【摘 要】
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近年来,随着各种功能性材料的开发利用,微纳制造在诸如柔性电子、光学器件、微流控器件等众多领域显得尤为重要。目前几种主流的微纳制造手段中,还存在设备昂贵、加工效率低、成型范围有限以及制造精度低等问题,难以满足现有的应用需求。电流体动力学（Electrohydrodynamics,EHD）直写打印技术是一种新型的微纳尺度打印方法,作为一种无掩模、非接触、直写增材制造工艺,具有成型速度快、材料兼容性好以
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近年来,随着各种功能性材料的开发利用,微纳制造在诸如柔性电子、光学器件、微流控器件等众多领域显得尤为重要。目前几种主流的微纳制造手段中,还存在设备昂贵、加工效率低、成型范围有限以及制造精度低等问题,难以满足现有的应用需求。电流体动力学（Electrohydrodynamics,EHD）直写打印技术是一种新型的微纳尺度打印方法,作为一种无掩模、非接触、直写增材制造工艺,具有成型速度快、材料兼容性好以及打印分辨率高等优点。本课题以高分子聚合物聚苯乙烯（PS）为研究对象,采用EHD直写打印技术对结构可控的PS微结构的制备工艺进行了研究。在搭建EHD直写打印平台的基础上对可控PS微结构打印工艺进行了优化;以所制备的PS微结构作为牺牲模板,采用软光刻方式成型聚二甲基硅氧烷（PDMS）微流道;同时,提出了基于EHD直写打印制备跨尺度微流道的工艺方案,展示了不同尺度流道的具体应用。本论文的主要研究内容如下:1.探究了PS溶液在连续锥射流模式下的打印规律,通过改变打印溶液的质量分数、施加电压、挤出气压以及收集板运动速度,实现了EHD直写打印工艺参数的优化。结果表明:（1）溶液的浓度决定了PS线条的形貌,通过提升PS溶液的质量分数（10%增加到18%）,可以获得表面质量较高的PS线条;（2）控制电压在0.5-1.0kV范围内可得到适合打印的单股射流,且施加工作电压越大,获得的PS线条直径越小;（3）控制挤出气压在5-30kPa范围内可以获得稳定的打印效果,且在该范围内打印线条的直径随气压升高而增大;（4）控制收集板运动速度在15-30mm/s之间可获得连续的PS线条,且线条直径随收集板运动速度的增大而减小。2.对比了直流电压和脉冲电压作为激励电压时的液滴成型结果,发现脉冲电压无论是在液滴沉积可控性方面还是在均匀性方面都有更好的效果。脉冲电压工艺参数优化结果表明:（1）质量分数为5%的PS溶液适用于脉冲电压作用下液滴的直写打印;（2）脉冲电压占空比对打印稳定性具有重要影响,在20%占空比下打印稳定性最优;（3）直流电压打印的点直径随电压增大而减小,而脉冲电压得到的点直径随脉冲幅值的增大而增大。3.在PS溶液打印工艺优化基础上,制备了不同尺度PS线条作为牺牲模板,并将其应用于跨尺度微流道成型。对所制备的PS模板进行尺寸表征的同时,观测了PDMS表面微流道结构;对流道表面进行了元素分析检测,确保流道内部无残留PS线条;对流道形貌及表面质量进行测量分析,检测流道内壁粗糙度低于300nm。最后,对封装后的流道分别以普通墨水和液态合金进行填充,成功制备了Y型微混合器与柔性电阻传感器,展示了EHD直写打印在微器件制备领域的潜力。
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