压电喷墨打印头的结构工艺设计及制造

作     者：王秋森 

作者单位：大连理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：邹赫麟;秦学孔

授予年度：2020年

学科分类：08[工学] 081201[工学-计算机系统结构] 0812[工学-计算机科学与技术（可授工学、理学学位）] 

主      题：喷墨测试 泊肃叶定律 压电喷墨打印头 MEMS工艺 

摘      要：压电喷墨打印头是压电喷墨打印机的重要组成部分,压电喷墨打印头的质量直接影响压电喷墨打印机的打印性能。本文从选材、理论分析设计、工艺流程、振动测试等方面对压电喷墨打印喷头进行了深入研究,设计制造了拥有自主知识产权的压电喷墨打印喷头,推动了压电喷墨打印领域的探索进程。本文的主要研究内容包括如下:(1)本文讨论了压电喷墨打印头各个组成部分的设计要求,细致分析了选材、制造工艺对压电喷墨过程的影响,确定了压电喷墨打印喷头的基底为Si,振动板为SiO,压电元件为锆钛酸铅(Lead zirconate titanate,PZT)薄膜,上下电极为金属Pt,保护层为Parylene,腔室为SU-8,并且将甩胶、曝光、溅射、干刻等MEMS工艺运用到压电喷墨打印头的制造过程中。(2)根据已确定的选材和工艺技术,对压电喷墨打印喷头进行一系列理论分析,运用等效力理论、泊肃叶定律、片层法等理论和方法对压电喷墨过程进行逐步分析,推导出了振动板尺寸、材料与振动板振幅的关系解析式,并且通过片层法推导出振动板的振幅与腔室的体积变化量成正比关系,然后对腔室内流体进行流体分析,获得了振动板振幅对喷嘴压强、墨滴喷射速度的影响关系式。最后,通过赫姆霍兹理论获得了压电喷墨打印喷头测试过程中可选取的频率范围。(3)根据上文的理论分析,考虑到MEMS技术的工艺特点、打印头各部分的材料以及制备工艺的兼容性,本文确定了压电喷墨打印头的制备工艺流程:干氧工艺获得SiO层、溅射和腐蚀工艺获得上下电极、溶胶凝胶法获得PZT压电薄膜、甩胶曝光工艺获得Parylene保护层、干湿刻工艺释放振动板、甩胶键合工艺获得腔室和喷嘴,并对工艺中可能出现的问题进行了解决和优化。(4)针对压电喷墨打印头的性能测试,为了检测高速墨滴的运动情况,本文利用高速成像原理开发了一款墨滴视觉检测系统软件,为了达到提高墨水挤压力和振动板振幅的目的,受理论指导,本文又进一步讨论,设计了一种Cu/SiO结构的新型振动板结构,并利用多普勒结果测振仪对其进行了测试,并跟现有振动板结构进行振幅对比实验,发现新型振动板结构确实有更高的振幅,这不但验证了理论的可行性,而且对提高墨水的挤压力有积极的作用。