压电喷墨结构设计及其制造工艺优化

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喷墨打印技术是一种非接触式、输出图像质量较高的打印技术,并在很多领域占有重要地位。如今压电式喷墨打印技术作为喷墨打印技术一个重要的类别,以响应速度快、非接触性、高分辨率、寿命长和墨水性能要求低等优势,被广泛应用于印刷业、细胞打印、电子产品制造等领域,充分显现出了压电式喷墨打印技术在各个领域的巨大商业价值。现今,国内对压电式喷墨技术的研究还比较稀少,主要集中在其理论研究上,技术还相对落后,产品还主要依靠进口。本项目旨在打破国外垄断,突破专利堡垒,实现国内喷头的自主化生产。本文通过一系列设计和工艺制作过程制作出了压电式喷墨打印头,并通过喷墨测试验证了结构的合理性。主要研究内容如下:(1)根据压电驱动分析理论模型、结合相关专利和文献,设计一种新型的压电式喷头结构,利用有限元模拟软件COMSOL对喷头的各部分结构尺寸进行优化,并对比选取了各部分所应用的材料。其结构材料如下:使用厚度为300gm的两寸硅片作为基底,厚度为500nm的Si02作为振动板,厚度为200nm的铂金(Pt)作为下电极,厚度为1μm的PZT薄膜作为致动板,厚度为150μm的Pt作为上电极,厚度为350nm的Parylene作为保护层,SU-8胶作为腔室材料。(2)根据MEMS的相关工艺技术设计了一套压电式喷头工艺制造方案,描述并分析了喷头各部件所采用的工艺方法及工艺设备。对比了各个制作工艺的优缺点,并结合实际需求对工艺进行优化。主要利用的制作工艺有:光刻、氧化、湿法腐蚀、深反应离子刻蚀、等离子溅射、蒸镀等。(3)分析对比了各种喷孔制作方案,分析了SU-8胶等离子刻蚀速率的影响因素,并对刻蚀参数进行了的优化。最终选择了刻蚀时间为5min、腔室压强为20mb ar、刻蚀功率为100W、气体浓度为CF4:02=1:20的刻蚀参数对铰链后的SU-8胶进行刻蚀,获得了5.2μm/min的刻蚀速率和较好的刻蚀形貌。(4)利用多普勒激光测试仪测试压电薄膜振动性能,利用本课题组搭建的测试平台观察和测试压电式喷头的喷墨情况,证明制造工艺的可行性和喷头结构的合理性。
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