本发明涉及一种静电喷射设备和静电喷射方法。

在常规的静电雾化或静电喷射技术中，导电率通常大于10-8S/m的电 解溶液的表面由所施加的通常在大约106V/m级的电场充电。当作用在液 体表面上的静电力克服所述液体的表面张力时，发生喷射。最稳定的喷射 状态是锥射流模式状态，其中，静电力和表面张力之间的平衡产生Taylor 锥，从该锥的顶点发射出液体喷射。这种稳定的锥射流只在液流速率和施 加电压的特定范围内发生。当电压和/或流速在稳定的锥射流所要求的之 下时，会出现其它的喷射状态，包括滴落、静电滴落和纺锤模式。

如在Int.J.Mass Spectrom.Ion Processes 1994，136，167-180中所描 述的，一般在静电喷射电离质谱法中所使用的特定的静电喷射方法是为人 所知的纳电喷射法。纳电喷射法的特征是：所述流速可以由所施加的电压 和管子形状(特别是出口直径)来决定。其好处是：在不使用泵或阀来迫 使液体从储液器流到出口的情况下就可以实现静电喷射。在J.Aerosol Sci. 2007，38，315-324中，已经将使用该方法可控制地喷射或沉淀小体积液体 的能力确认为用于利用流体在表面上形成图形的有前途的技术。

在绝缘流体的静电喷射中，由于导电率小于10-8S/m，该固有导电率 不足以以与在上述具有较高导电率的流体的情况下所观察到的常规的静 电喷射行为的方式相似的方式在所施加的电压下产生足够多的表面电荷。 然而，已经表明，如果使用特定的电极形状，例如使用尖针作为浸入所述 流体的电极，则有可能将电荷注入绝缘流体中，以使得可以对液体进行喷 涂和喷射，如在J.Appl.Phys.，1976，47，5，1964-1969中所描述的。这样， 就可能形成足够的表面电荷，从而以与在常规静电喷射中所观察到的模式 相似的模式来喷射电介质液体。电荷注入的机制不限于高压电源，且包括 但不限于摩擦起电以及压电设备。

从J.Appl.Phys.1998，64，4278-4284也已经知道：对于绝缘流体，当 电压低于产生锥射流类型的模式所要求的值时，液体的弯月面可能在准稳 定的锥射流和变形的液滴之间摆动。这导致来自流体表面的脉冲式喷射， 间歇地喷放液滴。所述脉冲的产生要求有恒定的流体流速，由泵或受压的 流体来提供。

在其它已知的静电雾化或静电喷射技术中，当电压或充电电流施加到 要喷射的液体时，静电喷射连续地发生。因此，对能够进行静电喷射的液 体体积的控制相对有限，因为施加所述电压或充电电流的时间内的任何变 化都直接影响喷射的液体的体积。

对绝缘流体进行静电喷射的已知方法的不利之处在于：为了启动和停 止喷射，需要启动和停止泵浦方法。不可能准确地控制所述泵的启动和停 止。在这种设备中，即使断开电场或充电电流，所述泵将会继续向管子出 口或喷射区传送液体，这就导致滴液。这意味着：不可能进行液体喷射的 精细控制。

根据本发明的第一方面，提供一种静电喷射设备，用于以脉冲方式分 配体积受控制的基本上非导电的液体，所述设备包括发射器，该发射器具 有喷射区，所述液体可以通过喷射区进行喷射。用于将电荷注入所述液体 的装置，由此，在使用中，当所述电荷注入时，所述液体由静电力传送到 所述喷射区，并且静电喷射以一个或多个脉冲的方式发生。所述设备优选 不包括机械泵或任何其它加压所述液体的装置。

其优点是：所述静电喷射设备提供所喷射的非导电液滴的可靠的脉 冲，可以使其准确地启动和停止。

根据本发明的第二方面，提供一种静电喷射方法，包括：提供发射器， 用于容纳基本上非导电的液体。所述发射器具有喷射区，液体可以从所述 喷射区喷射；将电荷注入所述液体；由此，所述液体优选在不使用机械泵 或用于加压所述液体的装置的情况下由静电力传送到所述喷射区；其中， 对所述电场强度或充电电流、液体粘度和电极形状和发射器形状进行选 择，使得当施加上所述电场或充电电流时能够以脉冲方式进行静电喷射。

既可以将正电荷也可以将负电荷注入所述液体或流体中。

可选地，用于将电荷注入所述液体或流体中的装置是尖头导体，诸如 例如金属针，其具有渐细的或削尖的尖端。这有助于特别是非导电流体或 液体的电荷注入。

选择性地，所述尖端可以完全浸入所述液体中。所述尖端也可以位于 所述发射器内。因此，所述尖端不会穿出所述发射器的孔。所述发射器可 以是具有孔或开口的空腔或毛细管。所述尖端也可以位于所述空腔内，于 是不会伸出空腔的孔，即，到达所述孔洞的前方。这改善了电荷注入，从 而改善了脉冲或所喷射液滴的规整性和可靠性，也可以减少喷射或液滴破 裂成较小的、更多的不规则液滴这种情况的发生。这对于非导电流体或液 体来说特别重要。

根据本发明的第三方面，提供一种静电喷射设备，包括：用于容纳液 体的发射器，该发射器具有喷射区，所述液体可以从所述喷射区喷射；用 于向所述液体施加时变电场或充电电流的装置；其中，当所述时变电场或 充电电流的强度大于阈值强度时，在施加所述电场或充电电流时以脉冲形 式产生静电喷射；以及其中，当发生静电喷射时，液体通过静电力被拉到 所述喷射区；以及其中，在使用中，时变电场或充电电流强度是非零的。

其优点是：所述静电喷射设备提供可靠的喷射液滴脉冲，形成可准确 控制的喷射液体体积。

优选地，所述时变电场或充电电流的强度可以变动，使得在第一时段 内喷射一个或多个静电喷射脉冲，在第二时段期间喷射一个或多个静电喷 射脉冲；其中，在所述第一时段内的脉冲喷放速率不同于在所述第二时段 内的脉冲喷放速率。

