（机械电子工程专业论文）静电喷印头的设计及关键工艺.pdf

摘要 摘要 喷墨打印设备具有制造成本低，制造过程简单、便于操作等优点，其应用范 围从传统的办公室、家庭打印延伸到电子制造、生物工程分析、陶瓷器件制备等 众多领域。但现有主流的压电式和热气泡式喷墨打印在结构和控制上都存在着难 以克服的问题。为此，本文结合传统静电喷印头的特点，设计了一种新型的静电 喷印头，克服了现有打印方式所存在的缺陷，拓宽其应用领域。 论文在对静电喷印原理的了解和分析的基础上，通过对结构单元的理论和有 限元分析，以及整体结构的动态仿真，最终得到了优化的静电喷印头结构。具体 研究工作主要包括以下五个部分： 在查阅和分析大量相关文献资料的基础上，提出了硅( 上硅层) 一硅( 振动 层) 一玻璃三层结构的静电喷印头整体结构方案，其中进液管道布置在上硅 层，振动膜片、液腔、喷嘴设计在振动层，固定电极布置在玻璃基底上； 通过理论分析并结合a n s y s 静电与结构耦合仿真，对影响静电喷印头中振 动膜变形量大小的各个参数进行研究，在此基础上确定了长6 0 0 0 9 m ，宽 3 8 0 “m ，厚5 9 m ，极板间距为l1 t m ，工作电压为3 8 v 的振动膜片特征参数； 针对打印中普遍存在的墨水回流现象，从考察进液管效率的角度，运用理论 和有限元仿真工具对影响扩散收缩管效率的参数进行了系统的研究，并最终 确定了管长3 0 0 1 , t m ，锥角1 1 0 ，最小截面宽度3 0 9 m ，管深3 0 9 m 的进液管道 结构； 基于韦伯数介于l 到1 2 时，液体破裂属于振动破碎，可用于喷墨打印这一 理论基础，通过a n s y s 有限元软件，对打印过程中结构变形对腔内液体的 作用进行流固耦合仿真，得到了振动膜片变形时管嘴与进液端的液体流速情 况，并计算得出韦伯数为8 5 ，验证了该静电喷印头结构的可行性； 结合静电喷印头的结构特点，设计了静电喷印头的制作工艺流程，并对静电 喷印头的关键结构一振动层的制作工艺流程及相关工艺参数进行了针对性 地研究，最终制作出了厚度为2 5 1 t m 的硼硅振动膜。 关键词：静电喷印头；流固耦合；韦伯数 a b s t r a c t a b s t r a c t i n k - j e tp r i n t e ri sn o wp o p u l a r l yu s e di nt h ei n k - j e tr e c o r d i n gs y s t e m s 、析t hl o w c o s t ，s i m p l ep r o d u c t i o na n de a s yo p e r a t i o n ，w h i c hc a n b eu s e df o rp r i n t e r s ，f a c s i m i l e s ， e l e c t r o n i cm a n u f a c t u r i n g ，b i o - e n g i n e e r n ga n db i o - a n a l y s i s ，c e r a m i cd e v i c ea n ds oo n t h em a i nm e c h a n i s m so fe j e c t i n gi n kd r o p sa r ec a t e g o r i z e di nt w og r o u p s ：t h e p i e z o e l e c t r i ci n k - j e tp r i n t i n ga n dt h et h e r m a lb u b b l ei n k - j e tp r i n t i n g b o t ho ft h e c o n v e n t i o n a li n k - j e tp r i n t e r sh a v et h e i ro w nd r a w b a c k s 、析t l ls t r u c t u r ea n do p e r a t i o n t h a tc a n tb eo v e r c o m e s oi n t h i sd i s s e r t a t i o n , an o v e le l e c t r o s t a t i ci n k - j e th e a di s b r o u g h tf o r w a r dt oe x p a n di t sa p p l i c a t i o n s ，w h i c hc a no v e r c o m es u c hs h o r t c o m i n g s t h em a i nw o r ki nt h i sp a p e ra r e ：b a s e do nt h em e c h a n i s mo fe l e c t r o s t a t i ci n k - j e t h e a d ，a l lo p t i m i z e de l e c t r o s t a t i ci n k - j e t1 1 e a ds t r u c t u r ei sa c