一种基于各喷嘴独立加热调节的阵列化电流体喷头

1.本发明属于喷墨打印装置领域，更具体地，涉及一种基于各喷嘴独立加热调节的阵列化电流体喷头。


背景技术：

2.喷墨打印作为一种增材制造直写技术，具有无需掩膜、生产灵活、材料利用率高等优点，在印刷显示、印刷电路、印刷太阳能电池等领域具有良好的应用前景。
3.喷墨打印目前主要采用压电和热泡技术，通过压电片形变或者加热产生气泡，将墨水挤出喷头，形成墨滴。这两种喷墨打印技术具有对墨水粘度敏感、最小墨滴尺寸大于喷嘴直径的缺点，使得可供打印的墨水粘度受限，同时打印的分辨率受限于喷嘴直径难以进一步提高，无法满足更多材料和更高分辨率的喷印需求。电流体喷印技术使用电场力作为主要驱动力，对墨水的驱动能力大大增强，能够打印高粘度的墨水；同时，由于是弯液面局部发生喷射，产生的墨滴尺寸可以远小于喷嘴直径，从而能够显著提高喷印分辨率。电流体喷墨打印技术克服了传统喷墨打印技术的两大缺点，具有广阔的应用前景。
4.电流体喷头是实现电流体喷墨打印的关键。目前，电流体喷头的独立可控喷射都是通过调控电场来实现的，但电场调控存在喷嘴开启电压不等、电场串扰等问题。此外，电场调控主要依靠外接电极环来实现，打印时射流易偏斜到电极环上，使喷头发生故障。例如，中国专利申请cn201410289239.5提出了一种实现喷头独立可控喷印的方法，但由于在喷头下方设置了提取电极，不仅制造装配困难，而且墨水易偏斜堆积在提取电极上使喷头损坏。中国专利申请cn201510299992.7提出了一种微型电喷雾芯片器件，但其无法实现每个喷孔喷射状态的独立控制。


