CN105366625B - 一种基于mems工艺的电磁力喷头 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于MEMS工艺的电磁力喷头，包括导电线圈、软磁性材料、硅材料、控制芯片、导电流体、电极对；所述导电线圈置于软磁性材料的内部，所述硅材料包覆软磁性材料，所述导电线圈的正负极分别与电极对的正负极连接，所述控制芯片置于硅材料顶部，所述导电流体从贯穿控制芯片、硅材料、软磁性材料的喷孔底部流出，所述电极对贯穿软磁性材料、硅材料与顶部的控制芯片连接，实现对导电流体的微流动控制。基于MEMS工艺制造的微型电磁力喷头，通电后，串联的导电线圈产生磁场，电极对产生电场，电磁场形成的电磁力驱动喷头内的导电流体竖直向下流动，具有结构简单、精度高、频率高、噪音低、热量小、可靠性高的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于MEMS工艺的电磁力喷头，无噪音、无热量、无振动、无驱动机构，应用于高精度、高频率、高可靠性的导电流体的微流动控制领域。
背景技术
MEMS制造工艺是下至纳米尺度，上至毫米尺度微结构加工工艺的统称。主要包括：集成电路工艺技术（以薄膜沉积，图形化与刻蚀技术对硅材料进行加工，形成硅基MEMS器件）、LIGA技术（光刻、电铸和塑铸形成深层微结构的方法制造MEMS器件）。硅MEMS加工技术的主要特点，对硅衬底材料的深刻蚀，可得到较大纵向尺寸可动微结构，硅工艺包括湿法SOG（玻璃上硅）工艺、干法SOG工艺、正面硅工艺、SOI （绝缘体上硅）工艺。表面MEMS加工技术主要通过在硅片上生长氧化硅、氮化硅、多晶硅等多层薄膜，来完成MEMS器件的制作，利用表面工艺得到的可动微结构的纵向尺寸较小。
喷墨打印机按照工作原理可分为热泡式与压电式。
热气泡喷墨技术是指喷管里充满墨水，当给加热器施加电压时，加热单元在短时间内启动，使得加热单元周围的墨水短时间加热形成微汽泡，墨水以极快的速度气化，小汽泡就会变大，汽泡胀到最大，利用膨胀力把墨水挤出。而之后喷管内的汽泡迅速收缩，使得挤出的墨水形成墨滴，这样挤出喷管外的墨滴就会喷到纸上。墨水被挤压喷出后，汽泡消失，并产生毛细现象，使喷管内再次充满墨水，这样就完成了一次喷墨循环。
压电式喷墨技术，利用压电陶瓷材料固有的逆压电效应引起的形状变化，作用于墨水腔而形成墨滴，压电陶瓷材料在外电场的作用下会产生形状变化，例如伸长(缩短和剪切变形）。当外加电场与压电陶瓷材料的极化方向垂直时，材料发生剪切变形，形成喷墨的压力，喷墨管在压力作用下挤出油墨形成墨滴，并高速喷出，喷射到承印物上形成图像。
热泡式打印头由于墨水高温下易发生化学变化，性质不稳定，所以打出的色彩真实性就会受到一定程度的影响；墨水是通过气泡喷出的，墨水微粒的方向性与体积大小不易掌握，打印线条边缘容易参差不齐，在一定程度上影响了打印质量。微压电式打印头被损坏或者阻塞了，整台打印机都需要维修；高频喷射下，压电喷射会发出较大噪音。
针对上述不足，本发明根据电磁场的洛伦兹力理论，即正交（垂直）分布的电场和磁场，能够对置于其中的导体产生洛伦兹力、使其沿着同时正交（垂直）于电磁和磁场两个方向的运动。利用洛伦兹力即电磁力，在常温下就可以驱动导电流体（如：导电墨水）运动，通过控制芯片调节电磁力的大小，实现高精度、高频率、高效率、无热量、无噪音、无振动的微流体喷射。
发明内容