h i e v e dv i at h e o r e t i c a l a n a l y s i sa n df i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o no ft h ei n k - j e th e a d t h i sp a p e ri n c l u d e sf i v e a s p e c t sl i s t e da sf o l l o w s ： b r i n gf o r w a r dan o v e le l e c t r o s t a t i ci n k - j e th e a db a s e do nr e l a t e dd o c u m e n ta n d a n a l y s i so fc u r r e n ts i t u a t i o no ft h ei n k - j e th e a d t h ee l e c t r o s t a t i ci n k - j e th e a di s c o m p o s e d o fat h r e e l a y e rs t r u c t u r e ：s i ( u p p e rs i s u b s t r a t e ) - - s i ( o s c i l l a t i o n p l a t e 瑚l a s s ( 1 0 w e rs u b s t r a t e ) t h ec h a r g i n gc h a n n e li sl o c a t e di nt h eu p p e rs i s u b s t r a t e ；t h ed i a p h r a g m ，i n kc a v i t ya n dn o z z k ea r ea r r a n g e di nt h eo s c i l l a t i o n p l a t e ，a sw e l la st h ei m m o v a b l ee l e c t r o d ei sp o s i t i o n e di nt h eg l a s s o b t a i na l la p p r o p r i a t ed i a p h r a g mb yt h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o na n ds i m u l a t i o ni n a n s y si nc o u p l e df i e l d t h ed i a p h r a g mh a sar e c t a n g u l a rs h a p ew i t h6 0 0 0 r t r n l e n g t h , 3 8 0 9 mw i d t h ，5 p mt h i c k n e s s ，l1 t mt h ed i s t a n c eb e t w e e nt h ed i a p h r a g m a n dt h ei m m o v a b l ee l e c t r o d ea n d3 8 vt h ea p p l i e dv o l t a g e o p t i m i z et h ec h a r g i n gc h a n n e lb ya n a l y s i sa n df i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o no ft h e c h a n n e ls t r u c t u r et or e d u c et h er e f l u xo ft h ei n kd u r i n gt h ep r i n t i n g t h el e n g t h , a n g l e ，n e c kw i d t h ，d e p t ho ft h ec h a r g i n gc h a n n e la r e3 0 0 n , 11 。，3 0 1 a ma n d 3 0 9 m , r e s p e c t i v e l y a n a l y s et h ef l u i d - s o l i d i n t e r a c t i o n ( f s i ) d u r i n gt h e i n kp r i n t i n g ，s t u d yt h e t h r e s h o l do fd r o pj e t t i n go u to ft h en o z z l e w h e nt h ew e b e rn u m b e ri sb e t w e e n1 a n d12 ，t h ed r o pc a nb r e a ka w a yf r o mt h el i q u i d c a r r yo u tt h ef s is i m u l a t i o ni n a n s y st og e tt h ef l u i dv e l o c i