CN102632713B - 喷墨头和图像形成装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种喷墨头，其包括具有液滴排出孔的独立液体腔；振动板；在振动板上通过层压下电极、压电材料和上电极而形成的压电元件，其中下电极是公共电极，并且上电极是独立电极；公共电极布线连接至下电极；并且独立电极布线连接至相对应的压电元件的上电极，其中驱动信号被单独输入相对应的独立电极布线。喷墨头进一步包括上层绝缘膜；中间层绝缘膜；以及下层绝缘膜。中间层绝缘膜和上层绝缘膜具有用于露出压电元件的开口。
Description
技术领域
本发明的实施例涉及一种使用压电元件的喷墨头，以及一种使用喷墨头的图像形成装置。
背景技术
作为使用压电元件增加喷墨头密度的技术，使用微机电系统(MEMS)的技术已经被公开，例如，如同在专利文件1(日本未审公开申请说明书No.2011-000714)中所示的。也就是说，通过使用半导体装置生产技术来形成更微型的激励器和流体通道，使得喷墨头中的喷嘴密度能够得到提高。因此，喷墨头可以尺寸减小，并且喷墨头更高程度的集成能够被实现。
发明内容
在一方面，提供了一种喷墨头，其具有多个形成有隔断壁的独立液体腔，每个独立液体腔都具有液滴排出孔；振动板，其连接至多个独立液体腔的表面，多个独立液体腔的表面不同于提供有液滴排出孔的表面；多个压电元件，其设置在振动板上对应于多个独立液体腔的位置，每一个压电元件通过在振动板上将下电极、压电材料和上电极按顺序层压而形成，其中下电极是公共电极，并且上电极是独立电极；布线连接至下电极的公共电极；以及独立电极布线，其独立地且传导地连接至多个压电元件中相对应的上电极，其中驱动信号被单独输入相对应的独立电极布线。喷墨头进一步包括上层绝缘膜，其至少涂布于公共电极布线和独立电极布线的表面；中间层绝缘膜，其至少提供于独立电极布线和下电极之间，位于独立电极布线和下电极重叠的区域，中间层绝缘膜是上层绝缘膜的下层；以及下层绝缘膜，其至少涂布于压电元件的表面，下层绝缘膜是中间层绝缘膜的下层。中间层绝缘膜和上层绝缘膜具有用于露出压电元件的开口。
在另一方面，提供了一种图像形成装置，其具有喷墨头，该喷墨头具有多个形成有隔断壁的独立液体腔，每个独立液体腔都具有液滴排出孔；振动板，其连接至多个独立液体腔的表面，多个独立液体腔的表面不同于提供有液滴排出孔的表面；多个压电元件，其设置在振动板上对应于多个独立液体腔的位置，每一个压电元件通过在振动板上将下电极、压电材料和上电极按顺序层压而形成，其中下电极是公共电极，并且上电极是独立电极；连接至下电极的公共电极布线；以及独立电极布线，其独立地且传导地连接至多个压电元件中相对应的上电极，其中驱动信号被单独输入相对应的独立电极布线。喷墨头进一步包括上层绝缘膜，其至少涂布于公共电极布线和独立电极布线的表面；中间层绝缘膜，其提供于独立电极布线和下电极之间，至少位于独立电极布线和下电极重叠的区域，中间层绝缘膜是上层绝缘膜的下层；以及下层绝缘膜，其至少涂布于压电元件的表面，下层绝缘膜是中间层绝缘膜的下层。中间层绝缘膜和上层绝缘膜具有用于露出压电元件的开口。
