一种压电喷墨打印头的驱动电压波形确定方法

1.本发明涉及属于压电喷墨打印领域，尤其涉及一种压电喷墨打印头的驱动电压波形确定方法。


背景技术：

2.压电喷墨打印技术是利用压电喷墨打印头在基材上沉积墨滴并形成图形的一项技术，基于墨滴控制能力强和无需加热的特点，压电喷墨打印在墨水的兼容性方面具有更大的灵活性，已经被广泛用于制造印刷电子器件。
3.压电喷印的应用领域不断拓展，对喷印精度的要求有所提高，例如共形天线和频率选择表面对墨滴直径的要求达到了微米级。喷印精度除了受流体特性、压电喷墨打印头结构的影响外，驱动电压的波形也是影响精度的主要因素。压电喷墨打印头在工作过程中，墨水供应至喷嘴处，通过适当的负压使其在喷嘴处产生弯液面，驱动电压施加到压电执行器上以产生压力波，压力波经过传播与反射最终完成喷射。上述过程中，驱动电压的波形直接影响墨滴的速度、拖尾长度和卫星墨滴的产生。因此，在喷头结构和墨水特性确定之后，如果要获得更高的喷印精度，必须对驱动电压的波形进行精准控制。
4.在实际使用中，常基于人工经验对波形进行设计和优化，或将所有可能的参数组合全部进行实验测试，从而得到最优的参数设置。对于较简单的驱动电压波形，并且在只有一到两个参数需要确定的情况下，可以通过相关测试仪器与测量方法得到最优的参数。目前已经有人通过ccd相机，对压电喷墨打印头施加低电压幅值的驱动电压，使喷嘴处液面发生变化但不产生墨滴，观察喷嘴处弯液面的运动状态设计并优化驱动电压波形中的高电平时间参数。也有一种已知的技术利用带有激光的相关仪器检测出压电喷墨打印头在不同电压幅值作用下的径向位移，根据径向位移的大小来调整电压幅值的大小，这样也能提高确定波形的效率。由于压电喷墨打印头的驱动电压波形有多种类型，并且每种波形中包含有多个可调整参数，已有的波形确定方法费时费力，并且可能无法得到最优的参数设置，最终可能造成墨滴形貌不理想或尺寸不达标的情况，从而影响压电喷墨打印精度。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的问题，本发明公开了一种压电喷墨打印头的驱动电压波形确定方法，该方法包括以下步骤：
6.构建压电喷墨打印头的有限元模型；
7.在有限元模型的压电部件上施加不同类型驱动电压，得到不同波形对墨滴喷射性能的影响，根据所需喷射力的大小来选取合适的驱动电压波形；
8.对驱动电压波形进行分段测试，确定驱动电压波形的最优参数。
9.进一步地：所述构建压电喷墨打印头的有限元模型通过水平集法追踪两相流界面进行构建。
10.进一步地：所述驱动电压波形的最优参数的验证：通过对比不同电压施加在喷墨
打印头上的墨滴形貌来进行验证。
11.进一步地：步骤s1中所述水平集法追踪两相流界面的控制方程如下：
[0012][0013]
其中，φ为水平集数，v是流体流动的速度矢量，γ是重新初始化参数，ε是界面厚度控制参数。
[0014]
进一步地：所述不同波形对墨滴喷射性能的影响包括对压电喷墨打印头内相关物理量的影响和墨滴形貌的影响。
[0015]
进一步地：步骤s2中所述压电喷墨打印头内相关物理量包括压电部件的径向位移、喷嘴处流体速度和喷嘴处流体压力。
[0016]
进一步地：所述驱动电压波形包含上升沿、下降沿与高低电平。
[0017]
