基于热释电效应的电场驱动式微滴喷射装置论文和设计-吴常健

全文摘要

本实用新型公开了一种基于热释电效应的电场驱动式微滴喷射装置，包括喷射喷头、供料装置、电源、二维运动平台、Z向运动平台、工作平台、基板工作台及控制单元；喷射喷头固定于Z向运动平台上并与供料装置相通且与电源连接；运动平台均固定在工作平台上，基板工作台设置于二维运动平台上；所述喷射喷头包括储料筒、喷嘴、环形结构的热释电晶体环、加热环及壳体；该储料筒下方设置有喷嘴，该热释电晶体环安装在壳体上且位于喷嘴的正下方；加热环位于热释电晶体环的外周；壳体套固在所述储料筒外侧。本实用新型可避免直接施加外电场所需的高电压和复杂电路引起的诸多问题，还可解决由热释电晶体和喷射装置之间间隙大小对喷印过程稳定性影响的问题。

主设计要求

1.一种基于热释电效应的电场驱动式微滴喷射装置，其特征在于：包括喷射喷头（1）、供料装置（2）、电源（3）、二维运动平台（4）、Z向运动平台（5）、工作平台（6）、基板工作台（7）及控制单元；所述的喷射喷头（1）包括储料筒（101）、喷嘴（102）、热释电晶体环（104）、加热环（105）及壳体；该储料筒（101）下方设置有所述的喷嘴（102），该喷嘴为锥形；该热释电晶体环（104）为环形结构，并安装在所述壳体上且位于所述喷嘴（102）的正下方；该加热环（105）位于所述热释电晶体环（104）的外周，并对热释电晶体环进行加热；该壳体套固在所述储料筒（101）外侧；所述喷射喷头（1）固定于所述Z向运动平台（5）上且其储料筒（101）与所述供料装置（2）相通，所述电源（3）通过导线与该喷射喷头（1）的加热环（105）连接；所述的二维运动平台（4）和Z向运动平台（5）均固定在所述工作平台（6）上，所述基板工作台（7）设置于该二维运动平台（4）上；所述控制单元与供料装置（2）、电源（3）、二维运动平台（4）和Z向运动平台（5）相连接。

设计方案

2.根据权利要求1所述的基于热释电效应的电场驱动式微滴喷射装置，其特征在于：所述的二维运动平台（4）包括X轴运动平台（401）和Y轴运动平台（402），分别由X轴电机（403）和Y轴电机（404）驱动；所述Z向运动平台（5）设有运动平板（501）并由Z轴电机（503）驱动，所述喷射喷头（1）固定在该运动平板（501）上。

3.根据权利要求1所述的基于热释电效应的电场驱动式微滴喷射装置，其特征在于：所述的储料筒（101）轴线上设置有一内芯（112），该内芯的下端从所述的喷嘴（102）伸出，并位于所述热释电晶体环（104）的正上方。

4.根据权利要求1所述的基于热释电效应的电场驱动式微滴喷射装置，其特征在于：所述的热释电晶体环（104）为锥形环。

5.根据权利要求1所述的基于热释电效应的电场驱动式微滴喷射装置，其特征在于：所述的储料筒（101）内设置有电极（103）；所述的热释电晶体环（104）的外环面也设置有导电电极，该导电电极通过导线与所述电极（103）连接；所述的储料筒（101）与喷嘴（102）之内与外界绝缘。

6.根据权利要求5所述的基于热释电效应的电场驱动式微滴喷射装置，其特征在于：所述的储料筒（101）上方设置有贯穿储料筒内外的横梁（106），该横梁内设置有连通储料筒（101）内外的中空结构，所述电极（103）固定在该横梁（106）上，并连接一接线端Ⅰ由中空结构伸出到外部；所述热释电晶体环（104）外环面设置的导电电极与该接线端Ⅰ之间设有连接二者的导线。