本发明的目的在于：提供了一种基于MEMS工艺的电磁力喷头，具有结构简单、高精度、高频率、高效率、无热量、无噪音、无振动、无驱动机构的特点。喷头内部的电磁场作用于导电流体产生电磁力，驱动导电流体定向流动，控制芯片调节电磁场强度和启停以控制流体的流速和频率。
为实现上述目的，本发明的构思如下：
本发明的一种基于MEMS工艺的电磁力喷头具有导电线圈，包括：2个正极接线端、2个负极接线端；喷孔左右两端有若干导电线圈串联而成，导电后形成同向电磁极；左端串联而成的导电线圈正极与电极对的正极相连，左端串联而成的导电线圈负极与电极对的负极相连；右端串联而成的导电线圈正极与电极对的正极相连，右端串联而成的导电线圈负极与电极对的负极相连。
本发明的一种基于MEMS工艺的电磁力喷头，具有软磁性材料，包覆导电线圈，通电后形成的电磁场被约束在软磁性材料内部，不会泄露到软磁性材料外部；软磁性材料中间有喷孔流通导电流体，喷孔左右有导电线圈组成的电磁极，喷孔前后有电极对组成的电场。
本发明的一种基于MEMS工艺的电磁力喷头，具有硅材料，作为电磁力喷头的基本载体，包覆软磁性材料，内部有电极对，顶部控制芯片，底部有喷孔流通导电流体。
本发明的一种基于MEMS工艺的电磁力喷头，具有控制芯片，中间有喷孔流通导电流体，底部连接硅材料，顶部连接外部电源，内置的电路控制电磁力的大小。
本发明的一种基于MEMS工艺的电磁力喷头，具有电极对，位于喷孔前后两端，与导电线圈形成的电磁极在同一个平面内正交垂直，其目的在于通电后产生的电磁场作用于导电流体形成垂直向下的电磁力，完成喷射过程。
本发明的一种基于MEMS工艺的电磁力喷头，通电后，导电流体在电磁力的作用下，流经喷头上部的控制芯片和硅材料，进入软磁性材料，从喷头底部锥形喷孔喷出。
根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：
一种基于MEMS工艺的电磁力喷头，包括导电线圈、软磁性材料、硅材料、控制芯片、导电流体、电极对；所述导电线圈置于软磁性材料的内部，所述硅材料包覆软磁性材料，所述导电线圈的正负极分别与电极对的正负极连接，所述控制芯片置于硅材料顶部，所述导电流体从贯穿控制芯片、硅材料、软磁性材料的喷孔底部流出，所述电极对贯穿软磁性材料、硅材料与顶部的控制芯片连接，实现对导电流体的微流动控制。
所述导电线圈包括两个正极接线端、两个负极接线端；喷孔左端线圈由若干导电线圈串联而成，喷孔右端线圈由若干导电线圈串联而成，通电后左右两组导电线圈形成左S右N的同向电磁极；左端串联而成的导电线圈正极接线端与电极对的正极相连，左端串联而成的导电线圈负极接线端与电极对的负极相连；右端串联而成的导电线圈正极接线端与电极对的正极相连，右端串联而成的导电线圈负极接线端与电极对的负极相连，电磁极与电场共用一对正负电极。
所述软磁性材料包覆导电线圈，通电后形成的电磁场被约束在软磁性材料内部，不会泄露到软磁性材料外部；软磁性材料中间有喷孔流通导电流体，喷孔左右有导电线圈组成的电磁极，喷孔前后有电极对组成的电场。
所述控制芯片中间有喷孔流通导电流体，底部连接硅材料，顶部连接外部电源，内置的电路控制电磁力的大小；控制芯片的正负极通过硅材料和软磁性材料与电极对连接，实现导电通路。
所述电极对位于喷孔前后两端，与导电线圈形成的电磁极在同一个平面内正交垂直分布，通电后产生的电磁场作用于导电流体，形成竖直向下的电磁力，驱动导电流体（5）完成喷射过程。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