由于采用了上述技术方案，本发明提供了一种压电喷墨打印头的驱动电压波形确定方法，克服确定压电喷墨打印头驱动电压相关参数费时过长、依靠人工经验和已有方法时可能无法确定最优参数的情况，实现对压电喷墨打印头驱动电压快速准确确定最优参数，同时能够通过观察并测量喷射结果验证参数设置的有效性，得到形貌理想且尺寸合适的墨滴，提高压电喷墨打印精度；本技术依据水平集法追踪两相流界面，通过有限元仿真确定驱动电压波形的类型，使用分段测试的方式，得到驱动电压中每个参数对喷射性能的影响，避免了基于人工经验和基于大量实验以确定参数的不确定性和复杂过程，适用于包含多个可调参数的驱动电压，适用范围广并且有效节省了确定驱动电压波形参数时的时间与人力。为了能够验证本方法的有效性，利用墨滴观测系统结对喷射结果进行记录和测量，根据结果可验证参数的有效性并进一步优化波形参数。最终可以得到形貌理想且尺寸合适的墨滴，有利于提高压电喷墨打印精度，进一步促进高性能印刷电子期间的制备。
附图说明
[0018]
为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术中记载的一些实施例，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。
[0019]
图1本发明压电喷墨打印头内部结构示意图；
[0020]
图2为本发明压电喷墨打印头的驱动电压波形确定方法流程图；
[0021]
图3为本发明压电喷墨打印头单极梯形波示意图；
[0022]
图4为本发明包含一个上升沿和高电平的驱动电压波形示意图；
[0023]
图5为本发明高电平持续时间较长的单极梯形波示意图；
[0024]
图6为本发明有限元分析软件(comsol)仿真得到的喷嘴处流体压力与上升时间的关系图；
[0025]
图7为本发明有限元分析软件(comsol)仿真得到的喷嘴处流体压力与下降时间的关系图；
[0026]
图8为本发明有限元分析软件(comsol)仿真得到的喷嘴处流体压力与停留时间的
关系图；
[0027]
图9为本发明有限元分析软件(comsol)仿真得到的不同停留时间情况下液面的仿真结果；
[0028]
图10为本发明墨滴观测系统配置连接图。
具体实施方式
[0029]
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：
[0030]
采用本发明提出的波形确定方法对压电喷墨打印头进行驱动电压波形确定，图1为压电喷墨打印头内部结构示意图，其主体是一个圆柱体，由玻璃毛细管构成，产生电致动的压电部件粘连在玻璃毛细管外部，管入口处通过连接管与供墨通道连接，墨水腔室的另一端是细小的喷嘴。
[0031]
在喷射过程中，将驱动电压施加在压电部件上，外表面是正极，内表面是负极，利用逆压电效应使压电部件产生膨胀和收缩。驱动电压中的上升沿使压电部件膨胀，使喷嘴处墨水回吸，在经过一段时间后，驱动电压中的下降沿使压电部件收缩，墨水被挤出喷嘴，下降沿作用之后喷头会恢复最初的状态，已经被挤出喷嘴的墨水尾部被吸回喷嘴内，同时产生细长的颈部，最终颈部被拉断产生墨滴。
[0032]
图2为本发明压电喷墨打印头的驱动电压波形确定方法流程图；
[0033]
一种压电喷墨打印头的驱动电压波形确定方法，该方法包括以下步骤：
[0034]
s1:依据水平集法追踪两相流界面构建压电喷墨打印头的有限元模型,对模型中的结构尺寸、所用材料和边界条件进行详细设置；
[0035]
本发明使用有限元仿真的方法，相当于虚拟地在计算机上做实验，用以模拟仿真实际的流体流动的情况，利用有限元分析软件(comsol)建立压电喷墨打印头的模型。
[0036]
依据水平集法追踪两相流界面构建压电喷墨打印头的有限元模型(comsol)，控制方程如下：
[0037][0038]
其中，φ为水平集数，v是流体流动的速度矢量，γ是重新初始化参数，ε是界面厚度控制参数。
[0039]
s2:在有限元模型(comsol)的压电部件上施加不同类型驱动电压波形，常用波形有方波、单极梯形波和双极梯形波等，观察其仿真结果得到不同波形对墨滴喷射性能的影响，包括对压电喷墨打印头内相关物理量的影响和墨滴形貌的影响，所述压电喷墨打印头内相关物理量包括压电部件的径向位移、喷嘴处流体速度和喷嘴处流体压力；
