压电式波形控制技术驱动：低粘度喷墨效果研究、微电子打印机新墨水测试全解析

    采用的单波形与双波形如图2所示，单波形采用的方波，双波形采用的是和单波形相同的两个方波，波形由脉冲宽度、上升时间、下降时间以及两个方波之间的时间间隔来确定。图2中方波的脉冲宽度固定在20us，方波的上升时间和下降时间分别为1.9um和2.6um，驱动信号的频率固定为200Hz，在这个驱动频率下可以尽量抑制喷嘴内的横向压力波动，从而消除连续波动性好之间的干扰。

    如果驱动电压设置较低使得液滴刚好不能喷射出时，形成最大挤压的弯月面。如图3所示，采用30℃下10mol％乙二醇和90mol％水的混合液体在120V电压下弯月面经过喷嘴振荡而没有液滴射出时不同波形的图片，图a为单波形，图b为时间间隔Ts=14us的双波形，图c为时间间隔Ts=17us的双波形。图a中单个波形的弯月面形状具有较大的准玻化轮廓，而图b和c中的双波形的弯月面形状具有小的尖头。这种尖头形状是由第二次上升电压引起的负压力波引起的。喷嘴内部形成的负压将被挤出喷嘴的流体吸出。

    图4显示的为在不同波形下弯月面头部到喷嘴出口之间的距离以及液滴的挤出量。可以清楚的看出在一个周期内具有两个驱动脉冲的波形可以控制弯月面运动并改变液滴体积。

    为了确定双波形在低粘度液体中的喷墨效果是否也同样稳定，采用了50°C去离子水来进行测试，通过图8b可以看出，双波形也可以很好控制液滴的形成。图9展示了Ts时间在15us和19us时，卫星墨滴与主墨滴的下降速度的两个边界值。15us时，卫星墨滴的下降速度与主墨滴的下降速度相等，在19us时，卫星墨滴的下降速度远大于主墨滴的下降速度，并且在与主墨滴重合后再次分离，形成卫星墨滴。

    喷头构造：为了帮助解释波形的用途，让我们看一下喷头的喷嘴腔。下图描述了一种被称为“填充-开火”的喷射过程，这种喷射过程被广泛应用于喷头的构造设计中。在这种情况下，压电陶瓷材料PZT(压电陶瓷材料)在施加电压时发生变形，改变墨室的体积，导致墨室内的油墨移动，最终喷射出去。将这个电压准确的施加到PZT上的调控程序就是波形。

喷墨原理描述

  脉冲时间：通过以上介绍，我们已经大致了解墨水是如何被喷出来的，在脉冲电压的作用下，形变的墨水腔挤压墨水，这种压力的传播实际上是以声波的形式传导的，此过程接近以声速快速进行。

如果打印时你站在打印头旁边，你甚至可能会听到它“唱歌”，这取决于打印使用的频率。你能听到它的原因是因为驱动器产生声波。当然，这里面最重要的是墨水本身产生的声波，因为喷射压力的变化是由其来定义的。

声波随着电压脉冲的变化

  当电压降低时，墨水腔收缩导致声波产生，此声波振幅会随着时间而消失。此过程伴随着墨水的补充。当新的脉冲来临时，腔体压力变大，声波的信号重新增强，最终墨水被成功喷射出来。但此时也伴随着新的问题，如果新的脉冲信号在错误的时间被引入，墨水很有可能会在即将喷射的瞬间，被重新引入腔体，导致不能够顺利喷射或效果极差。因此，我们要充分考虑脉冲持续时间（pulse width），它太短或太长，那么PZT的产生的声波、压力和运动就会不同步。如果油墨在压力增加的时候没有向正确的方向移动，那么就不会平稳地增加冲量，冲量可能会被抵消。这就像推秋千上的孩子一样。如果你在正确的时间推动秋千，动量就会增加，它们就会摆动得更高。如果你在错误的时间推他们，他们会猛烈地停下来。

声波震荡时间与脉冲时间比较

  声波持续时间因墨水的不同而不同。但通常情况下，一个声波持续的时间大约为100微秒，在设置新的波形时要充分考虑此条件，并进行优化。

共振情况

共振现象描述

  在一种打印频率下工作良好的波形在另一种频率下可能工作不好，这是很常见的。这一切都归结于墨水在腔内来回移动时脉冲的时间。随着频率的增加，由给定脉冲产生的声波和运动开始与前一个脉冲相互作用。在一定的频率下，这种是增强喷墨的共振，就像图中最上面的例子。当打印频率越高，下一个液滴和压力波出现时，前一个压力越有可能尚未衰减到零，造成喷墨不良的可能性也就越大。如果油墨仍在移动，先前的脉冲也可能会增加压力(更高的速度与润湿)。如果需要打印速度是灵活多变的，那就必须对墨滴在一定频率下的喷墨情况进行优化，以确保最终打印速度不落在发生共振的频率范围内。

  多重脉冲：在硬件设备允许的条件下，也可以使用多脉冲信号以实现更高效的喷墨打印。多脉冲的波形通常依赖于压力波中的第一或第二共振。这意味着当油墨向喷嘴移动时，第一个脉冲会增加油墨的压力。一些墨水会喷出来，其余的会从喷孔弹出去，回到腔体内。一旦墨水再次向喷嘴移动，第二个脉冲将增加其动量。脉冲应仔细调谐，因为这种二次增强，动量很大，能够极大的提高墨滴体积与喷墨效果。

多重脉冲描述

  多重脉冲的优点远不仅限于增大墨滴体积，在低粘度溶剂打印的过程中，溶剂会不由自主滴落。这种多重脉冲，可以有效控制低粘度溶剂在施加脉冲前（单一脉冲）的滴落问题。另外，多重脉冲可以改善在单一脉冲条件下，半月板形变的问题。这样可以允许用户去提高滴墨频率与打印速度。下图为一多重脉冲波形的专利描述，供大家发散思维。

     在使用微电子打印机测试新墨水时，实验者需要尝试多种波形。