1、本发明的一种基于MEMS工艺的电磁力喷头，采用MEMS工艺制造，将微结构与控制电路集成在同一个硅衬底上，器件体积小、集成度高、组合性好、喷***度高。
2、本发明的一种基于MEMS工艺的电磁力喷头，根据电磁场作用于导电流体产生的电磁力驱动导电流体定向流动，与其他驱动方式相比，无噪音、无热量、无振动、无驱动机构，重复性高、可靠性高、控制精度高、喷射效率高。
3、本发明的一种基于MEMS工艺的电磁力喷头，串联的导电线圈通电后产生的电磁极代替永磁极，避免了永磁极放置带来的其他问题，并且能够调整磁场强度和电磁驱动力，精确控制导电流体的流速。
4、本发明的一种基于MEMS工艺的电磁力喷头，电场和电磁极共用一对正负极，改变电流方向，同时改变电场和磁场的方向，因此电磁力方向不变，有利于电路设计、接线和控制。
5、本发明的一种基于MEMS工艺的电磁力喷头，其软磁性材料包覆导电线圈，通电后形成的电磁场被约束在软磁性材料内部，不会泄露到软磁性材料外部。
6、本发明的一种基于MEMS工艺的电磁力喷头，其控制芯片通过MEMS工艺，将控制电路、软磁材料、导电线圈等集成在硅材料衬底上，形成独立的、完整的喷射单元，有利于多个喷射单元的集成制造和联合控制，减小喷头的体积，增加控制的可靠性。
附图说明
图1为基于MEMS工艺的电磁力喷头结构示意图。
图2为软磁性材料示意图。
图3为导电线圈与电极对示意图。
图4为硅材料示意图。
图5为工作原理示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例及附图对本发明作进一步详细的描述。
由图1至图4所示，一种基于MEMS工艺的电磁力喷头，包括导电线圈1、软磁性材料2、硅材料3、控制芯片4、导电流体5、电极对6；所述导电线圈1置于软磁性材料2的内部，所述硅材料3包覆软磁性材料2，所述导电线圈1的正负极分别与电极对6的正负极连接，所述控制芯片4置于硅材料3顶部，所述导电流体5从贯穿控制芯片4、硅材料3、软磁性材料2的喷孔底部流出，所述电极对6贯穿软磁性材料2、硅材料3与顶部的控制芯片4连接，实现对导电流体5的微流动控制。
所述导电线圈1包括两个正极接线端1-1、两个负极接线端1-2；喷孔左端线圈由若干导电线圈1串联而成，喷孔右端线圈由若干导电线圈1串联而成，通电后左右两组导电线圈1形成左S右N的同向电磁极；左端串联而成的导电线圈1正极接线端1-1与电极对6的正极相连，左端串联而成的导电线圈1负极接线端1-2与电极对6的负极相连；右端串联而成的导电线圈1正极接线端1-1与电极对6的正极相连，右端串联而成的导电线圈1负极接线端1-2与电极对6的负极相连，电磁极与电场共用一对正负电极。
所述软磁性材料2包覆导电线圈1，通电后形成的电磁场被约束在软磁性材料2内部，不会泄露到软磁性材料2外部；软磁性材料2中间有喷孔流通导电流体5，喷孔左右有导电线圈1组成的电磁极，喷孔前后有电极对6组成的电场。
所述控制芯片4中间有喷孔流通导电流体5，底部连接硅材料3，顶部连接外部电源，内置的电路控制电磁力的大小；控制芯片4的正负极通过硅材料3和软磁性材料2与电极对6连接，实现导电通路。
所述电极对6位于喷孔前后两端，与导电线圈1形成的电磁极在同一个平面内正交垂直分布，通电后产生的电磁场作用于导电流体5，形成竖直向下的电磁力，驱动导电流体5完成喷射过程。
如图5所示，本发明的工作原理简述如下：
电磁学理论指出，运动电荷在磁场中受到的力称为洛伦兹力，即磁场对运动电荷的作用力。洛伦兹力始终垂直于电荷的速度方向和磁场方向确定的平面，即运动电荷沿着洛伦兹力的方向偏转运动。洛伦兹力既适用于微观电荷，也适用于宏观电荷粒子。电流元在磁场中所受安培力，就是其中运动电荷所受洛伦兹力的宏观表现。电磁炮和磁悬浮列车都是洛伦兹力（安培力）在宏观尺度的实际应用。
