[发明专利]一种喷墨打印头压电振动结构

说明书

本发明公开了一种喷墨打印头压电振动结构，包括振动薄板和压电元件；所述振动薄板由材料a和材料b组成，所述压电元件由顶电极、压电陶瓷、底电极、基板和铰支微区组成；所述顶电极和底电极同时通电时，压电陶瓷发生变形，进而导致所述振动薄板变形，挤压墨水，进而使墨水喷出。本发明与现有技术相比具有如下优点：1、该压电喷墨打印喷头的驱动结构制备工艺简单，重复性好；2、该压电振动结构具有很高的振动振幅和频率、使用寿命长；3、该压电振动结构可由金属、硅化物、聚合物、无机物、有机物或半导体等多层材料制成，制备成本低。

技术领域

本发明属于半导体传感器执行器制造技术领域，涉及一种喷墨打印头压电振动结构，是采用微机电技术(MEMS)设计制造而成的。

背景技术

压电喷墨打印是一种数字化按需式喷墨打印技术。基于微机电系统(MEMS)技术制造的压电喷墨打印头能够以多种工作模式在不同的承印物上沉积多种墨水材料，且使用寿命长，打印精度高。随着喷墨打印头技术的不断革新，喷墨打印已从传统的图像打印领域逐渐扩展到现代社会各个领域，如柔性集成电路、生物细胞打印、新兴的3D打印技术等。压电驱动元件作为压电喷墨打印头的核心器件，其振动板的振动性能直接决定打印头墨水腔室压力变化，而根据波传导理论，腔室的压力变化最终又会影响墨滴的形成以及稳定喷射。因此研究压电振动板的振动性能是合理设计压电喷墨打印头驱动器的基础。

压电驱动打印技术具有能耗低，驱动力大，制造周期短等优点，本专利以压电振动结构为研究对象，重点研究了压电元件和振动薄板的材料性能参数和尺寸对压电喷墨打印的影响。

在压电喷墨打印头中，通过施加电压给压电陶瓷，使振动薄板产生位移和压力进而挤压腔室内的墨水，来实现墨滴喷射的按需喷墨打印。压电振动薄板主要是利用压电陶瓷的逆压电效应，即在压电陶瓷极化方向施加电压时，压电陶瓷会产生形变，且形变的大小与施加的电场大小成正相关。针对压电振动薄板和压电元件的结构，学者们做了大量研究工作。振动薄膜的柔性对其受到压电元件作用后产生形变有重要影响。大的变形有利于墨滴喷射，如增大墨滴体积。大的变形需要振动板较高的柔性，但是如果振动板柔性太高，又会降低喷墨频率。振动板的柔性和弹性不易同时提高。

以锆钛酸铅压电陶瓷(PZT)形变为驱动的压电振动板的设计与研究是一个复杂的过程，至今尚未有成熟的理论设计方法。许多研究学者通过采用激光多普勒振动仪(LDV)来测量压电振动板的振幅，分析其动力学性能。Chien-ChingMa等人利用激光多普勒振动仪来研究压电陶瓷矩形板的共振特性，得到了边界完全自由和完全固定两种情况下的振幅频率响应，并运用有限元模拟方法来验证实验结果。有关压电层不同结构形式，例如介于完全自由和完全固定边界条件之间的约束条件，对压电振动板振动振幅的影响分析报道很少。

发明内容

本发明提供一种喷墨打印头压电振动结构，采用该结构能有效提高压电喷墨打印头振动元件的振动幅度和频率。

本发明采用的技术方案为：该结构包括振动薄板和压电元件；所述振动薄板由材料a和材料b组成，所述压电元件由顶电极、压电陶瓷、底电极、基板和铰支微区组成；所述底电极置于基板上，压电陶瓷置于底电极上，所述铰支微区7镶嵌在压电陶瓷4中，所述振动薄板置于压电陶瓷上，振动薄板上方为腔室；所述顶电极和底电极同时通电时，压电陶瓷发生变形，进而导致所述振动薄板变形，挤压墨水，进而使墨水从供墨通道喷出。

所述材料a包括但不限于SiO₂、Si₃N₄、聚合物材料；所述材料b包括但不限于SiO₂、Si₃N₄、半导体、金属材料；所述顶电极采用的材料包括但不限于Pt、Au、Ti、Cr材料；所述压电陶瓷采用的材料包括但不限于压电陶瓷和压电薄膜材料；所述底电极采用的材料包括但不限于Pt、Au、Ti、Cr材料；所述基板采用的材料包括但不限于SiO₂、Si₃N₄材料，所述铰支微区采用的材料包括但不限于聚合物和介电材料。