CN101288864A - 基于压电桥式梁和柔性薄膜的液体喷头 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于微电子机械领域的一种基于压电桥式梁和柔性薄膜的液体喷头。其主要结构包括压电桥式梁、柔性薄膜、微槽道、微喷孔；在液体喷射结构外表面设置与微槽道相通的微喷孔，柔性薄膜覆盖于微槽道的顶部，含有压电薄膜层及其上、下电极的压电桥式梁在微槽道顶部柔性薄膜的外部放置，作为微槽道中液体喷射的驱动器。降低了对压电桥式梁表面绝缘介质层的性能要求。柔性的有机薄膜在压电桥式梁的驱动下能发生较大的形变；同时，防止微槽道中的液体通过桥式梁两侧的缝隙上下流动，能更有效地驱动更多液体从微喷孔中喷出，提高了液体喷射结构的工作效率和可靠性。
Description
技术领域
本发明属于微电子机械领域，特别涉及采用微加工方法实现的一种基于压电桥式梁和柔性薄膜的液体喷头。
背景技术
液体喷头及液体喷射装置典型应用于喷墨打印，图文记录、印刷和平面广告制作等方面，在微细图形实现等工业制造领域也有应用。采用压电原理制作的液体喷头，容易控制液滴大小，喷射速度，实现高精度的液滴喷射，喷头耐用性好。因此，压电工作方式是液体喷射装置采用的重要原理之一。另一方面，一般采用压电原理制作的液体喷射装置将液体喷头和储液盒设计为可分离式结构，更换液体或储液盒时不必更换喷头，以此来降低制造和使用成本。通常，液体喷射装置包括液体喷头、储液盒、控制电路模块、支撑架、外壳等部件。但是，液体喷头是整个液体喷射装置中最核心的部分。
精工爱普生株式会社公开了一种压电式喷头，在微槽道的上壁制作压电/弹性复合振动板，当向压电振动板上的压电元件施加电压时，振动板发生凸、凹形变，从而改变微槽道内的容积，使液体从与微槽道相通的微喷孔中喷射出去。采用这种方式的压电振动板硬度较大，使其形变所需驱动力很大；并且，振动板四周与微槽道壁相连，且受到约束。这两种原因，严重限制了对微槽道中液体驱动。而且，由于板四周边的约束作用，当振动板的面积越小时，板的形变就越小，微槽道内的体积变化就越小，喷射的出液量就越小。为了增加喷射出液量，需要增加微槽道的尺度。而在形成更高密度的液体喷头阵列时，微槽道的宽度却又受到限制。因此，这种喷头的驱动方式影响了液体喷出量，妨碍了进一步减少微槽道的尺寸和提高喷头的集成度。
已提出的压电悬臂梁式液体喷头克服了上述压电喷头存在的问题。它们采用压电悬臂梁作为液体喷射的驱动器。由于压电悬臂梁仅在梁的一侧固定支撑，其它部分为悬空可动，不受衬底的制约，因此，压电悬臂梁的变形量远远大于前述的四周固定的压电振动板，它能更有效的驱动更多液体从微喷孔中喷出。由于压电悬臂梁能在低电压下实现大的变形，因此，这种喷头可以在较低的电压下工作。或者，由于压电悬臂梁能实现较大的变形，这样就可以在保持射出液体量不变的情况下，减小驱动器的总体面积或微槽道的横向尺寸，从而实现具有更高密度喷孔阵列的液体喷头。
但是，在基于压电悬臂梁的液体喷头中，由于压电悬臂梁只有一端固定，另一端悬浮可动，这样，当悬臂梁较长时，悬臂梁结构比较脆弱，虽然可动端的驱动位移可以很大，但是驱动力减少。另一方面，一端浮动的悬臂梁结构也为喷头的可靠性和制造带来了困难，降低了使用寿命和制造成品率。
一种已提出的压电桥式梁液体喷头克服了上述压电悬臂梁式液体喷头存在的问题。由于压电桥式梁仅在梁的两端固定支撑，其中间部分不受衬底制约，因此，压电桥式梁的变形量远远大于四周固定的压电振动板，它能更有效的驱动更多液体从微喷孔中喷出。另一方面，由于压电桥式梁在梁的两端固定支撑，因此，避免了压电悬臂梁结构中，仅一端固定支撑，而另一端悬浮可动所引起的结构脆弱、驱动力相对较小、可靠性低、制造困难等问题。因此，基于压电桥式梁的液体喷头同时克服了基于四周固定的压电振动板式液体喷头和基于压电悬臂梁式液体喷头的缺点。它既保证了喷头工作可靠，又兼顾了喷头的工作效率，也降低了制造难度。