优选地，所述第一时段的长度基本上与所述第二时段的长度相同。

优选地，提供用于改变所述电场或充电电流的强度在所述阈值强度以 上的时间长度的装置。

优选地，所述电场或充电电流的强度在位于所述阈值强度以上时基本 上恒定。

根据本发明的第四方面，提供一种静电喷射方法，包括：提供用于容 纳液体的发射器，所述发射器具有喷射区，所述液体可以从喷射区喷射； 向发射器提供液体；向所述液体施加时变电场或充电电流；其中，当所述 时变电场或充电电流大于阈值强度时，所述电场或充电电流强度使脉冲式 静电喷射发生；以及其中，当发生静电喷射时，液体通过静电力被拉到所 述喷射区；以及其中，在使用中，所述时变电场或充电电流强度是非零的。

可选地，所述方法可以用于导电路径的制造。

有利的是：所述时变电场或充电电流的强度改变，使得在第一时段期 间喷放一个或多个静电喷射脉冲，在第二时段期间喷射一个或多个静电喷 射脉冲；其中，在所述第一时段期间的脉冲喷放速率不同于在所述第二时 段期间的脉冲喷放速率。

选择性地，所述方法包括在恒定时段的周期内改变所述电场或充电电 流的强度，强度大于所述阈值的占空比是可变的。

下面将参考附图描述本发明的实施例，其中：

图1是根据本发明第一方面的设备的示意侧面正视图；

图2A是根据本发明第一方面的在液体的静电喷射期间拉出的玻璃喷 嘴的侧视图；

图2B是根据本发明第一方面的接收到液体的静电喷射之后的基底的 平面图；

图3示出对于使用本发明的第一方面的特定注射式电极和喷嘴形状， 液滴喷放频率对施加电压的依赖关系的图；

图4示出根据本发明第一方面的在喷射时利用不同的喷嘴尺寸可以 获得的液滴喷放频率范围的图；

图5是根据本发明第二实施例的设备的示意侧面正视图；

图6A、图6B和图6C是根据本发明第三实施例的设备的示意侧面正 视图；

图7是使用根据本发明第三实施例的设备所产生的液体的静电喷射 的图像；

图8是根据本发明第四实施例的设备的示意侧面正视图；

图9是根据本发明第五实施例的设备的示意侧面正视图；

图10是根据本发明第六实施例的设备的示意侧面正视图；

图11是根据本发明第七实施例的设备的示意侧面正视图；

图12是根据本发明第八实施例的设备的示意侧面正视图；

图13示出一系列喷射液滴，说明了对于同一喷嘴发射器形状由所施 加的电场或充电电流的变化引起的发射液滴体积的变化；

图14是根据本发明第九实施例的设备的示意侧面正视图；

图1b是仅由例子的方式给出的根据本发明第十实施例的示意侧面正 视图；

图3a和图3b示出在第一模式中电流(指示静电喷射的脉冲)相对时 间的图；

图15示出在第一模式中电流(指示静电喷射的脉冲)相对时间的图；

图16示出在第一模式中电流(指示静电喷射的脉冲)相对时间的图；

图17示出在第二模式中电流(指示静电喷射的脉冲)相对时间的图；

图7a、图7b和图7c示出在第三模式中电流(指示静电喷射的脉冲) 相对时间的图；

图18示出具有整合的电极的本发明的第十一实施例；

图19示出在纸质基底上的液滴沉积的照片；

图20示出在醋酸纤维基底上的液滴沉积的照片；

图21示出在硅基底上的液滴沉积的照片。

图1示出静电喷射设备1。发射管2能够保持要进行静电喷射的液体 3。管2具有圆形孔洞或开口29，从中能够喷出液体3。管2用作液体3 的储液器。液体3是低导电率液体或者基本上非导电的(即，基本上是绝 缘的)液体。可选择地，液体3也可以是导电的液体。然而，在下面的例 子中讨论基本上非导电的液体的使用。

发射管2能够保持要进行静电喷射的液体3。管2具有从中能够喷出 液体3的孔洞或开口29。所述孔洞优选是圆形的。管2用作液体3的储 液器。液体3是低导电率液体或者基本上非导电的(即，基本上是绝缘的) 液体。

所述基本上非导电的液体的导电率优选小于10-8S/m，其导电率可以 是小于10-6S/m。液体3可以是一种电介质液体。术语“基本上非导电的 以及绝缘的”应该用来指具有小于10-6S/m(或者可选择地小于10-8S/m) 的低导电率的液体。

针状电极4与要喷射的液体3相接触。针4具有削尖的尖端4a。尖 端4a在所述管中邻近于开口29。针4与管2的纵轴平行，并且尖端4a 位于开口29的中心。针4优选由金属制成。当对针4施加电压时，尖端 4a可以将正电荷或负电荷发射到液体3中。所述电荷可以是电子(带负 电)，也可以通过捕获电子来形成(带正电)。可以认为电荷向液体3中的 注入形成充电电流。

基底电极10被置于距发射管2的开口29合适的距离处，该距离通常 在1mm的量级。基底电极10是厚0.5cm、尺寸为2cm×2cm的固体方 块，与发射管2的纵轴对齐。基底电极10接地。

能够提供任意极性的电压的高压电源5连接到金属电极4。高压电源 5能够向液体提供常压(即，直流电压DC)。所提供的电压可以变为选定 值。

收集器基底9被置于基底电极10的上部。收集器基底9接收来自发 射管2的脉冲式静电喷射的液滴。

由计算机控制的高精度平移台11支撑收集器基底9和基底电极10， 它能够垂直于喷射方向移动电极10。

可以用预组装的单层颗粒或分子覆盖所述基底表面，和/或用预组装 的亚单层颗粒或分子来覆盖。所述基底可以是绝缘体、半导体或导体。具 体说，所述基底可以是硅。

可以将发射管2、基底电极10和收集器基底9装在接地的不锈钢真 空腔内，以允许环境气压变化，具体说是减小。

液体3在开口29处具有弯月面，在静电喷射期间，所述弯月面发生 振荡。所述弯月面可以是在开口29下面延伸的锥形形式，如图1所示。 在冷光源6的照射下，通过高速电荷耦合器件(CCD)照相机7，可以观 察到振荡的液体弯月面和静电产生的液滴。

