CN117799328A - 用于压电式喷墨打印机喷头的特斯拉阀设备及其制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明属于压电喷墨打印机喷头技术领域，具体涉及用于压电式喷墨打印机喷头的特斯拉阀设备及其制备工艺。设备包括特斯拉阀和压电振动板；特斯拉阀内部设有管道结构；管道结构包含若干个交替排列连接的管路分支；每个管路分支均具有两条管路，其中一条管路为正向直道，呈倾斜状；另一条管路为弯道，弯道弯曲成半环状，并回连到正向直道上；管道结构两端分别与进液墨水储存腔和喷液墨水储存腔相连接；压电振动板位于喷液墨水储存腔的上方；压电振动板被激活时，产生压力波动，用于控制墨水的流动状态。本发明具有能够精确控制墨水的流向和流速，同时具备耐磨和长寿命的特性，以满足高分辨率、高速度和高质量打印需求的特点。

Description

用于压电式喷墨打印机喷头的特斯拉阀设备及其制备工艺

技术领域

本发明属于压电喷墨打印机喷头技术领域，具体涉及用于压电式喷墨打印机喷头的特斯拉阀设备及其制备工艺。

背景技术

喷墨打印技术是一种广泛应用于文档和图像打印的非接触式印刷方法，它可以实现高分辨率、高质量和高速度的打印。压电喷墨打印头是其中的一种常见实现方式，它利用压电晶体的机械振动将墨水喷射到打印介质上。尽管压电喷墨打印技术在许多应用领域取得了显著的成功，但仍存在一些挑战，其中之一是精确控制墨水的流动。

传统的墨水流动控制通常使用可移动的阀门、活塞或球体等组件，这些组件用于控制墨水的流向和流速。然而，这些可移动组件容易受到墨水中的固体颗粒或化学成分的影响，导致堵塞、损耗和不稳定的流动。此外，可移动组件的机械运动可能引入振动和噪音，从而影响打印质量。

因此，需要设计一种更可靠、稳定和耐久的墨水流动控制设备，特别是适用于压电喷墨打印头的设备。这种设备能够精确控制墨水的流向和流速，同时具备耐磨和长寿命的特性，以满足高分辨率、高速度和高质量打印的需求。

发明内容

本发明是为了克服现有技术中，现有用于控制墨水的流向和流速的组件，存在容易受到墨水中的固体颗粒或化学成分的影响，导致出现堵塞、损耗和不稳定流动的问题，提供了一种能够精确控制墨水的流向和流速，同时具备耐磨和长寿命的特性，以满足高分辨率、高速度和高质量打印需求的用于压电式喷墨打印机喷头的特斯拉阀设备及其制备工艺。

为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

用于压电式喷墨打印机喷头的特斯拉阀设备，包括特斯拉阀和压电振动板；所述特斯拉阀内部设有管道结构；所述管道结构包含若干个交替排列连接的管路分支；每个管路分支均具有两条管路，其中一条管路为正向直道，呈倾斜状；另一条管路为弯道，所述弯道弯曲成半环状，并回连到正向直道上；所述管道结构两端分别与进液墨水储存腔和喷液墨水储存腔相连接；所述压电振动板位于喷液墨水储存腔的上方；所述压电振动板被激活时，产生压力波动，用于控制墨水的流动状态。