t yi nt h en o z z l e ，a n do b t a i nt h er e s u l tt h a tt h e a b s t r a c t w e b e rn u m b e ri s8 5 i t i sb e t w e e n1a n d1 2w h i c hr e p r e s e n t st h ef e a s i b i l i t yo f t h eh e a dd e s i g n e d d e s i g nt h ep r o c e s sf l o w o ft h e o v e r a l le l e c t r o s t a t i ci n k - j e th e a d ，s t u d yt h e t e c h n o l o g i c a lp r o c e s so ft h eo s c i l l a t i o np l a t e ，w h i c hw i l ll a yaf o u n d a t i o nf o r f a b r i c a t i n gt h ei n k - j e th e a db yt h ep r e l i m i n a r yf a b r i c a t i o no f2 5 “mt h i c k n e s s d i a p h r a g m k e y w o r d s ：e l e c t r o s t a t i ci n k - j e th e a d ；f l u i d - s o l i d i n t e r a c t i o n ；w e b e rn u m b e r i i i 厦门大学学位论文原创性声明 本人呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考其他个人或集体已经发表的研究成果，均 在文中以适当方式明确标明，并符合法律规范和厦门大学研究生学 术活动规范( 试行) 。 另外，该学位论文为() 课题( 组) 的研究成果，获得() 课题( 组) 经费或实验室的 资助，在() 实验室完成。( 请在以上括号内填写课 题或课题组负责人或实验室名称，未有此项声明内容的，可以不作特 别声明。) c 等必哥 年州日 u 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人同意厦门大学根据中华人民共和国学位条例暂行实施办 法等规定保留和使用此学位论文，并向主管部门或其指定机构送交 学位论文( 包括纸质版和电子版) ，允许学位论文进入厦门大学图书 馆及其数据库被查阅、借阅。本人同意厦门大学将学位论文加入全国 博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和 摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于： () 1 经厦门大学保密委员会审查核定的保密学位论文， 于年月日解密，解密后适用上述授权。 | ( 2 不保密，适用上述授权。 ( 请在以上相应括号内打“”或填上相应内容。保密学位论文 应是已经厦门大学保密委员会审定过的学位论文，未经厦门大学保密 委员会审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认 为公开学位论文，均适用上述授权。) 、 刈 桴及 ，j_| 儿 日 名、-， 签 ，。 月 人为 叽 年 声， k 第一章甜自 1 i 喷墨打印的应用 第一章前言 喷墨打印技术是一种非接触式的打印技术，在计算机的控制下，将连续、微 小的液滴快速的打印到基质t 。近些年来由于喷墨打印设备具有制造成本低， 制造过程简单、便于操作等优点，其应用范围得到，很大程度的拓展，如喷墨打 印方法可用于制备有机和无机晶体管、陶瓷器件1 2 、药物输送i ”、高分子薄膜川、 生物工程和生物分析5 i 等众多方面。 1 1 1 喷墨打印在生物工程和生物分析的应用 用喷墨打印技术制各d n a 芯片是喷墨打印在生物领域的一个新的应用。传 统的照相平版印刷d n a 合成方法【6 】虽然能制备高密度的的d n a 阵列，但这种方法 成本较高，需要花费较长的时间，而且制造出来的d n a 阵列存在着变异性和不 稳定性。因此，y m a o m o t o 的研究小组研究了用热气泡喷墨打印方式来制备d n a 阵列i ”。用这种方法不但能够降低芯片制造成本，而且芯片上d n a 阵列的分布具 有更好的均匀性，提高了芯片h d n a 阵列的密度，使得在单一芯片上就能研究 整个基因组，图1 一l 为两种制各d n a 芯片方法的对比图。 b $ 镕目t 、窖嘲 “磅南 # 气m 7 篓：宴 lt 凶 i ：a _ 图1 - 1 两种制各d n a 芯片方法示意图。a 探针点样装配b 喷墨打印方式 c 两种方法制备的c d n a 阵列密度对比( 上圈为探针，下圈是喷墨打印) 此外，g o i d m a n 利川h f 喷墨打印机将d n a 直接打印到杂交膜上”i 。