但是，在这种已提出的压电桥式梁液体喷头中，压电桥式梁在微槽道的上部或中间直接驱动微槽道中的液体，压电桥式梁直接与液体相接触。这要求压电桥式梁上的电极及连接线必须覆盖良好的绝缘介质层，并长期保持其绝缘性能，以防止漏电。同时，由于压电桥式梁两侧存在缝隙，微槽道中的液体会在压电桥式梁动作时，通过桥式梁两侧的缝隙上下流动，减小了液体驱动的强度。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于压电桥式梁和柔性薄膜的液体喷头。主要结构包括压电桥式梁、柔性薄膜、微槽道、微喷孔；其特征在于，在喷头外表面设置与微槽道相通的微喷孔，柔性薄膜覆盖于微槽道的顶部；含有压电薄膜层及其上、下电极的压电桥式梁在微槽道顶部柔性薄膜的外部放置，作为微槽道中液体喷射的驱动器；上述与微槽道相通的微喷孔、微槽道、微槽道顶部的柔性薄膜、压电桥式梁相结合构成液体喷射结构；在电压的驱动下，压电桥式梁发生形变，驱动微槽道顶部的柔性薄膜发生形变，从而改变微槽道的体积，将微槽道中的液体从与微槽道相通的微喷孔中喷出。
所述压电桥式梁的两端与衬底相连，作为桥式梁的固定支撑端，压电桥式梁中间部分的两侧不与衬底相连，形成桥式结构。
所述压电桥式梁为包含压电层和非压电层的多层复合结构，其中至少包含一层压电层及其上、下电极层。
所述压电桥式梁中的各层覆盖整个桥式梁，或部分地分布于桥式梁上。
所述柔性薄膜为有机薄膜材料，或掺入添加剂的有机薄膜材料。
所述压电桥式梁在微槽道顶部柔性薄膜的外部与柔性薄膜外表面直接相接触或不接触，或通过粘接的方式与柔性薄膜外表面相接。
所述压电桥式梁在每个微槽道顶部柔性薄膜的外部至少放置一个，驱动同一个微槽道中的液体从与之相通的微喷孔中喷出。
所述基于压电桥式梁和柔性薄膜的液体喷头中，包含至少一组与微槽道相通的微喷孔、微槽道、微槽道顶部的柔性薄膜、压电桥式梁，构成基于压电桥式梁和柔性薄膜的阵列式液体喷射结构。
本发明的有益效果是，与已提出的压电桥式梁液体喷头相比，由于本发明中的压电桥式梁在微槽道顶部柔性薄膜的外部，并不与微槽道中的液体接触，这就大大降低了对桥式梁表面绝缘介质层的性能要求。而且，由于柔性的有机薄膜具有良好的柔性，它在压电桥式梁的驱动下能发生较大的形变；同时，由于柔性薄膜在微槽道顶的密封作用，防止微槽道中的液体通过压电桥式梁两侧的缝隙上下流动，能更有效地驱动更多液体从微喷孔中喷出，提高了液体喷头的工作效率和可靠性。
附图说明
图1为液体喷头的第一种结构示意图。
图2为图1的组装示意图。
图3为液体喷头的第二种结构示意图。
图4为图3的组装示意图。
图5压电桥式梁剖面结构示意图。
具体实施方式
本发明提出的基于压电桥式梁和柔性薄膜的液体喷头有多种实现方式。图1和图3分别示例了其中两种可能的实现方式。它们的共同特征都是在喷头外表面设置与微槽道相通的微喷孔，柔性薄膜为微槽道的封顶材料，覆盖于微槽道的顶部，含有压电薄膜层及其上、下电极的压电桥式梁在微槽道顶部柔性薄膜的外部放置，作为微槽道中液体喷射的驱动器；上述与微槽道相通的微喷孔、微槽道、微槽道顶部的柔性薄膜、压电桥式梁相结合构成液体喷射结构；在电压的驱动下，压电桥式梁发生形变，驱动微槽道顶部的柔性薄膜发生形变，从而改变微槽道的体积，将微槽道中的液体从与微槽道相通的微喷孔中喷出。
