專(zhuān)利名稱(chēng)：靜電噴射設(shè)備和靜電噴射方法
靜電噴射設(shè)備和靜電噴射方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種靜電噴射設(shè)備和靜電噴射方法。
在常規(guī)的靜電霧化或靜電噴射技術(shù)中，導(dǎo)電率通常大于10—8 S/m的電 解溶液的表面由所施加的通常在大約1(^V/m級(jí)的電場(chǎng)充電。當(dāng)作用在液 體表面上的靜電力克服所述液體的表面張力時(shí)，發(fā)生噴射。最穩(wěn)定的噴射 狀態(tài)是錐射流模式狀態(tài)，其中，靜電力和表面張力之間的平衡產(chǎn)生Taylor 錐，從該錐的頂點(diǎn)發(fā)射出液體噴射。這種穩(wěn)定的錐射流只在液流速率和施 加電壓的特定范圍內(nèi)發(fā)生。當(dāng)電壓和/或流速在穩(wěn)定的錐射流所要求的之 下時(shí)，會(huì)出現(xiàn)其它的噴射狀態(tài)，包括滴落、靜電滴落和紡錘模式。
如在Int. J. Mass Spectrom. Ion Processes 1994， 136, 167-180中所描 述的，一般在靜電噴射電離質(zhì)譜法中所使用的特定的靜電噴射方法是為人 所知的納電噴射法。納電噴射法的特征是所述流速可以由所施加的電壓 和管子形狀(特別是出口直徑)來(lái)決定。其好處是在不使用泵或閥來(lái)迫 使液體從儲(chǔ)液器流到出口的情況下就可以實(shí)現(xiàn)靜電噴射。在J. Aerosol Sci. 2007， 38， 315-324中，已經(jīng)將4吏用該方法可控制地噴射或沉淀小體積液體 的能力確認(rèn)為用于利用流體在表面上形成圖形的有前途的技術(shù)。
在絕緣流體的靜電噴射中，由于導(dǎo)電率小于10-ss/m，該固有導(dǎo)電率 不足以以與在上述具有較高導(dǎo)電率的流體的情況下所觀察到的常規(guī)的靜 電噴射行為的方式相似的方式在所施加的電壓下產(chǎn)生足夠多的表面電荷。 然而，已經(jīng)表明，如果使用特定的電極形狀，例如使用尖針作為浸入所述 流體的電極，則有可能將電荷注入絕緣流體中，以使得可以對(duì)液體進(jìn)行噴 涂和噴射，如在J. Appl. Phys., 1976,47, 5， 1964-1969中所描述的。這樣， 就可能形成足夠的表面電荷，從而以與在常規(guī)靜電噴射中所觀察到的模式 相似的模式來(lái)噴射電介質(zhì)液體。電荷注入的機(jī)制不限于高壓電源，且包括 但不限于摩擦起電以及壓電設(shè)備。
從J. Appl. Phys. 1998， 64， 4278-4284也已經(jīng)知道對(duì)于絕緣流體，當(dāng) 電壓低于產(chǎn)生錐射流類(lèi)型的模式所要求的值時(shí)，液體的彎月面可能在準(zhǔn)穩(wěn) 定的錐射流和變形的液滴之間擺動(dòng)。這導(dǎo)致來(lái)自流體表面的脈沖式噴射， 間歇地噴放液滴。所述脈沖的產(chǎn)生要求有恒定的流體流速，由泵或受壓的
ii流體來(lái)提供。
在其它已知的靜電霧化或靜電噴射技術(shù)中，當(dāng)電壓或充電電i1Ufe加到 要噴射的液體時(shí)，靜電噴射連續(xù)地發(fā)生。因此，對(duì)能夠進(jìn)行靜電噴射的液 體體積的控制相對(duì)有限，因?yàn)槭┘铀鲭妷夯虺潆婋娏鞯臅r(shí)間內(nèi)的任何變 化都直接影響噴射的液體的體積。
對(duì)絕緣流體進(jìn)行靜電噴射的已知方法的不利之處在于為了啟動(dòng)和停 止噴射，需要啟動(dòng)和停止泵浦方法。不可能準(zhǔn)確地控制所述泵的啟動(dòng)和停 止。在這種設(shè)備中，即使斷開(kāi)電場(chǎng)或充電電流，所述泵將會(huì)繼續(xù)向管子出 口或噴射區(qū)傳送液體，這就導(dǎo)致滴液。這意味著不可能進(jìn)行液體噴射的 精細(xì)控制。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種靜電噴射設(shè)備，用于以脈沖方式分 配體積受控制的基本上非導(dǎo)電的液體，所述設(shè)備包括發(fā)射器，該發(fā)射器具 有噴射區(qū)，所述液體可以通過(guò)噴射區(qū)進(jìn)行噴射。用于將電荷注入所述液體 的裝置，由此，在使用中，當(dāng)所述電荷注入時(shí)，所述液體由靜電力傳送到 所述噴射區(qū)，并且靜電噴射以一個(gè)或多個(gè)脈沖的方式發(fā)生。所述i殳備優(yōu)選 不包括機(jī)械泵或任何其它加壓所述液體的裝置。
其優(yōu)點(diǎn)是所述靜電噴射設(shè)備提供所噴射的非導(dǎo)電液滴的可靠的脈 沖，可以使其準(zhǔn)確地啟動(dòng)和停止。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種靜電噴射方法，包括提供發(fā)射器， 用于容納基本上非導(dǎo)電的液體。所iOL射器具有噴射區(qū)，液體可以從所述 噴射區(qū)噴射；將電荷注入所述液體；由此，所述液體優(yōu)選在不4吏用機(jī)械泵 或用于加壓所述液體的裝置的情況下由靜電力傳送到所述噴射區(qū)；其中， 對(duì)所述電場(chǎng)強(qiáng)度或充電電流、液體粘度和電極形狀和發(fā)射器形狀進(jìn)行選 擇，使得當(dāng)施加上所述電場(chǎng)或充電電流時(shí)能夠以脈沖方式進(jìn)行靜電噴射。
既可以將正電荷也可以將負(fù)電荷注入所述液體或流體中。
可選地，用于將電荷注入所述液體或流體中的裝置是尖頭導(dǎo)體，諸如 例如金屬針，其具有漸細(xì)的或削尖的尖端。這有助于特別是非導(dǎo)電流體或 液體的電荷注入。
選擇性地，所述尖端可以完全浸入所述液體中。所述尖端也可以位于 所U射器內(nèi)。因此，所述尖端不會(huì)穿出所^iL射器的孔。所^L射器可 以是具有孔或開(kāi)口的空腔或毛細(xì)管。所述尖端也可以位于所述空腔內(nèi)，于 是不會(huì)伸出空腔的孔，即，到達(dá)所述孔洞的前方。這改善了電荷注入，從而改善了脈沖或所噴射液滴的規(guī)整性和可靠性，也可以減少?lài)娚浠蛞旱纹?裂成較小的、更多的不規(guī)則液滴這種情況的發(fā)生。這對(duì)于非導(dǎo)電流體或液 體來(lái)說(shuō)特別重要。
根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供一種靜電噴射設(shè)備，包括用于容納液 體的發(fā)射器，該發(fā)射器具有噴射區(qū)，所述液體可以從所述噴射區(qū)噴射；用 于向所述液體施加時(shí)變電場(chǎng)或充電電流的裝置；其中，當(dāng)所述時(shí)變電場(chǎng)或 充電電流的強(qiáng)度大于閾值強(qiáng)度時(shí)，在施加所述電場(chǎng)或充電電流時(shí)以脈沖形 式產(chǎn)生靜電噴射；以及其中，當(dāng)發(fā)生靜電噴射時(shí)，液體通過(guò)靜電力被拉到 所述噴射區(qū)；以及其中，在使用中，時(shí)變電場(chǎng)或充電電流強(qiáng)度是非零的。
其優(yōu)點(diǎn)是所述靜電噴射設(shè)備提供可靠的噴射液滴脈沖，形成可準(zhǔn)確 控制的噴射液體體積。
優(yōu)選地，所述時(shí)變電場(chǎng)或充電電流的強(qiáng)度可以變動(dòng)，使得在第一時(shí)段 內(nèi)噴射一個(gè)或多個(gè)靜電噴射脈沖，在第二時(shí)段期間噴射一個(gè)或多個(gè)靜電噴 射脈沖；其中，在所述第一時(shí)段內(nèi)的脈沖噴^il率不同于在所述第二時(shí)段 內(nèi)的脈沖噴^bil率。
優(yōu)選地，所述第一時(shí)段的長(zhǎng)^本上與所述第二時(shí)段的長(zhǎng)度相同。
優(yōu)選地，提供用于改變所述電場(chǎng)或充電電流的強(qiáng)度在所述閾值強(qiáng)度以 上的時(shí)間長(zhǎng)度的裝置。
優(yōu)選地，所述電場(chǎng)或充電電流的強(qiáng)度在位于所述閾值強(qiáng)度以上時(shí)基本 上恒定。
根據(jù)本發(fā)明的第四方面，提供一種靜電噴射方法，包括提供用于容 納液體的發(fā)射器，所i^L射器具有噴射區(qū)，所述液體可以從噴射區(qū)噴射； 向發(fā)射器換^供液體；向所述液體施加時(shí)變電場(chǎng)或充電電流；其中，當(dāng)所述 時(shí)變電場(chǎng)或充電電流大于閾值強(qiáng)度時(shí)，所述電場(chǎng)或充電電流強(qiáng)度使脈沖式 靜電噴射發(fā)生；以及其中，當(dāng)發(fā)生靜電噴射時(shí)，液體通過(guò)靜電力被拉到所 述噴射區(qū)；以及其中，在使用中，所述時(shí)變電場(chǎng)或充電電流強(qiáng)JLA非零的。
可選地，所述方法可以用于導(dǎo)電路徑的制造。
有利的是所述時(shí)變電場(chǎng)或充電電流的強(qiáng)度改變，使得在第一時(shí)段期 間噴放一個(gè)或多個(gè)靜電噴射脈沖，在第二時(shí)段期間噴射一個(gè)或多個(gè)靜電噴 射脈沖；其中，在所述第一時(shí)段期間的脈沖噴放速率不同于在所述第二時(shí) 段期間的脈沖噴^tit率。選擇性地，所述方法包括在恒定時(shí)段的周期內(nèi)改變所述電場(chǎng)或充電電 流的強(qiáng)度，強(qiáng)度大于所述閾值的占空比是可變的。
下面將參考附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例，其中
圖l是根據(jù)本發(fā)明第一方面的設(shè)備的示意側(cè)面正視圖2A是根據(jù)本發(fā)明第一方面的在液體的靜電噴射期間拉出的玻璃噴 嘴的側(cè)視圖2B是根據(jù)本發(fā)明第一方面的接收到液體的靜電噴射之后的基底的 平面圖3示出對(duì)于使用本發(fā)明的第一方面的特定注射式電極和噴嘴形狀， 液滴噴放頻率對(duì)施加電壓的依賴(lài)關(guān)系的圖4示出才艮據(jù)本發(fā)明第一方面的在噴射時(shí)利用不同的噴嘴尺寸可以 獲得的液滴噴放頻率范圍的圖5是才艮據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的"^殳備的示意側(cè)面正視圖6A、圖6B和圖6C是根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的設(shè)備的示意側(cè)面正 視圖7是使用根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的設(shè)備所產(chǎn)生的液體的靜電噴射 的圖像；
