專利名稱：一種陣列化電流體動(dòng)力噴印頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及噴印頭領(lǐng)域，特別是一種陣列化噴墨打印頭。
背景技術(shù)：
噴墨打印設(shè)備由于制造環(huán)境友好，節(jié)省打印材料，操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)被其它領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。例如采用噴墨打印技術(shù)制造柔性電子晶體管、生物傳感器、太陽(yáng)能電池、微流芯片等方面。傳統(tǒng)的噴墨打印技術(shù)主要采用靜電連續(xù)式和按需打印，其中按需打印又包括壓電式和熱氣泡式噴墨。傳統(tǒng)的靜電打印方法，諸如利用背景電極對(duì)墨粉進(jìn)行荷電，圖像信息利用控制單元轉(zhuǎn)換為靜電控制電場(chǎng)的圖案，通過(guò)開閉帶孔的電極陣列，從而選擇性的讓墨粉通過(guò)，在打印介質(zhì)上形成圖案，其為連續(xù)性噴墨打印，墨粉浪費(fèi)大。壓電式控制較復(fù)雜，結(jié)構(gòu)尺寸精度要求較高，壓電晶體及其附件的老化、變形、隨時(shí)會(huì)使打印頭性能下降，并且造成噴頭壽命短，工作能耗高，而且噴射液滴定位精度不高。熱氣泡式對(duì)由于瞬間局部加熱，對(duì)功能性材料有一定選擇性，液滴尺寸較大。目前普遍認(rèn)為按需打印時(shí)，液滴直徑為針頭直徑的1. 89倍，打印線寬為20 50微米，如果需要更小的特征尺寸則需要制造更加細(xì)小的針頭，這將對(duì)陣列化噴嘴的微制造工藝提出巨大的挑戰(zhàn)。同時(shí)，在新的應(yīng)用領(lǐng)域，墨水多為聚合物、高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的溶液，具有粘度大，密度大等特點(diǎn)，使得噴嘴容易堵塞并回彈，無(wú)法有效產(chǎn)生液滴。綜上所述，現(xiàn)有的噴墨打印技術(shù)以下幾個(gè)缺點(diǎn)(1)噴印打印分辨率低液滴尺寸受限與噴嘴直徑；(2)噴嘴容易堵塞；(3)噴嘴制造工藝復(fù)雜；(4)定位精度低。電流體動(dòng)力噴印是具有前景的技術(shù)，目前電流體動(dòng)力噴印方法主要應(yīng)用于靜電噴涂和靜電紡絲方面，噴頭設(shè)計(jì)也多以此應(yīng)用展開。這些噴嘴主要包括一個(gè)中心電極，一個(gè)在上述中心電極周圍的外電極，其間距離形成一個(gè)通道，液體流經(jīng)該通道從出口噴出。該結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電極制造工藝繁瑣。美國(guó)專利申請(qǐng)US2008/0003374A1中，采用簡(jiǎn)單的針頭與遠(yuǎn)離針頭的環(huán)形電極實(shí)現(xiàn)墨水的流變，但液體最終分裂成小液滴，無(wú)法精確控制。另外在 Jun-Sung Lee,Sang-Yoon Kim,Yong-Jae Kim, Jaehong Park(Design and evaluation of a a silicon based multi-nozzle for addressable jetting using a controlled flow rate in electrohydrodynamic jet printing, APPLIED PHYSICS LETTERS,93,243114, 2008)等的報(bào)道中，噴嘴的下部拉伸電極為平板結(jié)構(gòu)上部針狀電極，結(jié)構(gòu)缺乏緊湊，無(wú)法實(shí)現(xiàn)陣列化噴嘴的制造。不能滿足精確定位的工業(yè)需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種陣列化電流體動(dòng)力噴印頭，采用電流體動(dòng)力噴印原理，通過(guò)控制電壓實(shí)現(xiàn)射流的斷裂，從而產(chǎn)生墨滴形成射流，從噴嘴處流出，實(shí)現(xiàn)噴印，解決了目前噴嘴制造工藝復(fù)雜，無(wú)法打印亞微米尺寸圖案，高粘度墨水無(wú)法噴出等問題，具有高分辨率、高效率、適應(yīng)高粘度墨水等優(yōu)點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)上述目的所采用的具體技術(shù)方案如下