从他 o o o oo o o oo o o oo o o oo o o o：o o o o 黼黧 稚屯i 喷印头设i i 关键工岂 的实验结果来看，利用喷墨打印方法能够实现d n a 溶液在二维层面上的排布 而且提高喷墨打印机的分辨牢对于分析复杂摹冈是非常有利的。 1 1 2 喷墨打印在电子制造业的应用 喷墨打印技术在电子产业领域的一个重要应用是制备有机和无机的二极管、 聚合物发光二极管、薄膜晶体管等。2 0 0 0 午，剑桥大学的研究人员”噪用在阶梯 面上打印液滴的方法得到了符合晶体管要求的微细线路。j a y e s hb h a r a t h a n 和 y a n gy a n g l 9 1 则研究了用喷墨打印方泣制造高分子电致发光器件。采用这种方法， 不仅可以实现微米级分辨牢的罔案，而日对基底缺陷不敏感，只有2 的材料损 失。在制造过程中，还可以通过改变指定位置打印点的密度来改变发光器件的亮 度，如图1 2 所示。 瑚j ，拼j ”； ( a )( b ) 图1 - 1 ( a ) 喷墨打印制作的聚合物发光标识图( b ) 亮度与点密度的关系曲线 此外，喷墨打印技术还可以用于打印电路。t z u n g - f a n gg u o 等人利用喷 墨打印技术和非电镀金属沉舣技术来制造集成电路。 1 1 3 喷墨打印在功能陶瓷中的应用 陶瓷喷墨打印成型技术i 是一种把计算机辅助制造f c a m l 应用于陶瓷成型 中的新技术，它是在计算机控制下多层打印，逐层叠加制造山三维陶瓷坯体。 陶瓷的喷墨打印技术首先由b r u n e l 大学的c es l a d e 等人开展的i ：i ，他们在办 描 ， = 荽悄 ， d ，禽 r 一 0 o #， 回，一 第章前言 公打印机( h e w l e t t p a c k a r d d e s k j e t 5 0 0 ) 的基础上，采用氧化锆和分散剂聚丁基乙烯 的混合溶液作为打印液，在计算机控制下将液滴打印到指定的空间位置，完成陶 瓷成形，如图1 3 所示。此外，m o r t 等人也用喷墨打印方法制造出了1 2 0 0 层带有 方洞和悬臂的坯体i t 2 1 ，在1 9 9 9 年他们又用同种方法制造出了1 2 0 0 层的z r o j a l 2 0 3 梯度陶瓷。 另外，丁湘小组用e p s o n c 2 0 热气泡喷墨打印机将钛酸钡( b a t i 0 3 ) 粒了打 印成一层薄膜，采用特制“墨水”( 钛酸钡溶液) ，通过调整打印机和图像的分 辨率，得到了较高质量的钛酸钡薄膜，如图1 4 所示。此外，陶瓷喷墨打印成型 技术还能应用于结构 j 1 或压电有序陶瓷复合材料的制各等。 irrrr i l _ _ - _ _ - - 一 图l - 3 用喷墨打印制造的氧化锆图版 a 打印出来时b 烧结以后 1 1 4 喷墨打印在其它方面的应用 口 图1 4 用喷墨打印制造的钛酸钡薄膜 除了上述的几种应用外，喷墨打印技术还可用于其它领域。如可用喷墨打印 实现有机纳米颗粒的图像化，s h l o m om a g d a s s i 等人利用压电喷墨打印方法， 通过打印水包油微乳化液来制得所需要的图形。其中，有机官能分子转化为纳米 颗粒，分解在用水包油微乳化液打印出来的液滴中。当液滴被打印到基底表面上 时( 如玻璃，陶瓷等) ，其中的液体成分迅速蒸发，虽后只留下图形化的、以纳 米颗粒形式存在的有机官能分子。喷墨打印技术还可以制各出高质量的高分子薄 膜，e m i n et e k i n 等人【i s l 利用喷墨打印方法，快速、方便地制蔷出多种高分子薄 膜。他们还提出丁在打印高分子薄膜的过程中，可以通过对混合溶剂的配比，打 静电喷口* 设* 键芝 印头远行速率等打印参数的优化，制备出均匀的聚合物薄膜，如图1 - 5 所示。此 外，喷墨打印还能用于薄膜电极制造，点胶机等其它领域，如图1 - 6 所示。 臣固 l a l 口f 图l 一5 喷墨打印的不同材料的高分子薄膜图1 - 6 喷墨打印应用于点胶机 ( a 甲苯b 乙酸乙酯c 苯甲醛d 醋酸丁酯) 1 2 喷墨打印的现状和存在的问题 按照喷墨打印的驱动方式，喷墨打印可分为压电式、热气泡式、超j = 式和静 电式等几类。 1 2 1 压电式赜墨打印 压电式喷墨打印是根据逆压电效麻原理，利用压电陶瓷一t 电压作用下产牛形 变，进而改变液腔压强，将液体从喷i 觜高速喷射出。根据压电陶瓷的小j - 1 变形模 式，常用的压电喷墨打印主要有三种：挤h 三型( s q u e e z e m o d e l ) 、厚度：曲型f b e n d m o d e ) 、长度伸缩型伊u s hm o d e ) f z o 。存挤压型压电喷日j 叶，压电陶瓷沿着径向极 化；在厚度弯曲和长度伸缩型压电喷印巾，施加电场方向与压电陶瓷极化方向半 , t f j q 2 1 - 2 3 1 。 图1 7 为厚度弯曲型压电喷墨打印的原理示意图，它由压电陶瓷、振动膜、 墨腔等几部分构成。墨腔一端为进液口，j 一端为喷嘴。振动膜为墨腔的个侧 壁压电陶瓷粘连“- 振动膜上。压电陶瓷的外表面覆盖有导电涂层( j 二电极) ， 振动膜片上覆盖着下电极。当莉：l ：、f 电极施加电压时，压电陶瓷发生形变，引 第$ i 起振动膜向墨腔内部运动，改变墨腔的胍愠，把墨水从喷嘴一p 喷射h j 去。