CN106739506A - 一种用于电流体喷印的压电式集成喷头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电流体动力喷印设备领域，具体涉及一种用于电流体喷印的压电式集成喷头，包括外部支架、压电结构、喷头、下电极支撑环和下电极环，压电结构位于喷头上方，喷头上部设置有一上电极，喷头下方依次设置有下电极支撑环和下电极环，压电结构和上下电极通电后，在喷射头和下电极环之间形成电场，从而使溶液在喷射头处形成泰勒锥。本发明的压电式集成喷头克服了现有的电喷印设备不能满足高频喷射的缺陷，能够实现高频高分辨率的打印，将下电极集成到喷头端，使得整个喷印系统更加灵活，能够使用复杂形状的基板进行打印，还具有结构简单、制造成本低廉，适合大规模生产等优点。

Description

一种用于电流体喷印的压电式集成喷头

技术领域

本发明涉及电流体动力喷印设备领域，具体涉及一种用于电流体喷印的压电式集成喷头，其能够实现高频，高分辨率打印，且能适用于曲面等不同形状的基板打印。

背景技术

电流体动力喷印是通过在喷头和基板之间施加高压电，形成强电场，将溶液从喷头拉出，可形成点喷，喷雾和纺丝等工艺。电流体动力喷印是通过泰勒锥进行喷射，泰勒锥的几何尺寸远小于喷头的尺寸，因此可以实现比传统喷墨打印更高的分辨率。

电流体动力喷印目前有两种工作模式，一种是在喷头和基板之间施加之流高压，形成连续式喷印，另一种是在喷头和基板之间施加方波，形成按需喷印(drop-on-demand)。其中按需喷印相较于连续喷印，具有液滴大小可控，在基板上沉积出的墨滴的精度和分辨率高，能够实现更好的定位，可靠性好。

现有的电喷印设备是通过在喷头和基板之间直接施加高压来进行喷印的，这样的方式有如下的缺点：

一是实现按需喷印需要交流电压，交流电压从零压上升至设定值需要一定的时间，达到稳定也需要一定的时间，从而就限制了可用于按需喷印的交流电压的频率，使得按需喷印无法在高频下实现高分辨率的喷印。

二是电喷印从喷嘴喷射出的是带电液滴，其体积小，从喷头飞行至基板的这段时间内容易受到外界电场的干扰，从而影响了定位精度。目前的电喷印设备喷头和基板之间处于开放的状态，无法实现墨滴的精度可控。

三是现有的电流体喷印设备所使用的基板为平面形的基板，在平面基板上施加电压可保证电场有良好的均匀性。而在曲面上施加电压，则电场不均匀，不可控。因此现有的电喷印设备无法满足在曲面或是其他复杂形状的基板上进行喷射。

由于存在上述缺陷和不足，本领域亟需做出进一步的完善和改进，设计一种集成喷头，使其能够在高频率下实现稳定、精确的液滴喷射，且能够实现在曲面或其他复杂形状的基板上进行喷射。

发明内容

本发明的目的旨在提供一种新型的用于电流体喷印的压电式集成喷头，通过压电薄膜来控制喷印的频率，实现高频打印，在喷头下方集成下电极，将原本施加于基板上的电压施加于喷头下方的电极，在喷嘴和下电极之间施加一个和喷嘴出的电极极性相同的电场，来提高墨滴飞行时的定位性，将喷头和下电极之间的支撑做成空腔，便于飞溅至支撑壁上的卫星液滴往下滑动，支撑环上设有微流道，方便气流辅助用于通气将飞溅至支撑壁上的液滴冲走，喷头所需5个电极，将5个电极集成一处形成插口式，方便喷头电极的装拆，还具有结构简单、制造成本低廉，适合大规模生产等优点。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种用于电流体喷印的压电式集成喷头，其特征在于，包括外部支架、以及在外部支架内从上至下依次设置的压电结构、喷头、下电极支撑环和下电极环，

其中，所述外部支架上端开设有一供液口，底端开设有一出液口，所述压电结构位于外部支架的内部上端，所述压电结构包括从上至下依次设置的电极引脚、压电上电极、压电薄膜和压电下电极，所述压电结构下方还设置有振动片，所述压电结构密封在一内部支架内，仅电极引脚和压电下电极伸出与导电块相连，