圖8是根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施例的設(shè)備的示意側(cè)面正視圖9是根據(jù)本發(fā)明第五實(shí)施例的i殳備的示意側(cè)面正視圖IO是根據(jù)本發(fā)明第六實(shí)施例的設(shè)備的示意側(cè)面正視圖ll是根據(jù)本發(fā)明第七實(shí)施例的設(shè)備的示意側(cè)面正視

圖12是根據(jù)本發(fā)明第八實(shí)施例的設(shè)備的示意側(cè)面正視圖13示出一系列噴射液滴，說(shuō)明了對(duì)于同一噴嘴發(fā)射器形狀由所施 加的電場(chǎng)或充電電流的變化引起的發(fā)射液滴體積的變化；
圖14是根據(jù)本發(fā)明第九實(shí)施例的設(shè)備的示意側(cè)面正視圖lb是僅由例子的方式給出的根據(jù)本發(fā)明第十實(shí)施例的示意側(cè)面正 視圖3a和圖3b示出在第一模式中電流(指示靜電噴射的脈沖)相對(duì)時(shí) 間的圖；圖15示出在第一模式中電流(指示靜電噴射的脈沖)相對(duì)時(shí)間的圖16示出在第一模式中電流(指示靜電噴射的脈沖)相對(duì)時(shí)間的圖17示出在第二模式中電流(指示靜電噴射的脈沖)相對(duì)時(shí)間的圖7a、圖7b和圖7c示出在第三模式中電流(指示靜電噴射的脈沖) 相對(duì)時(shí)間的圖18示出具有務(wù)^的電極的本發(fā)明的第十一實(shí)施例；
圖19示出在紙質(zhì)差^底上的液滴沉積的照片；
圖20示出在醋酸纖維基底上的液滴沉積的照片；
圖21示出在^J^底上的液滴沉積的照片。
圖1示出靜電噴射設(shè)備1。發(fā)射管2能夠保持要進(jìn)行靜電噴射的液體 3。管2具有圓形孔洞或開(kāi)口 29，從中能夠噴出液體3。管2用作液體3 的儲(chǔ)液器。液體3是低導(dǎo)電率液體或者基本上非導(dǎo)電的(即，基本上是絕 緣的)液體?？蛇x擇地，液體3也可以是導(dǎo)電的液體。然而，在下面的例 子中討論基本上非導(dǎo)電的液體的使用。
發(fā)射管2能夠保持要進(jìn)行靜電噴射的液體3。管2具有從中能夠噴出 液體3的孔洞或開(kāi)口 29。所述孔洞優(yōu)選是圓形的。管2用作液體3的儲(chǔ) 液器。液體3是低導(dǎo)電率液體或者基本上非導(dǎo)電的(即，基本上是絕緣的) 液體。
所i^本上非導(dǎo)電的液體的導(dǎo)電率優(yōu)選小于10-8S/m,其導(dǎo)電率可以 是小于1(T68/111。液體3可以是一種電介質(zhì)液體。術(shù)語(yǔ)"基本上非導(dǎo)電的 以及絕緣的"應(yīng)該用來(lái)指具有小于10-6 S/m (或者可選擇地小于l(T8 S/m) 的低導(dǎo)電率的液體。
針狀電極4與要噴射的液體3相接觸。針4具有削尖的尖端4a。尖 端4a在所述管中鄰近于開(kāi)口 29。針4與管2的縱軸平行，并且尖端4a 位于開(kāi)口29的中心。針4優(yōu)選由金屬制成。當(dāng)對(duì)針4施加電壓時(shí)，尖端 4a可以將正電荷或負(fù)電荷發(fā)射到液體3中。所述電荷可以是電子(帶負(fù) 電)，也可以通過(guò)捕獲電子來(lái)形成(帶正電)?？梢哉J(rèn)為電荷向液體3中的 注入形成充電電流。
基底電極10被置于距發(fā)射管2的開(kāi)口 29合適的距離處，該距離通常 在1 mm的量級(jí)。基底電極10 A>f 0.5 cm、尺寸為2 cm x 2 cm的固體方 塊，與發(fā)射管2的縱軸對(duì)齊?；纂姌O10接地。能夠提儉艮意極性的電壓的高壓電源5連接到金屬電極4。高壓電源 5能夠向液體提供常壓(即，直流電壓DC)。所提供的電壓可以變?yōu)檫x定 值。
收集器基底9被置于基底電極10的上部。收集器基底9接收來(lái)自發(fā) 射管2的脈沖式靜電噴射的液滴。
由計(jì)算機(jī)控制的高精度平移臺(tái)11支撐收集器基底9和基底電極10， 它能夠垂直于噴射方向移動(dòng)電極10。
可以用預(yù)組裝的單層顆?；蚍肿痈采w所iL^底表面，和/或用預(yù)組裝 的亞單層顆?；蚍肿觟^蓋。所i^底可以是絕緣體、半導(dǎo)體或?qū)w。具 體^兌，所^底可以;1硅'
可以將發(fā)射管2、基底電極10和收集器基底9裝在接地的不銹鋼真 空腔內(nèi)，以允許環(huán)境氣壓變化，具體說(shuō)是減小。
液體3在開(kāi)口 29處具有彎月面，在靜電噴射期間，所述彎月面發(fā)生 振蕩。所述彎月面可以是在開(kāi)口 29下面延伸的錐形形式，如圖1所示。 在冷光源6的照射下，通過(guò)高速電荷耦合器件(CCD )照相機(jī)7，可以觀 察到振蕩的液體彎月面和靜電產(chǎn)生的液滴。
注入流體中的電荷量可以通過(guò)連接到發(fā)射管2的電流監(jiān)視設(shè)備12來(lái) 測(cè)量，從而測(cè)量通過(guò)所述液體的電流。
靜電噴射設(shè)備1是一種非受迫性系統(tǒng)，意思是當(dāng)所述設(shè)備在使用中 時(shí)，在所述孔洞29和所述儲(chǔ)液器之間并無(wú)泵或閥連接。來(lái)自所述儲(chǔ)液器 的液體流只由靜電力引起。所述靜電力由所述流體中的注入電荷來(lái)產(chǎn)生， 并且由于自由電荷，在流體的表面和流體自身內(nèi)部均存在電場(chǎng)。
靜電噴射設(shè)備1被配置為以離散脈沖噴射液體3，對(duì)針4施加電壓期 間噴射一個(gè)或多個(gè)脈沖的液體3。當(dāng)恰當(dāng)配置設(shè)備l時(shí)，所述脈沖噴射自 動(dòng)地發(fā)生，而并不是通過(guò)開(kāi)始和停止施加電壓來(lái)直接產(chǎn)生的。
為了使脈沖式噴射發(fā)生，選取液體粘度、電極和發(fā)射器形狀，使得以 接近最小穩(wěn)定噴射流速的流速來(lái)靜電泵浦所述液體所需要的力不要太大。 也基于液體粘度、電極和發(fā)射器形狀來(lái)選取電場(chǎng)強(qiáng)度或充電電流。所述電 場(chǎng)強(qiáng)度的選取使得在沒(méi)有持續(xù)的電暈放電的情況下以脈沖形式發(fā)生靜電 噴射。對(duì)于特定的發(fā)射管孔徑或流體阻力來(lái)說(shuō)，對(duì)于大液體粘度，所述電 場(chǎng)強(qiáng)度或注入電荷速率可以比較高。對(duì)于低液體粘度，可以使用較低的充 電電流。對(duì)于較小的發(fā)射器孔徑或較大的流體阻力來(lái)說(shuō)，對(duì)于特定粘度，所述電場(chǎng)強(qiáng)度或注入電荷的量應(yīng)該比較大，或者說(shuō)，對(duì)于特定的場(chǎng)強(qiáng)或注 入充電電流，所述粘度應(yīng)該較低。這些關(guān)系適用于所描述的所有實(shí)施例。
在靜電噴射設(shè)備1中可以使用許多不同的液體。室溫導(dǎo)電率的范圍可
以從可忽略到10-6 S/m。也可以使用低導(dǎo)電率的低溫液體，諸如液氮、液 氨、液氫或液氧?？梢允褂玫恼扯确秶鸀閺膌xl(T4到lOOPa.s。
靜電噴射i殳備l可以用作打印機(jī)，以便在芯片或基底上進(jìn)行噴墨或打印。
靜電噴射設(shè)備1的具體優(yōu)點(diǎn)是可以非常準(zhǔn)確地控制液體脈沖的開(kāi)始 和停止。這是因?yàn)?，?dāng)電荷被注入流體3中時(shí)，液體只從毛細(xì)管出口流出， 并從管l中噴放出來(lái)。
可以用許多方式將電荷注入低導(dǎo)電率或絕緣流體中，其中包括但不限 于在高壓下從尖銳的金屬電極注入、從壓電電荷注入設(shè)備或通it^擦起 電機(jī)制注入。可以非常準(zhǔn)確地控制所述電荷注入過(guò)程的開(kāi)始和停止。
這些不同的充電機(jī)制可以用于所描述的任何實(shí)施例。
在施加恒定的(即非脈沖式)充電電流或電場(chǎng)時(shí)，產(chǎn)生噴射流體的離 散脈沖。每個(gè)噴射脈沖中的液體量與所述電場(chǎng)或充電電流的施加時(shí)間無(wú) 關(guān)?？梢越油ɑ驍嚅_(kāi)所述恒定的電場(chǎng)或充電電流以控制所述離散泳沖應(yīng)該 何時(shí)噴放，當(dāng)所述電場(chǎng)或充電電流被接通時(shí)，設(shè)備l噴放一系列靜電噴射 脈沖。所述電場(chǎng)或充電電流的接通或斷開(kāi)自身并不直接引起所述脈沖。所 述設(shè)備的配置4吏得當(dāng)施加恒定的電場(chǎng)或充電電流時(shí)，其處于自動(dòng)產(chǎn)生脈沖 的模式。所述靜電噴射脈沖的形成不依賴(lài)于任何M控制裝置或者電場(chǎng)或 充電電流控制裝置。這提供非常一致而均勻的靜電噴射流體的脈沖，即液 滴。
靜電噴射設(shè)備1還有這樣的優(yōu)點(diǎn)每個(gè)噴射脈沖都以離散的噴射發(fā) 生，每個(gè)噴射包含小且可預(yù)測(cè)的液體體積。如果在所述管和被噴射表面之 間有相對(duì)移動(dòng)，則所^Jl面將接收一系列離散的點(diǎn)，這些點(diǎn)可以彼此相隔。 提供所述一系列點(diǎn)對(duì)打印或其它應(yīng)用可能是有利的。這優(yōu)選通過(guò)被噴射表 面的移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，但也可以通過(guò)所^iL射器的移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
所述靜電噴射設(shè)備可以產(chǎn)生脈沖式電場(chǎng)或充電電流。電場(chǎng)或充電電流 的每個(gè)脈沖可以包含一個(gè)或多個(gè)噴射流體的脈沖。所述靜電噴射脈沖一般 不在所述電場(chǎng)或充電電流脈沖開(kāi)始時(shí)開(kāi)始，一般也不在所述電場(chǎng)或充電電 流脈沖結(jié)束時(shí)結(jié)束。所述噴射脈沖不依賴(lài)于所施加的電場(chǎng)或施加的充電電流的脈沖長(zhǎng)度。所以，由靜電噴射脈沖噴放的體積取決于在所述電場(chǎng)或充 電電流脈沖中所發(fā)生的靜電噴射脈沖的數(shù)目，而不直接與電場(chǎng)或充電電流 脈沖的長(zhǎng)度相關(guān)。這在不影響在噴射脈沖中所噴放的液體的量的情況下允 許所述電場(chǎng)或充電電流脈沖的長(zhǎng)度有偏差。
例如，如果希望重復(fù)噴射的體積等于一個(gè)靜電噴射脈沖的體積，則可
