实验名称：压电喷墨打印实验的系统集成与控制研究

　　实验目的：

　　液滴的稳定喷射是决定印制导电线路产品质量的关键因素，本文围绕液滴均匀稳定形成的调节目标对实验操作参数进行控制研究。其中，利用工业相机定时拍摄的功能实时观测持续喷射的液滴是否发生左右摆动以及偏离压电喷头的中心轴线，根据反馈的液滴喷射情况来调节储液瓶的液体重心位置和改进脉冲电压参数，可以避免卫星滴的产生和大幅地改善液滴喷射的效果。对压电喷头入口压力进行了定量分析，并研究如何有效提升压电喷墨打印的效率。调制出液体的粘度和表面张力与纳米银溶液接近的新溶液，通过实验研究的方式来综合确定打印该新溶液的调节与控制方法。

　　测试设备：功率放大器、数字示波器、函数发生器、计算机、压电喷头等。

　　实验过程：

　　图1：压电喷墨打印实验控制原理图

　　压电喷墨打印实验系统主要由压电驱动模块、液压供应模块和光学相机模块三大模块组成，压电驱动模块可以为压电喷头的径向挤压变形提供动力来源，液压供应模块可以为压电喷头提供适当的入口压力以利于喷射出形态稳定的液滴，而光学相机模块可以观测液滴是否发生左右摆动以及飞行轨迹是否偏离压电喷头中心轴线，根据观测的液滴喷射情况对压电驱动模块和液压供应模块的控制参数进行调节，获得喷射形态稳定的液滴，压电喷墨打印实验的控制原理图如上图所示。

　　一、将压电打印头的插入式插头改装成BNC接口，可以连接到高压放大器，此时能够听到压电喷头内部发出轻微的蜂鸣声，表明其受到脉冲电压的激励在正常地工作。

　　二、搭建液压供应模块，通过合理调节压电喷头的入口压力，以实现压电喷墨打印实验中对腔室液体弯月面(meniscus)的精准控制。本文使用的打印溶液是乙醇液体，将打印液体充满液路管以及压电喷头腔室，通过调节储液瓶中液体的重心位置使打印液体既不倒吸回腔室，也不溢出形成弯月面。

　　图2：光学相机模块装置图

　　三、光学相机模块采用像素尺寸为4.8μm，帧率为210帧/秒的工业相机，液滴观测需要用到的实验器材有工业相机、1倍放大镜头、LED灯及其控制器，光学相机模块装置图如图2所示。为了确保获得的液滴图像比较清晰，作用于工业相机拍照的触发脉冲时间通常比较短，因此本文将该触发脉冲时间设置为30μs。

　　实验结果：

　　图3：液滴稳定形成的入口压力。(a)入口压力随电压幅值变化关系图；(b)不同入口压力对应的液滴喷射速度

　　设置不同的电压幅值，测得液滴稳定形成对应的最大入口压力和最小入口压力，如图3(a)所示。从该图可以看出，当电压幅值由25V增加到50V时，压电喷头的最大入口压力和最小入口压力都在不断地增大，并且两者之间的压强差由480Pa缩小为270Pa。表明输入的电压幅值越大，越难以调制出喷射稳定的液滴，对测试溶液以及其它操作参数的要求就会越高。

　　图3(b)描述的是30V激励电压的作用下，液滴速度与入口压力之间的关系。可以看出，液滴速度随着入口压力的减小而呈现不断上升的趋势，当入口压力从-500Pa变化到-900Pa时，液滴速度从0.28m/s增加到1.03m/s。若此时入口压力继续减小，则液滴的喷射会出现散雾状，不利于液滴的稳定形成。因此合理控制压电喷头的入口压力，不仅可以获得喷射形态稳定的液滴，还能有效提高液滴的出口速度。

　　电压放大器推荐：ATA-3080C

　图：ATA-3080C功率放大器指标参数

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