压电式喷墨打印头振动板的设计制造与优化

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压电式喷墨打印设备具有成本低、集成度高、打印分辨率高、易于控制以及墨水兼容性高等特点,其应用已经由传统印刷行业逐渐扩展到电子器件、生物医疗以及机械加工等多个领域。作为对压电喷墨打印技术探索的一部分,本文旨在研发拥有自主知识产权的压电喷头振动板结构。作为喷墨动力源,其性能影响着打印头的寿命、打印精度,对振动板的研究有利于促进喷墨打印设备的国产化进程。通过查阅国内外相关文献,了解了喷墨打印技术的发展及研究现状,并确定了以弯曲式喷墨打印技术作为压电喷头设计的基础。本文的研究内容主要包含如下:(1)压电式喷墨打印头振动板结构的设计。理论分析结合有限元软件模拟,设计出以SiO2作为弹性层,以锆钛酸铅(Lead zirconate titanate,PZT)薄膜作为压电元件,以金属Pt作为PZT电极,以Parylene C薄膜作为保护层的复合压电振动板结构。通过对微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)技术的研究,确定了压电喷头振动板结构各部分制备工艺方法。(2)压电式喷墨打印头振动板结构的制备。结合MEMS工艺的特点、振动板各部分材料以及各制备工艺的兼容性,本文确定了振动板结构的制备工艺流程,并对各工艺进行了优化。通过调整水浴温度,提高了SiO2腐蚀的速率及均匀性;通过调整光刻工艺,提高了Pt下电极图形化后的表面质量并改善了Pt上电极的剥离效果;通过改善腐蚀工艺,减小了PZT薄膜的侧蚀;通过采用多步刻蚀工艺,获得了侧壁垂直的硅杯和过刻蚀较小的振动板结构;通过增加刻蚀气体CF4并将刻蚀功率调整到100w,提高了Parylene C薄膜刻蚀速率。(3)振动板释放工艺优化。利用刻蚀钝化比为8/2、9/2、11/3的DRIE多步刻蚀工艺成功释放振动板。通过逐步增加刻蚀气体的通气时间,减小了“长草”风险;通过平衡刻蚀钝化时间比,改善了硅杯形貌结构;通过将刻蚀阶段、钝化阶段下电极射频功率降低为0w,减小了根切现象和SiO2过刻蚀,成功制备出硅杯形貌规则、氧化层损失小的压电喷头振动板结构。(4)压电式喷墨打印头振动板结构的测试。本文利用激光多普勒测振系统检验了所制备振动板的振动性能。利用聚合物SU-8制备了供墨腔室,并成功实现了墨滴喷射,墨滴速度为5.6m/s,体积为11pl,证明了本文压电喷头振动板设计及其制备工艺的可行性。
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