基于石墨烯‑碳纳米管复合结构的热喷印头制造技术

本实用新型专利技术公开了一种基于石墨烯‑碳纳米管复合结构的热喷印头，采用ICP工艺以及PDMS填充深沟的表面平坦化工艺，在硅片衬底上制备主通道、喷墨腔室、进墨通道、喷嘴、喷墨通道；采用阳极键合工艺，以石墨烯碎片作为中间层，将玻璃基底和硅片衬底键合。主通道和喷墨腔室通过进墨通道连通，进墨通道深度小于喷墨腔室深度；喷嘴设置在喷墨腔室底部；碳纳米管‑石墨烯复合结构微气泡发生器阵列和碳纳米管温度传感器阵列制备在玻璃基底对应喷墨腔室的区域，且朝向喷墨腔室设置。该喷头进液关闭可靠、键合强度高、不易污染喷印腔室，制备时精度易于控制。

Thermal spraying composite structure of graphene carbon nanotubes based on printing head

The utility model discloses a thermal spraying composite structure of graphene carbon nanotubes based on the print head, flat surface using ICP technology and PDMS filled trench process, preparation of main channel, channel, into the ink chamber, ink jet nozzle, ink channel on silicon substrate; the anodic bonding process, with graphite graphene fragments as the middle layer, the glass substrate and silicon substrate bonding. The main channel of the chamber through the ink and ink-jet ink into the channel, channel depth is less than the ink chamber depth; the nozzle is arranged at the bottom of the chamber jet; regional carbon nanotube graphene composite structure of micro bubble generator and a temperature sensor array array of carbon nanotubes were prepared on glass substrate corresponding ink chamber, and the ink chamber is disposed toward. The inlet of the nozzle is closed reliably, the bonding strength is high, and the spray printing chamber is not easy to be polluted. The precision is easy to control when making the printing chamber.