技术实现要素：

5.针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于各喷嘴独立加热调节的阵列化电流体喷头，其目的在于解决现有通过调控电场来实现电流体喷头独立可控喷射时易于发生故障的问题。
6.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种基于各喷嘴独立加热调节的阵列化电流体喷头，包括：喷孔板，阵列化设置在该喷孔板上的多个突出喷嘴，与所述多个突出喷嘴一一对应的多个加热电极，用于为每个加热电极独立供电的供电电路，以及与所述多个突出喷嘴连通的墨盒；
7.每个加热电极用于对其所对应的突出喷嘴进行独立加热；在墨盒中的溶液所加的电压满足：在加热电极不工作时，墨盒中的墨液不会因墨盒与打印基板之间的电场力而喷射；且当供电电路为每个加热电极独立供电时，不同的供电电压产生不等的电阻热，使得该加热电极所对应的突出喷嘴内溶液的温度不等，以具有不同的喷射状态。
8.本发明的有益效果是：本发明摒弃现有通过电极环控制电流体喷射的机制，新引入加热电极，对每个喷孔的温度分别进行调节，以调控端部溶液的表面张力、粘度、接触角
等参数。当溶液温度升高，其表面张力、粘度减小，喷射的阻力减小；当阻力小于电场力时，溶液将发生由不喷射到喷射的改变。给墨盒中溶液施加的电压满足：在加热电极不工作时，墨盒中的墨液不会因墨盒与打印基板之间的电场力而喷射，当供电电路为每个加热电极独立供电时，不同的供电电压产生不等的电阻热，使得各喷嘴内溶液的温度不等，进而表面张力、粘性、接触角不等，因而具有不同的喷射状态，从而实现对喷孔的独立控制，能够避免现有通过调控电场来实现电流体喷头独立可控喷射时易于发生故障的问题。
9.进一步，所述加热电极的材料为铁镍合金、镍铬合金、二硼化铪、多晶硅或钽铝(氧、氮)。
10.本发明的进一步有益效果是：铁镍合金、镍铬合金、二硼化铪、多晶硅或钽铝(氧、氮)等材料，具有升温迅速的特点，能够满足喷嘴的快速响应要求。
11.进一步，所述加热电极的最高工作电压不超过100v，最高工作温度不超过200℃。
12.本发明的进一步有益效果是：加热电极3的最高工作电压不超过100v，最高工作温度不超过200℃，能够避免高温造成喷头提前老化。
13.进一步，所述加热电极为封闭或不封闭的环形电极，环绕在突出喷嘴外围；或者所述加热电极为一层薄膜，附着在突出喷嘴内壁或其上方的喷孔腔内壁；
14.根据应用需求，所述加热电极的电阻值通过改变电阻材料、电阻几何尺寸来调整。
15.进一步，所述供电电路有多个，与所述加热电极一一对应，各供电电路之间互相隔开，每个供电电路的远端设置有引脚，通过引脚和开关与外部电路进行连接，以独立控制该加热电极的工作与否。
16.进一步，还包括设置在加热电极和供电电路上的绝缘层。
17.本发明的进一步有益效果是：绝缘层覆盖于所述加热电极和供电电路之上，用以隔绝外界溶液，避免加热电极之间、供电电路之间发生导通。绝缘层使用的材料具有良好的绝缘性和耐热性。
18.进一步，所述绝缘层的外侧表面设计为微型波纹结构。
19.本发明的进一步有益效果是：绝缘层的外侧表面可以设计为微型波纹结构，增大与空气的接触面积，提升散热效果。
20.本发明还提供一种打印系统，采用如上所述的一种基于各喷嘴独立加热调节的阵列化电流体喷头。
21.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：
22.本发明摒弃现有通过电极环控制电流体喷射的机制，新引入加热电极，对每个喷孔的温度分别进行调节，以调控端部溶液的表面张力、粘度、接触角等参数，从而实现对喷孔的独立控制，能够避免现有通过调控电场来实现电流体喷头独立可控喷射时易于发生故障的问题。其中，加热电极的作用是对喷嘴端部进行加热，以调节泰勒锥液面的表面张力，控制液面的喷射，从而实现各个喷嘴的独立可控喷印，具有低串扰、高分辨率、低成本等优点。
附图说明
23.图1为本发明实施例提供的基于各喷嘴独立加热调节实现独立可控的阵列化电流体喷头的立体图；
24.图2为本发明实施例提供的基于各喷嘴独立加热调节实现独立可控的阵列化电流体喷头的剖面图；
25.图3为本发明实施例提供的基于各喷嘴独立加热调节实现独立可控的阵列化电流体喷头的加热电极的另一种布置方式图；
26.图4为本发明实施例提供的基于各喷嘴独立加热调节实现独立可控的阵列化电流体喷头的独立可控示意图。
27.在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：
28.1为喷孔板，2为突出喷嘴，3为加热电极，4为供电电路，5为绝缘层，6为墨盒，7-基板。
具体实施方式
29.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。
30.实施例一
31.一种基于各喷嘴独立加热调节的阵列化电流体喷头，如图1和图2所示，包括：喷孔板1，阵列化设置在该喷孔板上的多个突出喷嘴2，多个加热电极3，用于为每个加热电极独立供电的供电电路4，以及与多个突出喷嘴连通的墨盒6；多个突出喷嘴与多个加热电极一一对应，加热电极的位置在喷嘴与喷孔接触的端部(实际上也可以在喷嘴上方、侧面等)；给墨盒中溶液施加的电压满足：在加热电极不工作时，墨盒中的墨液不会因墨盒与打印基板之间的电场力而喷射；当供电电路为每个加热电极独立供电时，不同的电压产生不等的电阻热，使得各喷嘴内溶液的温度不等，进而表面张力、粘性、接触角不等，因而具有不同的喷射状态。
