过去的十年内工业压电喷墨技术已经取得重大的进展，从工业商标标签到宽幅图象的喷印制作应用，喷墨技术成为一种优先的技术选择。

作为压电打印头技术以及相关部件的领先开发者和制造商，FUJIFILM Dimatix 在发展工业压电喷墨技术，开发数字宽幅图象，编码和商标标签以及邮政打印应用方面扮演着一个重要的角色。全世界已经有好几代按需喷墨打印头应用在高性能非接触图象印刷和精密喷镀设备中。但是我们及其他人早先的技术进步中几乎没有哪个可以与使用硅材料 MEMS 工艺技术，在小墨滴量和高分辨率应用条件下，在生产力、可靠性、 品质和效率方面能与之媲美的。

与传统喷墨打印头制造方法不同，FUJIFILM Dimatix 的新型 Spectra® M 系列打印头的喷头模块是被制造在硅片上的，与集成电路（IC），与电脑芯片的制造方法很相似。

这个硅微机电系统 (MEMS) 的制造方法生产出具有高性能和多功能特性的，并且是按要求喷墨的压电打印头，这种压电打印头技术胜过当今其他任何打印头技术。这种制造技术和产品给打印系统制造商带来新的机会，并向终端用户提供在打印头操作和产品设计方面无与伦比的灵活性。

精确喷墨的必要性

打印头属于精密部件，而且是越精密越好。对于印刷商来说，没有什么比用户或消费者拿到精美但是有缺陷的印刷品更令人不愉快的事情了，而这种印刷品上的漏墨缺憾可能是由于喷头的喷嘴堵塞造成的，参差不齐的线条则可能是由于喷嘴板磨损造成的，这些喷头的故障造成喷墨断虚和紊乱而导致条带不均匀和图像模糊。不管是什么样的原因，任何不稳定的喷墨都会造成视觉上可见的输出缺陷。比较而言，精密喷印的输出结果给人带来视觉上的舒适愉快。

这些比针头还小的微小墨滴以多快的速度，多少的数量和多直的路径喷射就决定了展示在建筑物表面上或 POP展示中的图文图像的质量效果是精美绝伦、过得去还是不怎么样。

硅材料MEMS 工艺 – 精密的微型封装

MEMS 工艺描述了一系列由集成电路工业用来 “蚀刻” 和组装 IC 大小的机械结构（即微机械）时所研发衍生出来的新方法，这些新方法应用于在执行高度专门化任务时的微电流场合。

MEMS 工艺打印头的首选材料是硅。除了有出色的压电特性外，硅还是一种具有极好的抗机械磨耗、耐高温以及抗化学腐蚀的理想材料。这预示着硅可用于众多工业高速度、高分辨率、多遍 (扫描) 喷绘及单遍喷印应用中。

硅材料 MEMS 制造工艺是在亚微米尺度，即通常只有一米的百万分之一，大约只是人类头发平均直径的十分之一。极小几何尺度的机械结构使用硅材料 MEMS 技术制造出的喷墨打印头具有坚固耐用、耐化学腐蚀和高度可靠的特性。

相同的精密制造控制和由此得到的单片微电子结构构件使得硅材料 MEMS 打印头能够喷射尺寸不断减小的液滴，这些微小的液滴正是以喷嘴到喷嘴间的高度均匀性实现了高分辨率的要求。随着对提高喷墨精度以及喷墨的均匀性以便改善喷绘品质的要求不断提高, 在喷印和图象打印市场，尺寸不断减小的液滴成为主要的市场驱动因素。

所有这些硅 MEMS 工艺的内在优点都将融进喷墨打印头的设计之中，以突破传统共享腔壁设计的限制。

克服设计的局限性

除了能够提供极佳的几何结构统一性、保证薄而一致的膜以外，理想的喷墨设计将致力于两个关键性的结构目标。首先，设计把压电 PZT 晶体从通常遭受喷射液腐蚀的通道中移走，因而去掉了天生存在于共享腔壁设计中的机械干扰源。第二，可以根据具体打印应用的要求设计喷墨结构的尺寸。大多数 MEMS 工艺器件只具有 1 毫米的线度。FUJIFILM Dimatix 将以 0.1毫米的线度制造喷头，这就要求在二维尺度范围内做到比以往更精确的控制。

图 1

图中：Cover：覆盖层；Electrodes：电极；Shared-Wall：共享腔壁

一些压电切变模式喷墨设计中采用共享腔壁, 即相邻喷嘴共享一个 PZT 激励机构。为了补偿天生存在于共享腔壁设计中的机械干扰，机械制造商在任何给定的激励喷射循环周期中每三个喷嘴中只能有一个喷嘴喷射工作（见图），即只能实现理论输出性能的三分之一。