作为优选，所述压电振动板包括下电极层、位于下电极层上方的压电层和位于压电层上方的上电极层。

作为优选，所述下电极层、压电层和上电极层相互之间紧贴。

作为优选，所述管道结构的材料采用耐腐蚀性质的氮化硅材料。

作为优选，所述特斯拉阀的长为80um-200um，宽为4um-40um，厚度为5um-40um。

作为优选，每条正向直道与水平线成20度，且长度为4um-12um；每条弯道的圆弧部分与相邻的正向直道相切，且圆弧半径为2um-10um。

作为优选，所述压电振动板可通过电子控制单元ECU管理和协调多个特斯拉阀的操作，用于实现多颜色和多喷嘴的协同打印操作。

本发明还提供了用于压电式喷墨打印机喷头的特斯拉阀设备的制备工艺，包括如下步骤：

S1，选取第一硅基片，在第一硅基片上表面沉积一层PZT压电材料层，进行压电振动板的制备；

在所述第一硅基片下表面刻蚀出进液通道、进液墨水储存腔、特斯拉阀、喷液墨水储存腔和喷嘴；

S2，选取第二硅基片；

S3，将第一硅基片的下表面和第二硅基片的上表面进行键合。

本发明与现有技术相比，有益效果是：(1)本发明采用了复杂的内部管道结构，通过单向流动控制实现了墨水在压电喷墨打印头中的精确控制，确保了墨水只在需要时才被喷射出来，从而提高了打印质量和可靠性；(2)本发明采用了没有可移动的零部件，这意味着特斯拉阀不容易受到堵塞、损坏或磨损，具有更长的使用寿命和更高的可靠性，同时内部管道结构采用耐磨材料氮化硅制成，能够适应不同类型的墨水和多次打印操作，从而提高了耐磨性和耐用性，由于没有可移动的机械部件，特斯拉阀在操作过程中几乎不会引入噪音和振动，使打印过程更加安静和稳定；(3)本发明采用了特斯拉阀的精确流动控制能力确保了墨水的均匀喷射，从而实现了高分辨率、高质量的打印，打印结果更加清晰、锐利和准确；(4)本发明特斯拉阀的内部管道结构经过精确设计，可以实现对墨水流向和流速的高度精确控制，这对于需要特定墨水流量的打印任务非常重要；(5)本发明技术可用于管理和协调多个特斯拉阀的操作，以实现多颜色和多喷嘴的协同打印，扩展了应用领域，除了应用于压电喷墨打印头，该特斯拉阀还可以广泛用于其他需要单向流动控制的流体传输***，如喷雾器、注射器、涂覆设备等，这使得该技术具有多个应用领域的潜力。

附图说明

图1为本发明中用于压电式喷墨打印机喷头的特斯拉阀设备的一种剖面结构示意图；

图2为本发明中用于压电式喷墨打印机喷头的特斯拉阀设备的一种三维结构示意图；

图3为本发明中特斯拉阀的一种立体结构示意图；

图4为本发明中特斯拉阀的一种平面结构示意图；

图5为本发明中特斯拉阀正向流通时墨水主要流通路径的一种示意图；

图6为本发明中特斯拉阀反向流通时墨水主要流通路径的一种示意图；

图7为本发明中用于压电式喷墨打印机喷头的特斯拉阀设备制备的一种工艺流程图。

图中：特斯拉阀1、进液通道2、进液墨水储存腔3、喷液墨水储存腔4、下电极层501、上电极层502、压电层6、喷嘴7、第一硅基片8、第二硅基片9、特斯拉阀正向通道103、特斯拉阀反向通道104。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

如图1和图2所示的用于热泡式喷墨打印机喷头的特斯拉阀装置，包括：

特斯拉阀1、进液墨水储存腔(进液储液池)3、喷液墨水储存腔(喷液储液池)4、喷嘴7、压电振动板；其中，压电振动板包括下电极层501、位于下电极层上方的压电层6和位于压电层上方的上电极层502。

其中，特斯拉阀内部设有管道结构；管道结构包含若干个交替排列连接的管路分支；每个管路分支均具有两条管路，其中一条管路为正向直道，呈倾斜状；另一条管路为弯道，所述弯道弯曲成半环状，并回连到正向直道上。管道结构两端分别与进液墨水储存腔(进液储液池)和喷液墨水储存腔(喷液储液池)相连接。压电振动板位于喷液墨水储存腔的上方；所述压电振动板被激活时，产生压力波动，用于控制墨水的流动状态。

进一步的，管道结构的材料采用耐腐蚀性质的氮化硅材料，以适应不同类型的墨水。

进一步的，如图3和图4所示，特斯拉阀的长为80um-200um，宽为4um-40um，厚度为5um-40um。每条正向直道与水平线成20度，且长度为4um-12um；每条弯道的圆弧部分与相邻的正向直道相切，且圆弧半径为2um-10um。其中，如图3所示，特斯拉阀的左侧口为特斯拉阀正向通道103；特斯拉阀的右侧口为特斯拉阀反向通道104。

特斯拉阀其无可移动组件的设计增加了喷头***的耐磨性和耐用性，适用于长时间和高频率的操作。本发明中的压电振动板通过外部电压或信号来控制墨水的流动状态。同时，压电振动板可通过电子控制单元(ECU)来管理和协调多个特斯拉阀的操作，以实现多颜色和多喷嘴的协同打印操作。