所述压电下电极和振动片上开有一入液孔，从供液口进入的溶液通过该入液孔流入振动片下方的喷头内，所述喷头下端设置有凸出的喷嘴，所述喷嘴上部设有空腔用于容纳溶液，所述压电结构位于所述空腔的上方，所述喷嘴正对出液口，使得整个喷印系统更加灵活，能够使用复杂形状的基板进行打印。

所述喷头上部设置有一上电极，所述上电极与导电块连接给溶液通电，所述喷头下方依次设置有下电极支撑环和下电极环，所述下电极支撑环和下电极环同轴套设在所述喷嘴外围，所述上电极和下电极环均通过导电块与外部电源接通。

具体地，在喷头上方设置压电结构，通过压电结构来控制喷印的频率，实现高频打印，而在喷头下方集成下电极，将原本施加于基板上的电压施加于喷头下方的电极，在喷嘴和下电极之间施加一个和喷嘴出的电极极性相同的电场，来提高墨滴飞行时的定位性，

进一步优选地，所述振动片与喷头之间通过支撑结构支撑，该支撑结构包括左肩块和右肩块，所述上电极设置在右肩块和喷头之间，所述支撑结构内部设置限流结构，防止溶液在压电结构的作用下产生回流。

优选地，所述喷嘴上部的空腔为上宽下窄的漏斗形，所述喷头采用二氧化硅材料，使用刻蚀工艺制作而成。气泡会对打印的过程造成致命的影响，会导致射流不稳定或是溶液喷不出来，所以应当尽可能的避免溶液中产生气泡。喷头的上部分做成漏斗状，方便溶液的流通并且能够减少溶液在流入喷嘴时气泡的产生。

优选地，所述喷头下方还设有凸出的外环，该外环的内径大于喷嘴的外径，所述下电极支撑环上端为喷嘴连接环，该喷嘴连接环上部为凸台结构，该凸台结构与喷头上凸出的外环相配合。外环与支撑环之间的配合保证了对喷头的稳定支撑，且保证了外环的强度，利于延长喷头的使用寿命。

优选地，所述下电极支撑环还包括设置在喷嘴连接环下面的矫正电极环和下电极连接环，所述矫正电极环通过导电块连接导电线通入矫正电压。通过矫正电极环的设置，在必要时添加矫正电压，提高墨滴的对中性能，从而能够提高液滴的定位精度，实现更为精确、精细的打印效果。

优选地，所述下电极支撑环和下电极环的内圆共同形成空腔，所述外环和喷嘴连接环的凸台结合处设置有一微流道，在微流道中通入气流，冲洗附着在支撑壁上的液滴。环形的下电极支撑环和下电极环形成的空腔内壁，便于飞溅至支撑壁上的卫星液滴往下滑动，实现支撑壁上液滴的清理。通过微流道的设置，方便气流将飞溅至空腔内壁上的液滴冲走，实现支撑壁的清洗，避免堵塞影响液滴喷射的精确度。

优选地，所述导电块分别通过导电线引出后集成到一处，构成具有插拔结构的插头。将导电线集成到一处构成插头，可以使供电线路简单，方便喷头快速地实现拆装。

优选地，所述喷头和压电结构之间的支撑结构由绝缘材料构成，优选采用玻璃制成。

优选地，所述上电极、矫正电极环和下电极环均采用导电金属材料制成，优选地，所述上电极采用铝制成，所述矫正电极环和下电极环采用金制成。

优选地，所述喷嘴连接环和下电极连接环采用绝缘材料制成，优选地，所述喷嘴连接环采用二氧化硅制成，所述下电极连接环采用玻璃制成。

高纯度的二氧化硅材料具有良好的绝缘性能，作为喷头材料能够起到良好的绝缘作用，而采用玻璃作为支撑材料，则能够在保证良好的绝缘效果的同时，降低制造喷头的成本。另外，铝和金都具有良好的导电性能，将其作为电极的材料，能够保证电压的稳定，有利于提高最终的打印精度。

具体地，本发明的压电式集成喷头的工作原理为：在喷头上方设置有压电结构，喷头的底部设置有下电极环，上电极和喷头的上方贴合给溶液通电，压电结构通电之后使得溶液在喷射头处形成弯月面，上下电极通电后，在喷头和下电极环之间形成电场，从而使溶液在喷射头处形成泰勒锥，最终准确地喷射到基本的设定区域。必要时，还可以给矫正电极环施加一定的电压，使矫正电极环的极性和液滴中电荷的极性相同，液滴在空腔中飞行时会受到一定的排斥力作用，从而提高液滴的定位精度。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：