7.根据权利要求6所述的基于热释电效应的电场驱动式微滴喷射装置，其特征在于：所述储料筒（101）的横梁（106）上固定有一内芯（112），该内芯与储料筒（101）的轴线重合；而该内芯（112）的下端从所述的喷嘴（102）伸出，并位于所述热释电晶体环（104）的正上方。

8.根据权利要求1所述的基于热释电效应的电场驱动式微滴喷射装置，其特征在于：所述的壳体包括内壳（107）、连接套筒（108）及支撑部（109）；该内壳（107）紧配合的套固在所述储料筒（101）外侧，该连接套筒（108）套在该内壳（107）外侧并与该内壳（107）螺纹连接；该支撑部（109）通过螺钉（113）固定在该连接套筒（108）下方；该支撑部（109）中间内侧设有环形槽（110），所述的热释电晶体环（104）及加热环（105）安装在该环形槽（110）之内。

9.根据权利要求8所述的基于热释电效应的电场驱动式微滴喷射装置，其特征在于：进一步的设置有一环形隔热层（111），该隔热层的环形内侧设有环形凹槽，所述的加热环（105）镶在该环形凹槽内，所述的热释电晶体环（104）装在该隔热层（111）内侧。

10.根据权利要求9所述的基于热释电效应的电场驱动式微滴喷射装置，其特征在于：所述的热释电晶体环（104）为锥形环，所述的支撑部（109）的环形槽（110）与环形隔热层（111）内环面为锥形环面，该锥形环状的热释电晶体环（104）装在隔热层（111）和支撑部（109）共同撑起的锥形环面上。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及增材制造和微滴喷射技术领域，尤其是涉及一种基于热释电效应的电场驱动式微滴喷射装置。

背景技术

微滴喷射装置可被应用于微机电系统制造技术、电子封装技术、显示器制造技术以及喷墨打印机技术等多个领域。目前，微滴喷射装置根据其喷射原理不同，通常可分为“推”式喷射和“拉”式喷射。“推”式喷射是通过驱动膜片等使喷射腔内的液体喷射而出，其结构相对简单。而“拉”式喷射是一种基于电场驱动的喷射方法，又称为电喷印，可达到纳米级的分辨率，但在电喷印技术中，电场通常由外加的电压进行驱动，因此需要配备高电压脉冲电源，同时打印基板连接电源作为其中的阳极（或阴极），结构复杂。同时，由于电极与喷射装置之间的间隙需要通过运动装置进行控制，其间隙大小的精确控制取决于运动装置，故其稳定性和复杂表面形貌喷射的应用受到较大限制。

CN201110164601.2公开的“一种电流体动力喷印同轴喷头及其应用”、CN201710528176.8公开的“一种电场驱动喷射沉积3D打印装置及其工作方法”、CN201710524040.X公开的“一种电场驱动熔融金属喷射沉积3D打印装置及其工作方法”、CN201710527914.7公开的“一种电场驱动熔融喷射沉积3D打印装置及其工作方法”等等，均为电喷印技术的装置及方法。

针对传统电喷印技术需要施加电场所需的高电压和复杂电路引起的诸多问题，本案发明人开发了一种基于热释电效应产生强电场的纳米喷射技术，即CN201510380447.0公开的一种“基于热释电效应的纳米喷射-微纳复合喷射装置及其控制方法”。

热释电效应是指极化强度随温度改变而表现出的电荷释放现象，对于具有自发式极化的晶体，当晶体受热或冷却后，由于温度的变化（△T）而导致自发式极化强度变化（△Ps），从而在晶体某一定方向产生表面极化电荷，宏观上是温度的改变使在材料的两端出现电压或产生电流。

但是，现有利用热释电效应的喷射装置需要对喷嘴与热释电晶体之间的间隙进行控制，从而保证喷嘴与热释电晶体之间的电场强度信号的稳定性。因此，针对现有电场驱动式微滴喷射装置的不足，需要设计一种喷射装置，一方面可避免直接施加外电场所需的高电压和复杂电路引起的诸多问题，另一方面也可以解决由热释电晶体和喷射装置之间间隙大小对喷印过程稳定性影响的问题。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种基于热释电效应的电场驱动式微滴喷射装置，其一方面可避免直接施加外电场所需的高电压和复杂电路引起的诸多问题，另一方面也可以解决由热释电晶体和喷射装置之间间隙大小对喷印过程稳定性影响的问题。

