面向柔性电子打印的压电式喷头设计

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柔性电子(Flexible Electronics)技术是将有机/无机电子元件沉积在柔性基板上形成具有功能器件的技术,相对于传统电子具有可移植、可弯折、轻薄、携带方便等特点,被公认为是下一代电子通用平台。柔性电子的制造技术有很多种,其中喷墨打印技术是一种无接触、无压力、无印版的直接制造技术,是在室温下将溶液直写实现数字化柔性印刷,可有效地降低成本,相比其它制造技术具有明显优势。然而现阶段,在应用喷墨打印技术制造柔性电子器件的过程中,其发展也遇到了难点:一方面,喷墨打印柔性电子溶液多为高粘度流体,其粘滞力大,喷射时不容易断裂成液滴;另一方面,由于压电材料的变形特性导致现有喷头压电驱动器的运动行程较小,这两方面的原因共同限制了现有喷头的墨水适应性范围,使得现有喷头无法喷射更高粘度的流体,从而限制了喷墨打印柔性电子分辨率的进一步提高。  基于此,本文从喷头的结构出发,设计了一种面向柔性电子打印的压电式喷头,该喷头从两方面着手解决上述问题,一是提出一种增大现有喷头压电驱动器运动行程的方法:采用悬臂梁式支撑、并联式连接的多层压电双晶片式结构作为压电驱动器,经分析其运动行程可以达到11.9μm;二是采用锥形孔结构作为本文设计喷头的喷孔结构,经分析,该类型喷孔结构较其他类型喷孔在喷射时受流体粘滞力影响较小且液滴更容易断裂。经联合仿真分析验证,本文设计的喷头可以实现粘度在0-50cps范围内流体的喷射。此外,本文在研究了喷头的设计参数、喷孔结构以及驱动电压参数对于喷头喷射性能的影响后,对其进行了优选,确定了设计喷头最终的应用参数,以期从喷头的结构和控制方面共同出发,扩大现有喷头可喷射流体的范围,增加喷头的墨水适用性,使其可以喷射粘度更高的流体,进而有助于喷墨打印柔性电子的打印分辨率的提升。
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