液滴的 大小南驱动电压幅值、脉冲宽度以及喷嘴大d 、其同决定p i 。 参幅7 图1 7 厚度弯曲性压电喷墨打印 图1 8 和图1 9 分别为长度伸缩型和挤脏型压电喷印。其中长度伸缩型的结 构与厚度弯| i 型类似，施加脉冲电压后，抹电陶瓷棒伸展，推动液体运动喷出液 滴。向挤脏型则是由一个直径很小的压电陶瓷管构成，陶瓷管沿着径向极化，在 内、外表面分别涂覆电极。在两电极问施加电压时，会_ r 起陶瓷管突然收缩，使 液滴从喷嘴喷出。 口 墨水 图1 - 8 长度伸缩型压电喷印图1 - 9 挤压型压电喷印 压电式喷墨打日j 巾，由于墨水是以机械动作从零腔中“挤”或“推”出去， 足一个柏对比较柔和的物理过程，因而墨滴形成比较规! f ! | ，珐本没有溅射现蒙， 产生的累滴直径较d 、，并往常温下工作，提高丁l 喷印头的使用寿命。仉压电式 舯电喷印头的设计垃* 键i 岂 喷墨打印方式也存在着巨大的缺陷。首先，为了提高于j 印速度，必须配置大量喷 嘴，而为保证每个喷嘴正常工作，必须对每个喷嘴进行独立控制，因此控制非常 复杂：其次，压电喷墨打印对结构尺寸精度要求较高，多层压电晶体的振荡频率 高，压电晶体及其附件的老化、变形、随时会使打印头性能f 降：而由于喷嘴结 构的特殊性，使喷嘴与介质之问的距离不能过大( 一般小于o5 c m ) ，从而限制 丁介质的种类和品质，并且较难缩小打印头尺寸1 2 s 1 。 1 2 2 热气泡式喷墨打印 热气泡式喷墨打印的工作原理是通过喷印头上的加热元件( 通常是热电阻) ， 在极短时间内将喷嘴底部的墨水急述加热n 3 0 0 。c ，形成气泡，该气泡将墨水和 加热兀件隔离，町避免将喷嘴内全音l i 墨水加热。加热信号消失后，气泡快速膨胀， 由此产生的压力压迫一定量的墨滴兜服表面张力从喷嘴中快速喷出。其打印过程 可分为三部分：1 ) 生成气泡核：热敏电阻以1 0 0 0 。c m s 的速度加热，枉少于3 p s 的时间内在喷嘴处生成气泡核。2 ) 形成墨滴：由气泡核形成气泡需3 1 0 p s ，气 泡打散形成墨滴。3 ) 喷射墨滴：汽泡破裂，喷射墨滴，此时在喷墨腔中形成真空， 吸进新墨水，整个时问需1 0 2 0 9 s ，如图1 一1 0 n 示。 么tr 卜1 0 ) i s 图1 1 0 热气泡式喷墨打印原理示意图 按照加热元件的布置方式，热气泡式喷墨打印样可分为加热元件在喷嘴底 部的底部发射型( 图i 1 0 ) ，加热元件在喷嘴侧面的侧壁发射型( 图1 1 1 ) ，以及 雷 第口前i 加热元件在喷嘴州删的巧! 部苁射型( 图1 1 2 ) 2 6 - 2 8 1 图1 1 l 侧壁发射型原理示意图图l _ 1 2 顶部发射型原理示意罔 热气泡式喷墨打印山于在打印过程中，只有墨水本身是活动的，而无其它机 械变形和位移的限定，因此可实现高频打印，同时能在个打印头上集成更多的 喷嘴，每英寸集成超过1 0 0 0 个发射腔的打印头己见诸报道口”。而且打印出的液滴 直径小，喷头制造容易，成本低，更换方便。但由于热气泡式喷印头在高温工作， 加剧环境和墨水对热敏电阻以及喷嘴的腐蚀，从而谴成喷头寿命短，须频繁更换 喷头阿引起成本的增加，且维修不便。而且喷射的墨滴旱喷溅散射状，很难把握 墨滴的形状，墨滴景也会有1 0 左右的误差，从而造成精度低，耗最量大，能耗 高i ”i 。 i 2 3 超声式喷墨打印 超声式喷墨打印常用作药物雾化及微推进。其一 作原理如图1 1 3 所示，当 压电换能嚣破脉冲调制信号激励后，会产生沿液体传播的声学波，传播方向为朝 向液一气界面i 。如果l 乜极尺寸设计得合适，声学波将在焦点h 向加强，最终引 起液滴的喷射。由 。液滴是由定向传播的超声波驱动，因而超声式喷墨打印方式 可以小设置喷嘴 3 2 1 。 m i t s l i b i s h ie l e c t r i cc o p o r a t i o i l 研制的一种超声式喷墨打e ；j 如罔1 1 4 所不。它是 胜电换能器、绝缘膜、墨腔、反射腔和喷嘴板构成。绝缘膜覆盖在压电换能器内 表曲，作用是使底电极t j 墨腔中的墨水绝缘。而反射腔由金属制成，呈抛物线型。 反射腔外覆盖有喷嘴扳，l 一面布琶着喷嘴。超声波由压电换能器产生，透过绝缘 膜后，滑液体传播。超声波被反射腔聚焦至喷嘴附近，在液面上产生毛细管波， 毛细瞥波会产牛向外喷射的雾状液滴，当超声波的频率为1 0 m h z 时，唢出的液滴 静电i 女印头的设i f m * 键岂 直径为几个微米b i 4 0 0 “m 图1 1 3 超声式喷墨打印原理示意图 a 1 剖向罔 图1 1 4 一种超声式喷墨打印头 超声式喷墨打印由于结构简单且可以不设置喷嘴，便于制造，同时有着较高 的打印分辨率和打印速度】。但超声式喷印方式存在荷 己法精确控制液膜厚度的 问题，最终会影响液滴喷射的可靠性，而且驱动复杂； 1 2 4 静电式喷墨打印 静电式喷墨打印是利用电荷之间的库仑应力进行驱动的，其工作原理如图 1 一1 5 所示。图1 1 5 ( a 1 为初始状态，此时直流电压还未加上；当在两个电极板之 间施加直流电压时，两个极板之间将产生静电力，静电力大小由町动极板尺寸、 极板间距和施加电压大小决定。