在图1所示的第一种结构示意图中，由喷孔板100、衬底200、柔性薄膜300和上衬底400组成。在喷孔板100上设置一排与衬底200上微槽道220对应的微喷孔110；在衬底200上的微槽道220的旁边设置储液室230；微槽道220与储液室230之间通过微槽240相连通；柔性薄膜300覆盖于衬底200上表面，成为衬底200上的微槽道220的封顶材料，并在柔性薄膜300上与衬底200上的储液室230相对应处设置开口330，储液室230通过开口330进一步与上衬底400上的上储液室430相通，合并在一起，成为一个大的储液室；压电桥式梁410位于上衬底400上的释放槽420的底部，并且，上衬底400上的每个压电桥式梁410在衬底200上的每个微槽道220的上方，并相互对应。喷孔板100、衬底200、柔性薄膜300和上衬底400依次叠合在一起组成基于压电桥式梁和柔性薄膜的液体喷头(如图2所示)。
所述压电桥式梁410两端固定在释放槽420壁上，形成桥式结构(如图2所示)。
所述压电桥式梁410上包含压电层412及其上电极层413、下电极层411，在压电桥式梁的表面可以覆盖绝缘介质层414。该压电桥式梁410还可以为由多层压电层和多层非压电层构成的压电桥式梁，或是以包含两层或两层以上极化方向相同或相反的压电层的形式构成的压电桥式梁。
喷孔板100可以采用金属材料、有机材料、单晶硅、陶瓷等材料制作。采用激光钻孔、超声钻孔、腐蚀等方法可形成微喷孔110及其阵列。
衬底200可以采用单晶硅材料。在其上制作微槽道阵列220、储液室230及微槽道220与储液室230之间相连的微槽240。采用双面抛光硅片，双面热氧化后淀积氮化硅层，背面光刻出结构窗口，刻蚀掉窗口中氮化硅，漂去露出的热氧化层。利用KOH、TMAH等各向异性腐蚀技术进行体硅腐蚀，或采用ICP(电感耦合等离子体)进行干法刻蚀，形成微槽道220和储液室230，及它们之间相连的微槽240。然后，去除微槽道220和储液室230部分的氧化硅层和氮化硅层，构成穿通结构。另外，衬底200的材料也可以采用金属、二氧化硅、陶瓷等材料，采用其它刻蚀工艺技术制作出上述微结构。
柔性薄膜300为有机薄膜材料，或掺入添加剂的有机薄膜材料，如聚苯硫醚(PPS)薄膜等。柔性薄膜300应具有较薄的厚度、良好的柔性。在柔性薄膜300上与衬底200中储液室230相对应的部位，采用激光刻蚀、冲压、腐蚀等方法制作开口330。
上衬底400可以采用单晶硅材料。在其上制作压电桥式梁410和上储液室430。采用双面抛光硅片，双面热氧化后淀积氮化硅层，背面光刻出结构窗口，刻蚀掉窗口中氮化硅，漂去露出的热氧化层。刻蚀去除正面的全部氮化硅层，以原有的氧化硅层或重新生长适当厚度的热氧化硅层作为压电桥式梁的底层材料和缓冲层415(如图5所示)。接着，在正面进行PZT(锆钛酸铅)复合多层薄膜的制作工艺。依次淀积下电极层、压电薄膜、上电极层，并采用物理或化学刻蚀工艺，依次刻蚀出上电极413、压电薄膜412、下电极411，最后淀积绝缘介质膜414(如图5所示)，再采用物理或化学刻蚀工艺刻蚀露出上、下电极，作为电极的引出线连接端。然后，在正面进行光刻并刻蚀出桥式梁形状。随后，保护正面，利用KOH、TMAH等各向异性腐蚀技术进行体硅腐蚀，或采用ICP(电感耦合等离子体)进行干法刻蚀，形成释放槽420和上储液室430，并释放桥式梁结构，形成压电桥式梁410。在对桥式梁背面材料进行腐蚀时可以按照图2所示，在每个桥式梁背面腐蚀出对应的释放槽420，也可以将各个桥式梁背面的释放槽合并为一个大的释放槽。压电桥式梁制作完成后，将上衬底400翻转过来与衬底200对准，按照图2所示的方式进行组装。在本实施方式中，下电极411可由钛/铂复合层或铂或铱构成；压电薄膜412由PZT层或掺杂后的PZT层构成，或为PbTiO3等压电种子层与上述PZT层的复合层；上电极413可由钛/铂复合层或铂或铱构成。另外，上衬底400的材料也可以采用金属、二氧化硅、陶瓷等材料。
最后，将喷孔板100、衬底200、柔性薄膜300和上衬底400通过键合或粘接的方式组合到一起，形成液体喷头。
所述基于压电桥式梁和柔性薄膜的液体喷头中，包含至少一组与微槽道相通的微喷孔、微槽道、微槽道顶部的柔性薄膜、压电桥式梁，构成基于压电桥式梁和柔性薄膜的阵列式液体喷射结构。如图1和图3所示都可以视为具有阵列式液体喷射结构的液体喷头结构示意图。