注入流体中的电荷量可以通过连接到发射管2的电流监视设备12来 测量，从而测量通过所述液体的电流。

静电喷射设备1是一种非受迫性系统，意思是当所述设备在使用中 时，在所述孔洞29和所述储液器之间并无泵或阀连接。来自所述储液器 的液体流只由静电力引起。所述静电力由所述流体中的注入电荷来产生， 并且由于自由电荷，在流体的表面和流体自身内部均存在电场。

静电喷射设备1被配置为以离散脉冲喷射液体3，对针4施加电压期 间喷射一个或多个脉冲的液体3。当恰当配置设备1时，所述脉冲喷射自 动地发生，而并不是通过开始和停止施加电压来直接产生的。

为了使脉冲式喷射发生，选取液体粘度、电极和发射器形状，使得以 接近最小稳定喷射流速的流速来静电泵浦所述液体所需要的力不要太大。 也基于液体粘度、电极和发射器形状来选取电场强度或充电电流。所述电 场强度的选取使得在没有持续的电晕放电的情况下以脉冲形式发生静电 喷射。对于特定的发射管孔径或流体阻力来说，对于大液体粘度，所述电 场强度或注入电荷速率可以比较高。对于低液体粘度，可以使用较低的充 电电流。对于较小的发射器孔径或较大的流体阻力来说，对于特定粘度， 所述电场强度或注入电荷的量应该比较大，或者说，对于特定的场强或注 入充电电流，所述粘度应该较低。这些关系适用于所描述的所有实施例。

在静电喷射设备1中可以使用许多不同的液体。室温导电率的范围可 以从可忽略到10-6S/m。也可以使用低导电率的低温液体，诸如液氮、液 氨、液氢或液氧。可以使用的粘度范围为从1×10-4到100Pa.s。

静电喷射设备1可以用作打印机，以便在芯片或基底上进行喷墨或打 印。

静电喷射设备1的具体优点是：可以非常准确地控制液体脉冲的开始 和停止。这是因为，当电荷被注入流体3中时，液体只从毛细管出口流出， 并从管1中喷放出来。

可以用许多方式将电荷注入低导电率或绝缘流体中，其中包括但不限 于：在高压下从尖锐的金属电极注入、从压电电荷注入设备或通过摩擦起 电机制注入。可以非常准确地控制所述电荷注入过程的开始和停止。

这些不同的充电机制可以用于所描述的任何实施例。

在施加恒定的(即非脉冲式)充电电流或电场时，产生喷射流体的离 散脉冲。每个喷射脉冲中的液体量与所述电场或充电电流的施加时间无 关。可以接通或断开所述恒定的电场或充电电流以控制所述离散脉冲应该 何时喷放，当所述电场或充电电流被接通时，设备1喷放一系列静电喷射 脉冲。所述电场或充电电流的接通或断开自身并不直接引起所述脉冲。所 述设备的配置使得当施加恒定的电场或充电电流时，其处于自动产生脉冲 的模式。所述静电喷射脉冲的形成不依赖于任何机械控制装置或者电场或 充电电流控制装置。这提供非常一致而均匀的静电喷射流体的脉冲，即液 滴。

静电喷射设备1还有这样的优点：每个喷射脉冲都以离散的喷射发 生，每个喷射包含小且可预测的液体体积。如果在所述管和被喷射表面之 间有相对移动，则所述表面将接收一系列离散的点，这些点可以彼此相隔。 提供所述一系列点对打印或其它应用可能是有利的。这优选通过被喷射表 面的移动来实现，但也可以通过所述发射器的移动来实现。

所述静电喷射设备可以产生脉冲式电场或充电电流。电场或充电电流 的每个脉冲可以包含一个或多个喷射流体的脉冲。所述静电喷射脉冲一般 不在所述电场或充电电流脉冲开始时开始，一般也不在所述电场或充电电 流脉冲结束时结束。所述喷射脉冲不依赖于所施加的电场或施加的充电电 流的脉冲长度。所以，由静电喷射脉冲喷放的体积取决于在所述电场或充 电电流脉冲中所发生的静电喷射脉冲的数目，而不直接与电场或充电电流 脉冲的长度相关。这在不影响在喷射脉冲中所喷放的液体的量的情况下允 许所述电场或充电电流脉冲的长度有偏差。

例如，如果希望重复喷射的体积等于一个静电喷射脉冲的体积，则可 以将所述电场或充电电流以脉冲的形式施加到针4。在施加所述电场或充 电电流时，所述静电喷射可以以预定的频率以脉冲的形式发生，但一般不 马上就开始，就是说，所述设备不会在所述电场或充电电流一接通时就自 动地进行喷射。电场或充电电流的每个脉冲的接通时间必须足够长，以允 许喷放一个喷射脉冲，但又必须足够短，以防止喷放两个(或所需数目的) 静电喷射脉冲。当没有施加电场或充电电流时，可以移动电极和/或基底， 以便将相继的喷射脉冲施加到基底上的不同位置。在减小电场或充电电流 以抑制更多脉冲之前，可以喷射任意数目的液体脉冲。增加充电电流会增 加脉冲的频率，允许进一步控制所述液体的沉积。

现在将参考图1来描述所述设备的使用。相同的方法也适用于图1b 和图18的设备。对所述液体施加电势，使得所述液体以脉冲的方式从管 1中喷射出来，作为喷射8。喷射8撞在基底9上。平移台11垂直于喷射 8的方向移动收集器基底9和基底电极10。所述平移台可以保持不动，以 允许喷射8的一个或多个脉冲在同一点处撞在基底9上。

该系统1不具有与发射管分开的储液器。管2自身存储着要喷射的液 体3。本实施例允许通过由电源5正确地施加电势使液体3沉积在基底9 上。

可选择地，所述液体可以存储在与所述发射管相连的储液器中。

可以改变基底9和发射器2之间的距离，以使沉积区更小或更大。依 据喷射液滴上的电荷水平，所述喷射液滴8在其离开发射器2后可以展开， 所以基底9和发射器1之间的距离越大，所能提供的沉积区就越大。电极 10和/或收集器基底9优选置于平移台11上，而平移台11可以由计算机 来控制。平移台11提供电极10和/或基底9与喷射液滴8之间的相对移 动，从而使喷射液滴8沉积在基底9的选定区域上。