一種陣列化電流體動(dòng)力噴印頭，包括墨盒，和位于墨盒中間將該墨盒內(nèi)腔分隔為上腔和下腔的噴嘴板，所述噴嘴板上布置有呈陣列布置的噴嘴孔，該噴嘴孔貫通所述上腔和下腔，所述墨盒下部底面上設(shè)置有對(duì)應(yīng)呈陣列布置的墨液出口，所述噴嘴板下底面上設(shè)有上電極，墨盒下底面上設(shè)有下電極，從而在所述下腔內(nèi)形成電場(chǎng)，上腔內(nèi)的墨液穿過(guò)噴嘴孔進(jìn)入下腔，在下腔電場(chǎng)的作用下形成射流，通過(guò)墨液出口噴出進(jìn)行噴印。所述墨盒和噴嘴板由不導(dǎo)電的材料，如硅、玻璃等制成。所述噴嘴孔結(jié)構(gòu)采用擴(kuò)散/收縮管形狀，即圓臺(tái)型上部孔徑大于下部孔徑，該結(jié)構(gòu)可防止液滴回彈。其中，所述上電極通過(guò)在噴嘴板下底面上涂覆導(dǎo)電金屬形成，所述下電極通過(guò)在墨盒下部底面上的墨液出口周圍涂覆導(dǎo)電金屬形成。噴嘴孔陣列與墨液出口陣列一一對(duì)應(yīng)。所述上電極和下電極在空間上平行，形成平行電極。噴印頭采用電流體動(dòng)力噴印原理。其原理是在兩電極間施加電場(chǎng)時(shí)，引起墨液的電荷極化，在靜電力的作用下液體發(fā)生流變行為，形成射流，從噴嘴處流出。通過(guò)控制電壓實(shí)現(xiàn)射流的斷裂，從而產(chǎn)生墨滴。本發(fā)明的技術(shù)方案是采用將平行電極直接制造在噴嘴上并在兩電極之間形成空間電場(chǎng)，極化液體后，空間的靜電力作為液體的驅(qū)動(dòng)源。在平行電極間施加的為脈沖電壓，實(shí)現(xiàn)射流的斷裂控制。該噴嘴的具體工作方式如下通過(guò)墨液供給單元將打印墨水輸送至墨盒腔體，使墨液充滿墨盒腔體。通過(guò)外接脈沖電壓發(fā)生器與外接控制單元進(jìn)行尋址通電，實(shí)現(xiàn)單個(gè)電極的驅(qū)動(dòng)。當(dāng)脈沖電壓加載在電極上時(shí)，由于極化作用在對(duì)應(yīng)噴嘴處液體會(huì)發(fā)生流變行為， 當(dāng)電壓超過(guò)臨界電壓后，墨液形成射流噴出，噴印在基板上。當(dāng)電壓維持一段時(shí)間后，根據(jù)需要進(jìn)行電壓的去除，則射流消失，打印介質(zhì)上留有液滴。一個(gè)噴印周期完成。實(shí)現(xiàn)一個(gè)液滴的噴印過(guò)程，如此重復(fù)并控制每個(gè)噴嘴的電壓通斷，并配合打印介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)圖案的打印。為實(shí)現(xiàn)上述目的，墨盒層、噴嘴層、墨液出口層為不導(dǎo)電的絕緣材料，如硅、玻璃等。沉積在噴嘴層與下層電極上的電極為導(dǎo)電良好的金屬，如金、銀等。墨液范圍廣泛，為可極化的溶液。與現(xiàn)有的噴印頭相比，本發(fā)明具有以下突出的優(yōu)點(diǎn)(1)采用電流體動(dòng)力噴印機(jī)理，射流直徑可達(dá)到1 10微米，不受噴嘴直徑影響；( 由于產(chǎn)生極化電荷，射流拖拽力較大，適用與高粘度溶液，且不會(huì)損壞材料；(3)簡(jiǎn)化工藝，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。