根据实施例，喷墨头包括上层绝缘膜，其至少涂布于独立电极布线的表面；中间层绝缘膜，其提供于独立电极布线和下电极之间，至少位于独立电极布线和下电极重叠的区域，中间层绝缘膜是上层绝缘膜的下层；以及下层绝缘膜，其至少涂布于压电元件的表面，下层绝缘膜是中间层绝缘膜的下层。此外，中间层绝缘膜和上层绝缘膜具有用于露出压电元件的开口。因此，由在喷墨头的制造过程半导体处理中的等离子体或者由装置使用环境中空气中的湿气所导致的压电材料的恶化能够被避免，并且压电元件充分的形变量可以被保证。此外，由于对诸如独立电极的布线没有限制，因此可以实现更高的集成度。
根据实施例，图像形成装置包括喷墨头。由于图像形成装置通过喷墨头的液滴排出孔稳定地排出墨滴，因此能够稳定地形成高质量的图像。此外，图像形成过程中的失败率减少，并且实现了成本的降低。
当结合附图来阅读时，本发明其它的目的、特征和优点将通过下文中详细的描述变得更加明显。
附图说明
图1是示出根据一个实施例的喷墨头的结构的透视图；
图2是沿宽度方向示出根据该实施例的喷墨头的结构的剖视图；
图3是沿纵向示出图2中的喷墨头的结构的剖视图；
图4是沿纵向示出图2中的喷墨头的结构的剖视图；
图5是沿宽度方向示出根据该实施例的喷墨头的结构的剖视图；
图6是示出利用根据实施例的喷墨头的液体盒的外部视图；
图7是喷墨记录装置的外部视图，所述喷墨记录装置是根据该实施例图像形成装置；以及
图8是示出喷墨记录装置的机械部分的结构的剖视图。
具体实施方式
对于采用了MEMS技术的喷墨头而言，可以通过在利用薄膜技术形成的振动板上形成压电元件的方式制造激励器。在此，压电元件由照相平板式构图电极(photolithographically patterning electrodes)和形成在振动板上的压电材料制造。电极和压电材料通过薄膜技术形成在振动板上。在这种情况下，为了应用半导体处理技术来形成压电元件的图形，压电材料的厚度上限为数个微米(μm)。此外，使用等离子体的工艺过程，例如等离子体CVD技术或者干蚀刻，被普遍用于电极(其包含在压电元件中)、电极布线(其可能是该器件所需求的)和绝缘膜的形成或蚀刻。当压电元件暴露于等离子体中时，由于例如在处理期间所生成的氢气的还原效应(reduction effect)，导致压电材料被还原(reduced)。此外，众所周知的是除了上述等离子体的工艺过程外，空气中的湿气也会使压电元件的特性恶化。
作为应对上述问题的对策，专利文件2(日本未审公开申请No.2010-042683)和专利文件3(日本专利No.4371209)公开了用于使用保护膜覆盖压电元件的一部分或整个表面的技术。专利文件2公开了当压电元件被无机非晶形材料所覆盖时，湿气被防止进入压电元件，并且压电材料的可靠性能够得到提高。此外，当将在无机非晶形材料上形成的铅电极从上电极处穿过接触孔延伸并且连接至驱动电路时，如果铅电极被绝缘膜(其不同于无机非晶形材料)所覆盖时，那么易于被腐蚀的电极材料(例如Al)能够被用作布线用的廉价材料。此外，当铅电极在无机非晶形材料上方延伸时，铅电极能够与下电极(公共电极)相重叠。然而，由于无机非晶形材料覆盖了包括压电元件在内的整个图形区域，那么如果无机非晶形材料形成为厚膜，无机非晶形材料将显著地防止压电元件的形变。因此，排出性能将严重降低。从另一方面讲，当无机非晶形材料形成为薄膜，以保证压电元件特定量的形变时，铅电极和下电极之间的电阻会不够充足。结果，电极被设置成使得铅电极与下电极不重叠。因此，存在喷墨头难以减小尺寸和更高集成化的问题。由于芯片的数量影响制造成本，因此对于利用半导体工艺制造的装置而言，元件的高集成化，即从一块晶片上能够切割出来的芯片数量，是重要的因素。
