一种喷墨打印微结构换能元及其制备方法与流程

1.本发明属于火工品点火器件领域，涉及一种喷墨打印微结构换能元及其制备方法。


背景技术：

2.近年国防技术的快速发展带动了当代武器系统的技术创新，常规武器装备向高科技武器装备转变，武器系统的体积向微型化转变，武器中留给火工系统的空间降低，对火工品的微型化和智能化提出了更高要求，因此火工品系统也不断发展，目前我国已经发展到第四代火工品：mems火工品。典型的mems火工品包含微结构换能元、微含能芯片、微安保机构(微安全芯片)等三部分，其共同组成一个微起爆序列或微点火序列。
3.对mems火工品来说，微结构换能元是其核心部分。目前微结构换能元的制备工艺是mems工艺，其制备流程涉及到清洗基底、溅射电阻靶材、光刻胶涂布、曝光显影、刻蚀、去光刻胶、测试等一些复杂的工艺流程。薄膜沉积和换能元成型分为两步进行，耗时长、成本高昂、材料利用率低且工艺复杂，过程中所产生的工业废水也增了环境的负担。因此发展一种制备过程简单、成本低、材料利用率高、成型图案可控的微结构换能元技术有着重要意义。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种喷墨打印微结构换能元及其制备方法。
5.实现本发明目的的技术解决方案为：
6.本发明涉及一种微结构换能元，其使用喷墨打印技术制备而成，包括基底材料和桥膜层，优选地，导电墨水通过喷墨打印的方式沉积在基底材料上，并可以通过打印阵列的方法打印多个换能元，换能元成型速度很快。喷墨打印微结构通过如下过程制得：换能元导电墨水通过喷墨打印的方式沉积在基底材料上，经过烧结得到换能元；换能元电阻计算公式为r＝ρl/s，烧结工艺固定时电阻率ρ值一定，截面积s为桥区厚度与宽度乘积，l为桥区长度，厚度与打印层数正相关，打印层数增多厚度增大，因此换能元电阻与桥区图案长宽比成正比，与打印层数负相关，打印层数增多电阻减小，通过调整换能元打印层数和尺寸得到不同电阻值的换能元。
7.优选地，基底材料为双氧硅片、陶瓷基片、玻璃基片或聚酰亚胺材料。
8.优选地，桥膜材料为银、铜、碳。
9.一种喷墨打印微结构换能元的制备方法，包括如下步骤：
10.步骤1：将基底材料在去离子水和乙醇液体中分别超声15min，取出烘干；
11.步骤2：对基底材料进行表面处理，提高换能元薄膜与基底材料的结合力；
12.步骤3：将导电墨水加入打印机墨盒，按照设计好的图案进行喷墨打印换能元薄膜；
13.步骤4：将打印好的换能元在100～1000℃下烧结0.5～2h，即可得到微结构换能
元。
14.优选地，基底材料表面处理方法为紫外臭氧处理。
15.优选地，基板加热温度设置在0～60℃，喷墨间距设置在5～45μm，喷头温度设置在20～65℃，压电波形为双方波，压电电压设置在10～40v，打印层数为1～5层，层与层间打印间隔在0～30min，预固化时间为10～50min。
16.优选地，导电墨水的电阻率在2～20μω
·
cm，导电质的含量在10％～65％。
17.优选地，微结构换能元的桥膜厚度为2～10μm，桥膜尺寸为1.8*1.5mm，桥区部分长为100～400μm、宽为100～150μm。
18.本发明与现有技术相比，具有以下优点：
19.(1)本发明使用喷墨打印技术制备换能元，薄膜沉积和换能元成型可以一步完成，较mems工艺来说，制备方法简单高效、材料利用率高。
20.(2)本发明换能元的形状控制由打印的图案设计完成，较mems工艺，换能元的尺寸和形状的改变更易进行。
21.(3)本发明喷墨打印可以打印多层桥膜材料，较物理气相沉积和化学气相沉积法，桥膜厚度控制更方便。
22.(4)本发明使用喷墨打印技术可以打印换能元阵列，一次性得到大量换能元，集成化程度高。
23.(5)本发明喷墨打印的导电墨水有纳米银墨水、纳米铜墨水、碳基墨水，可以制备多种换能元。
附图说明
24.图1为本发明的实施例1提供的银膜桥换能元的结构示意图。
25.图2为本发明的实施例1提供的换能元打印尺寸图案。
26.图3为本发明的实施例1提供的银膜桥换能元的实物图。
27.(a)银膜点火桥；(b)50倍桥区图；(c)100桥区图。
28.图4为本发明的实施例2提供的换能元打印尺寸图案。
29.图5为本发明的实施例3提供的换能元打印尺寸图案。
具体实施方式
30.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的具体实施方式进行详细描述。
31.实施例1
32.喷墨打印制备银膜桥换能元，图1为银膜桥的结构示意图，图2为银膜换能元打印图案，图3为银膜桥实物图和桥区显微镜下图片，由图可见喷墨打印制备的银膜桥表面均匀，图案成型情况良好。
33.为得到1ω的银膜桥，打印层数设置为2层、桥区图案长宽比为1:1.2。银膜换能元的制备包括如下步骤：
34.步骤1：将双氧硅片在去离子水和乙醇液体中分别超声15min，取出烘干；
35.步骤2：将双氧硅片放入紫外清洗机15min进行表面处理；