以將所述電場(chǎng)或充電電流以脈沖的形式施加到針4。在施加所述電場(chǎng)或充 電電流時(shí)，所述靜電噴射可以以預(yù)定的頻率以脈沖的形式發(fā)生，但一般不 馬上就開(kāi)始，就是i兌，所述i殳備不會(huì)在所述電場(chǎng)或充電電流一接通時(shí)就自 動(dòng)地進(jìn)行噴射。電場(chǎng)或充電電流的每個(gè)脈沖的接通時(shí)間必須足夠長(zhǎng)，以允 許噴放一個(gè)噴射脈沖，但又必須足夠短，以防止噴放兩個(gè)(或所需數(shù)目的) 靜電噴射脈沖。當(dāng)沒(méi)有施加電場(chǎng)或充電電流時(shí)，可以移動(dòng)電極和/或基底， 以^f更將相繼的噴射脈沖施加到差^底上的不同位置。在減小電場(chǎng)或充電電流 以抑制更多脈沖之前，可以噴射任意數(shù)目的液體脈沖。增加充電電流會(huì)增 加脈沖的頻率，允許進(jìn)一步控制所述液體的沉積。
現(xiàn)在將參考圖1來(lái)描述所述設(shè)備的使用。相同的方法也適用于圖lb 和圖18的設(shè)備。對(duì)所述液體施加電勢(shì)，使得所述液體以脈沖的方式從管 l中噴射出來(lái)，作為噴射8。噴射8撞在基底9上。平移臺(tái)ll垂直于噴射 8的方向移動(dòng)收集器基底9和基底電極10。所述平移臺(tái)可以保持不動(dòng)，以 允許噴射8的一個(gè)或多個(gè)脈沖在同一點(diǎn)處撞在基底9上。
該系統(tǒng)1不具有與發(fā)射管分開(kāi)的儲(chǔ)液器。管2自身存儲(chǔ)著要噴射的液 體3。本實(shí)施例允許通過(guò)由電源5正確地施加電勢(shì)使液體3沉積在基底9 上。
可選擇地，所述液體可以存儲(chǔ)在與所^JL射管相連的儲(chǔ)液器中。
可以改變基底9和發(fā)射器2之間的距離，以使沉積區(qū)更小或更大。依 據(jù)噴射液滴上的電荷水平，所述噴射液滴8在其離開(kāi)發(fā)射器2后可以展開(kāi)， 所以基底9和發(fā)射器1之間的距離越大，所能提供的沉積區(qū)就越大。電極 10和/或收集器基底9優(yōu)選置于平移臺(tái)11上，而平移臺(tái)11可以由計(jì)算機(jī) 來(lái)控制。平移臺(tái)11提供電極10和/或基底9與噴射液滴8之間的相對(duì)移 動(dòng)，從而使噴射液滴8沉積在基底9的選定區(qū)域上。
在參考圖1的示例性設(shè)備中，發(fā)射管2由無(wú)涂層的硅硼酸鹽玻璃毛細(xì) 管制成，其外徑為2mm，內(nèi)徑為0.86111111，并且朝著直徑為42微米的開(kāi) 口 29逐漸變細(xì)。靜電噴射設(shè)備l中作為要噴射的液體3而使用的液體是
18基于充碳黑的油制成的墨水，其導(dǎo)電率約為l(T12S/m，粘度為lOmPa.s。
選擇針4的末端到管2的開(kāi)口 29的適當(dāng)距離，在本例中，使用4 mm 的距離，而管開(kāi)口 29和基底材料9之間的距離通常在1 mm的量級(jí)。所 用的收集器基底9是高質(zhì)量的相紙，其被置于接地的鋼制基底電極10的 上面。
當(dāng)沒(méi)有對(duì)金屬針4或其它電荷注入裝置施加電壓的情況下，從所述毛 細(xì)管中沒(méi)有液體墨水流出。當(dāng)施加到針4 (或其它裝置)的電壓^增加 到900V的電壓時(shí)，墨水滴就以穩(wěn)定的頻率(在幾百赫茲的范圍內(nèi))從所 述毛細(xì)管中噴放出來(lái)。當(dāng)所述電壓增至900V以上時(shí)，從毛細(xì)管出口噴放 液滴的噴放頻率和液流速率增加。當(dāng)所述設(shè)備的所有其它M恒定時(shí)，在 恒定電壓下(即，恒定的電荷注AJl率)，噴射液滴的頻率是恒定的。
通過(guò)使用計(jì)算機(jī)控制的平移臺(tái)11在脈沖噴射8之下以已知的恒定速 度移動(dòng)收集器基底9，可以通過(guò)基底的沉積后成像來(lái)確定液滴噴放的頻 率。
圖2A中示出了從毛細(xì)管出口噴放出的脈沖墨水噴射的示例性圖像。 圖2B中示出了收集器基底9的示例性顯微圖像，其中示出在不同的噴放 頻率下的一系列墨水沉積點(diǎn)的線。使用計(jì)算機(jī)控制的平移臺(tái)ll選擇所述 基底的移動(dòng)5UL為50 mm/s。通過(guò)改變施加到金屬注入電極4的電壓改變 噴放的液體脈沖的頻率。
如圖3的曲線圖中所示，當(dāng)所施加的電壓為4.0 kV時(shí)，所述液滴噴 放頻率從卯0 V時(shí)的約300 Hz增加到80 kHz左右。在900 V到4000 V 的范圍上，噴射脈沖和液滴噴放的頻率連續(xù)地增加，且沒(méi)有觀察到穩(wěn)定的 錐形噴放噴射情況(cone-jet spraying regime )。當(dāng)電壓超過(guò)4.0 kV時(shí)， 開(kāi)始出現(xiàn)放電并伴有周期性的火花。
使用在相紙基底上產(chǎn)生的殘佘點(diǎn)大小與沉積的原始脈沖體積之間的 已知關(guān)系，計(jì)算出在每個(gè)靜電噴射脈沖中所噴放的液體體積在1-3皮升 (picolitre)的量級(jí)。
圖4示出發(fā)射器/噴嘴尺寸的變化對(duì)由所施加的電場(chǎng)的改變所實(shí)現(xiàn)的 液滴噴放頻率的范圍的影響。從圖中可以看到，當(dāng)使用較大發(fā)射器/噴嘴 出口直徑時(shí)，最小和最大液滴噴放頻率通常較低。所述液體是如上所述的 相同的基于充碳黑的油的墨水，包括采用比前述42微米噴嘴更大的噴嘴 進(jìn)行噴射的數(shù)據(jù)。圖5示出圖1中所示本發(fā)明的靜電噴射i殳備的實(shí)施例的變型。圖5中所示的靜電噴射設(shè)備21包括兩個(gè)發(fā)射管13a、 13b，每個(gè)管13a、 13b基本上都與上述管2相同?？蛇x擇地，可以使用任何數(shù)目的發(fā)射器。第一管13a包含要噴射的第一液體15a。第二發(fā)射管13b包含要噴射的第二液體15b。第一尖端電極4b被置于第一發(fā)射管13a內(nèi)，并與管13a的縱軸對(duì)齊。第二尖端電極4c被置于第二管13b內(nèi)，并與第二發(fā)射管13b的縱軸對(duì)齊。電源被連接到第一電極4b。同一電源14或不同的電源被連接到第二電極4c。
靜電噴射設(shè)備21還包括液體15a、 15b可以噴射到上面的基底9a?；?a被安M接地的電極10a上。電極10a可以被連接到每個(gè)電源?？梢詫⒒?a和接地電極10a安^t平移臺(tái)lla上，以便在保持到發(fā)射管13a、 13b的距離恒定的情況下移動(dòng)基底9a。每個(gè)發(fā)射管13a、 13b都具有開(kāi)口，通過(guò)該開(kāi)口能夠噴射液體15a、 15b。第二電源14連接在電極10和浸入金屬電極4B之間。圖5的其余特征參見(jiàn)對(duì)圖1的描述。當(dāng)對(duì)與各自的發(fā)射管13a、 13b中的流體相接觸的第一和/或第二金屬電極施加電勢(shì)時(shí)，從各個(gè)管13a、 13b產(chǎn)生脈沖式靜電噴射。
圖5示出兩個(gè)發(fā)射管，然而，可以一起使用多于兩個(gè)的發(fā)射管?？梢詫⑦@些管排列成二維陣列。
圖6A、圖6B、圖6C示出本發(fā)明的靜電噴射設(shè)備的另一個(gè)實(shí)施例。發(fā)射管18由連接到絕緣儲(chǔ)液器16的毛細(xì)管構(gòu)成，在儲(chǔ)液器16中包含有要噴射的液體。摩擦電荷17被轉(zhuǎn)移到毛細(xì)管18以啟動(dòng)液體的噴射.所述液體噴射的持續(xù)時(shí)間和噴射脈沖的特性取決于注入電荷的量。
要噴射的液體為Dow Corning FS1265珪油。在毛細(xì)管18中提供有開(kāi)口，通過(guò)該開(kāi)口可以進(jìn)行靜電噴射。與圖1的實(shí)施例相反，在毛細(xì)管18中沒(méi)有尖端電極。該整個(gè)系統(tǒng)由絕緣支撐體39托住，在支撐體39的下面是可選擇的絕緣基底22。然后用橡膠部分17通it^擦起電將電荷轉(zhuǎn)移到硅石毛細(xì)管18,如圖6B中所示。 一旦電荷被轉(zhuǎn)移到硅石毛細(xì)管，就會(huì)從所述毛細(xì)管中噴放出錐19和噴射20，如圖6C所示。所述噴射的特性和持續(xù)時(shí)間取決于轉(zhuǎn)移到毛細(xì)管的電荷量，并持續(xù)5秒和30秒之間不等，并且呈現(xiàn)脈沖和連續(xù)的錐形噴射模式噴射二者。例子之一示于圖7中，其中，在所i^5毛細(xì)管的尖端處示出硅油的錐形噴放噴射圖像。
在應(yīng)用摩擦電荷期間或之后噴射液滴的頻率會(huì)變化，因?yàn)樗鲭姾珊纳⒘?。圖8示出本發(fā)明的靜電噴射設(shè)備的其它實(shí)施例，其中，發(fā)射管30為連接到儲(chǔ)液器24的毛細(xì)管的形式，在儲(chǔ)液器24中盛有要噴射的液體。充電電流由壓電型充電設(shè)備26通過(guò)壓電效應(yīng)提供給至少部分地浸入要噴射的流體中的金屬注入電極28。由于壓電生成電荷在針端32處所產(chǎn)生的電場(chǎng)使所述流體流動(dòng)并以流體的脈沖噴射形式從毛細(xì)管30流出。對(duì)電極(counter electrode) 34可以是接收所述流體的差"氛或者可以具有開(kāi)口孔徑以允許從毛細(xì)管流出的流體噴射到周?chē)臍怏w環(huán)境或真空中。
參考圖8，要噴射的液體為Dow Corning FS1265硅油。所述液體被保持在絕緣儲(chǔ)液器24中，所述容器優(yōu)選是非承壓的。連接到儲(chǔ)液器24的是硅石毛細(xì)管30形式的絕緣發(fā)射管。所述毛細(xì)管由絕緣支撐體支持。
具有尖端形狀部分32的電極28伸進(jìn)毛細(xì)管30中，并且至少部分地浸入要噴射的流體中。壓電型充電器(PCD) 26被電氣連接到電極28。在壓電設(shè)備26被激勵(lì)時(shí)，電荷通過(guò)電極28傳遞到流體，產(chǎn)生噴射脈沖35。
本實(shí)施例可以包括具有孔34的電極、通過(guò)孔34噴出的噴射35。當(dāng)由PCD 26傳送到流體的充電電流足夠高時(shí)，能夠從毛細(xì)管30中噴放出穩(wěn)定的流體的錐形噴放噴射。
可選擇地，圖8中示出的結(jié)構(gòu)可以用來(lái)將流體發(fā)送到位于所述孔的與發(fā)射管30相對(duì)的另一側(cè)的基底(圖8中未示出)上。例如，在不要求在紙或其它可以打印的材料的下側(cè)有電極，即，不要求將所述可打印材料放置在發(fā)射管30和電極34之間的情況下，這種結(jié)構(gòu)可以用來(lái)將墨水沉積在紙上或其它可以打印的材料上。