定型压电硅材料™ MEMS 的重要工艺创新

这些设计目标引导 FUJIFILM Dimatix 的工程师们开发出突破性的定型压电硅材料™工艺技术。制造过程中将不再把 PZT 晶体放在两个喷嘴之间，FUJIFILM Dimatix 的定型压电硅材料工艺技术是把 PZT 晶体集成进硅薄膜中，然后放在墨水通道上面与之紧密接触构成流体泵腔室。这种制造方法使得每一个喷嘴真正成为一个独立的硅单片结构模块。(见图 2)

 

图 2

图中：Pumping Chamber： 流体泵腔室；Silicon and PZT Diaphragm：硅材料和 PZT 振动膜；Acoustic Terminator：声学终端（用于过滤与阻抗匹配）；Body：喷嘴模块；Descender：出液通道；Nozzle：喷嘴。

应用定型压电硅材料工艺技术设计出高效能高谐振频率的喷嘴，在这种喷嘴中喷射液与 PZT 晶体是不接触的。在新设计的硅喷嘴中，定型压电硅材料硅工艺技术去掉了一个主要影响喷墨精度与喷液（墨）均匀性的障碍。精确控制喷嘴的形状和在硅模中的绝对位置允许在喷射距离较远的情况下获得较高的液（墨）滴落点精确度。坚固耐用的硅材料结构使得喷头本身获得连续可靠的操作和长使用寿命。

定型压电硅材料的多个优点：

尺寸紧凑 – 把 PZT 晶体放在每一个墨水通道上面使得所有喷嘴同时激励的时候彼此之间几乎没有影响，因此不需要三倍的通道就能获得同样的输出结果。这对喷头结构 （见图 4）的尺寸和质量有意义深远的影响，与共享腔壁模式相比，它使喷头变得更小，可以更快的速度操作，更加可靠以及获得更高的效率。

高速度 – 采用每一个喷嘴拥有一个 PZT 晶体的工艺也提高了硅材料MEMS 工艺器件的内在高频压电响应，以满足高速喷印所要求的更高点火频率，加大喷墨量。

液滴落点精确 – 全部喷嘴喷射的均匀一致性也提高了输出分辨率，允许精确制造的定型压电硅材料打印头以高速喷印的同时，获得精确的液（墨）滴落点以喷印出高品质图文图像。

多功能性 – M 系列打印头和喷头模块支持多种液体，包括 UV 固化墨，有机溶剂和水性墨水，有很宽广的应用领域。这使得新型 VersaDrop 技术成为可能，这种技术提供比传统灰度方法更优越的多种功能以调节变换液滴的大小。

打印头可靠性 – 与其他打印头设计相比，结实耐用的单个硅材料结构和更加紧凑的设计，使得打印头本身具有高度的操作可靠性和较长的使用寿命。

设计灵活性 – 无论是为了适应未来的市场需求还是工程技术上的要求，原始液滴大小或其他喷印特性都可以很容易地通过调整照相平板掩模加以改变，照相平板掩模是用来定义临界喷射尺度的。定型压电硅材料已经通过 10 皮升液滴到 1 皮升以下液滴的喷墨模块的商业应用显示出了它的多功能通用特性。

成本优势 – 在增加喷嘴数量的同时，能够以每单位喷嘴较低的成本驱动打印头将开辟众多新的应用领域。今天定型压电硅材料可为成本效益和高性能解决方案提供重要的经济尺度，其结果是有利于打开新的应用领域。

 

 

定型压电硅材料 MEMS 工艺的应用对喷头结构尺寸和体积有重要的影响，比较一个304 通道 FUJIFILM Dimatix Spectra M-300-10 硅冲模与所附驱动器 ASIC，和Galaxy，一个 256 通道，30 皮升的喷头，就可以看出尺寸上的差别。这两个喷头功能近似，墨水喷射率也相近

集成化 Spectra® M 系列打印头

每一个 FUJIFILM Dimatix Spectra® M 系列产品家族中的打印头都是采用本公司的定型压电硅材料 MEMS 工艺技术制造。在单个具有亚微米精度的结构上，定型压电硅材料方法把硅材料 MEMS 工艺技术的精确度和特性与按要求喷墨压电微流泵结合起来。

M-300/10 喷头模块

FUJIFILM Dimatix Spectra® M-300/10 喷头模块具有 304 个喷嘴，以每英寸 180 个喷嘴的密度精确地排列在一条喷嘴直线上，液滴具有额定 10 皮升容积。喷射液体的粘度值在 10 到 14 厘泊条件下，喷射速度大约为 8 米/秒，使用驱动电压小于 30 伏特。重要的是，M-300/10 的操作温度可以达到 70ºC，在此温度范围下以理想直线性和极好的均匀性喷射完美的液滴。这些特性与定型压电硅材料 MEMS 制造工艺拥有的内在高频率特性一起，使得 M-300 喷头在拥有紧凑结构的同时又具有很高的生产能力。

