CN117584619A - 控制电极上置的可寻址阵列化电流体喷射控制装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种控制电极上置的可寻址阵列化电流体喷射控制装置及方法，属于喷墨打印技术领域。喷射控制装置包括墨盒、喷孔板、控制电极、喷嘴阵列和高压模块。墨盒用于储存墨液；喷孔板为带通孔的平板且设置于墨盒底部；喷孔板下表面制有控制电极以及喷嘴阵列；高压模块中，第一高压电源与墨盒连接，用于给所有喷嘴施加工作电压；第二高压电源或第三高压电源通过高压开关与控制电极连接，用于给控制电极施加相应的电压。如此，本发明通过使用上置电极控制喷嘴附近的电场分布，对喷嘴尖端的弯液面受到的电场强度进行控制，实现电场力与表面张力之间的调节，进而控制各个喷孔的独立喷射，具有稳定性好、可靠性高、便于维护的优点。
Description
技术领域
本发明属于喷墨打印技术领域，更具体地，涉及一种控制电极上置的可寻址阵列化电流体喷射控制装置及方法。
背景技术
喷墨打印作为一种无掩模、增材制造技术，具有材料利用率高、成本低的特点，在很多工业制造领域都有较好的应用前景，如印刷显示、柔性电子等。目前压电/热泡等传统喷印技术，主要以压电喷印和热泡喷印为代表，使用挤压力为驱动力，通过压电陶瓷振动或热气泡的膨胀挤压，将液滴从喷孔挤出。使用挤压力作为驱动力，使得喷印对墨水粘度十分敏感，并且挤压出的墨滴一般大于喷孔的直径，存在打印分辨率低(>20μm)、墨水黏度范围窄(1-20cP)等不足，难以满足多种材料和更高分辨率的喷印需求。电流体喷印在喷嘴和基材之间施加高电压，利用电场力克服表面张力，将墨水“拉”出喷嘴，产生细小液滴。电流体喷印具有超高的分辨率、广泛的墨水(1～10000cP)兼容性和多种喷射模式，具有广阔的应用前景。
阵列化电流体喷头是实现电流体喷墨打印工业化的关键。目前，阵列化电流体喷头的独立可控喷射都是通过下置电极实现的，但由于喷嘴的不对称性，多个喷嘴和基板之间的电场会产生畸变，射流易偏斜到外接的电极环上，使喷孔故障，同时也给打印头的组装、清洗和维护带来了困难。
专利CN201410289239.5提出了喷头独立可控打印的实现方法，但需要在喷孔下方外加提取电极，墨液易偏斜至提取电极上，使喷头损坏。专利CN202111078207.7提出了一种独立可控打印的电流体喷头，但对溶液的电导率有较大的限制。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种控制电极上置的可寻址阵列化电流体喷射控制装置及方法，通过使用上置控制电极的方式对喷嘴尖端的电场进行调控，通过控制电极电压的变化改变弯液面尖端电场力，进而控制各个喷孔的独立可控喷射。
为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种控制电极上置的可寻址阵列化电流体喷射控制装置，包括：墨盒、喷孔板、控制电极、喷嘴阵列和高压模块；
所述墨盒用于储存墨液；所述喷孔板为带通孔的平板且设置于所述墨盒底部，所述通孔用于引导墨液流入所述喷嘴；
所述喷孔板下表面制有控制电极以及喷嘴阵列，所述通孔与控制电极、喷嘴一一对应；
所述高压模块包括三个高压电源以及多路高压开关；第一高压电源与墨盒连接，用于给所有喷嘴施加工作电压；第二高压电源或第三高压电源通过高压开关与控制电极连接，用于给控制电极施加相应的电压，以对喷嘴尖端弯液面受到的电场强度进行控制，其中，第二高压电源和第三高压电源施加给控制电极的电压不同。
进一步地，所述控制电极和喷孔板之间还有一层绝缘基层，且所述绝缘基层的厚度越大，控制电极和喷嘴尖端之间的竖向距离越小，所述控制电极上施加的电压对喷嘴尖端弯液面受到的电场强度的影响越大。
进一步地，所述控制电极下方设置有绝缘保护层，以避免喷嘴尖端溶液和控制电极之间导通。
进一步地，所述控制电极通过蒸镀或溅射工艺制备于所述喷孔板下表面。
进一步地，所述喷嘴为凸台结构，且各喷嘴的中心与各所述通孔的中心共线。