【技术实现步骤摘要】
基于石墨烯-碳纳米管复合结构的热喷印头
本技术属于微机电系统热喷印
，更具体地，涉及一种基于石墨烯-碳纳米管复合结构的热喷印头。
技术介绍
喷印成像技术已经成为大幅面数字喷绘、数字照片打印、数字印刷、数字彩色打样以及家庭和办公室彩色输出系统首选的彩色硬拷贝技术，获得广泛的应用和巨大的商业成功。除了喷墨打印外，喷印技术还能够提供非接触的多种液体的微分配，有着非常广泛的应用，譬如：生物流体打印、制作液晶显示用彩色滤光片、数字化制作PCB、药物注射和燃料注入等等。它还有望为构建具有复杂功能的集成系统(如生物组织工程，大平面柔性平板器件等)提供一种自下而上、简单有效的实施方案。在可预见的未来，高可靠性、低制作成本以及高性能(高图形质量、高的频率响应以及高空间分辨率)的微喷印系统将得到密切关注并在商业领域和其它特殊领域得到广泛应用。现有的喷印技术中，气泡式喷印是基于微加热器的一种简易的喷印技术。微气泡发生器是热喷印系统的核心，目前大都采用基于传统金属材料的微加热器，功耗较大。金属碳纳米管(CNT)是一种优良的微波导体，理论上单壁的碳纳米管的导通频率可达THz，有报道实际达到GHz。产生喷印液体是喷印头最主要的功能。喷印头包括液体供给系统和喷射液体产生系统。液体供给系统保证按照一定压力(静压)向喷印头微腔室提供待喷印液体；而喷印液体产生系统实际上就是一种脉冲压力产生系统，即按照一定的工作频率(数字脉冲)在微腔室内产生一个脉冲压力(动压)，从而将待喷印液体从喷嘴挤压出去，形成喷印液滴。各种各样的驱动源中，热气泡喷印由于制作工艺简单，是最具应用前景的方法之一，它具有非常高的空间分辨率，高频率响应和低成本等优点。热气泡技术是利用制作在微腔室内的微型加热器，通过电脉冲控制，加热使液体温度升高，从而使加热器表面的液体气化产生气泡，用气泡长大产生的压力将液体从喷嘴挤压出去而形成喷射液滴。热气泡喷印器件结构简单，小型化容易，可以实现较高的喷嘴集成度，同时制作成本较低。专利ZL201010160465.5《基于双碳纳米管微气泡发生器的喷印头及其制备方法》公开了基于双碳纳米管微气泡发生器的喷印头及其制备方法。该方案有以下不足：(1)碳纳米管微气泡发生器采用金属电极，二者之间存在肖特基势垒，接触电阻较大。(2)微流体结构采用湿法腐蚀和干法刻蚀相结合的方法，不易控制加工精度。(3)进墨通道与喷印单元的腔室深度相同，在气泡阀关闭进液是存在关闭不牢的问题。(4)双微气泡发生器和微流体结构采用紫外固化键合方法，键合强度受到限制；而且紫外固化胶的涂覆容易污染喷印腔室。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本技术旨在提供一种进液关闭可靠、键合强度高、不易污染喷印腔室、易于加工的热印喷头。为实现上述目的，本技术提供了一种基于石墨烯-碳纳米管复合结构的热喷印头，包括：玻璃基底、硅片衬底、主通道、进墨通道、喷墨腔室、喷嘴、喷墨通道、碳纳米管-石墨烯复合结构微气泡发生器阵列、碳纳米管温度传感器阵列；主通道、进墨通道、喷墨腔室均为开设在硅片衬底上表面的腔体，主通道和喷墨腔室通过进墨通道连通，且进墨通道深度小于喷墨腔室深度；喷墨通道为设置在硅片衬底下表面的腔体，喷墨通道位于喷墨腔室背面；喷嘴设置在喷墨腔室底部，连接喷墨腔室和喷墨通道；碳纳米管-石墨烯复合结构微气泡发生器阵列和碳纳米管温度传感器阵列制备在玻璃基底对应喷墨腔室的区域，且朝向喷墨腔室设置；玻璃基底和硅片衬底无缝键合在一起。进一步地，单个石墨烯-碳纳米管复合结构微气泡发生器包括：设置在玻璃基底表面的一对第一石墨烯电极；连接一对第一石墨烯电极的第一碳纳米管；将第一碳纳米管两端固定在一对第一石墨烯电极和玻璃基底上的一对第一SiO2掩膜层。进一步地，单个碳纳米管温度传感器包括：设置在玻璃基底表面的一对金属电极或一对第二石墨烯电极；连接一对金属电极或一对第二石墨烯电极的第二碳纳米管；将第二碳纳米管两端固定在一对金属电极和玻璃基底上，或一对第二石墨烯电极和玻璃基底上的一对第二SiO2掩膜层。进一步地，玻璃基底和硅片衬底无缝键合的中间层为石墨烯碎片。与现有技术相比，本技术所具有的优点与效果如下：(1)碳纳米管微气泡发生器以石墨烯取代金属电极，石墨烯具有较高的电子迁移率，能带间隙为零，并且与碳纳米管具有相似的晶格结构，是碳纳米管的理想电极。石墨烯通过范德华力与碳纳米管直接接触，形成碳-碳接触，可以获得比金属薄膜电极更低的肖特基势垒，降低了微气泡发生器的接触电阻，从而降低了微气泡发生器的功耗。