圖9示出基本上如圖1所述的本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例。如圖8中所述的PCD 26用來(lái)4^供電荷。
圖10示出對(duì)圖8中所示的本發(fā)明的靜電噴射^L備的變型，其中，所述電荷注入電極的形式是在容納要噴射液體的毛細(xì)管38的外表面上的金屬涂層40。所述充電電流通過(guò)壓電型充電器26由壓電效應(yīng)傳送到金屬制的注入電極40，而金屬注入電極40至少部分地與要噴射的液體流體相通。由于壓電注入電荷產(chǎn)生的場(chǎng)使所述流體流動(dòng)并以帶電的液體噴射形式排出毛細(xì)管38。收集器基底9和基底電極10可以被置于由計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制的平移臺(tái)11上，以允許所述收集器表面和所述液體噴射之間的相對(duì)移動(dòng)。圖11示出對(duì)圖1或圖5中所示的本發(fā)明的靜電噴射設(shè)備的實(shí)施例的變型。在圖11中，發(fā)射器不是毛細(xì)管的形式，而是由可以限定儲(chǔ)液器以存儲(chǔ)液體46的任何材料42形成。在所述儲(chǔ)液器中形成有口 ，液體可以從該孔中噴射。該實(shí)施例可以通過(guò)微制造技術(shù)來(lái)完成。高壓電源48可以被連接到材料42或位于所述儲(chǔ)液器中的尖頭金屬電極44，以便將電荷注入液體46中。圖ll的實(shí)施例與圖l和圖5以同樣的方式工作。
上述任何實(shí)施例可以具有至少是位于空氣基本上排空的真空腔中的發(fā)射器和基底。
圖12示出本發(fā)明的靜電噴射設(shè)備的另一個(gè)實(shí)施例。發(fā)射管2、液體3、尖端電極4和電源5基本上如圖1或圖5或圖11中所示?；?、接地電極10和平移臺(tái)11也如上所述。
在發(fā)射管2的周?chē)S安裝管50，發(fā)射管50的開(kāi)口環(huán)繞著發(fā)射管2的開(kāi)口。發(fā)射管50容納有第二流體54，使得發(fā)射管2的開(kāi)口處于第二流體54內(nèi)，通過(guò)所^C射管2的開(kāi)口M射管2進(jìn)行靜電噴射。
第二流體54不同于進(jìn)行靜電噴射的流體。第二流體54既可以是液體也可以是氣體，它被盛在容器52內(nèi)。容器52可以是密封的，或連接到流體的儲(chǔ)放器。
第二流體54優(yōu)選不能與要靜電噴射的流體混合，但可以是能部分地與要噴射的流體混合。第二流體54可以是靜止或流動(dòng)的。
第二流體52優(yōu)選不能與要靜電噴射的流體3混合，但可以是能部分與要噴射的流體混合。第二流體52可以是靜止或流動(dòng)的。
穿過(guò)第二流體進(jìn)行噴射允許使所產(chǎn)生的第 一流體的液滴包在第二流體56的涂層或薄膜內(nèi)。這可以允許封裝的流體霧化到氣體、液體或真空環(huán)境中，或者允許封裝的液滴沉積到接M底材料9上。
圖13示出在相似于圖1所示的結(jié)構(gòu)中施加到注入電極的電場(chǎng)的變化所導(dǎo)致的基于充碳黑的油的墨水的噴射液滴的體積的變化。當(dāng)施加到金屬針的電壓增加時(shí)，液滴噴放頻率和每個(gè)液滴的體積兩者在所示的電壓范圍上都增加。
圖14示出本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例。發(fā)射管60盛有要進(jìn)行靜電噴射的第一液體61。管60具有連接到電源68的尖端電極，基本上如圖1所述。發(fā)射管60具有開(kāi)口 65，液體61的靜電噴射脈沖通過(guò)該開(kāi)口 65噴放。開(kāi)口 65位于容器62內(nèi)。容器62容納與所述靜電噴射液體不同的第二流體64。第二流體64既可以是液體，也可以是氣體。容器64可以是密封的，或可以連接到流體的儲(chǔ)放器。
第二流體64優(yōu)選不能與要靜電噴射的流體混合，但可以能部分地與要噴射的流體混合。第二流體64可以是靜止或流動(dòng)的。
基底和接地電極以力或前述平移臺(tái)也可以位于所述容器62內(nèi)。
穿過(guò)第二流體進(jìn)行噴射允許進(jìn)行靜電噴射的液體的液滴可控制地分散在第二流體中。這就允許形成乳狀液，例如油/水乳狀液或納米乳狀液。也能夠用來(lái)形成這樣的顆粒這些顆粒具有包含在第二流體的固化殼內(nèi)的所述靜電噴射液體。另夕卜，揮發(fā)性液體可以在非揮發(fā)性第二流體中進(jìn)行噴射。
所有所述 實(shí)施例配置為在將電荷注入要進(jìn)行噴射的基本上非導(dǎo)電的
或者導(dǎo)電的液體或流體中時(shí)產(chǎn)生靜電噴射脈沖。所述脈沖并不直接由電荷注入的開(kāi)始或終止來(lái)產(chǎn)生，而是屬于所配置的系統(tǒng)的內(nèi)在特性。
圖1B示出本發(fā)明的靜電噴射設(shè)備的另一個(gè)實(shí)施例。該設(shè)備配置為噴射導(dǎo)電液體。
毛細(xì)發(fā)射管70包含要進(jìn)行噴射的液體74。高壓電源79被連接在引出電極(extractor electrode) 78和發(fā)射管70之間。通過(guò)導(dǎo)電配件72可以將電勢(shì)施加到發(fā)射管70的導(dǎo)電表面。高壓電源79提供電極78和發(fā)射管70之間的電勢(shì)差。
引出電極78被保持距發(fā)射器頂端合適的距離處。在電極78的面對(duì)發(fā)射管70的側(cè)表面上可以放置目標(biāo)基底77。
所述基底可以覆蓋預(yù)組裝的單層顆?；蚍肿?，和/或覆蓋預(yù)組裝的亞單層(pre-assembled sub-monolayer)的顆?；蚍肿印Ｋ鵡&底可以是絕緣體、半導(dǎo)體或?qū)w。
在使用中，電勢(shì)由電源79產(chǎn)生，使得液體以脈沖形式從管70中噴射出來(lái)，形成噴射76。噴射76撞在基底77上。由計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制的高準(zhǔn)確度平移臺(tái)80支撐著基底77和電極78，并能垂直于噴射76的方向移動(dòng)電極78。
圖18示出本發(fā)明的靜電噴射設(shè)備的與圖l和圖lb所示的實(shí)施例不同的實(shí)施例的例子。在圖18中，發(fā)射器不是毛細(xì)管的形式，而是由能夠限定儲(chǔ)放器以存儲(chǔ)液體86的任何材料85形成。在所述儲(chǔ)放器中形成有口 ，所述液體可以從該口進(jìn)行靜電噴射。該實(shí)施例可以通過(guò)微制造技術(shù)完成。
在材料85和層89之間夾著一層材料87。材料層87、 89在所述口的周?chē)薅ò几C。材料85、 89優(yōu)選是導(dǎo)電的，或者嵌有導(dǎo)電元件。材料87優(yōu)選是非導(dǎo)電的。
高壓電源79被連接到材料85，并且優(yōu)選也連接到材料89。高壓電源79的配置使得在液體86中產(chǎn)生電場(chǎng)，以產(chǎn)生靜電噴射脈沖，如上所述。這示出集成電極的例子。
為了使用圖1、圖lb或圖18的設(shè)備產(chǎn)生脈沖式噴射，選擇液體粘度、電極和發(fā)射管形狀，使得以接近最小穩(wěn)定噴射流速的流速來(lái)靜電泵浦所述液體所需要的力不要太大。也基于液體粘度、電極和發(fā)射器形狀來(lái)選擇電
場(chǎng)強(qiáng)度或充電電流。選擇所述電場(chǎng)強(qiáng)度，使得在沒(méi)有恒定的電暈放電的情況下以脈沖形式發(fā)生靜電噴射。對(duì)于特定的發(fā)射器孔徑或流體阻力來(lái)說(shuō)，當(dāng)液體粘度較大時(shí)，所述電場(chǎng)強(qiáng)度或注入電荷速度可能比較高。當(dāng)液體粘度較低時(shí)，可以使用較低的充電電流。對(duì)于較小的發(fā)射器孔徑或較大的流體阻力來(lái)說(shuō)，對(duì)于特定的粘度，所述電場(chǎng)強(qiáng)度或注入電荷量應(yīng)該比較大，或者說(shuō)，對(duì)于特定場(chǎng)強(qiáng)或注入充電電流，所述粘度應(yīng)該較低。這些關(guān)系適用于所描述的所有實(shí)施例，特別是既適合于導(dǎo)電液體也適合于非導(dǎo)電液體的靜電噴射。
當(dāng)所述充電電流或電場(chǎng)在產(chǎn)生靜電噴射脈沖的電壓范圍的部分上增加時(shí)發(fā)現(xiàn)每滴中的液體體積也增加。例如，發(fā)現(xiàn)當(dāng)施加電壓在900 V和3000 V之間時(shí)，隨著電壓的增加，液滴體積也增加。因此，增加充電電流或電場(chǎng)既能增加噴放液滴的頻率也能增加每個(gè)液滴中液體的體積。
上面的描述適用于使用基于圖1、圖lb或圖18的設(shè)備進(jìn)行的導(dǎo)電和非導(dǎo)電液體的靜電噴射?；趫D1、圖lb或圖18的設(shè)備可以有多個(gè)發(fā)射器，這些發(fā)射器可以排列成陣列。可以提供獨(dú)立的儲(chǔ)放器，與發(fā)射器流體相通。
所i^C射管可以不是毛細(xì)管的形式，而是由能夠限定儲(chǔ)放器以存儲(chǔ)液體的任何材料形成。在所述儲(chǔ)放器中形成有口 ，所述液體可以從該口中噴射。該實(shí)施例可以通過(guò)微制造技術(shù)完成。高壓電源或用于電荷注入的其它裝置可以被連接到所述材料或位于儲(chǔ)放器中的尖頭金屬電極，從而向所述流體注入電荷。
所噴放的液滴體積由于施加到注入電極的場(chǎng)的變化而變化。施加到金屬針或用于電荷注入的其它裝置的電壓或充電電流增加時(shí)，在發(fā)生靜電噴 射的范圍的部分上，液滴噴放頻率和每個(gè)液滴的體積都增加。每個(gè)液滴的 體積可以先達(dá)到一個(gè)"％值，然后再下降。液滴體積與施加電壓的關(guān)系可以 取決于所述液體和發(fā)射器形狀的性質(zhì)。
使用圖1、圖lb或圖18的設(shè)備能夠準(zhǔn)確地控制靜電噴射脈沖?；蛟S 要求在所述基底上的同一點(diǎn)處沉積一個(gè)液滴或沉積預(yù)定數(shù)目的液滴。所 以，需要控制在停止靜電噴射之前被靜電噴射的液體的體積，以允許所述 平移臺(tái)移動(dòng)。可選擇地，或許需要控制對(duì)移動(dòng)的或靜止的平移臺(tái)進(jìn)行靜電 噴射的速率。
現(xiàn)在將描述兩種主要的靜電噴射控制形式(盡管可以使用其它的形 式)，它們是
1) 改變用來(lái)控制在預(yù)定時(shí)間內(nèi)所噴放的液滴數(shù)目的電壓或充電電 流，如將作為第一和第二模式描述的，以及如圖3a、圖3b、圖14、圖15、 圖16和圖17所示；以及