为实现上述目的，第二方面，本发明提供了一种采用第一方面所述的控制电极上置的可寻址阵列化电流体喷射控制装置实现的喷射控制方法，包括以下步骤：
在非工作状态时，通过所述第一高压电源向所有喷嘴施加相同的工作电压U0，使喷嘴尖端弯液面受到的电场力小于表面张力，此时所有喷嘴不喷射；
在工作状态时，通过所述第二高压电源向点火喷嘴对应的控制电极施加电压U2，使点火喷嘴尖端弯液面受到的电场力大于表面张力，从而发生喷射；通过所述第三高压电源向非点火喷嘴对应的控制电极施加电压U1，使非点火喷嘴尖端弯液面受到的电场力小于表面张力，从而不发生喷射，且削弱点火/非点火喷嘴之间的电场串扰，防止喷射射流因电场串扰而倾斜；
其中，所述工作电压U0小于喷嘴开启电压，U1>U2。
为实现上述目的，第三方面，本发明提供了另一种采用第一方面所述的控制电极上置的可寻址阵列化电流体喷射控制装置实现的喷射控制方法，包括以下步骤：
在非工作状态时，通过所述第一高压电源向所有喷嘴施加相同的工作电压U0，使喷嘴尖端弯液面受到的电场力大于表面张力，此时所有喷嘴喷射；
在工作状态时，通过所述第三高压电源向非点火喷嘴对应的控制电极施加电压U1，使非点火喷嘴尖端弯液面受到的电场力小于表面张力，从而不发生喷射；通过所述第二高压电源向点火喷嘴对应的控制电极施加电压U2，使点火喷嘴尖端弯液面受到的电场力大于表面张力，从而发生喷射，且削弱点火/非点火喷嘴之间的电场串扰，防止喷射射流因电场串扰而倾斜；
其中，所述工作电压U0大于喷嘴开启电压，U1>U2。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
本发明通过使用上置电极控制喷嘴附近的电场分布，对喷嘴尖端的弯液面受到的电场强度进行控制，实现电场力与表面张力之间的调节，进而控制各个喷孔的独立喷射，具有稳定性好、可靠性高、便于维护的优点。
附图说明
图1为本发明实施例提供的控制电极上置的可寻址阵列化电流体喷射控制装置示意图；
图2为本发明实施例提供的绝缘基层厚度h取不同值时，控制电极电压对喷嘴尖端场强的影响程度示意图；
图3为本发明实施例提供的喷嘴尖端场强随控制电极电压的变化示意图。
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。
在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
在本发明中，点火喷嘴指需要喷射的喷嘴，非点火喷嘴指不需要喷射的喷嘴。
如图1所示，本发明提供了一种控制电极上置的可寻址阵列化电流体喷射控制装置，包括：墨盒、喷孔板、控制电极、喷嘴阵列和高压模块。
墨盒可使用有机玻璃、玻璃、硅等材料加工制备。墨盒的进墨口和出墨口设置于盒体的上端，进墨口用于加注墨液，出墨口用于排出多余的墨液及气泡。墨盒安装定位孔设置于盒体两侧，用于安装、固定喷头的位置。
喷孔板为带通孔的平板且设置于墨盒底部，使用绝缘的玻璃材料做基材，长度约为15mm，宽度15mm，厚度0.5mm，随后利用激光诱导刻蚀在玻璃上刻蚀出5个圆形通孔，直径30μm，间距0.5mm。喷孔板可用激光烧蚀、光刻、喷砂等工艺在绝缘平板上加工出通孔得到，通孔用于引导墨盒中的溶液流入喷嘴。绝缘材料制备的喷孔板可以避免不同喷嘴的控制电极之间发生电串扰，进而提高独立控制效果。
喷嘴设置于喷孔板底部且为空心凸台结构，并与喷孔板通孔一一对应。溶液由墨盒流经喷孔板通孔，进入喷嘴，最后从喷嘴尖端处喷出。
控制电极为导电材料，形状可为圆环形、矩形等，同一个喷嘴的控制电极在施加电势后等势，不同喷嘴的控制电极应绝缘，避免电串扰导致控制失效。
示例性的，控制电极通过蒸镀或磁控溅射等工艺制备在喷孔板的下表面，包括粘附层和导电层，粘附层为铬，厚度100nm，导电层为金，厚度70nm。控制电极图案为圆环状，内径200μm，外径280μm，并设有引线、引脚，方便接入控制电压。在溅射控制电极前，可以制备一层光刻胶做绝缘基层，减小喷嘴尖端和控制电极之间的垂直距离，如图2所示，绝缘基层的厚度h越大，控制电极越接近喷嘴尖端，改变控制电极电压对电场强度的影响越大，控制性能越好。此外，还可以调节控制电极的形状和尺寸，增强控制电极调控喷嘴尖端电场的性能。