(1)本发明的压电式集成喷头克服了现有的电流体喷印设备不能进行高频喷射，不能实现高分辨率打印，不能保证较好的定位性，不能使用复杂形状的基板进行喷射等缺陷与不足，通过压电结构来控制喷印的频率，实现高频打印，在喷头下方集成下电极，将原本施加于基板上的电压施加于喷头下方的电极，在喷嘴和下电极之间施加一个和喷嘴处的电极极性相同的电场，来提高墨滴飞行时的定位性，达到高频率、高分辨率的打印效果，而且在曲面或其他形状的基板上均能实现高精度的打印。

(2)本发明的压电式集成喷头通过在喷头下方设置矫正电极环，在必要时添加矫正电压，提高墨滴的对中性能，从而能够提高液滴的定位精度，实现更为精确、精细的打印效果。而将喷头和下电极之间的支撑做成空腔，便于飞溅至支撑壁上的卫星液滴往下滑动，支撑环上设有微流道，方便气流辅助用于通气将飞溅至支撑壁上的液滴冲走。且本发明的压电集成喷头所需5个电极，将5个电极集成一处形成插口式，方便喷头电极的装拆。

(3)本发明的压电式集成喷头克服了现有的电喷印设备不能满足高频喷射的缺陷，能够实现高频高分辨率的打印，将下电极集成到喷头端，使得整个喷印系统更加灵活，能够使用复杂形状的基板进行打印，还具有结构简单、制造成本低廉，适合大规模生产等优点。

附图说明

图1为本发明的用于电流体喷印的压电式集成喷头的结构示意图。

图2(a)和图2(b)为本发明的用于电流体喷印的压电式集成喷头的下电极支撑环的俯视图和剖视图。

图3(a)和图3(b)为本发明的用于电流体喷印的压电式集成喷头的硅基喷头侧视图和剖视图。

图4为本发明的用于电流体喷印的压电式集成喷头的电极引线示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-下电极环，2下电极支撑环，21-下电极连接环，22-矫正电极环，23-喷嘴连接环，24-微流道，3-喷头，31-外环，32-喷嘴，4-上电极，51、52、53、54、55-导电块，61-外支架，62-内部支架，7-压电结构，71-电极引脚，72-压电上电极，73-压电薄膜，74-压电下电极，75-振动片，8-支撑结构，81-右肩块，82-左肩块，91-供液口，92-入液口，93-出液口。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1为本发明的用于电流体喷印的压电式集成喷头的结构示意图。如图1所示，其包括外部支架61、以及在外部支架61内从上至下依次设置的压电结构7、喷头3、下电极支撑环2和下电极环1，

其中，所述外部支架61上端开设有一供液口91，底端开设有一出液口93，所述压电结构7位于外部支架61的内部上端，所述压电结构7包括从上至下依次设置的电极引脚71、压电上电极72、压电薄膜73和压电下电极74，所述压电结构7下方还设置有振动片75，所述压电结构7密封在一内部支架62内，仅电极引脚71和压电下电极74伸出与导电块相连，

所述压电下电极74和振动片75上开有一入液孔92，从供液口91进入的溶液通过该入液孔92流入振动片75下方的喷头3内，所述喷头3下端设置有凸出的喷嘴32，所述喷嘴32上部设有空腔用于容纳溶液，所述压电结构7位于所述空腔的上方，所述喷嘴32正对出液口93，

所述喷头3上部设置有一上电极4，所述上电极4与导电块连接给溶液通电，所述喷头3下方依次设置有下电极支撑环2和下电极环1，所述下电极支撑环2和下电极环1同轴套设在所述喷嘴32外围，所述上电极4和下电极环1均通过导电块与外部电源接通。

在本发明的一个具体实施例中，所述振动片与喷头3之间通过支撑结构8支撑，该支撑结构8包括左肩块82和右肩块81，所述上电极4设置在右肩块81和喷头3之间，所述支撑结构8内部设置限流结构，防止溶液在压电结构7的作用下产生回流。