在参考图1的示例性设备中，发射管2由无涂层的硅硼酸盐玻璃毛细 管制成，其外径为2mm，内径为0.86mm，并且朝着直径为42微米的开 口29逐渐变细。静电喷射设备1中作为要喷射的液体3而使用的液体是 基于充碳黑的油制成的墨水，其导电率约为10-12S/m，粘度为10mPa.s。

选择针4的末端到管2的开口29的适当距离，在本例中，使用4mm 的距离，而管开口29和基底材料9之间的距离通常在1mm的量级。所 用的收集器基底9是高质量的相纸，其被置于接地的钢制基底电极10的 上面。

当没有对金属针4或其它电荷注入装置施加电压的情况下，从所述毛 细管中没有液体墨水流出。当施加到针4(或其它装置)的电压从零增加 到900V的电压时，墨水滴就以稳定的频率(在几百赫兹的范围内)从所 述毛细管中喷放出来。当所述电压增至900V以上时，从毛细管出口喷放 液滴的喷放频率和液流速率增加。当所述设备的所有其它参数恒定时，在 恒定电压下(即，恒定的电荷注入速率)，喷射液滴的频率是恒定的。

通过使用计算机控制的平移台11在脉冲喷射8之下以已知的恒定速 度移动收集器基底9，可以通过基底的沉积后成像来确定液滴喷放的频 率。

图2A中示出了从毛细管出口喷放出的脉冲墨水喷射的示例性图像。 图2B中示出了收集器基底9的示例性显微图像，其中示出在不同的喷放 频率下的一系列墨水沉积点的线。使用计算机控制的平移台11选择所述 基底的移动速度为50mm/s。通过改变施加到金属注入电极4的电压改变 喷放的液体脉冲的频率。

如图3的曲线图中所示，当所施加的电压为4.0kV时，所述液滴喷 放频率从900V时的约300Hz增加到80kHz左右。在900V到4000V 的范围上，喷射脉冲和液滴喷放的频率连续地增加，且没有观察到稳定的 锥形喷放喷射情况(cone-jet spraying regime)。当电压超过4.0kV时， 开始出现放电并伴有周期性的火花。

使用在相纸基底上产生的残余点大小与沉积的原始脉冲体积之间的 已知关系，计算出在每个静电喷射脉冲中所喷放的液体体积在1-3皮升 (picolitre)的量级。

图4示出发射器/喷嘴尺寸的变化对由所施加的电场的改变所实现的 液滴喷放频率的范围的影响。从图中可以看到，当使用较大发射器/喷嘴 出口直径时，最小和最大液滴喷放频率通常较低。所述液体是如上所述的 相同的基于充碳黑的油的墨水，包括采用比前述42微米喷嘴更大的喷嘴 进行喷射的数据。

图5示出图1中所示本发明的静电喷射设备的实施例的变型。图5 中所示的静电喷射设备21包括两个发射管13a、13b，每个管13a、13b 基本上都与上述管2相同。可选择地，可以使用任何数目的发射器。第一 管13a包含要喷射的第一液体15a。第二发射管13b包含要喷射的第二液 体15b。第一尖端电极4b被置于第一发射管13a内，并与管13a的纵轴 对齐。第二尖端电极4c被置于第二管13b内，并与第二发射管13b的纵 轴对齐。电源被连接到第一电极4b。同一电源14或不同的电源被连接到 第二电极4c。

静电喷射设备21还包括液体15a、15b可以喷射到上面的基底9a。 基底9a被安装在接地的电极10a上。电极10a可以被连接到每个电源。 可以将基底9a和接地电极10a安装在平移台11a上，以便在保持到发射 管13a、13b的距离恒定的情况下移动基底9a。每个发射管13a、13b都 具有开口，通过该开口能够喷射液体15a、15b。第二电源14连接在电极 10和浸入金属电极4B之间。图5的其余特征参见对图1的描述。当对与 各自的发射管13a、13b中的流体相接触的第一和/或第二金属电极施加电 势时，从各个管13a、13b产生脉冲式静电喷射。

图5示出两个发射管，然而，可以一起使用多于两个的发射管。可以 将这些管排列成二维阵列。

图6A、图6B、图6C示出本发明的静电喷射设备的另一个实施例。 发射管18由连接到绝缘储液器16的毛细管构成，在储液器16中包含有 要喷射的液体。摩擦电荷17被转移到毛细管18以启动液体的喷射。所述 液体喷射的持续时间和喷射脉冲的特性取决于注入电荷的量。

要喷射的液体为Dow Corning FS1265硅油。在毛细管18中提供有 开口，通过该开口可以进行静电喷射。与图1的实施例相反，在毛细管 18中没有尖端电极。该整个系统由绝缘支撑体39托住，在支撑体39的 下面是可选择的绝缘基底22。然后用橡胶部分17通过摩擦起电将电荷转 移到硅石毛细管18，如图6B中所示。一旦电荷被转移到硅石毛细管，就 会从所述毛细管中喷放出锥19和喷射20，如图6C所示。所述喷射的特 性和持续时间取决于转移到毛细管的电荷量，并持续5秒和30秒之间不 等，并且呈现脉冲和连续的锥形喷射模式喷射二者。例子之一示于图7 中，其中，在所述硅石毛细管的尖端处示出硅油的锥形喷放喷射图像。

在应用摩擦电荷期间或之后喷射液滴的频率会变化，因为所述电荷耗 散了。

图8示出本发明的静电喷射设备的其它实施例，其中，发射管30为 连接到储液器24的毛细管的形式，在储液器24中盛有要喷射的液体。充 电电流由压电型充电设备26通过压电效应提供给至少部分地浸入要喷射 的流体中的金属注入电极28。由于压电生成电荷在针端32处所产生的电 场使所述流体流动并以流体的脉冲喷射形式从毛细管30流出。对电极 (counter electrode)34可以是接收所述流体的基底或者可以具有开口孔 径以允许从毛细管流出的流体喷射到周围的气体环境或真空中。