32.需要说明的是，墨盒6上部开有用于加注溶液的孔，墨盒6底部开有与喷孔板1上通孔连通的槽，用于供给溶液，喷孔板1上有多个通孔并与突出喷嘴2的孔相连，构成溶液通道，加热电极3环绕于突出喷嘴2，与供电电路4直接相连，加热电极3与突出喷嘴2一一对应，由于溶液阻力随温度变化，不同的供电电压对应突出喷嘴不同的温升，温升不同，电流体的喷射状态不同，通过对喷嘴端部进行加热，实现各个喷嘴喷射状态的独立控制。每个加热电极的电压均可独立调整。加热电极由电热材料制成，通过改变施加在加热电极上的电压来产生不等的电阻热。
33.更进一步的说明，加热电极施加的电压随着工作溶液的不同而改变。不同溶液具有不同的比热容，升高相同温度所需能量不相等；同时，不同溶液的表面张力系数、粘度随温度的变化规律也各不相同。通过对突出喷嘴2处的局部溶液进行加热，使其喷射阻力减小，当喷射阻力小于墨盒与打印基板之间的电场力时，溶液发生喷射，喷嘴开启。
34.突出喷嘴2能够使电场集中，降低喷射的启动电压。进行喷印时先对墨盒中的溶液施加电压，使得喷嘴尖端形成泰勒锥，再对加热电极通电，使喷嘴开始喷射。本实施例喷头的启动电压比现有通过电极环控制电流体喷射的启动电压低，加热电极3在喷头工作时作为辅助能量源，控制墨液的喷射与否，起着墨液喷射开关的作用，能够降低喷头工作电压
20％～30％，降低了对高压电源的要求。
35.可作为优选的实施方式，在喷孔板1的下方加工出加热电极3和供电电路4。采用的加工方法为蒸镀或磁控溅射，所选加热电极材料为铁镍合金，供电电路材料为金。
36.加热电极3使用的材料应当具有升温迅速的特点，以满足喷嘴的快速响应要求，因此可以选择铁镍合金、镍铬合金、二硼化铪、多晶硅、钽铝(氧、氮)等材料。
37.可作为优选的实施方式，加热电极3的最高工作电压不超过100v，最高工作温度不超过200℃，以避免高温造成喷头提前老化。
38.可作为优选的实施方式，加热电极为封闭或不封闭的环形电极，环绕在突出喷嘴外围；或者加热电极为一层薄膜，附着在突出喷嘴内壁或其上方的喷孔腔内壁，如图3所示，加热电极布置在流道壁内；另外，根据应用需求，加热电极的电阻通过改变电阻材料、电阻几何尺寸来调整。
39.可作为优选的实施方式，供电电路有多个，与加热电极一一对应，各供电电路之间互相隔开，每个供电电路的远端设置有引脚，通过引脚和开关与外部电路进行连接，以独立控制该加热电极的工作与否。
40.各供电电路之间互相隔开，能够对各个加热电极的电压进行独立调节。且每个供电支路采用开关独立控制，以独立控制各个突出喷嘴中溶液的喷射。
41.可作为优选的实施方式，喷头还包括设置在加热电极和供电电路上的绝缘层。
42.绝缘层5覆盖于加热电极3和供电电路4之上，用以隔绝外界溶液，避免加热电极之间、供电电路之间发生导通。绝缘层使用的材料具有良好的绝缘性和耐热性。
43.需要说明的是，绝缘层5覆盖于加热电极3和供电电路4之上，避免溢出的溶液使各电路之间导通，但需留出供电电路4的引脚，以便与外部电路连接。
44.可作为优选的实施方式，所述绝缘层的外侧表面设计为微型波纹结构，以增大与空气的接触面积，提升散热效果。
45.为了更清楚地描述本实施例，现给出如下示例：
46.加热电极环绕在突出喷嘴2外侧以外，突出喷嘴2用su-8光刻胶光刻制备得到，喷嘴的外径为50μm，高度为100μm，间距为300μm，喷嘴的个数为8个。加热电极3采用铁镍合金材料，使用打孔pi胶带作掩膜，通过磁控溅射工艺制备得到，其外径为100μm，厚度为200nm。供电电路4也通过磁控溅射工艺制备得到，材料为金，宽度为40μm，厚度为200nm。绝缘层5使用特氟龙材料，通过蒸镀制备得到。墨盒6使用亚克力材料，通过3d打印制备得到。
47.当使用喷头进行喷印时，先使溶液均匀地到达各喷嘴的尖端，进行喷嘴的浸润。之后向溶液施加一个脉冲电压，且该电压小于喷嘴的启动电压。对加热电极施加电压，并调节电压的大小，寻找出使喷嘴开始喷射的电压值。根据喷印的需求，给对应的喷嘴进行加热，再配合移动工作台即可进行图案化打印。
48.当对喷嘴的溶液通电，而不对加热电极通电时，电场力小于喷射阻力，液面下垂但不喷射；在对加热电极也通电后，溶液的温度升高、表面张力系数减小，喷射的阻力减小，在电场力大于喷射阻力后，液面发生喷射。如图4所示，通过给特定喷嘴的加热电极通电，即可实现阵列化喷头的独立可控。(图4中，从左数2、3、6、7喷嘴的加热电极通电，其他喷嘴不通)
49.对于乙二醇墨液，室温25℃下喷头的开启电压为1200v。使用喷头时，需先预喷印摸索合适的加热电极电压值。给溶液整体施加1000v电压，然后给特定的加热电极通电，并
逐渐增大电压，直至喷头稳定喷射，记下此电压值。用该电压值作为加热电极的工作电压，开始正式打印。若要调节射流的大小，可以改变加热电极的工作电压。
50.实施例二
51.一种打印系统，采用如上所述的一种基于各喷嘴独立加热调节的阵列化电流体喷头。
52.相关技术方案同实施例一，在此不再赘述。
53.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。