在本发明的一个具体实施例中，所述喷嘴32上部的空腔为上宽下窄的梯形结构，所述喷头3采用二氧化硅材料，使用刻蚀工艺制作而成。

在本发明的一个具体实施例中，所述喷头3下方还设有凸出的外环31，该外环31的内径大于喷嘴32的外径，所述下电极支撑环2上端为喷嘴连接环23，该喷嘴连接环23上部为凸台结构，该凸台结构与喷头3上凸出的外环31相配合。

在本发明的一个具体实施例中，所述下电极支撑环2还包括设置在喷嘴连接环23下面的矫正电极环22和下电极连接环21，所述矫正电极环22通过导电块5连接导电线通入矫正电压。使用喷头打印的过程中，由于溶液的不均匀，溶液中有气泡或是施加的电压波动范围较大等因素会导致射流飞溅，最终落至支撑壁上。下电极支撑环的内部为空腔，可以利用下电极环形成的电场，将落在空腔内壁上的液滴拉出空腔。

在本发明的另一个具体实施例中，所述下电极支撑环2和下电极环的内圆共同形成空腔，所述外环31和喷嘴连接环23的凸台结合处设置有一微流道24，在微流道24中通入气流，冲洗附着在空腔内壁上的液滴。

在本发明的另一个具体实施例中，所述导电块分别通过导电线引出后集成到一处，构成具有插拔结构的插头。

在本发明的一个具体实施例中，所述喷头3和压电结构7之间的支撑结构8由绝缘材料构成，优选采用玻璃制成，在另一具体实施例中，右肩块81和上电极4之间可由胶水密封。

在本发明的另一个具体实施例中，所述上电极4、矫正电极环22和下电极环1均采用导电金属材料制成，优选地，所述上电极4采用铝(Al)制成，所述矫正电极环22和下电极环1采用金(Au)制成。

在本发明的一个具体实施例中，所述喷嘴连接环23和下电极连接环21采用绝缘材料制成，优选地，所述喷嘴连接环23采用二氧化硅制成，所述下电极连接环21采用玻璃制成。

为更好地解释本发明，以下给出一个具体实施例：

参见图1，一种用于电流体喷印的压电式集成喷头，由压电结构7，喷头3，下电极支撑环2和下电极环1构成。参见图3(a)和图3(b)，所述喷头3为二氧化硅采用刻蚀工艺制作而成，喷头3的上部分做成漏斗状，方便溶液的流通并且能够减少溶液在流入喷嘴32时气泡的产生。气泡会对打印的过程造成致命的影响，会导致射流不稳定或是溶液喷不出来，所以应当尽可能的避免溶液中产生气泡。喷嘴32的内径视工艺而定，喷嘴32的壁厚应大于35um，一方面方便喷嘴加工，另一方面提供喷嘴15的稳定性。喷嘴的高度略大于喷嘴的外径。喷嘴3外环31的环厚应略小于喷嘴32的外径，以保证其强度。上电极4的材料为Al,主要功能是给溶液通电，上电极4和喷嘴3通过贴合在一起，上电极引出后和导电块51相接，进而可以引出导线。

参见图2(a)和图2(b)，下电极支撑环2由玻璃制成，一是玻璃相对于硅片而言容易加工，可以降低成本，另一方面是需要良好的绝缘性能。使用硅基喷头打印的过程中，由于溶液的不均匀，溶液中有气泡或是施加的电压波动范围较大等因素会导致射流飞溅，最终落至支撑壁上。下电极支撑环2的内部为空腔，可以利用下电极环1形成的电场，将落在支撑壁上的液滴拉出空腔。下电极环支撑2中的矫正电极环22的极性和液滴中电荷的极性相同，液滴在空腔中飞行时会受到一定的排斥力作用，矫正电极因此可以提高液滴的定位精度。下电极支撑环2和喷嘴3相接触的部分做有微流道24。微流道24中通入气流，冲洗附着在支撑壁上的液滴。

参见图4，该压电式集成喷头一共需要5个电极，分别是：用于提供高压的下电极环1，用于给溶液供电的上电极4，用于矫正液滴飞行的矫正电极环22，用于给压电结构供电的压电下电极74，用于给压电结构供电的压电上电极72。5个电极引与相应的导电块相连接，每个导电块均有导线与之相连，导支架61和内部支架62引出后做成一体的插拔式结构。