另外，如图1和图7所示，本发明还提供了用于压电式喷墨打印机喷头的特斯拉阀设备的制备工艺，包括如下步骤：

S1，选取4inch硅片，采用光刻工艺和磁控溅射工艺，在第一硅基片8的上表面制备下电极层；

S2，采用光刻工艺和磁控溅射工艺，以PZT为材料在第一硅基片的上表面溅射沉积PZT薄膜，并制备压电振动板的压电层；

S3，采用光刻工艺和磁控溅射工艺，在第一硅基片的上表面制备上电极层，并清洗第一硅基片；

S4，采用光刻工艺和干法刻蚀工艺，将上电极层、PZT压电层和下电极层进行刻蚀，制备出合适的压电振动薄膜；

S5，采用光刻技术将特斯拉阀的图形转移至第一硅基片的下表面，并采用干法刻蚀工艺，刻蚀制备出特斯拉阀管道结构的轮廓，特斯拉阀的深度为10um-100um；

S6，采用光刻工艺将进液通道2的图形转移至第一硅基片的下表面，并采用干法刻蚀工艺，刻蚀制备出进液通道，进液通道深度为5um-80um；

S7，采用光刻技术将喷嘴的图形转移至第一硅基片的下表面，并采用干法刻蚀工艺，刻蚀制备出喷嘴，喷嘴的深度为2um-40um；

S8，采用光刻工艺将进液墨水储存腔和喷液墨水储存腔的图形转移至第一硅基片的下表面，采用干法刻蚀工艺，刻蚀制备出进液墨水储存腔和喷液墨水储存腔，并清洗第一硅基片；

S9，采用氢氟酸漂洗第一硅基片的下表面和第二硅基片9的上表面，并采用硅-硅键合工艺将第一硅基片的下表面和第二硅基片的上表面键合；

S10，清洗并划片。

如图5和图6所示，本发明用于压电式喷墨打印机喷头的特斯拉阀设备的工作方式和原理如下：

当压电振动板被激活时，产生的压力波动将墨水由进液墨水储存腔推向特斯拉阀正向通道，即在正向流动情况下，如图5所示，墨水可顺畅地通过特斯拉阀，进入喷液墨水储存腔，因为每个分支的开口方向允许墨水无阻碍地流过。然而，当压电振动板产生的压力波将墨水吸回，即在反向流动情况下，如图6所示，墨水从喷嘴向喷液墨水储存腔回流，进入特斯拉阀反向通道，从特斯拉阀环状支路流出时，会与倾斜支路上的墨水迎头相撞，导致墨水的流动受阻。经过16个分支后，墨水几乎无法流出特斯拉阀，从而实现了单向流动控制。

本发明采用了复杂的内部管道结构，通过单向流动控制实现了墨水在压电喷墨打印头中的精确控制，确保了墨水只在需要时才被喷射出来，从而提高了打印质量和可靠性；本发明采用了没有可移动的零部件，这意味着特斯拉阀不容易受到堵塞、损坏或磨损，具有更长的使用寿命和更高的可靠性，同时内部管道结构采用耐磨材料氮化硅制成，能够适应不同类型的墨水和多次打印操作，从而提高了耐磨性和耐用性，由于没有可移动的机械部件，特斯拉阀在操作过程中几乎不会引入噪音和振动，使打印过程更加安静和稳定；本发明采用了特斯拉阀的精确流动控制能力确保了墨水的均匀喷射，从而实现了高分辨率、高质量的打印，打印结果更加清晰、锐利和准确；本发明特斯拉阀的内部管道结构经过精确设计，可以实现对墨水流向和流速的高度精确控制，这对于需要特定墨水流量的打印任务非常重要；本发明技术可用于管理和协调多个特斯拉阀的操作，以实现多颜色和多喷嘴的协同打印，扩展了应用领域，除了应用于压电喷墨打印头，该特斯拉阀还可以广泛用于其他需要单向流动控制的流体传输***，如喷雾器、注射器、涂覆设备等，这使得该技术具有多个应用领域的潜力。

以上所述仅是对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.用于压电式喷墨打印机喷头的特斯拉阀设备，其特征在于，包括特斯拉阀和压电振动板；所述特斯拉阀内部设有管道结构；所述管道结构包含若干个交替排列连接的管路分支；每个管路分支均具有两条管路，其中一条管路为正向直道，呈倾斜状；另一条管路为弯道，所述弯道弯曲成半环状，并回连到正向直道上；所述管道结构两端分别与进液墨水储存腔和喷液墨水储存腔相连接；所述压电振动板位于喷液墨水储存腔的上方；所述压电振动板被激活时，产生压力波动，用于控制墨水的流动状态。

2.根据权利要求1所述的用于压电式喷墨打印机喷头的特斯拉阀设备，其特征在于，所述压电振动板包括下电极层、位于下电极层上方的压电层和位于压电层上方的上电极层。

3.根据权利要求2所述的用于压电式喷墨打印机喷头的特斯拉阀设备，其特征在于，所述下电极层、压电层和上电极层相互之间紧贴。

4.根据权利要求1所述的用于压电式喷墨打印机喷头的特斯拉阀设备，其特征在于，所述管道结构的材料采用耐腐蚀性质的氮化硅材料。

5.根据权利要求1所述的用于压电式喷墨打印机喷头的特斯拉阀设备，其特征在于，所述特斯拉阀的长为80um-200um，宽为4um-40um，厚度为5um-40um。

6.根据权利要求5所述的用于压电式喷墨打印机喷头的特斯拉阀设备，其特征在于，每条正向直道与水平线成20度，且长度为4um-12um；每条弯道的圆弧部分与相邻的正向直道相切，且圆弧半径为2um-10um。

7.根据权利要求1所述的用于压电式喷墨打印机喷头的特斯拉阀设备，其特征在于，所述压电振动板可通过电子控制单元ECU管理和协调多个特斯拉阀的操作，用于实现多颜色和多喷嘴的协同打印操作。

8.用于压电式喷墨打印机喷头的特斯拉阀设备的制备工艺，用于制备权利要求1-7任一项所述的用于压电式喷墨打印机喷头的特斯拉阀设备，其特征在于，所述用于压电式喷墨打印机喷头的特斯拉阀设备的制备工艺包括如下步骤：

S1，选取第一硅基片，在第一硅基片上表面沉积一层PZT压电材料层，进行压电振动板的制备；

在所述第一硅基片下表面刻蚀出进液通道、进液墨水储存腔、特斯拉阀、喷液墨水储存腔和喷嘴；

S2，选取第二硅基片；

S3，将第一硅基片的下表面和第二硅基片的上表面进行键合。