36.步骤3：将纳米银墨水加入打印机墨盒，双氧硅片固定在打印机基板上，基板加热温度设为55℃，喷墨间距设置在25μm，喷头温度设置在35℃，压电波形为双方波，压电电压设置在20v，打印层数为2层，层与层间打印间隔在5min，预固化时间为30min，按照设计好的图案(“工”字型，桥区长宽比为1:1.2，如图2所示)进行喷墨打印换能元薄膜；
37.步骤4：将打印好的换能元，150℃下烧结1h，即可得到微结构换能元。
38.银膜换能元的桥区和电极区均由喷墨打印的方式得到，将银膜换能元装配在陶瓷塞里得到银膜桥，其结构如图1所示。该银膜桥电阻为1
±
0.1ω，蘸斯蒂芬酸铅进行点火实验，全发火电压为7.115v。
39.实施例2
40.如图4所示，换能元打印图案为双v型，为设计得到0.8ω的银膜桥，打印层数设置为2层、桥区图案长宽比为2:1。银膜换能元的制备包括如下步骤：
41.步骤1：将双氧硅片在去离子水和乙醇液体中分别超声15min，取出烘干；
42.步骤2：将双氧硅片放入紫外清洗机15min进行表面处理；
43.步骤3：将纳米银墨水加入打印机墨盒，双氧硅片固定在打印机基板上，基板加热温度设为55℃，喷墨间距设置在25μm，喷头温度设置在35℃，压电波形为双方波，压电电压设置在20v，打印层数为2层，层与层间打印间隔在5min，预固化时间为30min，按照设计好的图案(“双v”型，桥区长宽比为2:1，如图4所示)进行喷墨打印换能元薄膜；
44.步骤4：将打印好的换能元，150℃下烧结1h，即可得到微结构换能元。
45.银膜换能元的桥区和电极区均由喷墨打印的方式得到，将银膜换能元装配在陶瓷塞里得到银膜桥，其结构如图1所示。该银膜桥电阻为0.8
±
0.2ω，蘸斯蒂芬酸铅进行点火实验，全发火电压为8.345v。
46.实施例3
47.如图5所示，换能元打印图案为“工”字型，为设计得到0.8ω的银膜桥，打印层数设置为1层、桥区图案长宽比为2:1。银膜换能元的制备包括如下步骤：
48.步骤1：将双氧硅片在去离子水和乙醇液体中分别超声15min，取出烘干；
49.步骤2：将双氧硅片放入紫外清洗机15min进行表面处理；
50.步骤3：将纳米银墨水加入打印机墨盒，双氧硅片固定在打印机基板上，基板加热温度设为55℃，喷墨间距设置在25μm，喷头温度设置在35℃，压电波形为双方波，压电电压设置在20v，打印层数为2层，预固化时间为30min，按照设计好的图案(“工”字型，桥区长宽比为2:1，如图5所示)进行喷墨打印换能元薄膜；
51.步骤4：将打印好的换能元，150℃下烧结1h，即可得到微结构换能元。
52.银膜换能元的桥区和电极区均由喷墨打印的方式得到，将银膜换能元装配在陶瓷塞里得到银膜桥，其结构如图1所示。该银膜桥电阻为0.8
±
0.1ω，蘸斯蒂芬酸铅进行点火实验，全发火电压为8.150v。
53.实施例4
54.换能元打印图案与实施例3相同为“工”字型，为设计得到1.5ω的银膜桥，打印层数设置为1层、桥区图案长宽比为2:1。银膜换能元的制备包括如下步骤：
55.步骤1：将双氧硅片在去离子水和乙醇液体中分别超声15min，取出烘干；
56.步骤2：将双氧硅片放入紫外清洗机15min进行表面处理；
57.步骤3：将纳米银墨水加入打印机墨盒，双氧硅片固定在打印机基板上，基板加热温度设为55℃，喷墨间距设置在25μm，喷头温度设置在35℃，压电波形为双方波，压电电压设置在20v，打印层数为1层，预固化时间为30min，按照设计好的图案(“工”字型，桥区长宽比为2:1，如图5所示)进行喷墨打印换能元薄膜；
58.步骤4：将打印好的换能元，200℃下烧结1h，即可得到微结构换能元。
59.银膜换能元的桥区和电极区均由喷墨打印的方式得到，将银膜换能元装配在陶瓷塞里得到银膜桥，其结构如图1所示。该银膜桥电阻为1.5
±
0.1ω，蘸斯蒂芬酸铅进行点火实验，全发火电压为6.150v。
60.实施例5
61.换能元打印图案与实施例1相同为“工”字型，为设计得到2ω的银膜桥，打印层数设置为1层、桥区图案长宽比为1:1.2。银膜换能元的制备包括如下步骤：
62.步骤1：将双氧硅片在去离子水和乙醇液体中分别超声15min，取出烘干；
63.步骤2：将双氧硅片放入紫外清洗机15min进行表面处理；
64.步骤3：将纳米银墨水加入打印机墨盒，双氧硅片固定在打印机基板上，基板加热温度设为55℃，喷墨间距设置在25μm，喷头温度设置在35℃，压电波形为双方波，压电电压设置在20v，打印层数为1层，预固化时间为30min，按照设计好的图案(“工”字型，桥区长宽比为1:1.2，如图2所示)进行喷墨打印换能元薄膜；
65.步骤4：将打印好的换能元，200℃下烧结1h，即可得到微结构换能元。
66.银膜换能元的桥区和电极区均由喷墨打印的方式得到，将银膜换能元装配在陶瓷塞里得到银膜桥，其结构如图1所示。该银膜桥电阻为2.0
±
0.1ω，蘸斯蒂芬酸铅进行点火实验，全发火电压为5.865v。