5个电极有着不同的供电方式。使用压电驱动器给压电结构的压电上电极72和压电下电极74供电，压电驱动器受PC端控制，可以设定不同频率的和幅值的梯形波。使用可调的高压电源给矫正电极环22和下电极环1和上电极4供电，上电极4提供正电势，给矫正电极环22提供低于上电极4的正电势，下电极1接地。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于电流体喷印的压电式集成喷头，其特征在于，包括外部支架(61)、以及在外部支架(61)内从上至下依次设置的压电结构(7)、喷头(3)、下电极支撑环(2)和下电极环(1)，

其中，所述外部支架(61)上端开设有一供液口(91)，底端开设有一出液口(93)，所述压电结构(7)位于外部支架(61)的内部上端，所述压电结构(7)包括从上至下依次设置的电极引脚(71)、压电上电极(72)、压电薄膜(73)和压电下电极(74)，所述压电结构(7)下方还设置有振动片(75)，所述压电结构(7)密封在一内部支架(62)内，仅电极引脚(71)和压电下电极(74)伸出与导电块相连，

所述压电下电极(74)和振动片(75)上开有一入液孔(92)，从供液口(91)进入的溶液通过该入液孔(92)流入振动片(75)下方的喷头(3)内，所述喷头(3)下端设置有凸出的喷嘴(32)，所述喷嘴(32)上方设有空腔用于容纳溶液，所述压电结构(7)位于所述空腔的上方，所述喷嘴(32)正对出液口(93)，

所述喷头(3)上部还设置有一上电极(4)，所述上电极(4)与导电块连接给溶液通电，所述喷头(3)下方依次设置有下电极支撑环(2)和下电极环(1)，所述下电极支撑环(2)和下电极环(1)同轴套设在所述喷嘴(32)外围，所述上电极(4)和下电极环(1)均通过导电块与外部电源接通。

2.如权利要求1所述的压电式集成喷头，其特征在于，所述振动片(75)与喷头(3)之间通过支撑结构(8)支撑，该支撑结构(8)包括左肩块(82)和右肩块(81)，所述上电极(4)设置在右肩块(81)和喷头(3)之间，所述支撑结构(8)内部设置限流结构，防止溶液在压电结构(7)的作用下产生回流。

3.如权利要求1或2所述的压电式集成喷头，其特征在于，所述喷嘴(32)上方的空腔为上宽下窄的梯形结构，所述喷头(3)采用二氧化硅材料，使用刻蚀工艺制作而成。

4.如权利要求3所述的压电式集成喷头，其特征在于，所述喷头(3)下方还设有凸出的外环(31)，该外环(31)的内径大于喷嘴(32)的外径，所述下电极支撑环(2)上端为喷嘴连接环(23)，该喷嘴连接环(23)上部为凸台结构，该凸台结构与喷头(3)上凸出的外环(31)相配合。

5.如权利要求4所述的压电式集成喷头，其特征在于，所述下电极支撑环(2)还包括设置在喷嘴连接环(23)下面的矫正电极环(22)和下电极连接环(21)，所述矫正电极环(22)通过导电块(5)连接导电线通入矫正电压。

6.根据权利要求5所述的一种用于电流体喷印的压电式集成喷头，其特征在于：所述下电极支撑环(2)和下电极环(1)的内圆共同形成空腔，所述外环(31)和喷嘴连接环(23)的凸台结合处设置有一微流道(24)，在微流道(24)中通入气流，冲洗附着在空腔内壁上的液滴。

7.根据权利要求6所述的一种用于电流体喷印的压电式集成喷头，其特征在于：所述导电块分别通过导电线引出后集成到一处，构成具有插拔结构的插头。

8.如权利要求7所述的压电式集成喷头，其特征在于，所述喷头(3)和压电结构(7)之间的支撑结构(8)由绝缘材料构成，优选采用玻璃制成。

9.如权利要求8所述的压电式集成喷头，其特征在于，所述上电极(4)、矫正电极环(22)和下电极环(1)均采用导电金属材料制成，优选地，所述上电极(4)采用铝(Al)制成，所述矫正电极环(22)和下电极环(1)采用金(Au)制成。

10.如权利要求9所述的压电式集成喷头，其特征在于，所述喷嘴连接环(23)和下电极连接环(21)采用绝缘材料制成，优选地，所述喷嘴连接环(23)采用二氧化硅制成，所述下电极连接环(21)采用玻璃制成。