压电喷墨打印头聚合物喷孔制作工艺研究

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机电技术
2017年 8 月
压电喷墨打印头聚合物喷孔制作工艺研究
冯 械 工 程 学 院 ， 辽 宁 大 连 116024) 摘 要 :描 述 了 一 种 压 电 喷 墨 打 印 头 SU- 8 光 刻 胶 锥 形 喷 孔 的 制 作 方 法 。该 方 法 基 于 接 近 式 曝 光 工 艺 和 键 合 工 艺 ， 首 先 在 PDMS基 底 上 旋 涂 SU- 8 光 刻 胶 ， 通过控制曝光量、 曝光间隙、 后烘、 显影等工艺参数， 得 到 带 有 微 小 锥 形 喷 孔 的 SU-8 光 刻 胶 喷 孔 板 ,再 将 喷 孔 板 与 SU - 8 光 刻 胶 开 放 腔 室 层 键 合 ， 形 成 压 电 喷 墨 打 印 头 腔 室 。采 用 耦 合 压 电 物 理 场 和 层 流 流 场 的方法， 数 值 模 拟 了 喷 孔 形 状 对 喷 墨 速 度 的 影 响 ,确 定 了 最 佳 喷 孔 形 状 。通 过 实 验 ， 确 定 了 制 作 SU- 8 锥 形 喷 孔 的 工 艺 参 数为:曝光量11〇1111/(； 1 1 1 2,曝 光 间 隙 110|^111,后 烘 60< €、 15111;11和显影时间3.511^11;并采用30|^111孔径的掩模,制作出了大 孔 孔 径 30 ixm、 小 孔 孔 径 20 | xm、 孔 高 45 | Am的 SU- 8 光 刻 胶 微 小 锥 形 喷 孔 。 关 键 词 : SU- 8 光 刻 胶 ;喷 墨 打 印 头 喷 孔 板 ;锥 形 孔 ;接 近 式 曝 光 中 图 分 类 号 :TB 1 6 文 献 标 识 码 :A 文 章 编 号 =1672-4801 (2017)04-080-06
D01:10.19508/j . cnki.l 672-4801.2017.04.024
目前， 喷墨打印技术已经从传统的文字、 图片 印 刷 领 域 发展到其他领域， 例 如 :3D 打 印 '集 成 电路打印[2 ] 和生物材料打印[ 3 ] 。喷孔板作为喷墨 打印头的重要组成部分， 影响墨滴的形成以及稳 定喷射[ 4 ] 。喷墨打印头喷孔的制作工艺有湿法腐 蚀[ 5 ] 、 微电铸[ 6 ] 、 微注塑 m 、 激光加工[ 8 ] 、 光刻[ 9 ] 等。 喷孔的制作方法最初采用机械微加工工艺， 其主要优点是制造工艺成熟， 但是制造成本高、 对 准精度低， 不适合大批量短周期生产。微机电系 统 (MEMS， Micro- Electro-Mechanical System )的出 现为制造喷墨打印头提供了新途径。IBM 实验室 Petersen[ 5 ] 等人利用湿法腐蚀硅技术和阳极键合技 术制作压电喷墨打印头:首先采用各向同性刻蚀 浅 沟 槽制作开放喷孔， 然后各项异性深刻得到开 放腔室， 最后将带有开放腔室的硅片与玻璃键合, 形 成 喷 墨 打 印 头 。 Leem 等 人 采 用 电 铸 N i 工艺和 髙 粘 度 光 刻 胶 (AZ9262™) 光 刻 工 艺 制 作 出 喷 孔 、 腔室、 供 墨 孔 一 体化喷墨打印头,Shen[ 7 ] 等人结合 厚胶 光 刻 、 电铸、 微注塑工艺制作喷墨打印头:首 先 电 铸 形 成 以 N i-Co 为 材 料 的 模 具 ， 然后微注塑 形成供墨通道、 腔室、 喷孔的一体化喷墨打印头。 但是上述两种方法工艺复杂、 生产周期长、 成本 高 。Lindemann® 等人使用激光加工聚酰亚胺得到 喷孔、 腔室、 供墨孔一体化喷孔板,但是这种工艺 需要采用氧等离子体进行表面洁净处理,然后用 化学试剂进行表面疏水处理， 并且在组装过程中
第4期
冯建波等:压电喷墨打印头聚合物喷孔制作工艺研究
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(SUSS MicroTec,GER ) ， 紫 外 光 波 长 365 nm;匀胶 机 形 号 为 SUSS DELTA 80RC (SUSS MicroTec， GER );工具显微镜型号为 STM6(01ympUS， JP )。 1 . 2 实验步骤 本 文 以 SU- 8 作 为 喷 孔 板 材 料 。为了完成键 合工艺， SU- 8 旋 涂 于 PDMS。PDMS具 有 3 个优 点： 1)PDMS作为 柔 性 基 底 ， 键合过程中有利于增 大界面接触面积;2)光刻过程中 SU- 8 光刻胶不会 与 PDMS脱离;3 )键合完成后， 剥 离 PDMS与 SU-8 光刻胶过程中， 不会损坏 SU- 8 喷孔板。 SU-8光刻胶喷孔板制作过程如下：
作者简介:冯建波(1992— )， 男， 硕士生， 研究方向:微机电系统。
会出现气泡植人、 粘结力不足、 流体通道阻塞等 现象。 Hep]和智利莎[ 1 ° ] 等人采用 SU- 8 光刻胶键合工 艺制作喷孔与腔室一体化的压电喷墨打印头。首 先将未交联的 SU- 8 光刻胶与已交联的 SU- 8 光刻 胶开放腔室层键合， 然后采用光刻工艺制作喷孔， 形成压电喷墨打印头腔室。但是这种制作工艺所 得 到 的 喷孔为发散孔， 不利于墨滴喷射。除了上 述的喷孔制作工艺， 还有一些文献采用合金[ 1 1 ] 、 陶 瓷[1 2 ] 、 玻璃[1 3 ] 作为喷孔材料。 本文采用光刻技术制作喷墨打印头喷孔板:首 先 以 PDMS为基底旋涂 SU-8 2015光刻胶;然后用 适当的曝光量和曝光间隙进行曝光、 后烘和显影， 使 SU- 8 光刻胶图形化;最后将喷孔层与开放腔室 层键合， 即可得到 SU-8光刻胶喷墨打印头腔室。
1 材料与实验
1 . 1 材料 SU-8 2015^ SU- 8 2075 (MicroChem Corporation,Newton,MA ， USA )分别用来制作喷孔层和腔 室层;丙二醇甲醚醋酸酯显影液^01\1£入,]^(； 1 1 〇 Chem Corporation,Newton,MA ,USA )作为 SU-8 光 刻胶显影液； 聚二甲基硅氧烷(PDMS,Dow Coring Corporation,USA )作 为 制 作 喷 孔 层 时 ， 旋 涂 SU-8 光刻胶的基底， PDMS预聚体与固化剂的混合比例 为 8: 1;曝 光 所 用 的 光 刻 机 型 号 为 SUSS MA6