振动薄膜( 可动极板) 在静电力的作用下发生变 形，变形量大小与静电力和振动薄膜的尺寸( 长、宽、厚) 有关。此时，振动薄 膜的变形使墨腔的体积增大，在压力作用下，墨水从储液槽通过进液管道进入墨 腔( 图1 1 5 ( b 1 ) ；当断开驱动电压后，振动薄膜回复，引起墨腔内压力急剧增 i i粉强 撇 誉 第一章前言 大，使得液滴从喷嘴喷出( 图1 1 5 ( c ) ) 3 5 】。 根据可动电极和喷嘴的不同布置方式，静电式喷墨打印也分为侧壁发射型和 底部发射型两种，图1 1 5 和图1 1 6 分别为侧壁发射型和底部发射型【3 6 】。其结构 都由三部分组成：上玻璃层一振动层( 硅) 一下玻璃层。其中，喷嘴、振动薄膜、 墨腔和进液管道都布置在振动层上，墨腔为一系列长槽形独立腔体，每个腔体与 相对应的喷嘴相通，振动膜片位于墨腔的底部；固定电极位于下玻璃层的表面， 并与相对应的振动膜片有一定间隙，中间的间隙由空气填充；固定电极由独立导 线引出，并与外面驱动电路相连。最后，三层结构通过阳极键合组成喷印头整体 结构。 图1 1 5 静电式喷墨打印原理图( 侧壁发射型) ( b ) ( c ) 图1 1 6 静电式喷墨打印原理图( 底部发射型) 9 静电喷印头的设i l 最键岂 同时，为了增大静电喷印头打印时振动膜片的变形量，降低驱动电压，许多 学者对此进行了研究，如采用双振动膜片驱动方式或改变固定电极布置方式等措 施 3 7 - 3 9 j ，如图1 1 7 和l 一1 8 所示。 进液管 、 绝缘层固定电极振动膜， j ， 一 。， 、 图1 1 7 双振动膜片式静电喷印头 玻璃 同定电极 图l - 1 8 采用弯曲式电极布置的静电喷印头剖面图 喷嘴 二 双振动膜片式静电喷印头，由于采用两个膜片驱动，旌加电压时，膜片的总 形变量为两个膜片形变量之和，因此，与一般的静电喷印头相比，双振动膜片式 静电喷印头在较低的驱动电压下就能产生足够的形变量，把墨滴喷射出去口7 1 ；而 采用弯曲式电极布置方式的静电喷印头，由于固定电极与振动膜片( 可动电极) 之间的旬距不是等距的，越靠近膜片长边，间距越小。当在两极扳之间施加电压 第一章前言 时，由于膜片长边两侧与固定电极间距较小，产生的静电力较大，增大了膜片的 变形量，有效降低了驱动电压【3 9 】。 静电喷印头使用硅和玻璃作为基底，因此整体结构刚度大，精度高；并且硅 和玻璃具有耐热和耐化学腐蚀的特性，可用于低熔点金属( 例如焊锡) 等多功能 材料的打印；由于结构简单，能以低成本进行批量化生产；静电力具有响应速度 快，可靠性高的优点，可实现高频打印，常用作质谱分析系统中样品的供给，也 被用作药物雾化以及产生直径分布集中的雾化粒子，还可用于细胞打印【4 0 】；由于 结构尺寸小和喷嘴的高集成度，还可用于商业收款打印发票、收据或者测试仪器 类打印测量结果等；并且不存在如压电式振动晶体的老化或者热气泡式墨水对结 构的腐蚀，具有较长的使用寿命【3 5 1 。 1 3 本研究课题提出的背景 自1 9 8 5 年由a p p l e 电脑公司发明的台式打印机被采用以来，喷墨打印技术 取代了针式打印机的多年传统地位，确立了其在打印界不可动摇的地位。而近些 年来，由于喷墨打印设备具有制造成本低，制造过程简单、便于操作等优点，它 的应用领域有了极大的拓展，但传统的压电和热气泡喷墨打印方式都具有难以克 服的缺陷，如压电式对喷印头结构尺寸精度要求较高，多层压电晶体的震荡频率 高，压电晶体及其附件的老化、变形、随时会使打印头性能下降并难以降低打印 头的尺寸。而热气泡式喷射的墨滴呈喷溅散射状，很难把握墨滴的形状，墨滴量 也会有1 0 左右的误差，从而造成精度低，耗墨量大，能耗高【2 5 】。而超声式打 印头存在驱动复杂，液膜控制精度差等问题【3 4 1 。近年来由于静电喷印头具有原理 简单，制作成本低，应用领域广的特点，吸引了人们的普遍关注【4 0 l 。 一般的静电喷印头虽具有高分辨率，结构尺寸小，能耗低和寿命长等优点， 但像文献3 5 3 9 1 所报道的静电喷印头普遍采用了喷嘴、振动膜片、墨腔和进液管 道都布置在振动层的布局设计，这在一定程度上给工艺带来相当的困难，像振动 层上墨腔和进液管道的深度不同，在工艺上要通过刻蚀工艺实现不同深度的硅片 腐蚀，不仅需要复杂的光刻掩模技术，同时对腐蚀参数的精确控制提出了严格的 要求。另外，文献 3 7 和 3 8 设计时采取通过改变电极的布置方式或采用双振动 膜片来提高振动膜片的形变量，降低驱动电压，这也是目前静电喷印头普遍采用 静电喷印头的设计及关键工艺 的方式，但该种方式同时也会使工艺更加复杂，提高制作成本。如采用弯曲式电 极布置方式的静电喷印头，制作弯曲的固定电极工艺较为复杂，其工艺流程如图 1 - 1 9 所示。首先，在对玻璃基底进行光刻工艺时需要旋涂两层光刻胶，曝光时 需对紫外光( u v ) 的光照强度进行精确控制，要求固定电极版图的中心位置紫外 光强度最大，距离中心越远，紫外关照强度越小；其次，在腐蚀时需对腐蚀过程 进行精确控制。因此，整过工艺过程可控性较差，工艺复杂。而对于双振动膜片 式静电喷印头，其制作成本也将随着对两个振动膜片的加工而成倍增加。 