(2)引入了碳纳米管温度传感器，对喷墨腔室内的环境温度进行检测，可为微气泡发生器实现反馈控制提供依据。(3)进墨通道深度比喷印单元的腔室小，在气泡阀关闭进液时可完全关闭。由于微流体结构全部采用ICP工艺进行加工，同时采用了一种PDMS(聚二甲基硅氧烷)填充深沟的表面平坦化工艺，得到的微流体结构完整。(4)以石墨烯碎片作为中间层进行阳极键合，使得分别加工了微流体结构的硅片和微气泡发生器及传感器阵列的玻璃基底无缝键合。附图说明图1为本技术基于石墨烯-碳纳米管复合结构热喷印头的剖视示意图；图2为图1中玻璃基底上石墨烯-碳纳米管复合结构微气泡发生器以及碳纳米管温度传感器的示意图；图3为硅片衬底的立体剖视示意图；图4为硅片衬底的俯视图；图5为石墨烯-碳纳米管复合结构微气泡发生器的分解示意图；图6为图5的组装示意图；图7为碳纳米管温度传感器的分解示意图；图8为图7的组装示意图；图9为以石墨烯碎片做中间层的阳极键合方法示意图；图10(a)～10(d)为以石墨烯碎片做中间层的阳极键合方法的工艺流程示意图；图11(a)～11(d)为基于石墨烯-碳纳米管复合结构热喷印头的制备方法流程图，其中：图11(a)石墨烯-碳纳米管复合结构微气泡发生器以及基于金属电极碳纳米管温度传感器的制备流程图；图11(b)基于石墨烯-碳纳米管复合结构的微气泡发生器和温度传感器的制备流程图；图11(c)微流体结构的制备流程图；图11(d)以石墨烯碎片做中间层的阳极键合流程图。在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-玻璃基底，2-硅片衬底，3-主通道，4-进墨通道，5-喷墨腔室，6-喷嘴，7-碳纳米管-石墨烯复合结构微气泡发生器阵列，71-第一石墨烯电极，72-第一碳纳米管，73-第一SiO2掩膜层，8-碳纳米管温度传感器阵列，81-金属电极或第二石墨烯电极，82-第二碳纳米管，83-第二SiO2掩膜层，9-石墨烯碎片。具体实施方式为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。此外，下面所描述的本技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。本技术提供的基于石墨烯-碳纳米管复合结构的热喷印头包括微流体结构、石墨烯-碳纳米管复合结构微气泡发生器以及碳纳米管温度传感器；其中微流体结构是利用硅加工工艺制作在硅片上，由主通道3、喷墨腔室5、进墨通道4、喷嘴6、喷墨通道(未标号)构成。热喷印头的剖面结构如图1所示，包括：玻璃基底1、硅本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于石墨烯‑碳纳米管复合结构的热喷印头，其特征在于，包括：玻璃基底、硅片衬底、主通道，进墨通道、喷墨腔室、喷嘴、喷墨通道、碳纳米管‑石墨烯复合结构微气泡发生器阵列、碳纳米管温度传感器阵列；主通道、进墨通道、喷墨腔室均为开设在硅片衬底上表面的腔体，主通道和喷墨腔室通过进墨通道连通，且进墨通道深度小于喷墨腔室深度；喷墨通道为设置在硅片衬底下表面的腔体，喷墨通道位于喷墨腔室背面；喷嘴设置在喷墨腔室底部，连接喷墨腔室和喷墨通道；碳纳米管‑石墨烯复合结构微气泡发生器阵列和碳纳米管温度传感器阵列制备在玻璃基底对应喷墨腔室的区域，且朝向喷墨腔室设置；玻璃基底和硅片衬底无缝键合在一起。

【技术特征摘要】
1.一种基于石墨烯-碳纳米管复合结构的热喷印头，其特征在于，包括：玻璃基底、硅片衬底、主通道，进墨通道、喷墨腔室、喷嘴、喷墨通道、碳纳米管-石墨烯复合结构微气泡发生器阵列、碳纳米管温度传感器阵列；主通道、进墨通道、喷墨腔室均为开设在硅片衬底上表面的腔体，主通道和喷墨腔室通过进墨通道连通，且进墨通道深度小于喷墨腔室深度；喷墨通道为设置在硅片衬底下表面的腔体，喷墨通道位于喷墨腔室背面；喷嘴设置在喷墨腔室底部，连接喷墨腔室和喷墨通道；碳纳米管-石墨烯复合结构微气泡发生器阵列和碳纳米管温度传感器阵列制备在玻璃基底对应喷墨腔室的区域，且朝向喷墨腔室设置；玻璃基底和硅片衬底无缝键合在一起。2.如权利要求1所述的一种基于石墨烯-碳纳米管复合结构的热喷印头，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：周文利，朱宇，陈昌盛，向耘宏，蒋履辉，喻研，王耘波，高俊雄，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：新型
国别省市：湖北,42