为解决上述技术问题，本实用新型的技术解决方案是：

一种基于热释电效应的电场驱动式微滴喷射装置，包括喷射喷头、供料装置、电源、二维运动平台、Z向运动平台、工作平台、基板工作台及控制单元；所述的喷射喷头包括储料筒、喷嘴、热释电晶体环、加热环及壳体；该储料筒下方设置有所述的喷嘴，该喷嘴为锥形；该热释电晶体环为环形结构，并安装在所述壳体上且位于所述喷嘴的正下方；该加热环位于所述热释电晶体环的外周，并对热释电晶体环进行加热；该壳体套固在所述储料筒外侧；所述喷射喷头固定于所述Z向运动平台上且其储料筒与所述供料装置相通，所述电源通过导线与该喷射喷头的加热环连接；所述的二维运动平台和Z向运动平台均固定在所述工作平台上，所述基板工作台设置于该二维运动平台上；所述控制单元与供料装置、电源二维运动平台和Z向运动平台相连接。

优选的，所述的二维运动平台包括X轴运动平台和Y轴运动平台，分别由X轴电机和Y轴电机驱动；所述Z向运动平台设有运动平板并由Z轴电机驱动，所述喷射喷头固定在该运动平板上。

优选的，所述的储料筒轴线上设置有一内芯，该内芯的下端从所述的喷嘴伸出，并位于所述热释电晶体环的正上方。

优选的，所述的热释电晶体环为锥形环。

优选的，所述的储料筒内设置有电极；所述的热释电晶体环的外环面也设置有导电电极，该导电电极通过导线与所述电极连接；所述的储料筒与喷嘴之内与外界绝缘。

优选的，所述的储料筒上方设置有贯穿储料筒内外的横梁，该横梁内设置有连通储料筒内外的中空结构，所述电极固定在该横梁上，并连接一接线端Ⅰ由中空结构伸出到外部；所述热释电晶体环外环面设置的导电电极与该接线端Ⅰ之间设有连接二者的导线。

优选的，所述储料筒的横梁上固定有一内芯，该内芯与储料筒的轴线重合；而该内芯的下端从所述的喷嘴伸出，并位于所述热释电晶体环的正上方。

优选的，所述的壳体包括内壳、连接套筒及支撑部；该内壳紧配合的套固在所述储料筒外侧，该连接套筒套在该内壳外侧并与该内壳螺纹连接；该支撑部通过螺钉固定在该连接套筒下方；该支撑部中间内侧设有环形槽，所述的热释电晶体环及加热环安装在该环形槽之内。

优选的，进一步的设置有一环形隔热层，该隔热层的环形内侧设有环形凹槽，所述的加热环镶在该环形凹槽内，所述的热释电晶体环装在该隔热层内侧。

优选的，所述的热释电晶体环为锥形环，所述的支撑部的环形槽与环形隔热层内环面为锥形环面，该锥形环状的热释电晶体环装在隔热层和支撑部共同撑起的锥形环面上。

采用上述方案后，本实用新型具有如下有益效果：

本实用新型是一种基于热释电效应的电场驱动式微滴喷射装置，通过在其喷射喷头的喷嘴下方设置热释电晶体环，在喷嘴和热释电晶体环之间形成强电场，从而把液滴从喷嘴液面拉出，无需在喷射基板加上高电压；此外，本实用新型直接将热释电晶体环通过喷头壳体固定在喷嘴正下方，成为喷头的一部分而随着喷嘴一起运动，打印过程中不用考虑喷嘴与热释电晶体之间间隙变化对打印质量的影响，喷印过程稳定。