2) 改變所述電壓或充電電流^^預(yù)定的電壓或充電電流施加時(shí)的時(shí)間 長(zhǎng)度，如將作為第三模式描述的，以及如圖7a到7c所示的。
下面的IMt和^吏用模式可以用于這里所述或示出的任何設(shè)備。所述操 作和使用模式也可以用于噴放這種靜電噴射脈沖的任何設(shè)備。
圖3a和圖3b示出本發(fā)明的第一模式。要進(jìn)行靜電噴射的液體既可以 是導(dǎo)電的也可以是非導(dǎo)電的液體，這對(duì)于所述所有模式來(lái)說(shuō)都成立。所使 用的設(shè)M基于圖1或圖lb的合適的一個(gè)。所述靜電噴射設(shè)備將電壓或 充電電流施加到所述液體。所施加的電壓在兩個(gè)電壓或充電電流之間切 換，優(yōu)選是以5 kHz的速率重復(fù)這個(gè)循環(huán)。所述兩個(gè)電壓中的每個(gè)電壓可 以施加等量的時(shí)間(在這種情形中為0.0001秒)，也可以是，這兩個(gè)電壓 中的一個(gè)電壓可以比另 一個(gè)施加更長(zhǎng)的時(shí)間段。
在時(shí)段110期間施加第一電壓。選擇第一電壓在噴放靜電噴射脈沖的 最小閾值之下。因此，在第一時(shí)段110期間沒(méi)有脈沖噴放。示范性電壓為 350 V。
在第二時(shí)段112中，將施加的電壓切換為較高的電壓。在整個(gè)第二時(shí) 段112中，較高的第二電壓是恒定的，并使以恒定的頻率從所述設(shè)備中噴 放6個(gè)靜電噴射液滴。示例性第二電壓為400V。然后，將電壓切換回第 一電壓，并且重復(fù)該循環(huán)。在第一時(shí)段和第二時(shí)段中的所述電壓或充電電流優(yōu)i^i^上都是恒定的，施加以形成方波，或者可選擇地形成鋸齒波或 三角波或正弦波。
圖3b示出第一時(shí)段110和第二時(shí)段112的放大圖。靜電噴射脈沖由 峰114來(lái)指示。注意所示的飽和方形關(guān)斷正電流和負(fù)電流不表示被噴放 的靜電噴射脈沖，而只是由施加電壓的變化所引起的。時(shí)段IIO、 112的 長(zhǎng)JLA不同的，具體說(shuō)，"開(kāi)/脈沖噴放"時(shí)段112的長(zhǎng)度比"關(guān)斷"時(shí)段 110長(zhǎng)?？蛇x擇地，時(shí)段IIO、 U2的長(zhǎng)度可以是相同的。
圖15示出本發(fā)明的第一方面的變化。所施加的電壓以5 kHz的頻率 在第一電壓和第二電壓之間循環(huán)。在時(shí)段120期間施加第一電壓。所述第 一電壓的選取使得不噴放靜電噴射脈沖。在第二時(shí)段122中施加第二電 壓。圖3示出電壓的選取如何影響所噴放的液滴的頻率。所述第二電壓的 選取使得在該時(shí)段122期間噴放一個(gè)靜電噴射脈沖124。然后，可以重復(fù) 該循環(huán)，在所述第一和第二電壓之間交替變化。
圖16示出如上所述的在兩個(gè)電壓之間的切換。在第一時(shí)段130中， 施加第一電壓，這導(dǎo)致沒(méi)有靜電噴射液滴被噴放出來(lái)。在第二時(shí)段132 中，施加第二電壓。第二電壓的選取使得靜電噴射以某個(gè)頻率發(fā)生，導(dǎo)致 在時(shí)段132期間噴放3個(gè)靜電噴射液滴134。
當(dāng)不噴滋:靜電噴射時(shí)，將所述電場(chǎng)或充電電流減小到非零的強(qiáng)度。當(dāng) 從噴放靜電噴射的時(shí)段移動(dòng)到不噴放靜電噴射的時(shí)段時(shí)，可以將電壓下降 小于100V，優(yōu)選在20到50V之間。可選擇地，當(dāng)不噴放靜電噴射時(shí)， 所述電場(chǎng)或充電電流可以基本上為零。
通過(guò)產(chǎn)生直流(或者恒定的)電場(chǎng)或充電電流分量，可以在所有的實(shí) 施例中產(chǎn)生時(shí)變的電場(chǎng)或充電電流。也產(chǎn)生通常較小的時(shí)變分量，并將其 疊加在所述恒定分量上。
已經(jīng)將所述時(shí)變電場(chǎng)或充電電流描述為方波，其中，所述電場(chǎng)或充電 電流的強(qiáng)度在兩個(gè)值之間交替變化。所述交替變化的兩個(gè)值優(yōu)選都是非零 的，即使在其中之一上不噴放靜電噴射。任何實(shí)施例的波形都可以交替地 不規(guī)則，或者甚至在部分波形上也不是恒定的。具體說(shuō)，所述波形可以是 正弦波、鋸齒波或三角波形式。
圖17示出本發(fā)明的第二方面。在第一時(shí)段140期間，對(duì)所述液體施 加恒定的第一電壓。所述第一電壓的選擇使得液滴以這樣的頻率進(jìn)行噴 放在該頻率下，在第一時(shí)段140中噴放2個(gè)液滴。所述設(shè)備切換到第二電壓，該電壓在第二時(shí)段142期間施加。所述第二電壓選#^得較高，使得 在第二時(shí)段142期間噴放6個(gè)靜電噴射脈沖。所述設(shè)備以5 kHz的頻率在 第一和第二電壓之間循環(huán)。第一和第二時(shí)段的長(zhǎng)度相等，均為0.0001秒。 通過(guò)在噴放2個(gè)靜電噴射脈沖的第三時(shí)段148期間重復(fù)第一電壓，所述循 環(huán)得以繼續(xù)。所以，取決于所施加的電壓或充電電流的所述脈沖噴放頻率 在第一和第二時(shí)段中是不同的。
如上所述的第一和第二時(shí)段示出為具有相同的時(shí)長(zhǎng)?？蛇x擇地，第一 和第二時(shí)段的時(shí)長(zhǎng)可以不同。每個(gè)時(shí)段的電壓以及其所施加的時(shí)長(zhǎng)可以自 由地變動(dòng)，從而以要求的頻率噴放所要求的液體體積，或者具有預(yù)定的不 噴射時(shí)段。
所述設(shè)備可以在兩個(gè)、三個(gè)或更多個(gè)時(shí)段間循環(huán)，每個(gè)時(shí)段具有不同 的施加電壓。
圖7a、圖7b和圖7c示出^^發(fā)明的第三方面，該方面提供了不同于 所述第一和第二方面的另一種控制手段。在第三方面中，施加到所述液體 的電壓的開(kāi)時(shí)間可以變化。施加恒定的電壓以便噴放靜電噴射脈沖。所述 電壓或充電電流施加選定的時(shí)長(zhǎng)，以允許噴放了所需數(shù)目的脈沖。然后減 小所述電壓，使得不再進(jìn)一步噴放靜電噴射脈沖。然后可以再次接通所述 電壓，并重復(fù)所述循環(huán)。
可以將所述電壓減小到',在不噴放靜電噴射的最小閾值之下，或者 可以減小到零。當(dāng)不噴放靜電噴射時(shí)，優(yōu)選將所述電場(chǎng)或充電電流減小到 非零的強(qiáng)度?？梢詫⑺鲭妷航档托∮?00V，優(yōu)選在20到50V之間。
圖7a示出在時(shí)段150中被接通的電壓。時(shí)段150的選擇使得只有供 一個(gè)脈沖151噴放的時(shí)間。然后，在所述循環(huán)的余下時(shí)間中減小所述電壓， 使得不再?lài)妬y泳沖。
圖7b示出在時(shí)段152中被接通的電壓。時(shí)段152足以允許噴放三個(gè) 脈沖153。
圖7c示出在時(shí)段154中被接通的電壓。時(shí)段154足以允許噴放14個(gè) 液滴155。
在這個(gè)方面，所述電壓依據(jù)靜電噴射的使用來(lái)選擇，從而給出供應(yīng)用 的合理的噴射速率，這可以得到準(zhǔn)確的控制。
所述設(shè)備可以在一個(gè)周期中以第三模式操作中。所述周期可以具有一 個(gè)恒定時(shí)段，該時(shí)段可以被選取得長(zhǎng)于要進(jìn)行靜電噴射的預(yù)期的最長(zhǎng)時(shí)長(zhǎng)。當(dāng)所述電場(chǎng)或充電電流強(qiáng)度在閾值強(qiáng)度大小之上時(shí)，將出現(xiàn)靜電噴射 脈沖。所述電場(chǎng)或充電電流強(qiáng)度在閾值強(qiáng)度之上的時(shí)長(zhǎng)可以變化。波形的 占空比為該波形處于"高"或"開(kāi)"時(shí)所占周期的比例，所以，波形的占 空比將依據(jù)與無(wú)靜電噴射發(fā)生相比靜電噴射發(fā)生的時(shí)間長(zhǎng)度而變化。
用于在恒定時(shí)段周期中改變所述電場(chǎng)或充電電流強(qiáng)度的手段可以提 供可變的占空比。
所述設(shè)備可以工作在這樣的模式中其中，電壓和該電壓所施加的時(shí) 長(zhǎng)均可以變化，以便控制靜電噴射液滴的噴放。
所述任何特性均可以與所述任何其它特性相結(jié)合。根據(jù)上述實(shí)施例所 述的靜電噴射有許多用途。下面將描述一些可能的用途、以及如何為這些 用途優(yōu)化所述靜電噴射。這些用途以及使用方法適用于所有的實(shí)施例。
導(dǎo)電軌
電子電路依賴(lài)于對(duì)各部件進(jìn)行電鏈接的導(dǎo)電軌的制造。作為直接寫(xiě)過(guò) 程的例子，本發(fā)明可以用作打印機(jī)。所噴射的液體可以是金納米顆粒的懸 浮液，或者可以是基于硝酸銀的導(dǎo)電墨水?？蛇x擇地，可以使用金屬有機(jī) 分解墨水，例如包括溶解在甲苯中的新癸酸銀(silver neodecanoate )。所 U底可以是硅、醋酸纖維(acetate )、玻璃、塑料、紙張或其它材料。 這種導(dǎo)電墨水可以具有10 cP左右的粘度。本設(shè)M選使用的噴嘴直徑為 10到50微米。其它屏幕可打印墨水的粘度大于100 cP，在本方法中使用 這種墨水時(shí)，噴嘴直徑大于100微米。
塑料電子學(xué)
使用電子學(xué)塑料基底允許在柔性塑料基底上制造電子電路。塑料基底 呈現(xiàn)的問(wèn)題是其表面粗糙并且熔點(diǎn)低。這些問(wèn)題可以通過(guò)溶液處理來(lái)克 服，要求在合適的溫度下以溶液形式將材料打印在塑料上。這種技術(shù)可能 能夠打印該應(yīng)用期望的材料。可以如上所ii4塑料基底上打印導(dǎo)電軌。
發(fā)光聚合物(例如，PEDOT-Polv(3,4-ethvIenedioxythiophene))和導(dǎo) 電聚合物
這些材料可以混合在水或電介質(zhì)液體中?？梢砸罁?jù)要進(jìn)行靜電噴射的 液體的導(dǎo)電性(即，其可被認(rèn)為是導(dǎo)電的還是非導(dǎo)電的)使用上述合適的 設(shè)備。所述噴嘴直徑可以選擇得適合所要求的特征的大小和溶液粘度。特 征大小較小并且粘度相似于水時(shí)，噴嘴直徑可以為5或10微米。顯示屏
所述設(shè)備可以用來(lái)打印薄膜晶體管(TFT)屏幕。所用基底可以是玻 璃，且可以靜電噴射導(dǎo)電液體?？梢允褂眉呻姌O，如圖18中所示。
屏幕的制造可以利用在無(wú)掩膜光刻、導(dǎo)電路徑或塑料電子學(xué)中所描述 的任何特征。
組織工程
