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喷墨打印头作为日常生产生活中不可缺少的部分,不仅应用于文字和商业印刷领域,同时也应用于包装、陶瓷印花和集成电路打印。本文主要研究压电喷墨打印头聚合物腔室的设计与制造工艺,内容包括以下4部分:(1)综述喷墨打印头研究进展。微机电系统(MEMS,Micro-Electro-Mechanical System)的发展为喷墨打印头腔室的制作提供了新的途径,采用MEMS工艺制作的喷墨打印头具有周期短、对准精度高和成本低等优点,并且可以提高打印头的分辨率。(2)喷墨打印头腔室结构的设计与优化。对比硅及其化合物、金属(Ni)、玻璃、Parylene、PI和SU-8光刻胶的性能,选择SU-8光刻胶作为本文喷墨打印头腔室材料;结合压电理论和流体理论,运用COMSOL软件优化了压力腔室尺寸、喷孔板厚度和喷孔形状。本文设计的喷墨打印头喷孔板厚度为40~45μm;喷孔形状为锥形孔;压力腔室的长度、宽度、高度分别为1000~1200μm、120~140μm、140~160μm。(3)喷墨打印头腔室工艺制作与优化。采用光刻工艺和键合工艺制作SU-8光刻胶喷墨打印头腔室;联立紫外曝光过程中衰减模型与直边衍射模型,得到紫外光在SU-8光刻胶不同深度的光强分布,为聚合物锥形喷孔制作提供理论依据;研究聚合物力学性能和界面粘结机理,为键合工艺提供理论指导;提出结合率、变形量、键合强度三种评价键合质量的指标。定量分析了SU-8光刻胶交联程度与腔室工艺参数的关系。采用低曝光量与低后烘温度(105mJ/cm2,65℃)制作出玻璃化转变温度为60℃,环氧树脂转化率为47.2%,处于弱交联状态的SU-8光刻胶喷孔板。然后采用低温热压键合工艺粘结喷孔与开放腔室,形成压电喷墨打印头聚合物腔室。键合温度为60℃、键合压强为0.1~0.12MPa,使得喷孔板与开放腔室键合强度达到喷墨要求。采用邻近式曝光方式制作SU-8光刻胶锥形喷孔,喷孔锥度随着曝光间隙的增加而变大。选择曝光量范围为100~110mJ/cm2,通孔率可以达到95%以上。最终采用120μm曝光间隙、105mJ/cm2的曝光量,制作了大孔径30μm、小孔径20μm、孔深45μm的SU-8光刻胶锥形喷孔。(4)聚合物腔室功能测试。运用推拉力计测量腔室键合强度为0.95MPa,大于喷墨过程中喷孔板与腔室界面处的最大应力(0.63MPa);通过频闪法对喷墨打印头进行喷墨测试,测得墨滴速度为5.9m/s、体积为12.7pL,墨滴直径为28.9μm。