此外，本实用新型可以进一步在喷射喷头的储料腔内设置一内芯，该内芯的设置有利于在喷嘴口形成微小液滴，使喷出的液滴直径不受喷嘴直径限制，且能够喷出黏度较大的液体。

附图说明

图1为本实用新型所述喷射喷头的立体图；

图2为本实用新型所述喷射喷头的剖面图；

图3为本实用新型所述喷射喷头的热释电晶体环及加热环的俯视剖面图；

图4为本实用新型所述喷射装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详述。

本实用新型所揭示的是一种基于热释电效应的电场驱动式微滴喷射喷头，如图4所示，为本实用新型所述微滴喷射装置的较佳实施例。所述微滴喷射装置包括喷射喷头1、供料装置2、电源3、二维运动平台4、Z向运动平台5、工作平台6、基板工作台7及控制单元（图中未示出）。其中：

所述的喷射喷头1（配合图1至图3所示）包括储料筒101、喷嘴102、电极103、热释电晶体环104、加热环105及壳体。所述的储料筒101下方设置有所述的喷嘴102，两者可以为一体成型的一体结构，也可以是分体的相互连接结构，该喷嘴102为锥形。

所述的电极103设置在所述储料筒101内，具体的，所述的储料筒101上方设置有横梁106贯穿储料筒101内外，横梁106内设置连通储料筒101内外的中空结构，所述电极103固定在横梁106上，并连接一接线端Ⅰ由中空结构伸出到外部。

所述的热释电晶体环104为环形结构，具体的，可以为锥形环。该热释电晶体环104安装在所述壳体上并位于所述喷嘴102的正下方。该热释电晶体环104的外环面设置有导电电极（图中未示出），该导电电极通过导线与储料筒101内的电极103连接，使储料筒101内的液体与热释电晶体环104的外环面等电势。具体的，导电电极可直接通过导线连接到接线端Ⅰ，而所述的热释电晶体环104外环面可以使用导电粘结剂附着所述的导电电极。事实上，只要使储料筒101内的液体与热释电晶体环104的外环面电势相等即可，也可以采用其他方式实现。使储料筒101内的液体与热释电晶体环104的外环面等电势，可以使电场更集中，从而更为有效的拉出液滴；此设置并非必要。

所述的加热环105也安装在所述的壳体上，并位于所述热释电晶体环104的外周。该加热环105用以对热释电晶体环104进行加热，使热释电晶体环104产生热释电效应。该加热环105可以采用电阻丝方式加热或者其他加热方式。可以在所述支撑部109上设置贯通内外的通孔，通孔内设置与电阻丝连接的接线端Ⅱ，该接线端Ⅱ通过导线与电源3（参见图4）连接。

所述的壳体套固在所述储料筒101的外侧。具体的，所述的壳体可以包括内壳107、连接套筒108及支撑部109；该内壳107紧配合的套固在所述储料筒101外侧，该连接套筒108套在该内壳107外侧且连接套筒108内侧设有螺纹，内壳107外侧也设有相对应的螺纹，该连接套筒108与内壳107进行螺纹连接，以保证两部分轴心线重合；所述的支撑部109通过螺钉113固定在该连接套筒108下方；该支撑部109中间内侧设有环形槽110，所述的热释电晶体环104及加热环105安装在该环形槽110之内。此外，进一步的设置有一环形隔热层111，该隔热层111的环形内侧设有环形凹槽，所述的加热环105镶在该环形凹槽内，所述的热释电晶体环104装在该隔热层111内侧。对于锥形环状的热释电晶体环104，所述的支撑部109的环形槽110与环形隔热层111内环面为锥形环面，该锥形环状的热释电晶体环104装在隔热层111和支撑部109共同撑起的锥形环面上。

由于储料筒101内的喷射液体为导电液体，为了不让该带电液体与外界电场连通，该储料筒101内液体需与外界绝缘。为此，储料筒101和壳体至少应一个为绝缘材料制成。本案实施例，所述的储料筒101采用绝缘材料，所述的内壳107和连接套筒108可以采用金属材料以方便螺纹制作，而支撑部109需采用绝缘材料，以便不让带电液体连接金属内壳107和连接套筒108，从而使喷嘴102没有电压。

