CN111016433A - 一种多墨水喷射及混合的mems压电式喷墨打印头 - Google Patents

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Abstract

一种多墨水喷射及混合的MEMS压电式喷墨打印头，包括下底板和上盖板，下底板和上盖板连接后形成的双层结构设有第一腔室、第二腔室以及混合腔室，混合腔室通过微流道与第一腔室、第二腔室连通，第一腔室的结构与第二腔室相同；两个腔室的压力腔上方的振动隔板上表面贴附有PZT压电材料，混合腔室的上半混合腔上方的振动隔板上表面贴附有PZT压电材料；不同墨水可以分别从第一腔室，以及第二腔室注入到喷头内部，当喷墨要求为单墨水喷墨时，选择其中一个腔室进行工作，当喷墨要求为多墨水混合时，两个腔室进行工作；喷墨打印喷头也可达到不同墨水延时交替喷墨的效果；喷墨打印喷头结合了MEMS加工方法，能够达到微型化，阵列化并且大幅度降低了成本。

Description

一种多墨水喷射及混合的MEMS压电式喷墨打印头
技术领域
本发明属于喷墨打印头技术领域，具体涉及一种多墨水喷射及混合的MEMS压电式喷墨打印头。
背景技术
喷墨打印头的应用前景十分广泛，不仅应用于传统的喷墨打印机或是喷墨印刷设备，还可在增材制造技术的3D打印当中有所作为，具有很广阔的发展空间以及市场领域。喷墨打印头根据驱动喷墨的方式可以被分为两大类，即压电式喷墨打印头以及热发泡式喷墨打印头。热发泡式喷墨打印头起源较早，采用加热产生空气泡的方式加压进行喷墨，然而这种方式受限于热传导的速度较慢，因此反应速度不够快，同时加热会导致墨水以及墨盒的品质下降。进而研究人员提出了压电式喷墨打印头，这种喷头采用压电陶瓷对喷头腔室进行挤压达到喷墨效果，由于采用了电驱动使得喷墨反应速度变快，打印较为迅速。
随着喷墨材料的不断发展，对于喷墨打印头的要求逐渐提高，新型的喷墨打印头需要满足实现多种墨水的实时切换，以及不同墨水材料的混合，现有喷墨打印头已经无法满足这种高响应时间，高集成化的要求。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明目的在于提供了一种多墨水喷射及混合的MEMS压电式喷墨打印头，能够实现单墨水的喷射动作以及多墨水的混合及喷射动作，满足高响应时间，高集成化的要求。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种多墨水喷射及混合的MEMS压电式喷墨打印头，包括下底板5和上盖板4，下底板5和上盖板4连接后形成的双层结构设有第一腔室1、第二腔室2以及混合腔室3，混合腔室3通过微流道6与第一腔室1、第二腔室2连通，第一腔室1的结构与第二腔室2相同；
第一腔室1由第一上半腔室1-1以及第一下半腔室1-2组成；第一上半腔室1-1设有第一墨水入口1-3、第一压力腔1-4以及第一振动隔板1-5，第一压力腔1-4上方的第一振动隔板1-5上表面贴附有第一PZT压电材料1-6；第一下半腔室1-2设有第一限流腔室1-7以及第一阻尼腔室1-8；第一上半腔室1-1和第一下半腔室1-2连接后，第一墨水入口1-3和第一限流腔室1-7连通，第一限流腔室1-7和第一压力腔1-4连通，第一压力腔1-4和第一阻尼腔室1-8连通；
第二腔室2由第二上半腔室2-1以及第二下半腔室2-2组成，第二上半腔室2-1设有第二墨水入口2-3，第二压力腔2-4及第二振动隔板2-5，第二压力腔2-4上方的第二振动隔板2-5上表面贴附有第二PZT压电材料2-6；第二下半腔室2-2设有第二限流腔室2-7以及第二阻尼腔室2-8；第二上半腔室2-1和第二下半腔室2-2连接后，第二墨水入口2-3和第二限流腔室2-7连通，第二限流腔室2-7和第二压力腔2-4连通，第二压力腔2-4和第二阻尼腔室2-8连通；