喷孔阵列使用SU8光刻胶在喷孔板的下表面光刻制备而成，内径40μm，外径80μm。同时蒸镀一层特氟龙绝缘层作为保护绝缘层，以避免控制电极和喷嘴尖端的溶液之间导通。
随后将墨盒和喷孔板用胶水粘合，并将金属导线的一端接入墨盒，使用胶水密封，另一端接入高压电源。
高压模块包括三个高压电源以及多路高压开关。高压电源是高电压信号的产生装置，可以将输入的低压信号转化为高压信号，产生驱动力。多路高压开关负责接收打印数据，控制多个高压电源输入的不同高电压接入不同的控制电极，用以调控喷嘴尖端的电场，控制喷嘴阵列的喷射行为。
具体地，第一高压电源与墨盒连接，用于给所有喷嘴施加工作电压；第二高压电源或第三高压电源通过高压开关与控制电极连接，用于给控制电极施加相应的电压，以对喷嘴尖端弯液面受到的电场强度进行控制，其中，第二高压电源和第三高压电源施加给控制电极的电压不同。
另制备带5个引脚的FPC电路板，一端与喷孔板上的控制电极图案中的引脚连接，另一端和多路高压开关连接。多路高压开关通过金属导线连接到多个高压电源。
选用个人电脑作为上位机，产生控制多路高压开关的信号以及低压电信号，产生的低压电信号输入多个高压电源，高压电源输出不同高压电信号。
本发明还提供了两种采用上述的控制电极上置的可寻址阵列化电流体喷射控制装置实现的喷射控制方法：
方式一：在非工作状态时，溶液表面张力系数为γ0，溶液弯液面受到的表面张力为Fγ0，对于直径为dN的喷嘴，溶液界面受到的表面张力为Fγ0＝4γ0/dN。此时通过所述第一高压电源向所有喷嘴施加相同的工作电压U0，使喷嘴尖端弯液面受到的电场力FE0小于表面张力Fγ0，此时所有喷嘴不喷射；
在工作状态时，通过所述第二高压电源向点火喷嘴对应的控制电极施加电压U2，使点火喷嘴尖端弯液面受到的电场力大于表面张力，从而发生喷射；通过所述第三高压电源向非点火喷嘴对应的控制电极施加电压U1，使非点火喷嘴尖端弯液面受到的电场力小于表面张力，从而不发生喷射，且削弱点火/非点火喷嘴之间的电场串扰，防止喷射射流因电场串扰而倾斜；
其中，所述工作电压U0小于喷嘴开启电压，U1>U2。
方式二：在非工作状态时，通过所述第一高压电源向所有喷嘴施加相同的工作电压U0，使喷嘴尖端弯液面受到的电场力大于表面张力，此时所有喷嘴喷射；
在工作状态时，通过所述第三高压电源向非点火喷嘴对应的控制电极施加电压U1，使非点火喷嘴尖端弯液面受到的电场力小于表面张力，从而不发生喷射；通过所述第二高压电源向点火喷嘴对应的控制电极施加电压U2，使点火喷嘴尖端弯液面受到的电场力大于表面张力，从而发生喷射，且削弱点火/非点火喷嘴之间的电场串扰，防止喷射射流因电场串扰而倾斜；
其中，所述工作电压U0大于喷嘴开启电压，U1>U2。
示例性的，使用电流体喷头前，先将墨盒上的安装孔对准实验平台上螺纹孔，通过螺栓将电流体喷头固定于实验平台上，并调节电流体喷头夹具使喷嘴与打印基板保持平行。随后使用流量泵从进墨口泵入乙醇溶液，并从出墨口排出墨盒内的气体。当乙醇溶液填充满墨盒后，将打印头调节至适当高度。
乙醇的表面张力为22.32mN/m。控制打印高度为0.2mm，环境温度为20℃。在本实施例中，喷头的开启场强为1.5×107V/m。
电流体喷头使用时，通过个人电脑控制施加到溶液的电压为U0＝1200V，此时喷嘴尖端场强随控制电极电压的变化如图3所示。工作时，给所有控制电极的电压为U1＝1200V，液体受到的电场力小于液体受到的表面张力，所有喷嘴不发生喷射。随后，降低点火喷嘴的控制电极电压至U2＝500V，使得点火喷嘴的尖端电场升高，液体受到的电场力大于液体受到的表面张力，点火喷嘴发生喷射。通过控制不同喷嘴依次喷射，完成图案化的打印。
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 (7)