采用平行電極進(jìn)行液體驅(qū)動(dòng)，簡(jiǎn)化了針狀電極的制造。相比其它噴印頭，沒有壓電陶瓷，振動(dòng)模片或者熱氣泡等復(fù)雜結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，省略大量制造工藝，并一次性制造出噴嘴陣列；(4)提升打印精度，提高了打印性能。由于降低了兩個(gè)電極之間的距離，同時(shí)射流置于腔體內(nèi)，避免了噴嘴之間的干擾和空氣的擾動(dòng)干擾，從而提高了打印精度，降低了工作電壓，便于工業(yè)應(yīng)用；(5)節(jié)省材料，降低成本。由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可采用玻璃-硅-玻璃三層結(jié)構(gòu)。三層結(jié)構(gòu)多為板狀和槽型，制造簡(jiǎn)單。無(wú)其它驅(qū)動(dòng)單元(如壓電陶瓷等)減少了相應(yīng)材料，從而總體降低了成本。


圖1是本發(fā)明實(shí)例的外觀結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明實(shí)例的剖面示意圖；圖3是本發(fā)明實(shí)例的分解結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明實(shí)例的噴頭陣列剖面示意圖；圖5是本下層單個(gè)噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是噴嘴射流與脈沖電壓加載的時(shí)序示意圖；其中，1為墨盒，2為噴嘴板，3為墨液出口層，4為供液口，5為噴嘴孔，6為上電極， 7為下電極，8為墨液出口。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。本發(fā)明的陣列化電流體動(dòng)力噴印頭，采用電流體動(dòng)力噴印原理，通過(guò)控制電壓實(shí)現(xiàn)射流的斷裂，從而產(chǎn)生墨滴形成射流，從噴嘴處流出，實(shí)現(xiàn)噴印。如圖1 4所示，該噴印頭包括墨盒1，和位于墨盒中間將該墨盒內(nèi)腔分隔為上腔和下腔的噴嘴板2，其中，所述噴嘴板2上布置有呈陣列布置的噴嘴孔5，各噴嘴孔5貫通所述上腔和下腔，所述墨盒1下部底面上設(shè)置有對(duì)應(yīng)呈陣列布置的墨液出口 8，所述噴嘴板 2下底面上設(shè)有上電極6，墨盒下底面上設(shè)有下電極7，從而在所述下腔內(nèi)形成電場(chǎng)，墨液從墨盒1上的供液口 4供入墨盒1和噴嘴板2構(gòu)成的上腔內(nèi)，墨液穿過(guò)噴嘴孔5進(jìn)入下腔，在下腔電場(chǎng)的作用下形成射流，通過(guò)墨液出口 8噴出至打印介質(zhì)上，待電壓結(jié)束后，射流回彈斷裂，實(shí)現(xiàn)墨滴的產(chǎn)生。單個(gè)噴嘴孔的結(jié)構(gòu)如圖5所示，主要參數(shù)包括噴嘴長(zhǎng)度L，噴嘴輸液管長(zhǎng)M,進(jìn)液口角度a，噴嘴輸液管寬度d。本實(shí)施例中優(yōu)選的具體參考尺寸如下墨盒1壁厚2mm，墨盒深度3mm，長(zhǎng)50mm.寬20mm ；供液口 4直徑4mm ；噴嘴板2厚度Imm ；底部電極層側(cè)邊厚度2mm， 底部厚度0. 5mm ；導(dǎo)電金屬材料電極由真空蒸鍍制作，厚度IOOnm ；單個(gè)噴嘴具體尺寸，L為 lmm, M 為 0. 65mm, d 為 0. 4mm, a 為 120 度。如圖6所示，當(dāng)以一個(gè)脈沖周期加載時(shí)，液滴的產(chǎn)生順序。當(dāng)脈沖電壓未加載時(shí)， 液滴在噴嘴處由于表面張力為彎液面，當(dāng)脈沖電壓達(dá)到峰值時(shí)，墨液受到極化，形成液錐， 當(dāng)持續(xù)加載電壓時(shí)，形成射流并沉積在打印介質(zhì)上。當(dāng)脈沖電壓停止加載，射流斷裂，液滴停留在打印介質(zhì)上。射流消失，墨液恢復(fù)初始狀態(tài)。