[0040]
这些物理量可以体现压电喷头对不同类型驱动电压波形的响应特性，在确定喷头结构和墨水特性后，根据所需喷射力的大小来选取合适的波形，墨水黏度越大，所需喷射力越大，常使用双极梯形波进行驱动，单极梯形波与方波用于墨水黏度较小的情况下。通常还考虑到期望的墨滴尺寸，所需墨滴尺寸较大需要的喷射力更大，多选择双极梯形波，所需墨滴尺寸较小时选择单极梯形波或方波。
[0041]
s3:对驱动电压波形进行分段测试，单独设定驱动电压的每个参数作为一个单独的驱动电压波形，以单极梯形波为例，如图2所示，包括4个参数：电压幅值v
p
、上升时间tr，停留时间td和下降时间tf，双极梯形波还包括2个单极波中间的延迟时间。将每个参数作为单独的驱动电压波形施加在压电喷墨打印头上，从仿真结果中得到每个参数对墨滴喷射性能的影响，依据仿真结果选择最优的参数设置，确定驱动电压波形的最优参数。
[0042]
所述驱动电压波形包含上升沿、下降沿与高低电平。
[0043]
步骤s1、s2和s3顺序执行；
[0044]
在本实施例中，使用压电喷墨打印头完成对纳米银导电墨水的喷射，由于墨水黏度为6mpa
·
s，属于黏度较小的液体，设定期望直径为60um，选择单极梯形波驱动压电喷墨打印头，单极梯形波示意图如图3所示。
[0045]
单极梯形波包含4个参数：电压幅值v
p
、上升时间tr，停留时间td和下降时间tf。v
p
与墨滴尺寸是正相关关系，通常在确定时间参数后通过实验选择合适的v
p
。对单极梯形波进行分段测试，分别研究3个时间参数对喷射性能的影响。
[0046]
将单极梯形波分为3个驱动电压波形：
[0047]
(1)包含一个上升沿和高电平的驱动电压波形，图4为本发明包含一个上升沿和高电平的驱动电压波形示意图，这一波形主要探究tr对喷射性能的影响；
[0048]
(2)高电平持续时间较长的单极梯形波，图5为本发明高电平持续时间较长的单极梯形波示意图；tr固定，改变tf，这一波形主要探究tf对喷射性能的影响；
[0049]
(3)普通的梯形波，如图2所示，tr和tf固定，改变td，这一波形主要探究td对喷射性能的影响。
[0050]
将每个单独的驱动电压波形施加在压电部件上，得到相关物理量的变化曲线，通过相关物理量的变化曲线选择合适的参数。
[0051]
在压电部件上施加如图4所示的驱动电压波形，依据逆压电方程建立电场与固体结构应变和应力之间的关系，其方程如下：
[0052]
x＝sex d
teꢀꢀ
(2)
[0053]
d＝dx ε
xeꢀꢀ
(3)
[0054]
其中，x为应变矩阵，s是压电材料的弹性柔顺系数矩阵，d是压电常数矩阵，d是电位移矩阵，ε是压电材料的介电常数矩阵，x是应力张量矩阵，e是电场强度矩阵。
[0055]
再通过流体与固体的双向耦合，从而建立电场与流体运动之间的关系。
[0056]
通过仿真得到喷嘴处流体压力随时间变化的曲线，如图6所示。根据仿真结果，不同tr作用下，喷嘴处压力曲线形状相似，随着tr增大，喷嘴处压力变化幅度在减小，并且由上升沿产生的最大负压有明显的变化。上升沿会使压电部件膨胀，从而在墨水腔室内产生负压，将供墨通道内的墨水吸入墨水腔室，同时，喷嘴处墨水回吸，但回吸导致的墨水过吸入不利于产生墨滴。为避免墨水过吸入，要使喷嘴处产生的负压尽量小，因此tr确定为5us。
[0057]
在压电部件上施加如图5所示的驱动电压波形，通过仿真得到喷嘴处流体压力随时间变化的曲线，图7为本发明有限元分析软件(comsol)仿真得到的喷嘴处流体压力与下降时间的关系图；根据仿真结果，不同tf作用下，喷嘴处压力曲线形状相似，随着tf增大，喷嘴处压力变化幅度在减小，并且由电压下降阶段产生的最大正压有明显的变化。下降沿会使压电部件收缩，从而在墨水腔室内产生正压，随着正压增大，墨水被挤出腔体形成液柱。