所述i殳備和方法可以用于組織工程的目的，例如，通it^水溶液中噴 射蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)的范圍可以從簡(jiǎn)單的氨基酸到大的非共價(jià)鍵的大分子 (諸如蛋白體)。蛋白質(zhì)的質(zhì)量可以高達(dá)lMda左右，這也允許將一些病
毒進(jìn)行靜電噴射。可以使用水作為溶劑，因?yàn)?:ior合適的粘度?？梢允褂?br> 寬范圍的噴嘴直徑，所用噴嘴直徑優(yōu)選為10到30微米。
所4底可以是由生物可降解的聚合物(例如，PLGA)制成的臺(tái)架， 刻度約為IO微米。所述設(shè)備可以使用集成電極。被噴射的蛋白質(zhì)可以是 功能蛋白質(zhì)，諸如纖粘蛋白、清蛋白或膠原質(zhì)(collagen )。這樣就允許在 所述臺(tái)架上在^U5UC度上來(lái)控制細(xì)胞生長(zhǎng)和移植。
本設(shè)備可以用來(lái)產(chǎn)生油脂雙層(lipid bilayers)，或蛋白質(zhì)的臺(tái)架。所 述設(shè)備可以用于液體的準(zhǔn)確分配，例如，用于藥物研制的目的。
霧化器(nebuliser)
本設(shè)備可以用來(lái)替代霧化器，例如將液體藥物或含有生物活性制劑的 液體汽化，以在0.4到6微米的優(yōu)選區(qū)域中產(chǎn)生液滴。然后就可以由用戶(hù) ^1^所述汽化的霧狀液體。
經(jīng)過(guò)皮膚的注入
本i殳備可以用來(lái)將液體藥物或^^有生物活性制劑的液體汽化。然后可 以局部地或透過(guò)皮膚對(duì)用戶(hù)施用該汽化物。
分配
該設(shè)備可以與質(zhì)*^聯(lián)合使用。本設(shè)備適合于將非常少量的分子分配 到例如質(zhì)脊(5C中。所M底可以是玻璃或塑料。該設(shè)備可以配置為將飛升 (femtolitre)體積分配到高皮升體積的水溶液。該溶液可以包含要測(cè)試 的分子。
本設(shè)備和方法可以用于將被分析物噴射到芯片上的實(shí)驗(yàn)室中。本設(shè)備可以用于快速成形(rapidprototyping),或用于產(chǎn)生生物微陣列。本方法 也可以用到微吸液管溶液，或產(chǎn)生微陣列.
本發(fā)明的設(shè)備可以用于將蛋白質(zhì)或其它被分析物靜電噴射到生物傳 感器上。
無(wú)掩膜光刻
本發(fā)明的設(shè)備可以用來(lái)將圖案轉(zhuǎn)印到表面上。光刻中使用刻蝕掩膜， 該掩膜通常由稱(chēng)作光致抗蝕劑的聚合物制成，在該掩膜上通過(guò)曝光產(chǎn)生圖 案。
本發(fā)明能夠通過(guò)直接將蝕刻抗蝕劑材料打印到期望圖案中的所述表 面上，或者通過(guò)將蝕刻劑或抗蝕顯影液打印到所i^面上以從不需要的地 方去除所述抗蝕劑或不想要的有用薄膜來(lái)產(chǎn)生蝕刻掩膜。
打印抗蝕劑材料可以使用聚合物或蠟作為要進(jìn)行靜電噴射的液體。這 種液體很可能是介電的(即，不導(dǎo)電的)，所以可以使用基于圖1的設(shè)備。 可以使用直徑大于100微米的噴嘴。所U底優(yōu)選是硅，或者也可以是任 何其它材料。蝕刻劑或顯影液可以是低粘度的有機(jī)溶劑。
超材料
超材料是具有周期結(jié)構(gòu)或蜂巢結(jié)構(gòu)的Ait材料,通常被稱(chēng)作"超晶格" 或"光子晶體"。所述單元的周期必須和與其相互作用的光的波長(zhǎng)相當(dāng)。 對(duì)于可見(jiàn)光來(lái)說(shuō)，要求波長(zhǎng)小于一微米。本發(fā)明中的技術(shù)能夠在該XJL上 進(jìn)行打印。
光學(xué)器件
光學(xué)器件可以用具有微米M特征的聚合物來(lái)制造。可以利用上述光 刻材料的沉積和刻蝕過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)和反射鏡裝置的微制造。要進(jìn)行靜電 噴射的液體優(yōu)選是聚合物，要噴射到的基底為硅或玻璃。
本發(fā)明所述的設(shè)備可以用來(lái)制造光學(xué)器件，諸如光柵或全息圖。本發(fā) 明所述的設(shè)備可以用來(lái)制造包含有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)的屏幕或用于 制造Liquavista (RTM)屏。
本設(shè)備也可以用于制造傳感器，或利用墨水或任何其它液體作為要進(jìn) 行噴射的液體來(lái)打印圖像。本發(fā)明可以用來(lái)制造圖形以安置粘合劑或制造 電子部件。所述靜電噴射設(shè)備可以用作打印機(jī)，以便將墨水噴射到芯片或 基底上。所述用途和應(yīng)用適用于本質(zhì)上要利用脈沖式靜電噴射的任何設(shè)備或
方法，不限于這里所描述的示范性i殳備或^Mt方法。例如，當(dāng)所述電場(chǎng)或 充電電流大小減小到零(或某個(gè)非零值)以便終止靜電噴射時(shí)，可以使用 所述用途和應(yīng)用。
本發(fā)明所述的設(shè)備和方法可以用來(lái)在基底上的一個(gè)點(diǎn)處噴射多個(gè)液
滴，然后在所^&底和所iiic射管之間提供相對(duì)移動(dòng)以^更在所i^底上的 另一個(gè)點(diǎn)處繼續(xù)進(jìn)行噴射。通過(guò)將所述電場(chǎng)大小減小到閾值水平之下，可 以在所iM目對(duì)移動(dòng)發(fā)生的時(shí)候終止靜電噴射。所述設(shè)備和方法也可以用來(lái) 在所述基底上的任何點(diǎn)處只噴射一個(gè)液滴，這一點(diǎn)可以這樣來(lái)實(shí)現(xiàn)，即， 連續(xù)AM目對(duì)移動(dòng)所述J^底，或者一次只噴放一個(gè)液滴，然后通過(guò)將電場(chǎng)大 小減小到閾值水平之下來(lái)終止靜電噴射，同時(shí)移動(dòng)所M底。
技術(shù)人員會(huì)明白，上述實(shí)施例的細(xì)節(jié)可以變動(dòng)而不偏離由附屬權(quán)利要 求書(shū)所定義的;^發(fā)明的范圍。
例如，所述基底可以是紙張、硅、半導(dǎo)體、絕緣體、導(dǎo)體、卡、食物、
包裹、塑料以及皮膚。圖19-圖21用照片示出在各種示范性基底上的液滴
沉積的結(jié)果。這些圖指示出用來(lái)產(chǎn)生各種結(jié)果(包括液滴體積和頻率)的 參數(shù)(電壓、毛細(xì)管直徑)。
對(duì)于圖8所示的實(shí)施例，當(dāng)要求在發(fā)射管處為凈零壓時(shí)，儲(chǔ)液器24 內(nèi)的液體的自由面可以與例如所述毛細(xì)管的出口平面處于同一水平。
上面所孩:供的這些例子示出由平移臺(tái)所移動(dòng)的基底。另一方面，所述 打印頭可以移動(dòng)而所U底固定。
至少是當(dāng)使用非導(dǎo)電液體時(shí)，所述電壓可以基本上不依賴(lài)于噴嘴或發(fā) 射管出口的直徑。
所述噴放頻率(具體^兌所述最大噴放頻率)可以依賴(lài)于噴嘴或發(fā)射管 出口的直徑。所以，可以通過(guò)改變此直徑來(lái)改變這個(gè)參數(shù)。圖19-圖21 提供了這種依賴(lài)性的例子。
對(duì)于技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，對(duì)上述實(shí)施例的特征進(jìn)行許多組合、修正或改變 是很容易做到的，這些組合、4務(wù)正或改變應(yīng)該構(gòu)成本發(fā)明的一部分。
權(quán)利要求
1.一種靜電噴射設(shè)備，用于以脈沖方式分發(fā)受控體積的基本上非導(dǎo)電的液體，所述設(shè)備包括發(fā)射器，具有噴射區(qū)，所述液體能夠從所述噴射區(qū)噴射，用于將電荷注入所述液體中的裝置，由此，在使用中，當(dāng)注入所述電荷時(shí)，所述液體由靜電力傳送到所述噴射區(qū)，并且靜電噴射以一個(gè)或多個(gè)脈沖的方式發(fā)生。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的靜電噴射設(shè)備，其中，所iOL射器包括用 于接收液體的空腔，且所述噴射區(qū)是與所述空腔流體相通的孔。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的靜電噴射設(shè)備，其中，所iOL射器是管子。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的靜電噴射設(shè)備，其中，所^L射器是具有 凸起點(diǎn)的表面，且所述噴射區(qū)位于所述凸起點(diǎn)的一個(gè)或多個(gè)上。
5. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一個(gè)所述的靜電噴射設(shè)備，其中，所述 用于注入電荷的裝置包括電極和連接到所述電極的電壓源，所述電極具有 與所述要噴射的液體相M的尖端部分。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的靜電噴射設(shè)備，其中，所述電極的尖端部 分基本上浸入所4吏用的液體內(nèi)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的靜電噴射設(shè)備，其中，所述電極的尖 端部分位于所U射器內(nèi)。
8. 根據(jù)從屬于權(quán)利要求2或3的權(quán)利要求7所述的靜電噴射設(shè)備， 其中，所述電極朝著所述孔延伸。
9. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的靜電噴射設(shè)備，其中，所述電壓源為壓電 充電器。
10. 根據(jù)權(quán)利要求5到9中任一個(gè)所述的靜電噴射設(shè)備，其中，所述 設(shè)備被配置為使得當(dāng)電荷注AJl率恒定時(shí)，以恒定頻率產(chǎn)生所述靜電噴射 脈沖。
11. 根據(jù)權(quán)利要求5到9中任一個(gè)所述的靜電噴射設(shè)備，其中，所述 電極與所述噴射區(qū)間隔開(kāi)并對(duì)齊。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1到4中任一個(gè)所述的靜電噴射設(shè)備，其中，所述 用于注入電子的裝置是能夠通過(guò)摩擦帶電并與所itiL射器相接觸的材料。