混合腔室3由第三上半腔室3-1以及第三下半腔室3-2组成，第三上半腔室3-1设有第三上半混合腔3-4，第三上半混合腔3-4上方的第三振动隔板3-3上表面贴附有第三PZT压电材料3-5；第三下半腔室3-2设有第三限流腔室3-6、第三下半混合腔3-7以及喷头3-8，喷头3-8设置在第三下半混合腔3-7下方；第三上半腔室3-1以及第三下半腔室3-2连接后，第三限流腔室3-6通过微流道6和第一阻尼腔室1-8、第二阻尼腔室2-8的上部连通，第三限流腔室3-6和第三上半混合腔3-4连通，第三上半混合腔3-4和第三下半混合腔3-7连通。
所述的上盖板4采用单晶硅材料，利用MEMS光刻工艺及正面刻蚀工艺制作第一上半腔室1-1、第二上半腔室2-1的第一压力腔1-4、第二压力腔2-4，同时制作第三上半腔室3-1的上半混合腔3-4，通过背面光刻机刻蚀工艺制备通孔形成第一墨水入口1-3以及第二墨水入口2-3，第一PZT压电材料1-6、第二PZT压电材料2-6以及第三PZT压电材料3-5分别粘附在正面刻蚀工艺所产生的第一振动隔板1-5、第二振动隔板2-5、第三振动隔板3-3上表面，利用MEMS光刻工艺及二次正面刻蚀工艺在上盖板4的下表面制备微流道6，混合腔室3通过微流道6与第一腔室1和第二腔室2分别连通。
所述的下底板5采用单晶硅材料，利用MEMS光刻工艺及刻蚀工艺制作第一下半腔室1-2、第二下半腔室2-2的第一限流腔室1-7、第二限流腔室2-7，以及第一阻尼腔室1-8、第二阻尼腔室2-8，工艺同时也在第三下半腔室3-2上制作出了下半混合腔3-7，以及第三限流腔室3-6，采用背面光刻技术以及湿法刻蚀工艺在第三下半腔室3-2上的下半混合腔3-7制备通孔形成喷头3-8。
所述的第一腔室1、第二腔室2以及混合腔室3为阵列排布，其中混合腔室3在第一腔室1以及第二腔室2的中间，上盖板4以及下底板5通过低温键合工艺进行封装。
本发明的有益效果为：
本发明采用双层结构，不同墨水A、B可以分别从第一腔室1的第一墨水入口1-3，以及第二腔室2的第二墨水入口2-3注入到喷头内部，当喷墨要求为单墨水喷墨时，选择其中一个腔室进行工作，当喷墨要求为多墨水混合时，两个腔室进行工作；喷墨打印喷头也可达到不同墨水延时交替喷墨的效果，喷墨打印喷头结合了MEMS加工方法，使得喷墨打印喷头能够达到微型化，阵列化并且大幅度降低了成本。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为上盖板4的下表面结构示意图。
图3为下底板5的上表面示意图。
图4为腔室1的截面示意图。
图5为混合腔室3的截面示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行进一步的详细介绍。
参照图1、图2、图3、图4和图5，一种多墨水喷射及混合的MEMS压电式喷墨打印头，包括下底板5和上盖板4，下底板5和上盖板4连接后形成的双层结构设有第一腔室1、第二腔室2以及混合腔室3，混合腔室3通过微流道6与第一腔室1、第二腔室2连通，第一腔室1的结构与第二腔室2相同；
第一腔室1由第一上半腔室1-1以及第一下半腔室1-2组成；第一上半腔室1-1设有第一墨水入口1-3、第一压力腔1-4以及第一振动隔板1-5，第一压力腔1-4上方的第一振动隔板1-5上表面贴附有第一PZT压电材料1-6；第一下半腔室1-2设有第一限流腔室1-7以及第一阻尼腔室1-8；第一上半腔室1-1和第一下半腔室1-2连接后，第一墨水入口1-3和第一限流腔室1-7连通，第一限流腔室1-7和第一压力腔1-4连通，第一压力腔1-4和第一阻尼腔室1-8连通；
第二腔室2由第二上半腔室2-1以及第二下半腔室2-2组成，第二上半腔室2-1设有第二墨水入口2-3，第二压力腔2-4及第二振动隔板2-5，第二压力腔2-4上方的第二振动隔板2-5上表面贴附有第二PZT压电材料2-6；第二下半腔室2-2设有第二限流腔室2-7以及第二阻尼腔室2-8；第二上半腔室2-1和第二下半腔室2-2连接后，第二墨水入口2-3和第二限流腔室2-7连通，第二限流腔室2-7和第二压力腔2-4连通，第二压力腔2-4和第二阻尼腔室2-8连通；