此外，在所述的储料筒101轴线上可以进一步设置一内芯112，该内芯112下端从所述的喷嘴102伸出，并位于所述热释电晶体环104的正上方。设置该内芯112有利于在喷嘴口形成微小液滴，使喷出的液滴直径不受喷嘴直径限制，且能够喷出黏度较大的液体。该内芯112可以固定在所述的横梁106上，并与储料筒101的轴线重合。

所述喷射喷头1固定于Z向运动平台5上并与所述供料装置2相通，具体的，喷射喷头1通过夹具502固定在Z向运动平台5的运动平板501上。该喷射喷头1的上方连接一连接阀11，连接阀11与一输料管12相连，输料管12与供料装置2的供料口相连，这样，该喷射喷头1与供料装置2就通过连接阀11和输料管12相连通了。

所述的供料装置2与控制单元相连，供料装置2可以提供供料压强，压强可以手动调节，也可以通过控制单元自动调节，该供料装置2是现有技术，具体结构不再详细说明。该供料装置2可以固定在工作平台6上，具体的可以固定在工作平台6的龙门架结构台602上，以便于控制喷射喷头1的储料筒101内的压力。

所述的电源3为喷射喷头1提供直流电压，通过导线连接加热环105，即可以通过导线与接线端Ⅱ进行连接。所述的电源3再与控制单元相连，可以手动调节输出电压，也可以通过控制单元自动调节。

所述的二维运动平台4固定在工作平台6上，可以固定在工作平台6的水平工作台601上。该二维运动平台4包括X轴运动平台401和Y轴运动平台402，分别由X轴电机403和Y轴电机404驱动。

所述的Z向运动平台5也固定在工作平台6上，可以固定在工作平台6的龙门架结构台602的中部。该Z向运动平台5设有运动平板501并由Z轴电机503驱动。

所述的工作平台6用于安装各部件，具体的，该工作平台6可以包括水平工作台601和设置在该水平工作台601上的龙门架结构台602。

所述的基板工作台7设置在二维运动平台4的Y轴运动平台402上。

所述的控制单元图中未给出，其与二维运动平台4的X轴电机403和Y轴电机404以及Z向运动平台5的Z轴电机503相连，可以控制整个运动平台按照具体设定运动，实现精确图案化。该控制单元还与所述供料装置2和电源3相连接，同时对整个喷射装置进行控制。

所述微滴喷射装置的工作原理是：当控制单元开始工作时，先通过控制X轴电机403、Y轴电机404控制二维运动平台4复位到工作原点，控制Z轴电机503使Z向工作平台5下降到喷嘴102与基板工作台7上的基板之间达到所需距离；同时，控制供料装置2开始输出喷射液体，喷射液体通过输液管12进入喷射喷头1；同时，控制电源3给喷射喷头1供电。供料装置2提供一定的供料动力，使喷射液体进入储料筒101和喷嘴102，并在喷嘴102出口形成突出的微小弧形液面，或者在内芯112下尖端形成突出的微小弧形液面；电源3开始工作后，加热环105开始给热释电晶体环104加热，热释电晶体环104因温度变化外环面与内环面产生电势差，喷嘴102处导电液体的液面与热释电晶体环104之间因电势差形成强电场；导电液体的弧形液面因带电受到强电场力的作用，被拉出并脱离液面形成微滴；微滴受电场力作用而加速，以一定速度从喷射头喷射出。喷射液体从喷射喷头1喷射出后打在基板工作台7上的基板上，二维运动平台4按照设置的程序运动，在基板上形成所需图案，直到一层喷射结束。如果需要继续喷射或打印第二层或者多层，第二次打印以第一次打印层为基板进行打印，如此循环，直到形成最终的三维结构。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型的技术范围作任何限制，故但凡依本实用新型的权利要求和说明书所做的变化或修饰，皆应属于本实用新型专利涵盖的范围之内。

设计图

基于热释电效应的电场驱动式微滴喷射装置论文和设计

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