参考图8，要喷射的液体为Dow Corning FS1265硅油。所述液体被 保持在绝缘储液器24中，所述容器优选是非承压的。连接到储液器24 的是硅石毛细管30形式的绝缘发射管。所述毛细管由绝缘支撑体支持。

具有尖端形状部分32的电极28伸进毛细管30中，并且至少部分地 浸入要喷射的流体中。压电型充电器(PCD)26被电气连接到电极28。 在压电设备26被激励时，电荷通过电极28传递到流体，产生喷射脉冲 35。

本实施例可以包括具有孔34的电极、通过孔34喷出的喷射35。当 由PCD 26传送到流体的充电电流足够高时，能够从毛细管30中喷放出 稳定的流体的锥形喷放喷射。

可选择地，图8中示出的结构可以用来将流体发送到位于所述孔的与 发射管30相对的另一侧的基底(图8中未示出)上。例如，在不要求在 纸或其它可以打印的材料的下侧有电极，即，不要求将所述可打印材料放 置在发射管30和电极34之间的情况下，这种结构可以用来将墨水沉积在 纸上或其它可以打印的材料上。

图9示出基本上如图1所述的本发明的另一个实施例。如图8中所述 的PCD 26用来提供电荷。

图10示出对图8中所示的本发明的静电喷射设备的变型，其中，所 述电荷注入电极的形式是：在容纳要喷射液体的毛细管38的外表面上的 金属涂层40。所述充电电流通过压电型充电器26由压电效应传送到金属 制的注入电极40，而金属注入电极40至少部分地与要喷射的液体流体相 通。由于压电注入电荷产生的场使所述流体流动并以带电的液体喷射形式 排出毛细管38。收集器基底9和基底电极10可以被置于由计算机进行控 制的平移台11上，以允许所述收集器表面和所述液体喷射之间的相对移 动。

图11示出对图1或图5中所示的本发明的静电喷射设备的实施例的 变型。在图11中，发射器不是毛细管的形式，而是由可以限定储液器以 存储液体46的任何材料42形成。在所述储液器中形成有口，液体可以从 该孔中喷射。该实施例可以通过微制造技术来完成。高压电源48可以被 连接到材料42或位于所述储液器中的尖头金属电极44，以便将电荷注入 液体46中。图11的实施例与图1和图5以同样的方式工作。

上述任何实施例可以具有至少是位于空气基本上排空的真空腔中的 发射器和基底。

图12示出本发明的静电喷射设备的另一个实施例。发射管2、液体3、 尖端电极4和电源5基本上如图1或图5或图11中所示。基底9、接地 电极10和平移台11也如上所述。

在发射管2的周围同轴安装管50，发射管50的开口环绕着发射管2 的开口。发射管50容纳有第二流体54，使得发射管2的开口处于第二流 体54内，通过所述发射管2的开口从发射管2进行静电喷射。

第二流体54不同于进行静电喷射的流体。第二流体54既可以是液体 也可以是气体，它被盛在容器52内。容器52可以是密封的，或连接到流 体的储放器。

第二流体54优选不能与要静电喷射的流体混合，但可以是能部分地 与要喷射的流体混合。第二流体54可以是静止或流动的。

第二流体52优选不能与要静电喷射的流体3混合，但可以是能部分 与要喷射的流体混合。第二流体52可以是静止或流动的。

穿过第二流体进行喷射允许使所产生的第一流体的液滴包在第二流 体56的涂层或薄膜内。这可以允许封装的流体雾化到气体、液体或真空 环境中，或者允许封装的液滴沉积到接收基底材料9上。

图13示出在相似于图1所示的结构中施加到注入电极的电场的变化 所导致的基于充碳黑的油的墨水的喷射液滴的体积的变化。当施加到金属 针的电压增加时，液滴喷放频率和每个液滴的体积两者在所示的电压范围 上都增加。

图14示出本发明的另一个实施例。发射管60盛有要进行静电喷射的 第一液体61。管60具有连接到电源68的尖端电极，基本上如图1所述。 发射管60具有开口65，液体61的静电喷射脉冲通过该开口65喷放。开 口65位于容器62内。容器62容纳与所述静电喷射液体不同的第二流体 64。第二流体64既可以是液体，也可以是气体。容器64可以是密封的， 或可以连接到流体的储放器。

第二流体64优选不能与要静电喷射的流体混合，但可以能部分地与 要喷射的流体混合。第二流体64可以是静止或流动的。

基底和接地电极以及/或前述平移台也可以位于所述容器62内。

穿过第二流体进行喷射允许进行静电喷射的液体的液滴可控制地分 散在第二流体中。这就允许形成乳状液，例如油/水乳状液或纳米乳状液。 也能够用来形成这样的颗粒：这些颗粒具有包含在第二流体的固化壳内的 所述静电喷射液体。另外，挥发性液体可以在非挥发性第二流体中进行喷 射。

所有所述实施例配置为在将电荷注入要进行喷射的基本上非导电的 或者导电的液体或流体中时产生静电喷射脉冲。所述脉冲并不直接由电荷 注入的开始或终止来产生，而是属于所配置的系统的内在特性。

图1B示出本发明的静电喷射设备的另一个实施例。该设备配置为喷 射导电液体。

毛细发射管70包含要进行喷射的液体74。高压电源79被连接在引 出电极(extractor electrode)78和发射管70之间。通过导电配件72可 以将电势施加到发射管70的导电表面。高压电源79提供电极78和发射 管70之间的电势差。

引出电极78被保持距发射器顶端合适的距离处。在电极78的面对发 射管70的侧表面上可以放置目标基底77。

所述基底可以覆盖预组装的单层颗粒或分子，和/或覆盖预组装的亚 单层(pre-assembled sub-monolayer)的颗粒或分子。所述基底可以是绝 缘体、半导体或导体。

在使用中，电势由电源79产生，使得液体以脉冲形式从管70中喷射 出来，形成喷射76。喷射76撞在基底77上。由计算机进行控制的高准 确度平移台80支撑着基底77和电极78，并能垂直于喷射76的方向移动 电极78。