在图3所示的液体喷头的第二种结构示意图中，液体喷头的喷孔板100、衬底200和柔性薄膜300部分与图1所示相同。与第一种结构不同的是，上衬底400上无释放槽420，并将上衬底400上的上储液室430变为与柔性薄膜300上开口330相对应的开口440；同时，上衬底400上的压电桥式梁410在衬底200上方直接与相对应的微槽道220对准，上衬底400不经过翻转就可以与喷孔板100、衬底200和柔性薄膜300组合在一起，如图4所示。采用腐蚀或磨抛减薄方法能够实现上述结构，也可采用金属材料作为上衬底400的材料，在金属衬底上淀积下电极、压电层、上电极等各功能层，再刻蚀或冲压出压电桥式梁410及开口440等结构。
上述实施例中的压电桥式梁410的剖面结构如图5所示，它由二氧化硅层415、下电极411、压电层412、上电极413、表面绝缘介质层414复合而成。除此实现方式之外，压电桥式梁中二氧化硅层的下面也可保留一定厚度的单晶硅层，与其它层一起构成桥式梁。
在本发明的其它实现方式中，也可将与每个微槽道相对应的压电桥式梁设计为不同的形式，对应于每个被驱动的微槽道的压电桥式梁的个数至少一个，其固定支撑端也可位于不同的位置。例如，在液体喷头各层衬底部件组装好后，压电桥式梁的方向与被驱动的微槽道长度方向可以平行，也可以与微槽道长度方向垂直，等等。
上述液体喷头进一步与驱动电路、储液盒、支撑架、外壳、连接线等相结合可构成完整的液体喷射装置或集成化的液体喷头。
本发明的液体喷头在喷墨打印，图文记录、印刷和平面广告制作等方面，以及具有微细图形实现的工业制造等领域有十分广泛的应用。
Claims (8)
1.一种基于压电桥式梁和柔性薄膜的液体喷头，主要结构包括压电桥式梁、柔性薄膜、微槽道、微喷孔；其特征在于，在喷头外表面设置与微槽道相通的微喷孔，柔性薄膜覆盖于微槽道的顶部；含有压电薄膜层及其上、下电极的压电桥式梁在微槽道顶部柔性薄膜的外部放置，作为微槽道中液体喷射的驱动器；上述与微槽道相通的微喷孔、微槽道、微槽道顶部的柔性薄膜、压电桥式梁相结合构成液体喷射结构；在电压的驱动下，压电桥式梁发生形变，驱动微槽道顶部的柔性薄膜发生形变，从而改变微槽道的体积，将微槽道中的液体从与微槽道相通的微喷孔中喷出。
2.根据权利要求1所述基于压电桥式梁和柔性薄膜的液体喷头，其特征在于：所述压电桥式梁的两端与衬底相连，作为桥式梁的固定支撑端，压电桥式梁中间部分的两侧不与衬底相连，形成桥式结构。
3.根据权利要求1所述基于压电桥式梁和柔性薄膜的液体喷头，其特征在于：所述压电桥式梁为包含压电层和非压电层的多层复合结构，其中至少包含一层压电层及其上、下电极层。
4.根据权利要求1所述基于压电桥式梁和柔性薄膜的液体喷头，其特征在于：所述压电桥式梁中的各层覆盖整个桥式梁，或部分地分布于桥式梁上。
5.根据权利要求1所述基于压电桥式梁和柔性薄膜的液体喷头，其特征在于：所述柔性薄膜为有机薄膜材料，或掺入添加剂的有机薄膜材料。
6.根据权利要求1所述基于压电桥式梁和柔性薄膜的液体喷头，其特征在于：所述压电桥式梁在微槽道顶部柔性薄膜的外部与柔性薄膜外表面直接相接触或不接触，或通过粘接的方式与柔性薄膜外表面相接。
7.根据权利要求1所述基于压电桥式梁和柔性薄膜的液体喷头，其特征在于：所述压电桥式梁在每个微槽道顶部柔性薄膜的外部至少放置一个，驱动同一个微槽道中的液体从与之相通的微喷孔中喷出。
8.根据权利要求1所述基于压电桥式梁和柔性薄膜的液体喷头，其特征在于：所述基于压电桥式梁和柔性薄膜的液体喷头中，包含至少一组与微槽道相通的微喷孔、微槽道、微槽道顶部的柔性薄膜、压电桥式梁，构成基于压电桥式梁和柔性薄膜的阵列式液体喷射结构。
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