其次，在结构设计上，传统的静电喷印头由于采用了喷嘴、振动膜片、墨腔 和进液管道都布置在振动层的设计，再加上工艺制作的限制，因而很难对进液结 构在防止墨水回流的性能上进行优化设计。静电喷印头中由于膜片回复时，将会 引起墨腔的墨水部分从进液管道回流。如象文献f 3 5 1 中所报道的，当膜片的体积 变形量是3 2 1 0 - 1 3 m 3 ，而打印出的墨滴的体积仅为1 6 1 0 - 1 3 m 3 ，可见打印时墨 水回流的作用非常明显。墨水的回流对打印性能的影响是非常严重的，其意味着 需要更大的振动膜片变形，才能保证墨腔内的墨水在一定的压力下被挤压出去。 虽然文献3 7 1 和3 8 1 分别采用的改变电极布置方式和双振动膜片方式，在一定程 度上增大了墨腔的体积变形量，从而达到对回流效应的补偿，但这两种方式都是 以增加工艺成本和工艺难度为代价的。 综上所述，针对目前静电喷印头的工艺和设计上的问题，有必要对传统的静 电式喷墨打印结构进一步改进，特别是在防止回流效应上对进液管道进行优化设 计，以期在不增加工艺复杂程度和提高驱动电压的情况下，达到简化制作工艺， 降低成本的目的，从而使得静电喷印技术得到更加广泛的应用。 冀一 厣蟠 ， 鞴一一 ( c ) ( d ) 图1 1 9 弯曲式固定电极制作工艺流程 1 2 第一章前言 1 4 本文研究目标以及主要工作 1 4 1 研究目标 通过对静电喷墨打印原理的研究分析和对打印过程的理论建模与仿真，分析 影响静电喷墨打印性能的参数( 如膜长、宽、厚，施加的电压，进液管结构等) ， 最终得到静电喷印头结构的优化设计参数，解决传统静电喷印头喷嘴、振动膜片、 墨腔和进液管道都布置在振动层的布局设计给工艺带来的困难，简化制作工艺； 克服打印过程中由于膜片回复时引起的回流问题，提高静电喷印头的打印速度。 最终通过m e m s 加工工艺，对静电喷印头的制作流程和关键工艺进行初步探索， 为实现静电喷印头的实际生产制作打下良好的基础。 1 4 2 研究内容 1 1 进行理论分析研究，初步设计静电喷印头的整体结构，对喷印头主要结构单 元进行理论分析，研究影响打印性能的参数。 2 ) 理论分析与有限元仿真相结合，分析膜片变形量与各个参数之间的关系，确 定振动膜片结构；研究影响进液管效率的参数，对进液管结构进行优化设计， 确定进液管结构。 3 ) 进行a n s y s 流固耦合仿真，模拟出打印过程中结构变形对腔内液体的作用， 进一步优化整个喷印头结构，最终确定静电力喷印头的整体结构。 4 ) 研究液滴喷射的极限条件和影响液滴喷射的相关参数，理论分析和仿真结果 相结合，验证所设计静电喷印头结构的可行性。 5 ) 对静电喷印头的制作工艺进行初步探索，设计喷印头制作的工艺流程以及摸 索流程中的相关工艺参数，为静电喷印头的实际生产制作打下良好的基础。 第一静q 日口m 臼= j & 1 1 w l e 丹忻 第二章静电喷印头的设计与理论分析 奉章介绍，所设汁的静电喷印虫的整体结构及其t 作原理，通过刖静电驱动 脱片变形、静电吸舟特性以及打敞收缩管的理论分析，为静电喷印又l - 要结构 单元一振动膜片和m 散q 2 缩管的优化设计扣r 基础。 2 1 静电喷印头的整体结构及其工作原理 图2 1 为所设训的侧啭式静电i 贲印义整体结构示意图，它乜括= 胚结构：r 层为硅崩，中间层为振动层，r 层为玻璃层。托巾喷嘴似于振动层侧4 谩液腔同 样位于振动层，为系列k 椭形独屯腔体，驱动l = l 元一矩形振动膜片作为液腔的 底吉| ：，采用矩形膜片作为振动膜片，土要是为厂提高喷印头的集成皮mj 墨水流 进液腔的进液管，采用护敞收缩管，化于f ：硅层_ i 时应各液肝叫市胃升远离喷 嘴端，。j 液腔相通，直幽2 - 2 f a l 所示：吲定电极，化丁玻璃层内表嘶，为系 列k 方形l 乜极，、l q t , q j 各液腔底部的振动膜片十距一定距离，f h j l ! 市导线引出， 与外而驱动电路千h 连；档体装配图如图2 - 2 ( b ) 所乐。 此结构叶 ，采用了碓一i l = 一玻璃= 。；结卡勾代替r艘静电喷印头的玻璃一硅一玻璃层? ，构：并把进液萑 从振动层移 l ，布置门l 硅层为了降低打印过程中最水回流的影u 自，采用，自 敞t 2 缩管作为进液管道，取代，传统的二三角形或方形进液管】世例。 图2 - l 静电喷印头整体结构示意罔 静自喷印* 的嚏”哭键 岂 弓 a b 图2 - 2 结构示意图( a ) 上硅层背面图( b ) 整体装配图 打印时，振动层接地，同定电极通过引出电极与外音l ：驱动电路柏连，接脉冲 直流电压信号。利用两个电极之间电荷的吸引作用所产生的静电力，使振动膜片 产生变形，引起墨腔内的压强变化，从而把液体从喷嘴喷射出去。这种结构中， 由于把进液结构从振动层移出，简化，墨腔和上生液管道在同层上刻蚀不同深度 的瑶求，有利丁避免复杂掩横版所带来的工艺问题，降低了工艺难度。时对进 液管采用优化的打散收缩管结构宵效降低，振动膜片回复时引起的回流影响， 提高了打印速度。 由于静电喷印头打印过程中涉及到静屯力与结构( 膜片) 耦台的问题，因此 在对静电喷印头设计时必须对静电驱动原理干振动膜片的弯曲变形进行理沦分 析，研究影响膜片变形量的相哭参数，设计合适的膜片尺、r 。