13. 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的靜電噴射設(shè)備，還包括用于容納液體 的儲(chǔ)液器，所述儲(chǔ)液器經(jīng)由通道連接到所述空腔。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的靜電噴射設(shè)備，其中，由測(cè)流裝置監(jiān)視 從所述儲(chǔ)液器到所itiL射器的液體流，所述裝置優(yōu)選測(cè)量一對(duì)間隔開(kāi)的壓 力傳感器之間的壓力差。
15. 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的靜電噴射設(shè)備，其中，所述孔的直徑 在0.1和1000 #>^之間。
16. 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的靜電噴射設(shè)備，其中，所述孔的直徑 在0.1和50微米之間。
17. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一個(gè)所述的靜電噴射設(shè)備，其中，與所述 噴射區(qū)相間隔開(kāi)地提供基底，使得所述噴射的液體沉積在所述基底的表面 上，由此在其上形成特征。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的靜電噴射設(shè)備，其中，所U底是硅。
19. 根據(jù)權(quán)利要求17或18所述的靜電噴射設(shè)備，包括用于提供所述 基底和所述噴射區(qū)之間的相對(duì)移動(dòng)的裝置。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的靜電噴射設(shè)備，其中，所n底和所述 噴射區(qū)之間的距離能夠變化，使得在所i^底上形成的特征的大小可以變 化。
21. 根據(jù)權(quán)利要求19或20所述的靜電噴射設(shè)備，其中，所U底和 所述噴射區(qū)之間的相對(duì)移動(dòng)在平行于所M底平面的平面內(nèi)。
22. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的靜電噴射設(shè)備，其中，所U底覆蓋有 預(yù)組裝的單層顆?；蚍肿樱?或所述基底覆蓋有預(yù)組裝的亞單層的顆粒 或分子。
23. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的靜電噴射設(shè)備，其中，所U底為絕緣 體、或半導(dǎo)體或?qū)w。
24. 根據(jù)權(quán)利要求16到22中任一個(gè)所述的靜電噴射設(shè)備，其中，所 述液體包含能夠改變所述基底的潤(rùn)濕性質(zhì)的表面改性材料。
25. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的靜電噴射設(shè)備，其中，所M底表面是多孔的或非多孔的.
26. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一個(gè)所述的靜電噴射設(shè)備，其中，由單個(gè) 脈沖噴出的液體的體積是在0.1飛升和1飛升之間，或是在1飛升和1皮 升之間，或是在1皮升和100皮升之間，或是在100皮升和10納升之間， 或是在10納升和1微升之間。
27. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一個(gè)所述的靜電噴射設(shè)備，其中，由多個(gè) 脈沖的相繼噴射沉積的液體的總體積是在0.1飛升和0.1皮升之間，或是 在0.1皮升和1納升之間，或是在1納升和1微升之間。
28. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一個(gè)所述的靜電噴射設(shè)備，其中，所述噴 射發(fā)生的頻率在lkHz和10kHz之間，或在1Hz和100Hz之間，或在10kHz 和100kHz之間，或在100Hz和1000Hz之間，或在100kHz和lMHz之 間。
29. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一個(gè)所述的靜電噴射設(shè)備，其中，所述設(shè) 備被配置為進(jìn)行打印。
30. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一個(gè)所述的靜電噴射設(shè)備，其中，所述設(shè) 4^被配置為1吏用墨水作為要噴射的液體。
31. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一個(gè)所述的靜電噴射設(shè)備，其中，所述設(shè) 備被配置為使用導(dǎo)電率小于l(T6 s/m、優(yōu)選是小于10-8 s/m的液體。
32. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一個(gè)所述的靜電噴射設(shè)備，其中，所述噴 射區(qū)位于與要進(jìn)行靜電噴射的液體不混溶或部分混溶的笫二流體內(nèi)。
33. 根據(jù)權(quán)利要求27所述的靜電噴射設(shè)備，其中，所述第二流體是 靜止的或是流動(dòng)相的。
34. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一個(gè)所述的靜電噴射設(shè)備，其中，所述噴 射區(qū)位于殼體內(nèi)，所述殼體包^何氣體環(huán)境，所述氣體環(huán)境包括但不限 于空氣、提高壓力的氣體、真空、二氧化碳、氬氣或氮?dú)狻?br> 35. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一個(gè)所述的靜電噴射設(shè)備，包括多個(gè)發(fā)射 器，每個(gè)發(fā)射器具有用于向所述噴射區(qū)附近的液體施加電場(chǎng)或充電電流的 裝置。
36. 根據(jù)權(quán)利要求33所述的靜電噴射設(shè)備，其中，所U射器排列 成陣列。
37. 根據(jù)權(quán)利要求33或34所述的靜電噴射設(shè)備，其中，所述用于施加電場(chǎng)或充電電流的裝置能夠來(lái)獨(dú)立地控制每個(gè)噴射區(qū)處的電場(chǎng)或充電 電流。
38. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一個(gè)所述的靜電噴射設(shè)備，還包括連接到 所述用于施加電場(chǎng)或充電電流的裝置的快速開(kāi)關(guān)，4吏得利用所述快速開(kāi)關(guān) 斷開(kāi)或接通電壓或充電電流，以精確地控制所述靜電噴射設(shè)備噴射液體的 時(shí)間。
39. 根據(jù)前a利要求中任一個(gè)所述的靜電噴射設(shè)備，其中，在使用 中，所述液體是不受壓力的。
40. 根據(jù)前a利要求中任一個(gè)所述的靜電噴射設(shè)備，其中，所述設(shè) 備不包括機(jī)械泵或用于對(duì)液體施壓的任何其它裝置。
41. 一種靜電噴射方法，包括提供發(fā)射器，用于容納基本上非導(dǎo)電的液體，所^JC射器具有噴射區(qū)， 所述液體能夠從所述噴射區(qū)噴射，將電荷注入所述液體中；由此，所U本上非導(dǎo)電的液體由靜電力傳送到所述噴射區(qū)，并且其中，對(duì)所述電場(chǎng)強(qiáng)度或充電電流、液體粘度和電極形狀和發(fā)射器形 狀進(jìn)行選擇，使得當(dāng)施加所述電場(chǎng)或充電電流時(shí)以脈沖方式進(jìn)行靜電噴 射。
42. 根據(jù)權(quán)利要求41所述的靜電噴射方法，其中，所U射器包括 用于容納液體的空腔，并且所述噴射區(qū)是與所述空腔流體相通的孔。
43. 根據(jù)權(quán)利要求42所述的靜電噴射方法，其中，所iOL射器是管子。
44. 根據(jù)權(quán)利要求41所述的靜電噴射方法，其中，所U射器是具 有凸起點(diǎn)的表面，而所述噴射區(qū)位于所述凸起點(diǎn)的一個(gè)或多個(gè)上。
45. 根據(jù)權(quán)利要求41到44中任一個(gè)所述的靜電噴射方法，其中，提 供多個(gè)發(fā)射器，并且獨(dú)立地控制施加到每個(gè)發(fā)射器的電場(chǎng)或充電電流。
46. 根據(jù)權(quán)利要求41到45中任一個(gè)所述的靜電噴射方法，其中，與 所述噴射區(qū)相間隔開(kāi)地提供基底，所述基底接收所噴射的液體，從而在所 g底上形成特征。
47. 根據(jù)權(quán)利要求46所述的靜電噴射方法，其中，所述液體包含能夠改變所述基底的潤(rùn)濕性質(zhì)的表面改性材料。
48. 根據(jù)權(quán)利要求41所述的靜電噴射方法，其中，當(dāng)在所4底上 形成所述特征之后，流體從所述特征蒸發(fā)，以允許所述表面改性材料改變 所述特征位置處的所i^底表面的潤(rùn)濕性質(zhì)。
49. 根據(jù)權(quán)利要求46到48中任一個(gè)所述的靜電噴射方法，其中，在 平行于所述基底平面的平面內(nèi)存在所述基底和所述噴射區(qū)之間的相對(duì)移 動(dòng)。
50. 根據(jù)權(quán)利要求36到49中任一個(gè)所述的靜電噴射方法，其中，在改變的相對(duì)移動(dòng)。
51. 根據(jù)權(quán)利要求41到50中任一個(gè)所述的靜電噴射方法，其中，所 述方法包括通過(guò)噴射墨水來(lái)進(jìn)行打印。
52. 根據(jù)權(quán)利要求41到51中任一個(gè)所述的靜電噴射方法，其中，由 電源、壓電型充電器或摩^^電裝置注入所述電荷。
53. 根據(jù)權(quán)利要求41到52中任一個(gè)所述的靜電噴射方法，其中，所 述液體的導(dǎo)電率小于l(T6 s/m、優(yōu)選小于l(T8 s/m。
54. 根據(jù)權(quán)利要求41到53中任一個(gè)所述的靜電噴射方法，其中，所 述靜電噴射脈沖以恒定的頻率進(jìn)行噴射。
55. 根據(jù)權(quán)利要求36到54中任一個(gè)所述的靜電噴射方法，其中，所 述液體是不受壓力的。
56. —種靜電噴射設(shè)備，包括用于容納液體的發(fā)射器，所U射器具有噴射區(qū)，所述液體能夠從所 述噴射區(qū)噴射；用于向所述液體施加時(shí)變電場(chǎng)或充電電流的裝置；其中，當(dāng)所述時(shí)變電場(chǎng)或充電電流的強(qiáng)度大于閾值強(qiáng)度時(shí)，在施加所 述電場(chǎng)或充電電流時(shí)發(fā)生脈沖式靜電噴射；以及其中，當(dāng)發(fā)生靜電噴射時(shí)，液體被靜電力拉到所述噴射區(qū)；以及其中，在4吏用中，所述時(shí)變電場(chǎng)或充電電流強(qiáng)度是非零的。