1.一种控制电极上置的可寻址阵列化电流体喷射控制装置，其特征在于，包括：墨盒、喷孔板、控制电极、喷嘴阵列和高压模块；
所述墨盒用于储存墨液；所述喷孔板为带通孔的平板且设置于所述墨盒底部，所述通孔用于引导墨液流入所述喷嘴；
所述喷孔板下表面制有控制电极以及喷嘴阵列，所述通孔与控制电极、喷嘴一一对应；
所述高压模块包括三个高压电源以及多路高压开关；第一高压电源与墨盒连接，用于给所有喷嘴施加工作电压；第二高压电源或第三高压电源通过高压开关与控制电极连接，用于给控制电极施加相应的电压，以对喷嘴尖端弯液面受到的电场强度进行控制，其中，第二高压电源和第三高压电源施加给控制电极的电压不同。
2.根据权利要求1所述的控制电极上置的可寻址阵列化电流体喷射控制装置，其特征在于，所述控制电极和喷孔板之间还有一层绝缘基层，且所述绝缘基层的厚度越大，控制电极和喷嘴尖端之间的竖向距离越小，所述控制电极上施加的电压对喷嘴尖端弯液面受到的电场强度的影响越大。
3.根据权利要求1所述的控制电极上置的可寻址阵列化电流体喷射控制装置，其特征在于，所述控制电极下方设置有绝缘保护层，以避免喷嘴尖端溶液和控制电极之间导通。
4.根据权利要求1所述的控制电极上置的可寻址阵列化电流体喷射控制装置，其特征在于，所述控制电极通过蒸镀或溅射工艺制备于所述喷孔板下表面。
5.根据权利要求1所述的控制电极上置的可寻址阵列化电流体喷射控制装置，其特征在于，所述喷嘴为凸台结构，且各喷嘴的中心与各所述通孔的中心共线。
6.一种采用如权利要求1至5任一项所述的控制电极上置的可寻址阵列化电流体喷射控制装置实现的喷射控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
在非工作状态时，通过所述第一高压电源向所有喷嘴施加相同的工作电压U0，使喷嘴尖端弯液面受到的电场力小于表面张力，此时所有喷嘴不喷射；
在工作状态时，通过所述第二高压电源向点火喷嘴对应的控制电极施加电压U2，使点火喷嘴尖端弯液面受到的电场力大于表面张力，从而发生喷射；通过所述第三高压电源向非点火喷嘴对应的控制电极施加电压U1，使非点火喷嘴尖端弯液面受到的电场力小于表面张力，从而不发生喷射，且削弱点火/非点火喷嘴之间的电场串扰，防止喷射射流因电场串扰而倾斜；
其中，所述工作电压U0小于喷嘴开启电压，U1>U2。
7.一种采用如权利要求1至5任一项所述的控制电极上置的可寻址阵列化电流体喷射控制装置实现的喷射控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
在非工作状态时，通过所述第一高压电源向所有喷嘴施加相同的工作电压U0，使喷嘴尖端弯液面受到的电场力大于表面张力，此时所有喷嘴喷射；
在工作状态时，通过所述第三高压电源向非点火喷嘴对应的控制电极施加电压U1，使非点火喷嘴尖端弯液面受到的电场力小于表面张力，从而不发生喷射；通过所述第二高压电源向点火喷嘴对应的控制电极施加电压U2，使点火喷嘴尖端弯液面受到的电场力大于表面张力，从而发生喷射，且削弱点火/非点火喷嘴之间的电场串扰，防止喷射射流因电场串扰而倾斜；
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| CN202311823586.7A Pending CN117584619A (zh) | 2023-12-28 | 2023-12-28 | 控制电极上置的可寻址阵列化电流体喷射控制装置及方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117584619A (zh) |
-
2023
- 2023-12-28 CN CN202311823586.7A patent/CN117584619A/zh active Pending
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