图18示出本发明的静电喷射设备的与图1和图1b所示的实施例不同 的实施例的例子。在图18中，发射器不是毛细管的形式，而是由能够限 定储放器以存储液体86的任何材料85形成。在所述储放器中形成有口， 所述液体可以从该口进行静电喷射。该实施例可以通过微制造技术完成。

在材料85和层89之间夹着一层材料87。材料层87、89在所述口的 周围限定凹窝。材料85、89优选是导电的，或者嵌有导电元件。材料87 优选是非导电的。

高压电源79被连接到材料85，并且优选也连接到材料89。高压电源 79的配置使得在液体86中产生电场，以产生静电喷射脉冲，如上所述。 这示出集成电极的例子。

为了使用图1、图1b或图18的设备产生脉冲式喷射，选择液体粘度、 电极和发射管形状，使得以接近最小稳定喷射流速的流速来静电泵浦所述 液体所需要的力不要太大。也基于液体粘度、电极和发射器形状来选择电 场强度或充电电流。选择所述电场强度，使得在没有恒定的电晕放电的情 况下以脉冲形式发生静电喷射。对于特定的发射器孔径或流体阻力来说， 当液体粘度较大时，所述电场强度或注入电荷速度可能比较高。当液体粘 度较低时，可以使用较低的充电电流。对于较小的发射器孔径或较大的流 体阻力来说，对于特定的粘度，所述电场强度或注入电荷量应该比较大， 或者说，对于特定场强或注入充电电流，所述粘度应该较低。这些关系适 用于所描述的所有实施例，特别是既适合于导电液体也适合于非导电液体 的静电喷射。

当所述充电电流或电场在产生静电喷射脉冲的电压范围的部分上增 加时发现：每滴中的液体体积也增加。例如，发现当施加电压在900V和 3000V之间时，随着电压的增加，液滴体积也增加。因此，增加充电电 流或电场既能增加喷放液滴的频率也能增加每个液滴中液体的体积。

上面的描述适用于使用基于图1、图1b或图18的设备进行的导电和 非导电液体的静电喷射。基于图1、图1b或图18的设备可以有多个发射 器，这些发射器可以排列成阵列。可以提供独立的储放器，与发射器流体 相通。

所述发射管可以不是毛细管的形式，而是由能够限定储放器以存储液 体的任何材料形成。在所述储放器中形成有口，所述液体可以从该口中喷 射。该实施例可以通过微制造技术完成。高压电源或用于电荷注入的其它 装置可以被连接到所述材料或位于储放器中的尖头金属电极，从而向所述 流体注入电荷。

所喷放的液滴体积由于施加到注入电极的场的变化而变化。施加到金 属针或用于电荷注入的其它装置的电压或充电电流增加时，在发生静电喷 射的范围的部分上，液滴喷放频率和每个液滴的体积都增加。每个液滴的 体积可以先达到一个峰值，然后再下降。液滴体积与施加电压的关系可以 取决于所述液体和发射器形状的性质。

使用图1、图1b或图18的设备能够准确地控制静电喷射脉冲。或许 要求在所述基底上的同一点处沉积一个液滴或沉积预定数目的液滴。所 以，需要控制在停止静电喷射之前被静电喷射的液体的体积，以允许所述 平移台移动。可选择地，或许需要控制对移动的或静止的平移台进行静电 喷射的速率。

现在将描述两种主要的静电喷射控制形式(尽管可以使用其它的形 式)，它们是：

1)改变用来控制在预定时间内所喷放的液滴数目的电压或充电电 流，如将作为第一和第二模式描述的，以及如图3a、图3b、图14、图15、 图16和图17所示；以及

2)改变所述电压或充电电流按预定的电压或充电电流施加时的时间 长度，如将作为第三模式描述的，以及如图7a到7c所示的。

下面的操作和使用模式可以用于这里所述或示出的任何设备。所述操 作和使用模式也可以用于喷放这种静电喷射脉冲的任何设备。

图3a和图3b示出本发明的第一模式。要进行静电喷射的液体既可以 是导电的也可以是非导电的液体，这对于所述所有模式来说都成立。所使 用的设备将基于图1或图1b的合适的一个。所述静电喷射设备将电压或 充电电流施加到所述液体。所施加的电压在两个电压或充电电流之间切 换，优选是以5kHz的速率重复这个循环。所述两个电压中的每个电压可 以施加等量的时间(在这种情形中为0.0001秒)，也可以是，这两个电压 中的一个电压可以比另一个施加更长的时间段。

在时段110期间施加第一电压。选择第一电压在喷放静电喷射脉冲的 最小阈值之下。因此，在第一时段110期间没有脉冲喷放。示范性电压为 350V。

在第二时段112中，将施加的电压切换为较高的电压。在整个第二时 段112中，较高的第二电压是恒定的，并使以恒定的频率从所述设备中喷 放6个静电喷射液滴。示例性第二电压为400V。然后，将电压切换回第 一电压，并且重复该循环。在第一时段和第二时段中的所述电压或充电电 流优选基本上都是恒定的，施加以形成方波，或者可选择地形成锯齿波或 三角波或正弦波。

图3b示出第一时段110和第二时段112的放大图。静电喷射脉冲由 峰114来指示。注意：所示的饱和方形关断正电流和负电流不表示被喷放 的静电喷射脉冲，而只是由施加电压的变化所引起的。时段110、112的 长度是不同的，具体说，“开/脉冲喷放”时段112的长度比“关断”时段 110长。可选择地，时段110、112的长度可以是相同的。

图15示出本发明的第一方面的变化。所施加的电压以5kHz的频率 在第一电压和第二电压之间循环。在时段120期间施加第一电压。所述第 一电压的选取使得不喷放静电喷射脉冲。在第二时段122中施加第二电 压。图3示出电压的选取如何影响所喷放的液滴的频率。所述第二电压的 选取使得在该时段122期间喷放一个静电喷射脉冲124。然后，可以重复 该循环，在所述第一和第二电压之间交替变化。