權(quán)利要求
1.一種陣列化電流體動(dòng)力噴印頭，包括墨盒(1)、和位于墨盒(1)中部將該墨盒(1)內(nèi)腔分隔為上腔和下腔的噴嘴板O)，所述噴嘴板(2)上布置有呈陣列布置的噴嘴孔(5)，該噴嘴孔(5)貫通所述上腔和下腔，所述墨盒(1)下部底面上設(shè)置有對(duì)應(yīng)呈陣列布置的墨液出口(8)，所述噴嘴板( 下底面上設(shè)有上電極(6)，墨盒(1)下底面上設(shè)有下電極(7)，從而在下腔內(nèi)形成電場(chǎng)，上腔內(nèi)的墨液穿過(guò)噴嘴孔( 進(jìn)入下腔，在下腔電場(chǎng)的作用下形成射流，通過(guò)墨液出口(8)噴出進(jìn)行噴印。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陣列化電流體動(dòng)力噴印頭，其特征在于，所述的所述墨盒和噴嘴板由不導(dǎo)電的材料制成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的陣列化電流體動(dòng)力噴印頭，其特征在于，所述噴嘴孔結(jié)構(gòu)采用擴(kuò)散/收縮管形狀，即噴嘴孔的上部孔徑大于下部孔徑。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3之一所述的陣列化電流體動(dòng)力噴印頭，其特征在于，所述上電極 (6)通過(guò)在噴嘴板( 下底面上涂覆導(dǎo)電金屬形成，所述下電極(7)通過(guò)在墨液出口(8)周圍涂覆導(dǎo)電金屬形成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-3之一所述的陣列化電流體動(dòng)力噴印頭，其特征在于，所述上電極 (6)和下電極(7)在空間上平行，形成平行電極。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5之一所述的陣列化電流體動(dòng)力噴印頭，其特征在于，所述噴嘴孔 (5)與墨液出口(8) —一對(duì)應(yīng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-5之一所述的陣列化電流體動(dòng)力噴印頭，其特征在于，所述墨液為可極化材料。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種陣列化電流體動(dòng)力噴印頭，包括墨盒、和位于墨盒中部將該墨盒內(nèi)腔分隔為上腔和下腔的噴嘴板，所述噴嘴板上布置有呈陣列布置的噴嘴孔，該噴嘴孔貫通所述上腔和下腔，所述墨盒下部底面上設(shè)置有對(duì)應(yīng)呈陣列布置的墨液出口，所述噴嘴板下底面上設(shè)有上電極，墨盒下底面上設(shè)有下電極，從而在所述下腔內(nèi)形成電場(chǎng)，上腔內(nèi)的墨液穿過(guò)噴嘴孔進(jìn)入下腔，在下腔電場(chǎng)的作用下形成射流，通過(guò)墨液出口噴出進(jìn)行噴印。本發(fā)明采用電流體動(dòng)力噴印機(jī)理，射流直徑可達(dá)到1～10微米，不受噴嘴直徑影響，而且射流拖拽力較大，適用與高粘度溶液，且不會(huì)損壞材料。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，打印精度高，低成本的特點(diǎn)，具有很好的工業(yè)實(shí)用性。
文檔編號(hào)B41J2/01GK102267286SQ20111016009
公開日2011年12月7日 申請(qǐng)日期2011年6月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月14日
發(fā)明者尹周平, 布寧斌, 潘艷橋, 黃永安 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)