理想情况下，该正压与上升沿产生压力波的反射正压叠加后，在喷嘴处产生较大的正压，将墨滴从墨水腔室内挤压出来。因此为了实现墨滴的正常喷射，需要喷嘴处正压尽量大。考虑到已有的设备条件，因此tf确定为1us。
[0058]
在压电部件上施加如图3所示的驱动电压波形，通过仿真得到喷嘴处流体压力随时间变化的曲线，图8为本发明有限元分析软件(comsol)仿真得到的喷嘴处流体压力与停留时间的关系图；根据仿真结果，不同td作用下，喷嘴处压力曲线有明显不同：td＝5us时，最大正压与最大负压都很大，导致压力差很大；td在10
□
20us范围内时，最大正压与最大负压较大，压力差适中；td》20us时，最大正压与最大负压较小，压力差较小。根据喷嘴处液面的仿真结果可以确定td，图9为本发明有限元分析软件(comsol)仿真得到的不同停留时间情况下液面的仿真结果图：td较短时由于压力差过大，产生的墨滴拖尾较长，易产生卫星墨滴，不利于提高打印精度；当td较长时，由于正压过小，无法将墨水挤压出喷嘴，或由于负压过小，无法拉断颈部，最终不能产生出理想墨滴，即使可以产生出墨滴，由于墨滴尺寸过小而无法满足正常喷印的使用。td＝10us时，产生理想的小墨滴，为了得到理想形貌的墨滴，因此td确定为10us。
[0059]
确定波形及其参数后通过墨滴观测墨滴形貌并进行拍照记录，从而验证所述驱动电压波形确定方法的有效性。出于仿真速度的考虑，有限元仿真中使用自适应网格剖分，并未对整个模型进行精细剖分，考虑到网格剖分的疏密程度会影响到有限元仿真的精确性，且在实际使用中很难通过现有设备产生出仿真中的理想波形，因此由仿真确定的参数可能需要微调以适用于实际的喷墨打印中。
[0060]
墨滴观测系统结构图如图10所示，所述墨滴观测系统包括压电喷墨打印头、pc、信号发生器、电压放大器、电气比例阀、高速相机与led灯；
[0061]
通过pc的上位机程序对信号发生器(afg3022)进行程控，信号发生器上午通道1输出至电气比例阀(ps120100)，用于调节压电喷墨打印头内压力，将其设置为2.49v的直流电压，即压力稳定在-1000pa，在这一负压条件下可完成正常喷射；通道2根据初步确定的参数产生相应的驱动电压，通过电压放大器(pzd700)等比例放大后驱动压电喷墨打印头完成喷射；
[0062]
通过带有显微镜头的高速ccd相机(fastcam sa-5)实现观测，配合led灯采取背光的形式进拍照，led灯连接至相机i/o接口，由相机进行触发，帧率设置为10000fps，即连续2张照片的拍照间隔为10us，在这一帧率下可有效观察喷射结果。
[0063]
按照仿真结果进行设置得到实验结果与仿真结果有一定差别，这是由于仿真中没有对整个模型进行精细剖分，网格剖分的疏密程度会影响到有限元仿真的正确性，且在实际使用中很难通过现有设备产生出仿真中的理想波形。因此对已得到的参数进行微调，再次实验，直到结果达到要求。通过实验得到最优波形参数是tr＝5us，tf＝2us，td＝10us，u＝40v，驱动频率为1khz。
[0064]
在pc中使用图像分析处理软件(包含vas和vdm的labview)获取照片并对实验结果进行测量，在施加经过本方法确定的驱动电压波形的情况下，墨滴形貌理想，且直径为29.2134um，达到期望尺寸。
[0065]
如果实验结果达到要求，经过2次优化的参数即为最优参数，如果没有，重新进行实验。
[0066]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。