图16示出如上所述的在两个电压之间的切换。在第一时段130中， 施加第一电压，这导致没有静电喷射液滴被喷放出来。在第二时段132 中，施加第二电压。第二电压的选取使得静电喷射以某个频率发生，导致 在时段132期间喷放3个静电喷射液滴134。

当不喷放静电喷射时，将所述电场或充电电流减小到非零的强度。当 从喷放静电喷射的时段移动到不喷放静电喷射的时段时，可以将电压下降 小于100V，优选在20到50V之间。可选择地，当不喷放静电喷射时， 所述电场或充电电流可以基本上为零。

通过产生直流(或者恒定的)电场或充电电流分量，可以在所有的实 施例中产生时变的电场或充电电流。也产生通常较小的时变分量，并将其 叠加在所述恒定分量上。

已经将所述时变电场或充电电流描述为方波，其中，所述电场或充电 电流的强度在两个值之间交替变化。所述交替变化的两个值优选都是非零 的，即使在其中之一上不喷放静电喷射。任何实施例的波形都可以交替地 不规则，或者甚至在部分波形上也不是恒定的。具体说，所述波形可以是 正弦波、锯齿波或三角波形式。

图17示出本发明的第二方面。在第一时段140期间，对所述液体施 加恒定的第一电压。所述第一电压的选择使得液滴以这样的频率进行喷 放：在该频率下，在第一时段140中喷放2个液滴。所述设备切换到第二 电压，该电压在第二时段142期间施加。所述第二电压选择得较高，使得 在第二时段142期间喷放6个静电喷射脉冲。所述设备以5kHz的频率在 第一和第二电压之间循环。第一和第二时段的长度相等，均为0.0001秒。 通过在喷放2个静电喷射脉冲的第三时段148期间重复第一电压，所述循 环得以继续。所以，取决于所施加的电压或充电电流的所述脉冲喷放频率 在第一和第二时段中是不同的。

如上所述的第一和第二时段示出为具有相同的时长。可选择地，第一 和第二时段的时长可以不同。每个时段的电压以及其所施加的时长可以自 由地变动，从而以要求的频率喷放所要求的液体体积，或者具有预定的不 喷射时段。

所述设备可以在两个、三个或更多个时段间循环，每个时段具有不同 的施加电压。

图7a、图7b和图7c示出本发明的第三方面，该方面提供了不同于 所述第一和第二方面的另一种控制手段。在第三方面中，施加到所述液体 的电压的开时间可以变化。施加恒定的电压以便喷放静电喷射脉冲。所述 电压或充电电流施加选定的时长，以允许喷放了所需数目的脉冲。然后减 小所述电压，使得不再进一步喷放静电喷射脉冲。然后可以再次接通所述 电压，并重复所述循环。

可以将所述电压减小到恰好在不喷放静电喷射的最小阈值之下，或者 可以减小到零。当不喷放静电喷射时，优选将所述电场或充电电流减小到 非零的强度。可以将所述电压降低小于100V，优选在20到50V之间。

图7a示出在时段150中被接通的电压。时段150的选择使得只有供 一个脉冲151喷放的时间。然后，在所述循环的余下时间中减小所述电压， 使得不再喷放脉冲。

图7b示出在时段152中被接通的电压。时段152足以允许喷放三个 脉冲153。

图7c示出在时段154中被接通的电压。时段154足以允许喷放14个 液滴155。

在这个方面，所述电压依据静电喷射的使用来选择，从而给出供应用 的合理的喷射速率，这可以得到准确的控制。

所述设备可以在一个周期中以第三模式操作中。所述周期可以具有一 个恒定时段，该时段可以被选取得长于要进行静电喷射的预期的最长时 长。当所述电场或充电电流强度在阈值强度大小之上时，将出现静电喷射 脉冲。所述电场或充电电流强度在阈值强度之上的时长可以变化。波形的 占空比为该波形处于“高”或“开”时所占周期的比例，所以，波形的占 空比将依据与无静电喷射发生相比静电喷射发生的时间长度而变化。

用于在恒定时段周期中改变所述电场或充电电流强度的手段可以提 供可变的占空比。

所述设备可以工作在这样的模式中：其中，电压和该电压所施加的时 长均可以变化，以便控制静电喷射液滴的喷放。

所述任何特性均可以与所述任何其它特性相结合。根据上述实施例所 述的静电喷射有许多用途。下面将描述一些可能的用途、以及如何为这些 用途优化所述静电喷射。这些用途以及使用方法适用于所有的实施例。

导电轨

电子电路依赖于对各部件进行电链接的导电轨的制造。作为直接写过 程的例子，本发明可以用作打印机。所喷射的液体可以是金纳米颗粒的悬 浮液，或者可以是基于硝酸银的导电墨水。可选择地，可以使用金属有机 分解墨水，例如包括溶解在甲苯中的新癸酸银(silver neodecanoate)。所 述基底可以是硅、醋酸纤维(acetate)、玻璃、塑料、纸张或其它材料。 这种导电墨水可以具有10cP左右的粘度。本设备优选使用的喷嘴直径为 10到50微米。其它屏幕可打印墨水的粘度大于100cP，在本方法中使用 这种墨水时，喷嘴直径大于100微米。

塑料电子学

使用电子学塑料基底允许在柔性塑料基底上制造电子电路。塑料基底 呈现的问题是：其表面粗糙并且熔点低。这些问题可以通过溶液处理来克 服，要求在合适的温度下以溶液形式将材料打印在塑料上。这种技术可能 能够打印该应用期望的材料。可以如上所述在塑料基底上打印导电轨。

发光聚合物(例如，PEDOT-Poly(3，4-ethylenedioxythiophene))和导 电聚合物

这些材料可以混合在水或电介质液体中。可以依据要进行静电喷射的 液体的导电性(即，其可被认为是导电的还是非导电的)使用上述合适的 设备。所述喷嘴直径可以选择得适合所要求的特征的大小和溶液粘度。特 征大小较小并且粘度相似于水时，喷嘴直径可以为5或10微米。