混合腔室3由第三上半腔室3-1以及第三下半腔室3-2组成，第三上半腔室3-1设有第三上半混合腔3-4，第三上半混合腔3-4上方的第三振动隔板3-3上表面贴附有第三PZT压电材料3-5；第三下半腔室3-2设有第三限流腔室3-6、第三下半混合腔3-7以及喷头3-8，喷头3-8安装在第三下半混合腔3-7下方；第三上半腔室3-1以及第三下半腔室3-2连接后，第三限流腔室3-6通过微流道6和第一阻尼腔室1-8、第二阻尼腔室2-8上部连通，第三限流腔室3-6和第三上半混合腔3-4连通，第三上半混合腔3-4和第三下半混合腔3-7连通。
所述的上盖板4采用单晶硅材料，利用MEMS光刻工艺在单晶硅下表面制备一层第一压力腔1-4、第二压力腔2-4和第三上半混合腔3-4的光刻胶图案，接着采用正面干法刻蚀的工艺刻蚀出第一压力腔1-4、第二压力腔2-4和第三上半混合腔3-4，并不保证将单晶硅刻透；采用背面对准的方式在上盖板4的上表面用光刻工艺制备第一墨水入口1-3以及第二墨水入口2-3的圆形图案，同样采用干法刻蚀的工艺将图案刻穿，得到第一墨水入口1-3以及第二墨水入口2-3，第一PZT压电材料1-6、第二PZT压电材料2-6以及第三PZT压电材料3-5分别粘附在正面刻蚀工艺所产生的第一振动隔板1-5、第二振动隔板2-5、第三振动隔板3-3上表面，利用喷胶工艺在上盖板4下表面涂覆一层光刻胶，并用光刻工艺制备一层微流道6的图案，二次刻蚀工艺制备微流道6，微流道6的深度小于第一压力腔1-4、第二压力腔2-4和第三上半混合腔3-4的3～5倍，微流道6的功能是将混合腔室3与第一腔室1、第二腔室2分别连通。
所述的下底板5采用单晶硅材料，利用MEMS光刻工艺在单晶硅上表面制备一层第一限流腔室1-7、第二限流腔室2-7、第三下半混合腔3-7，第三限流腔室3-6，以及第一阻尼腔室1-8、第二阻尼腔室2-8的图案，接着采用正面干法刻蚀的工艺刻蚀出第一限流腔室1-7、第二限流腔室2-7、第三下半混合腔3-7，第三限流腔室3-6，以及第一阻尼腔室1-8、第二阻尼腔室2-8，通过背面光刻工艺形成喷头3-8的图案，采用湿法刻蚀的工艺将图案刻穿，得到喷头3-8。,
所述的第一腔室1、第二腔室2以及混合腔室3为阵列排布，其中混合腔室3在第一腔室1以及第二腔室2的中间，上盖板4以及下底板5通过低温键合工艺进行封装，键合温度140℃，键合时间8h。
本发明的工作原理是：
采用双层板结构，当喷墨要求为单墨水喷墨时，选择其中一个腔室进行工作，以第一腔室1为例，墨水从第一墨水入口1-3注入，通过第一限流腔室1-7流入第一压力腔1-4，此时第一PZT压电材料1-6工作，输入压力使得第一振动隔板1-5发生变形，挤压第一压力腔1-4迫使墨水从微流道6流入混合腔室3的第三限流腔室3-6，第三限流腔室3-6中的墨水流入上半混合腔3-4，以及下半混合腔3-7，此时第三PZT压电材料3-5工作，输入压力使得第三振动隔板3-3发生变形，挤压上半混合腔3-4迫使墨水从喷头3-8中喷出，完成单墨水的喷射动作；
当喷墨要求为多墨水混合时，墨水A从第一墨水入口1-3注入，墨水B从第二墨水入口2-3注入，墨水A，B分别从第一腔室1、第二腔室2经过微流道6流入混合腔室3内，在上半混合腔3-4，以及下半混合腔3-7达到混合时，第三PZT压电材料3-5工作，输入压力使得第三振动隔板3-3发生变形，将混合后的墨水从喷头3-8中喷出，完成多墨水的混合动作，第一振动隔板1-5、第二振动隔板2-5、第三振动隔板3-3所产生的变形与第一PZT压电材1-6、第二PZT压电材2-6、第三PZT压电材3-5所提供的压力可由材料的弹性变形公式得到：
ε＝σ/E
这里，E是第一振动隔板1-5、第二振动隔板2-5、第三振动隔板3-3的杨氏模量，σ是第一振动隔板1-5、第二振动隔板2-5、第三振动隔板3-3所受到的应力，ε是第一振动隔板1-5、第二振动隔板2-5、第三振动隔板3-3的变形，因此，喷墨打印喷头也可达到不同墨水延时交替喷墨的效果，可以通过控制第一PZT压电材料1-6以及第二PZT压电材料2-6的变形程度以及变形时间，可以使得在进行多墨水混合动作时微流道6内同一时间只存在一种墨水，达到交替喷墨效果，喷墨打印喷头结合了MEMS加工方法，使得喷墨打印喷头能够达到微型化，阵列化并且大幅度降低了成本。

Claims (4)