同时，为j 更好的 降低_ 旦】流现象的影啊，需刘扩散收缩管进 r 理论分析，对影响打散收缩管性能 的参数行优化i 殳计，提高扩散收缩管的效率。 2 2 静电驱动原理及其吸合特性分析 2 21 平行板电容静电力计算 存微机械执行器叶1 ，常常需要驱动结构，尤其是振膜式驱动元件，需要驱动 力使振动膜片滑驱动方向振动。微机械的驱动方式多种多样，大致可分为静电力、 电磁力、压l 吐山、形状记忆合金、热膨胀等。由卜制作静电驱动的电容结构相对 简单，主要采用l e 、负电极板之问的静电引j 形式，常将其中的个极板同定， 第二章静电喷印头的设计与理论分析 另一个极板能够运动或变形，处理方便，因而在微机械器件中得到了广泛的应用， 如数字微镜( d m d ) 【4 7 1 、微陀螺( m i c r o g y r o ) 【4 引、微谐振器( r e s o n a t o r ) 【4 9 】等。 静电力存在于微机械加工的平行板电容器的两个极板之间，是由极板上存储 的电荷互相吸引产生的，表现为两种形式，第一种使电容的两级板距离减小，称 之为法向力；第二种增加电容极板之间的覆盖面积，称之为切向力【4 4 1 ，图2 3 是 平行板电容两个极板之间法向力的示意图。 一。l + v v 几 苎：( 0x 一 ( a ) 开关断开时( b ) 开关闭合时 图2 3 平行板电容法向静电力示意图 当开关闭合后，电容两端加载电压源，此时可动极板受到的法向静电力可由 下式表示【4 5 】： 目= 一百o e ( x ) = 一等y 2 ( 2 - 1 ) 其中，a 是两极板正对面积，x 是两极板之间的间距，占、s o 分别为两极板 间介质的相对介电常数和真空的介电常数。 图2 4 是平行板电容切向静电力示意图，其中下极板为固定电极，两极板间 距为d ，两极板交叠长度为y ( 大于极板间距d ) ，极板宽度为b 。当电容两端加 载电压源后，此时可动极板受到的切向静电力可由下式表示： 辱= 一百c 3 e ( y ) 一b 2 c d 占o y 2 ( 2 2 ) 从式( 2 2 ) 可以看出，可动极板受到的切向力作用方向为增大两极板正对 面积，切向力大小与两极板间距成反比，与极板宽度b 成正比。由于x = d ， a = b y ，从式( 2 1 ) 和( 2 2 ) 可得： 1 6 静电喷印头的设计及关键工艺 ( a ) 开关断开时( b ) 开关闭合后 图2 - 4 平行板电容切向静电力示意图 鼎：上 ( 2 3 ) l 弓i d 在微结构中，y 一般远大于d ，所以法向力远大于切向力，平行板电容器所 受到的静电力以法向力为主，也是静电喷印头的主要驱动力。从式( 2 1 ) 可以 看出，两极板之间的法向静电力作用方向为减小两极板的间距，静电力大小与两 极板的正对面积成正比，与两极板间距成反比。这意味着，在静电喷印头的设计 时，适当的增大振动膜片的面积和减小振动膜片与固定电极之间的间距，可以有 效地增大振动膜片所受的静电力；但同时，也应该注意到，振动膜片的面积增加， 将在一定程度上影响静电喷印头的集成度。另外，振动膜片与固定电极间距的减 小，也将导致膜片可变形的范围降低，从而影响液腔的整体变形量。因此对静电 喷印头进行设计时，要对振动膜片的结构尺寸与两极板间距进行合理设计，达到 膜片变形量要求与驱动电压设计要求之间的平衡。 2 2 2 静电吸合特性分析 在m e m s 的静电驱动微结构中或者以电容为传感信号的微器件中，存在着 静电力与结构件弹性力的耦合问题，这就导致了一个重要的现象，机电耦合一静 电吸合【5 1 】。由于静电喷印头采用静电驱动，为防止打印过程中振动膜片( 可动电 极) 和固定电极由于静电吸合相接触发生短路甚至导致振动膜片碎裂【3 7 】，必须对 静电吸合现象进行必要的分析。 静电驱动微结构的吸合效应来源于静电力的非线性，由库仑定律可以知道， 电荷之间的静电力与电荷间的距离平方成反比，而结构的刚度一般为线性的( 小 1 7 第_ 章静电喷印头的设计与理论分析 挠度) ，也就是说弹性力线性增加的同时，静电力是非线性增加。当结构间隙达 到某一特定值时，弹性力与静电力平衡，之后静电力增加的速度大于弹性力增加 的速度，使得结构的弹性力无法平衡静电力，电极之间就会吸合到一起，也就是 所谓的“吸合效应”。下面用静电力作用下的弹簧系统来说明静电驱动的吸合现 象【4 7 1 。图2 5 所示的最简单的静电力驱动弹簧系统，在平行板驱动电极上施加电 压矿，电极间的初始间隙为哦，弹簧的刚度为k 。 两极板间的静电力为( 不考虑边缘效应) ： e 2 丽s e o a v ： ( 2 _ 4 ) 式中a 为极板的面积，s 、氏分别为两极板间介质的相对介电常数和真空的 介电常数。 | c 一卜一 l 惴 一以一 l x 图2 5 静电驱动的弹簧一质量系统 其中，弹簧的弹性力为： e = k x ( 2 5 ) 在静电力和弹性力的共同作用下，动极板移动到某一位置时，系统处于平衡 状态，此时： h ：兰趔： ( 2 6 ) 2 ( 碗一工) 2 将上式改写为： 一2 玩x 2 + 妒等y 2 ( 2 - 7 ) 图2 - 6 为式( 2 7 ) 中不同驱动电压下弹性力和静电力随位置变化曲线示意 静电喷印头的设计及关键工艺 图，图中