技术特征：
1.一种基于各喷嘴独立加热调节的阵列化电流体喷头，其特征在于，包括：喷孔板，阵列化设置在该喷孔板上的多个突出喷嘴，与所述多个突出喷嘴一一对应的多个加热电极，用于为每个加热电极独立供电的供电电路，以及与所述多个突出喷嘴连通的墨盒；每个加热电极用于对其所对应的突出喷嘴进行独立加热；在墨盒中的溶液所加的电压满足：在加热电极不工作时，墨盒中的墨液不会因墨盒与打印基板之间的电场力而喷射；且当供电电路为每个加热电极独立供电时，不同的供电电压产生不等的电阻热，使得该加热电极所对应的突出喷嘴内溶液的温度不等，以具有不同的喷射状态。2.根据权利要求1所述的阵列化电流体喷头，其特征在于，所述加热电极的材料为铁镍合金、镍铬合金、二硼化铪、多晶硅或钽铝(氧、氮)。3.根据权利要求1所述的阵列化电流体喷头，其特征在于，所述加热电极的最高工作电压不超过100v，最高工作温度不超过200℃。4.根据权利要求1所述的阵列化电流体喷头，其特征在于，所述加热电极为封闭或不封闭的环形电极，环绕在突出喷嘴外围；或者所述加热电极为一层薄膜，附着在突出喷嘴内壁或其上方的喷孔腔内壁；根据应用需求，所述加热电极的电阻值通过改变电阻材料、电阻几何尺寸来调整。5.根据权利要求1所述的阵列化电流体喷头，其特征在于，所述供电电路有多个，与所述加热电极一一对应，各供电电路之间互相隔开，每个供电电路的远端设置有引脚，通过引脚和开关与外部电路进行连接，以独立控制该加热电极的工作与否。6.根据权利要求1所述的阵列化电流体喷头，其特征在于，还包括设置在加热电极和供电电路上的绝缘层。7.根据权利要求6所述的阵列化电流体喷头，其特征在于，所述绝缘层采用了增强散热的设计，将外侧表面设计为微型波纹结构。8.一种打印系统，其特征在于，采用如权利要求1至7任一项所述的一种基于各喷嘴独立加热调节的阵列化电流体喷头。

技术总结
本发明属于喷墨打印装置领域，具体涉及一种基于各喷嘴独立加热调节的阵列化电流体喷头，包括：喷孔板，设置在该喷孔板上的多个突出喷嘴，与多个突出喷嘴一一对应的多个加热电极，用于为每个加热电极独立供电的供电电路，以及与多个突出喷嘴连通的墨盒；每个加热电极用于对其所对应的突出喷嘴进行独立加热；在墨盒中的溶液所加的电压满足：在加热电极不工作时，墨盒中的墨液不会因墨盒与打印基板之间的电场力而喷射；且当供电电路为每个加热电极独立供电时，不同的供电电压产生不等的电阻热，使得该加热电极所对应的突出喷嘴内溶液的温度不等，以具有不同的喷射状态。本发明能避免现有通过调控电场进行喷头独立可控喷射时易于发生故障的问题。于发生故障的问题。于发生故障的问题。


技术研发人员：段永青 尹周平 王麒铭 杨唯笠 高吉鑫 孙朝阳
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：2023.03.06
技术公布日：2023/7/19