面的液态保护层固化，并增强其与粗糙表面基底之间的界面粘附力。
10、所述步骤1中的导电材料和绝缘材料为两种互不相溶，流动性差异大的材料，其导电性相近或相差大，确保至少有一种材料对电场敏感。
11、所述步骤1中的导电材料为含有10-1000nm金属颗粒的导电浆料，包括微/纳米导电银浆、微/纳米导电铜浆、微/纳米导电铂浆和微/纳米导电金浆，还包括各种型号和各种原材料的电阻浆料、传感器浆料和其他微/纳米金属或非金属电子材料。
12、所述步骤1中的绝缘材料为聚二甲基硅氧烷(pdms)、聚酰亚胺溶液(pi)、聚氨酯溶液、ecoflex系列硅胶、不同粘度的硅油和其他绝缘材料等。
13、所述步骤1中的打印针筒分别为5ml和10ml塑料点胶针筒。
14、所述步骤1中的同轴针头是内层针头尺寸为18g-28g和外层针头尺寸为16g-28g组合，同轴针头材料为不锈钢。
15、所述步骤2中的粗糙基底表面包括通过机械加工、挤出式3d打印、激光切割以及其他加工技术制造的平面/曲面的粗糙表面。
16、所述步骤2中的粗糙基底表面材质包括各种类型陶瓷材料、泡沫材料、木质材料、尼龙材料以及适用于挤出3d打印的光固化树脂材料、abs树脂材料、聚乳酸(plc)材料、聚己内酯(pcl)、聚醚醚酮(peek)材料和各种聚醚醚酮复合材料。
17、所述步骤2中的微尺度导电结构为具有封装层的微尺度电子结构、层间或层内连接的微尺度电子结构。
18、所述步骤2中的电场驱动的同轴静电打印工艺参数包括：同轴针头内外径尺寸、打印电压、打印速度、针头与基板之间接收距离和两种材料挤出气压。
19、所述步骤2使用的打印电压1000～3000v；打印速度10～100mm/s；针头与基板之间的接收距离50μm～350μm，内层导电材料挤出气压500mbar～6500mbar，外侧绝缘材料挤出气压10mbar～1000mbar。
20、所述步骤2中液态保护层厚度为100nm～100μm。
21、所述步骤2中微尺度电子结构的线宽为10μm～1000μm，厚度为2μm～50μm；绝缘材料的厚度为1μm～1000μm，绝缘材料的线宽为10μm～2000μm。
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1.一种在粗糙表面制造微尺度电子结构的同轴静电打印方法，其特征在于，包括以下步骤:
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤1中的导电材料和绝缘材料为两种互不相溶，流动性差异大的材料，其导电性相近或相差大，确保至少有一种材料对电场敏感。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤1中的导电材料为含有10-1000nm金属颗粒的导电浆料，包括微/纳米导电银浆、微/纳米导电铜浆、微/纳米导电铂浆和微/纳米导电金浆，还包括各种型号和各种原材料的电阻浆料、传感器浆料和其他微/纳米金属或非金属电子材料。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤1中的绝缘材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚酰亚胺溶液(PI)、聚氨酯溶液、Ecoflex系列硅胶或不同粘度的硅油。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤2中的粗糙基底表面材质包括各种类型陶瓷材料、泡沫材料、木质材料、尼龙材料以及适用于挤出3D打印的光固化树脂材料、ABS树脂材料、聚乳酸(PLC)材料、聚己内酯(PCL)、聚醚醚酮(PEEK)材料和各种聚醚醚酮
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤2中的电场驱动的同轴静电打印工艺参数包括：同轴针头内外径尺寸、打印电压、打印速度、针头与基板之间接收距离和两种材料挤出气压；打印电压1000～3000V；打印速度10～100mm/s；针头与基板之间的接收距离50μm～350μm，内层导电材料挤出气压500mbar～6500mbar，外侧绝缘材料挤出气压10mbar～1000mbar。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤2中液态保护层厚度为100nm～100μm。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤2中微尺度电子结构的线宽为10μm～1000μm，厚度为2μm～50μm；绝缘材料的厚度为1μm～1000μm，绝缘材料的线宽为10μm～2000μm。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤2中微尺度电子结构根据导电结构的尺寸和需求，选择通过同轴静电打印方法实现粗糙表面单层微尺度电子结构的打印，或通过多层叠加的打印方式实现层间绝缘的多层级三维微尺度电子结构的制造；层间绝缘的多层级三维微尺度电子结构层数、线宽和厚度随着打印层数的增加而增加。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤3和步骤4中高温烧结工艺为空气烧结、真空烧结和惰性气体烧结中的一种或多种；选择真空烧结，烧结温度为100℃-320℃，烧结时间为45分钟-180分钟。
...【技术特征摘要】
1.一种在粗糙表面制造微尺度电子结构的同轴静电打印方法，其特征在于，包括以下步骤:
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤1中的导电材料和绝缘材料为两种互不相溶，流动性差异大的材料，其导电性相近或相差大，确保至少有一种材料对电场敏感。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤1中的导电材料为含有10-1000nm金属颗粒的导电浆料，包括微/纳米导电银浆、微/纳米导电铜浆、微/纳米导电铂浆和微/纳米导电金浆，还包括各种型号和各种原材料的电阻浆料、传感器浆料和其他微/纳米金属或非金属电子材料。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤1中的绝缘材料为聚二甲基硅氧烷(pdms)、聚酰亚胺溶液(pi)、聚氨酯溶液、ecoflex系列硅胶或不同粘度的硅油。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤2中的粗糙基底表面材质包括各种类型陶瓷材料、泡沫材料、木质材料、尼龙材料以及适用于挤出3d打印的光固化树脂材料、abs树脂材料、聚乳酸(plc)材料、聚己内酯(pcl)、聚醚醚酮(peek)材料和各种聚醚醚酮复合材料。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤2中的电场驱动的同轴静电打印工艺参数包括：同轴针头内外径尺寸、...
【专利技术属性】
技术研发人员：贺健康，鱼琨，岳峻宇，李涤尘，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：
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