除了一个终端过滤器之外，采用硅材料加工工艺也允许每一个通道拥有一个内置声学进墨口过滤器用于过滤与阻抗匹配 (见图 2)。组件外精确的定位点可以在几个微米的精确度内绝对定位喷嘴位置。墨水进口声学终端可减小严重污染的危险性，而精确校准的特征有助于现场更换喷头模块。

M-300/10 喷头模块也具有双墨水端口的特色，这使冲洗、快速转换墨水的颜色、以及墨水的再循环变得简便容易。喷头包括一个加热器和一个热敏电阻温度传感器，以便在喷印的同时保持对墨水的粘度进行精确度的控制。常规驱动器 ASIC 具有两级缓存，允许高速数据传输以支持喷头模块的高频响应和灰度操作。

M 系列六模块打印头

总起来说，这些特性使得打印头系统与众不同。FUJIFILM Dimatix M 系列六模块打印头是一个 6 色打印单元，六个 M-300/10 喷头模块一起提供高精度180-dpi 喷印，显著地减小了尺寸和质量，方便扫描打印应用。M 系列六打印头提供把墨盒、加热器、墨水平面传感器和一个可编程驱动放大器集成进一个打印头单元的功能，同时具有精确校准喷嘴模块的能力。

VersaDrop™ – 在提高速度的同时创造出灰度

对所有喷嘴形状的精密控制以及对绝对液滴落点的精密控制，连同高频定型压电硅材料 MEMS 工艺设计一起，使得 M 系列打印头能够喷射高精度、大小可变的液滴，并且不会影响设备的打印输出能力。

FUJIFILM Dimatix 的专利新型 VersaDrop™技术充分利用 Dimatix MEMS 工艺喷墨设计的内在高频率响应特性，提供灵活和多种打印头操作功能。

VersaDrop 喷墨技术的定义特性是变幅波压电元件的非谐振激励。精确计量的墨水在墨滴离开喷嘴之前被泵入单个墨滴。这种能力可以被用来产生可变尺寸液滴，并且适应多种多样喷射液的特性，而不必以牺牲喷射生产率为代价。

除此之外，精确调整单个墨滴大小和形状以及精确控制墨滴落点的能力，使得新型 VersaDrop 喷墨技术具有产生平滑流畅色调的变化和极端精细喷印的能力。与灰度方法相比，它以高速产生单个液滴的形式调整液滴的大小，而不是以明显较慢的速度产生一束液滴。

采用这种新型可变液滴喷射技术的产品可以选择使用单个 M-300/10 喷头模快或整个 M 系列头阵列。

VersaDrop 喷墨技术为创新系统制造商在设计和生产打印产品方面提供前所未有的多功能性，而不必在打印速度与打印质量之间作出折衷的选择。

实地应用验证

同样的硅材料 MEMS 工艺技术，以及为了喷印应用而用来生产 M 系列模块的专有定型压电硅材料制造技术，已经在 FUJIFILM Dimatix 材料模块 (DMC) 产品上进行了实地应用验证，这些材料模块产品常规用于喷镀(材料沉积material deposition)应用。

FUJIFILM Dimatix 已经给客户提供了数千个 DMC 10 皮升液滴和新型DMC 1 皮升液滴模块用于客户端超过 150 台Dimatix 材料打印机 (DMP)。

打印领域非常广泛：从使用液体银和有机 “墨”等液体在柔性材质、平板、柔性显示器、以及可打印电路上喷印皮升级别大小的液滴，在生物科学领域的打印，以及形形色色其他领域--如使用UV 墨、水墨、溶剂型墨和许许多多别的墨喷印在纸张、乙烯基和几乎任何可以用来喷印的材质上等。

关于 FUJIFILM Dimatix

FUJIFILM Dimatix 公司，FUJIFILM 公司拥有的全资子公司，正在微成型制造工艺技术领域推动一项革命性的变革，这项微成型制造工艺技术将在像、电子和生物科学领域带来新一代应用。通过公司产品的开发应用 ——实际上已使工业压电喷墨技术在数字宽幅图像、编码和商标标签以及邮政应用方面成为主流技术 ——使得 FUJIFILM Dimatix公司成为高性能喷墨打印头以及相关部件的领先开发者和制造商，这些高性能喷墨打印头以及相关部件广泛用于工业，非接触成像领域。FUJIFILM Dimatix 公司的喷镀产品正在将喷墨技术发展成为一种新型生产工艺，这种生产工艺能够在生产电子线路时降低成本，节约时间以及保护环境， 可以在 RFID 电子标签，平板显示器，电路板和其他电子和生命科学应用方面发挥巨大的作用。公司已经有好几代按要求喷墨打印头应用在世界许多高性能非接触成像和精密喷镀设备中。