1.一种多墨水喷射及混合的MEMS压电式喷墨打印头，其特征在于：包括下底板(5)和上盖板(4)，下底板(5)和上盖板(4)连接后形成的双层结构设有第一腔室(1)、第二腔室(2)以及混合腔室(3)，混合腔室(3)通过微流道(6)与第一腔室(1)、第二腔室(2)连通，第一腔室(1)的结构与第二腔室(2)相同；
第一腔室(1)由第一上半腔室(1-1)以及第一下半腔室(1-2)组成；第一上半腔室(1-1)设有第一墨水入口(1-3)、第一压力腔(1-4)以及第一振动隔板(1-5)，第一压力腔(1-4)上方的第一振动隔板(1-5)上表面贴附有第一PZT压电材料(1-6)；第一下半腔室(1-2)设有第一限流腔室(1-7)以及第一阻尼腔室(1-8)；第一上半腔室(1-1)和第一下半腔室(1-2)连接后，第一墨水入口(1-3)和第一限流腔室(1-7)连通，第一限流腔室(1-7)和第一压力腔(1-4)连通，第一压力腔(1-4)和第一阻尼腔室(1-8)连通；
第二腔室(2)由第二上半腔室(2-1)以及第二下半腔室(2-2)组成，第二上半腔室(2-1)设有第二墨水入口(2-3)，第二压力腔(2-4)及第二振动隔板(2-5)，第二压力腔(2-4)上方的第二振动隔板(2-5)上表面贴附有第二PZT压电材料(2-6)；第二下半腔室(2-2)设有第二限流腔室(2-7)以及第二阻尼腔室(2-8)；第二上半腔室(2-1)和第二下半腔室(2-2)连接后，第二墨水入口(2-3)和第二限流腔室(2-7)连通，第二限流腔室(2-7)和第二压力腔(2-4)连通，第二压力腔(2-4)和第二阻尼腔室(2-8)连通；
混合腔室(3)由第三上半腔室(3-1)以及第三下半腔室(3-2)组成，第三上半腔室(3-1)设有第三上半混合腔(3-4)，第三上半混合腔(3-4)上方的第三振动隔板(3-3)上表面贴附有第三PZT压电材料(3-5)；第三下半腔室(3-2)设有第三限流腔室(3-6)、第三下半混合腔(3-7)以及喷头(3-8)，喷头(3-8)安装在第三下半混合腔(3-7)下方；第三上半腔室(3-1)以及第三下半腔室(3-2)连接后，第三限流腔室(3-6)通过微流道(6)和第一阻尼腔室(1-8)、第二阻尼腔室(2-8)的上部连通，第三限流腔室(3-6)和第三上半混合腔(3-4)连通，第三上半混合腔(3-4)和第三下半混合腔(3-7)连通。
2.根据权利要求1所述的一种多墨水喷射及混合的MEMS压电式喷墨打印头，其特征在于：所述的上盖板(4)采用单晶硅材料，利用MEMS光刻工艺及正面刻蚀工艺制作第一上半腔室(1-1)、第二上半腔室(2-1)的第一压力腔(1-4)、第二压力腔(2-4)，同时制作第三上半腔室(3-1)的上半混合腔(3-4)，通过背面光刻机刻蚀工艺制备通孔形成第一墨水入口(1-3)以及第二墨水入口(2-3)，第一PZT压电材料(1-6)、第二PZT压电材料(2-6)以及第三PZT压电材料(3-5)分别粘附在正面刻蚀工艺所产生的第一振动隔板(1-5)、第二振动隔板(2-5)、第三振动隔板(3-3)上表面，利用MEMS光刻工艺及二次正面刻蚀工艺在上盖板(4)的下表面制备微流道(6)，混合腔室(3)通过微流道(6)与第一腔室(1)和第二腔室(2)分别连通。
3.根据权利要求1所述的一种多墨水喷射及混合的MEMS压电式喷墨打印头，其特征在于：所述的下底板(5)采用单晶硅材料，利用MEMS光刻工艺及刻蚀工艺制作第一下半腔室(1-2)、第二下半腔室(2-2)的第一限流腔室(1-7)、第二限流腔室(2-7)，以及第一阻尼腔室(1-8)、第二阻尼腔室(2-8)，工艺同时也在第三下半腔室(3-2)上制作出了下半混合腔(3-7)，以及第三限流腔室(3-6)，采用背面光刻技术以及湿法刻蚀工艺在第三下半腔室(3-2)制备通孔形成喷头(3-8)。
4.根据权利要求1所述的一种多墨水喷射及混合的MEMS压电式喷墨打印头，其特征在于：所述的第一腔室(1)、第二腔室(2)以及混合腔室(3)为阵列排布，其中混合腔室(3)在第一腔室(1)以及第二腔室(2)的中间，上盖板(4)以及下底板(5)通过低温键合工艺进行封装。
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