本发明在喷头内部导电流体的通道管壁上，设置有垂直分布的电磁极（导电线圈1）和电极对6。接通外部电源，控制芯片4根据设置的参数发出控制指令，喷头内部的导电线圈1产生电磁场，电场和磁场的方向正交并垂直于导电流体5，电磁场对导电流体5形成平行于流动方向的电磁力，驱动导电流体5从喷头中喷射而出。
根据洛伦兹力的定义，对于长度为L的导体，当作用于导体的电场E和磁场B正交（垂直）时，导体受到的洛伦兹力（安培力）公式为：，即洛伦兹力的大小与导体的长度、加载的电流和磁场强度有关。
本发明中，导体的长度L取决于与导电流体5接触的电极对6长度，磁场强度B取决于导电线圈1的匝数和电流大小，加载的电流I取决于电极对6的电压与导电流体5的电阻比值，由此可以计算得到洛伦兹力F。因此，控制洛伦兹力就可以实现对导电流体5的运动控制和流量控制。
Claims (5)
1.一种基于MEMS工艺的电磁力喷头，其特征在于，包括导电线圈（1）、软磁性材料（2）、硅材料（3）、控制芯片（4）、导电流体（5）、电极对（6）；所述导电线圈（1）置于软磁性材料（2）的内部，所述硅材料（3）包覆软磁性材料（2），所述导电线圈（1）的正负极分别与电极对（6）的正负极连接，所述控制芯片（4）置于硅材料（3）顶部，所述导电流体（5）从贯穿控制芯片（4）、硅材料（3）、软磁性材料（2）的喷孔底部流出，所述电极对（6）贯穿软磁性材料（2）、硅材料（3）与顶部的控制芯片（4）连接，实现对导电流体（5）的微流动控制。
2.根据权利要求1所述的基于MEMS工艺的电磁力喷头，其特征在于，所述导电线圈（1）包括两个正极接线端（1-1）、两个负极接线端（1-2）；喷孔左端线圈由若干导电线圈（1）串联而成，喷孔右端线圈由若干导电线圈（1）串联而成，通电后左右两组导电线圈（1）形成左S右N的同向电磁极；左端串联而成的导电线圈（1）正极接线端（1-1）与电极对（6）的正极相连，左端串联而成的导电线圈（1）负极接线端（1-2）与电极对（6）的负极相连；右端串联而成的导电线圈（1）正极接线端（1-1）与电极对（6）的正极相连，右端串联而成的导电线圈（1）负极接线端（1-2）与电极对（6）的负极相连，电磁极与电场共用一对正负电极。
3.根据权利要求1所述的基于MEMS工艺的电磁力喷头，其特征在于，所述软磁性材料（2）包覆导电线圈（1），通电后形成的电磁场被约束在软磁性材料（2）内部，不会泄露到软磁性材料（2）外部；软磁性材料（2）中间有喷孔流通导电流体（5），喷孔左右有导电线圈（1）组成的电磁极，喷孔前后有电极对（6）组成的电场。
4.根据权利要求1所述的基于MEMS工艺的电磁力喷头，其特征在于，所述控制芯片（4）中间有喷孔流通导电流体（5），底部连接硅材料（3），顶部连接外部电源，内置的电路控制电磁力的大小；控制芯片（4）的正负极通过硅材料（3）和软磁性材料（2）与电极对（6）连接，实现导电通路。
5.根据权利要求1所述的基于MEMS工艺的电磁力喷头，其特征在于，所述电极对（6）位于喷孔前后两端，与导电线圈（1）形成的电磁极在同一个平面内正交垂直分布，通电后产生的电磁场作用于导电流体（5），形成竖直向下的电磁力，驱动导电流体（5）完成喷射过程。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20170623 |