显示屏

所述设备可以用来打印薄膜晶体管(TFT)屏幕。所用基底可以是玻 璃，且可以静电喷射导电液体。可以使用集成电极，如图18中所示。

屏幕的制造可以利用在无掩膜光刻、导电路径或塑料电子学中所描述 的任何特征。

组织工程

所述设备和方法可以用于组织工程的目的，例如，通过在水溶液中喷 射蛋白质。蛋白质的范围可以从简单的氨基酸到大的非共价键的大分子 (诸如蛋白体)。蛋白质的质量可以高达1Mda左右，这也允许将一些病 毒进行静电喷射。可以使用水作为溶剂，因为水有合适的粘度。可以使用 宽范围的喷嘴直径，所用喷嘴直径优选为10到30微米。

所述基底可以是由生物可降解的聚合物(例如，PLGA)制成的台架， 刻度约为10微米。所述设备可以使用集成电极。被喷射的蛋白质可以是 功能蛋白质，诸如纤粘蛋白、清蛋白或胶原质(collagen)。这样就允许在 所述台架上在微观尺度上来控制细胞生长和移植。

本设备可以用来产生油脂双层(lipid bilayers)，或蛋白质的台架。所 述设备可以用于液体的准确分配，例如，用于药物研制的目的。

雾化器(nebuliser)

本设备可以用来替代雾化器，例如将液体药物或含有生物活性制剂的 液体汽化，以在0.4到6微米的优选区域中产生液滴。然后就可以由用户 吸入所述汽化的雾状液体。

经过皮肤的注入

本设备可以用来将液体药物或含有生物活性制剂的液体汽化。然后可 以局部地或透过皮肤对用户施用该汽化物。

分配

该设备可以与质谱仪联合使用。本设备适合于将非常少量的分子分配 到例如质谱仪中。所述基底可以是玻璃或塑料。该设备可以配置为将飞升 (femtolitre)体积分配到高皮升体积的水溶液。该溶液可以包含要测试 的分子。

本设备和方法可以用于将被分析物喷射到芯片上的实验室中。本设备 可以用于快速成形(rapid prototyping)，或用于产生生物微阵列。本方法 也可以用到微吸液管溶液，或产生微阵列。

本发明的设备可以用于将蛋白质或其它被分析物静电喷射到生物传 感器上。

无掩膜光刻

本发明的设备可以用来将图案转印到表面上。光刻中使用刻蚀掩膜， 该掩膜通常由称作光致抗蚀剂的聚合物制成，在该掩膜上通过曝光产生图 案。

本发明能够通过直接将蚀刻抗蚀剂材料打印到期望图案中的所述表 面上，或者通过将蚀刻剂或抗蚀显影液打印到所述表面上以从不需要的地 方去除所述抗蚀剂或不想要的有用薄膜来产生蚀刻掩膜。

打印抗蚀剂材料可以使用聚合物或蜡作为要进行静电喷射的液体。这 种液体很可能是介电的(即，不导电的)，所以可以使用基于图1的设备。 可以使用直径大于100微米的喷嘴。所述基底优选是硅，或者也可以是任 何其它材料。蚀刻剂或显影液可以是低粘度的有机溶剂。

超材料

超材料是具有周期结构或蜂巢结构的人造材料，通常被称作“超晶格” 或“光子晶体”。所述单元的周期必须和与其相互作用的光的波长相当。 对于可见光来说，要求波长小于一微米。本发明中的技术能够在该尺度上 进行打印。

光学器件

光学器件可以用具有微米尺度特征的聚合物来制造。可以利用上述光 刻材料的沉积和刻蚀过程来实现波导和反射镜装置的微制造。要进行静电 喷射的液体优选是聚合物，要喷射到的基底为硅或玻璃。

本发明所述的设备可以用来制造光学器件，诸如光栅或全息图。本发 明所述的设备可以用来制造包含有机发光二极管(OLED)的屏幕或用于 制造Liquavista(RTM)屏。

本设备也可以用于制造传感器，或利用墨水或任何其它液体作为要进 行喷射的液体来打印图像。本发明可以用来制造图形以安置粘合剂或制造 电子部件。所述静电喷射设备可以用作打印机，以便将墨水喷射到芯片或 基底上。

所述用途和应用适用于本质上要利用脉冲式静电喷射的任何设备或 方法，不限于这里所描述的示范性设备或操作方法。例如，当所述电场或 充电电流大小减小到零(或某个非零值)以便终止静电喷射时，可以使用 所述用途和应用。

本发明所述的设备和方法可以用来在基底上的一个点处喷射多个液 滴，然后在所述基底和所述发射管之间提供相对移动以便在所述基底上的 另一个点处继续进行喷射。通过将所述电场大小减小到阈值水平之下，可 以在所述相对移动发生的时候终止静电喷射。所述设备和方法也可以用来 在所述基底上的任何点处只喷射一个液滴，这一点可以这样来实现，即， 连续地相对移动所述基底，或者一次只喷放一个液滴，然后通过将电场大 小减小到阈值水平之下来终止静电喷射，同时移动所述基底。

技术人员会明白，上述实施例的细节可以变动而不偏离由附属权利要 求书所定义的本发明的范围。

例如，所述基底可以是纸张、硅、半导体、绝缘体、导体、卡、食物、 包裹、塑料以及皮肤。图19-图21用照片示出在各种示范性基底上的液滴 沉积的结果。这些图指示出用来产生各种结果(包括液滴体积和频率)的 参数(电压、毛细管直径)。

对于图8所示的实施例，当要求在发射管处为净零压时，储液器24 内的液体的自由面可以与例如所述毛细管的出口平面处于同一水平。

上面所提供的这些例子示出由平移台所移动的基底。另一方面，所述 打印头可以移动而所述基底固定。

至少是当使用非导电液体时，所述电压可以基本上不依赖于喷嘴或发 射管出口的直径。

所述喷放频率(具体说所述最大喷放频率)可以依赖于喷嘴或发射管 出口的直径。所以，可以通过改变此直径来改变这个参数。图19-图21 提供了这种依赖性的例子。

对于技术人员来说，对上述实施例的特征进行许多组合、修正或改变 是很容易做到的，这些组合、修正或改变应该构成本发明的一部分。