57. 根據(jù)權(quán)利要求56所述的靜電噴射設(shè)備，其中，所述時(shí)變電場(chǎng)或 充電電流的強(qiáng)度能夠改變，使得在第 一時(shí)段期間噴放一個(gè)或多個(gè)靜電噴射脈沖，而在第二時(shí)段期間不噴放靜電噴射。
58. 根據(jù)權(quán)利要求56所述的靜電噴射設(shè)備，其中，所述時(shí)變電場(chǎng)或 充電電流的強(qiáng)度能夠改變，使得在第一時(shí)段期間噴放一個(gè)或多個(gè)靜電噴射 脈沖，在第二時(shí)段期間噴放一個(gè)或多個(gè)靜電噴射脈沖；其中，在所述第一時(shí)段內(nèi)的脈沖噴^tit率不同于在所述第二時(shí)段內(nèi)的 脈沖噴;^il率。
59. 根據(jù)權(quán)利要求2或58所述的靜電噴射設(shè)備，其中，所述第一時(shí) 段的長(zhǎng)U本上與所述第二時(shí)段的長(zhǎng)度相同。
60. 根據(jù)權(quán)利要求56到59中任一個(gè)所述的靜電噴射設(shè)備，其中，所 述時(shí)變電場(chǎng)或充電電流的波形為方波、正弦波、鋸齒波或三角波的形式。
61. 根據(jù)權(quán)利要求56到60中任一個(gè)所述的靜電噴射設(shè)備，其中，所 施加的電場(chǎng)或充電電it^周期內(nèi)工作。
62. 根據(jù)權(quán)利要求56到61中任一個(gè)所述的靜電噴射設(shè)備，其中，用 于向所述液體施加時(shí)變電場(chǎng)或充電電流的裝置包括用于產(chǎn)生恒定的偏置電場(chǎng)或充電電流分量的裝置；用于產(chǎn)生時(shí)變分量的裝置；以及用于結(jié)合所述恒定分量和時(shí)變分量的裝置。
63. 根據(jù)權(quán)利要求56到62中任一個(gè)所述的靜電噴射設(shè)備，包括用 于改變所述電場(chǎng)或充電電流的強(qiáng)度在所述閾值強(qiáng)度之上的時(shí)間長(zhǎng)度的裝 置。
64. 根據(jù)權(quán)利要求63所述的靜電噴射設(shè)備，其中，所述電場(chǎng)或充電 電流的強(qiáng)度當(dāng)在所述閾值強(qiáng)度之上時(shí)基本上恒定。
65. 根據(jù)權(quán)利要求63或64所述的靜電噴射設(shè)備，包括用于在恒定 時(shí)段的周期內(nèi)改變所述電場(chǎng)或充電電流的強(qiáng)度以使得所述占空比可變的 裝置。
66. 根據(jù)權(quán)利要求56到65中任一個(gè)所述的靜電噴射設(shè)備，包括用 于向所述液體施加電場(chǎng)以靜電噴射導(dǎo)電率大于l(T6 S/m的導(dǎo)電液體的裝 置，或用于向所述液體施加充電電流以靜電噴射導(dǎo)電率小于l(T6S/m的基 本上非導(dǎo)電的液體的裝置。
67. 根據(jù)權(quán)利要求56到66中任一個(gè)所述的靜電噴射設(shè)備，包括與所述噴射區(qū)間隔開(kāi)的基底，使得噴射的液體沉積在所^底的表面上，從 而在所g底上形成特征。
68. 根據(jù)權(quán)利要求67所述的靜電噴射設(shè)備，包括用于提供所述基底 和所述噴射區(qū)之間的相對(duì)移動(dòng)的裝置。
69. 根據(jù)權(quán)利要求56到68中任一個(gè)所述的靜電噴射設(shè)備，被配置為 用于導(dǎo)電軌的制造。
70. 根據(jù)權(quán)利要求56到69中任一個(gè)所述的靜電噴射設(shè)備，被配置為 用于顯示屏的制造。
71. 根據(jù)權(quán)利要求56到69中任一個(gè)所述的靜電噴射設(shè)備，配置用于 將靜電噴射脈沖噴射到質(zhì)鐠儀中或噴射到基底上。
72. 根據(jù)權(quán)利要求56到69中任一個(gè)所述的靜電噴射設(shè)備，配置用于 打印圖像。
73. 根據(jù)權(quán)利要求56到69中任一個(gè)所述的靜電噴射設(shè)備，配置用于 靜電噴射含有一種或多種蛋白質(zhì)的液體。
74. 根據(jù)權(quán)利要求56到69中任一個(gè)所述的靜電噴射設(shè)備，配置用于 靜電噴射到塑料基底上，優(yōu)選是柔性的塑料^^底。
75. 根據(jù)權(quán)利要求56到69中任一個(gè)所述的靜電噴射設(shè)備，配置用于 靜電噴射包含一種或多種發(fā)光聚合物或一種或多種導(dǎo)電聚合物的液體。
76. 根據(jù)權(quán)利要求56到69中任一個(gè)所述的靜電噴射設(shè)備，配置用于 為組織工程的目的進(jìn)行靜電噴射。
77. 根據(jù)權(quán)利要求56到69中任一個(gè)所述的靜電噴射設(shè)備，配置用于 用作霧化器，或用作經(jīng)過(guò)皮膚的注入器。
78. 根據(jù)權(quán)利要求56到69中任一個(gè)所述的靜電噴射設(shè)備，配置為分 配器，用于將液體分配到芯片或生物傳感器上實(shí)驗(yàn)室上。
79. 根據(jù)權(quán)利要求56到69中任一個(gè)所述的靜電噴射設(shè)備，配置用于 無(wú)掩膜光刻。
80. 根據(jù)權(quán)利要求56到69中任一個(gè)所述的靜電噴射設(shè)備，配置用于 超材料或光學(xué)器件、優(yōu)選是光柵或全息圖的制造。
81. —種靜電噴射方法，包括提供用于容納液體的發(fā)射器，所U射器具有噴射區(qū)，所述液體能夠從所述噴射區(qū)噴射；向所U射器提供液體；向所述液體施加時(shí)變電場(chǎng)或充電電流；其中，當(dāng)所述時(shí)變電場(chǎng)或充電電流大于閾值強(qiáng)度時(shí)，所述電場(chǎng)或充電 電流引起脈沖式靜電噴射的發(fā)生；以及其中，當(dāng)發(fā)生靜電噴射時(shí)，液體被靜電力拉到所述噴射區(qū)；以及其中，在4吏用中，所述時(shí)變電場(chǎng)或充電電流強(qiáng)U非零的。
82. 根據(jù)權(quán)利要求81所述的靜電噴射方法，其中，所述時(shí)變電場(chǎng)或 充電電流的強(qiáng)度改變，使得在第 一時(shí)段期間噴放一個(gè)或多個(gè)靜電噴射脈 沖，而在第二時(shí)段期間不噴放靜電噴射。
83. 根據(jù)權(quán)利要求81所述的靜電噴射方法，其中，所述時(shí)變電場(chǎng)或 充電電流的強(qiáng)度改變，使得在第一時(shí)段期間噴放一個(gè)或多個(gè)靜電噴射脈 沖，在第二時(shí)段期間噴放一個(gè)或多個(gè)靜電噴射脈沖；其中，在所述第一時(shí)段內(nèi)的脈沖噴射速率不同于在所述第二時(shí)段內(nèi)的 脈沖噴射速率。
84. 根據(jù)權(quán)利要求82或83所述的靜電噴射方法，其中，所述第一時(shí) 段的長(zhǎng)U本上與所述第二時(shí)段的長(zhǎng)度相同。
85. 根據(jù)權(quán)利要求81到84中任一個(gè)所述的靜電噴射方法，包括改 變所述電場(chǎng)或充電電流的強(qiáng)度在所述閾值強(qiáng)度之上的時(shí)間長(zhǎng)度。
86. 根據(jù)權(quán)利要求81到85中任一個(gè)所述的靜電噴射方法，其中，所 述電場(chǎng)或充電電流的強(qiáng)度當(dāng)在所述閾值強(qiáng)度之上時(shí)基本上是恒定的。
87. 根據(jù)權(quán)利要求81到86中任一個(gè)所述的靜電噴射方法，包括在 恒定時(shí)段的周期內(nèi)改變所述電場(chǎng)或充電電流的強(qiáng)度，所述強(qiáng)度大于所述閾 值時(shí)的占空比是可變的。
88. 根據(jù)權(quán)利要求81到87中任一個(gè)所述的靜電噴射方法，用于導(dǎo)電 軌的制造。
89. 根據(jù)權(quán)利要求81到87中任一個(gè)所述的靜電噴射方法，用于顯示 屏的制造。
90.根據(jù)權(quán)利要求81到87中任一個(gè)所述的靜電噴射方法，用于將靜 電噴射脈沖噴放到質(zhì)脊仗中。
91. 根據(jù)權(quán)利要求81到87中任一個(gè)所述的靜電噴射方法，用于打印 圖像。
92. 根據(jù)權(quán)利要求81到87中任一個(gè)所述的靜電噴射方法，其中，所 述靜電噴射的液體包含一種或多種蛋白質(zhì)。
93. 根據(jù)權(quán)利要求81到87中任一個(gè)所述的靜電噴射方法，用于在塑 料基底、優(yōu)選是在柔性的塑料基底上進(jìn)行靜電噴射。
94. 根據(jù)權(quán)利要求81到87中任一個(gè)所述的靜電噴射方法，用于對(duì)包 含一種或多種發(fā)光聚合物或一種或多種導(dǎo)電聚合物的液體進(jìn)行靜電噴射。
95. 根據(jù)權(quán)利要求81到87中任一個(gè)所述的靜電噴射方法，用于組織 工程的目的。
96. 根據(jù)權(quán)利要求81到87中任一個(gè)所述的靜電噴射方法，用作霧化 器，或用作經(jīng)過(guò)皮膚的注入器。
97. 根據(jù)權(quán)利要求81到87中任一個(gè)所述的靜電噴射方法，用于將液 體分配到芯片或生物傳感器上實(shí)驗(yàn)室上。
98. 根據(jù)權(quán)利要求81到87中任一個(gè)所述的靜電噴射方法，用于無(wú)掩 膜光刻。
99. 根據(jù)權(quán)利要求81到87中任一個(gè)所述的靜電噴射方法，用于超材 料或光學(xué)器件、優(yōu)選是光柵或全息圖的制造。
全文摘要
一種靜電噴射設(shè)備(1)和方法，用于使用具有噴射區(qū)(29)的發(fā)射器(2)和用于向液體中注入電荷的裝置以脈沖方式分配體積受控制的液體，其中所述液體從該噴射區(qū)噴射，由此，在使用中，當(dāng)所述電荷注入時(shí)，所述液體(3)由靜電力傳送到所述噴射區(qū)，并且靜電噴射以一個(gè)或多個(gè)脈沖的方式發(fā)生。所述電荷可以通過(guò)時(shí)變的或恒定非零電場(chǎng)進(jìn)行注入，使得在某個(gè)閾值之上發(fā)生靜電噴射。
文檔編號(hào)G01N30/72GK101678373SQ200880016463
公開(kāi)日2010年3月24日 申請(qǐng)日期2008年5月19日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月17日
發(fā)明者凱特·L·史密斯, 約翰·P·W·施塔克, 馬修·S·亞歷山大, 馬克·D·佩因 申請(qǐng)人:瑪麗皇后與西田學(xué)院