此外，专利文件3公开了一项技术，以使得作为形成在压电元件上的绝缘膜，无机材料和有机材料被层叠。特别地，湿气易于进入的压电元件的端部被无机材料所覆盖。与此同时，在上电极之上提供有开口。使用这样的结构，振动位移的限制量被最小化，并且防湿气性能被保证。此外，专利文件3公开了通过利用柔软的有机材料覆盖压电元件的整个表面，能够保证装置的可靠性。在这样的结构中，由于两层绝缘膜形成在压电材料上，因此振动位移趋于被抑制。此外，为了保证由有机材料形成的绝缘膜的充足的电阻，绝缘膜与普通无机材料所形成的绝缘膜相比是厚膜是必要的。另外，由于有机材料所形成的绝缘膜的胶粘性相对于电极材料要小，因此在有机材料上形成铅电极很困难。因而，铅电极形成在无机材料(绝缘膜)和有机材料(绝缘膜)之间。然而，如上文所述，使用这样的结构时，下电极不能与铅电极相重叠(或者，无机材料膜的厚度可以如此大以使得无机材料膜显著地降低压电元件的位移量)。因而，喷墨头更高的集成度是难以实现的。
鉴于上述问题，本发明的一个实施例被提出。该实施例的一个目的在于提供一种喷墨头，其能够在保持高可靠性(抗湿气)和高排出性能的同时以较小尺寸制造，以及一种利用该喷墨头的图像形成装置。
在下文中，根据该实施例的喷墨头的结构被解释。图1是分解视图，其示出了根据该实施例的喷墨头的一部分的横截面。图2是沿宽度方向示出喷墨头的结构的剖视图。如同在图1和2中所示的，喷墨头1被形成为具有层压结构，在其中层压有三个基板。该三个基板是喷嘴板20、液体腔基板30，以及保持基板72。喷嘴板20具有用于排出墨水的喷嘴孔21。液体腔基板30具有多个独立液体腔31、振动板40，以及挠性印刷电路板(FPC)73，在该挠性印刷电路板73上形成有压电元件2和用于驱动压电材料60的驱动电路。在保持基板72上形成有压电元件保护空间74。
液体腔基板30包括振动板40。振动板40由在Si基板上的层叠膜形成。在该实施例中，振动板40通过使用SOI基板在Si基板的一个表面上层压氧化硅膜、硅树脂活性层和氧化硅膜形成。此外，多个压电元件2被设置在振动板40上。另外，分别与多个压电元件2相对应的多个独立液体腔31，用于将液体供给到相对应的独立液体腔31中的多个流阻部分，以及公共液体腔33形成在振动板40上。
喷嘴板20是镍基板，其通过高速镍电铸的方式形成为具有20μm的厚度。喷嘴板20具有与位于液体腔基板30的表面上的相对应的独立液体腔31相连通的喷嘴孔21。
保持基板72是其上形成有压电元件保护空间74和墨水供给单元33a的基板。在此，压电元件保护空间74用于保护压电元件2，且不妨碍压电元件2的形变。墨水供给单元33a用于将墨水供给到公共液体腔33中，所述墨水是来自于外部的液滴。
此外，每一个独立液体腔31都是被振动板40、液体腔基板30的壁表面和喷嘴板20所环绕的空间，所述喷嘴板20具有与独立液体腔31相对应的喷嘴孔21。
此外，在振动板40与独立液体腔31相对的表面上形成有压电元件2。在此，每一个压电元件2都是通过层压下电极50、压电材料60和上电极70形成的。而且，每一个独立液体腔31朝向振动板40的表面都是喷嘴板20。
在构造成如上文所述的那样的喷墨头1中，当独立液体腔31被例如记录液体(墨水)所填满时，振荡电路基于来自控制单元(未示出)的图像数据，将20V的脉冲电压施加至与喷嘴孔21相对应的上电极70，记录液体从所述喷嘴孔21处被排出。当脉冲电压被施加至上电极70时，压电材料60通过电致伸缩而沿着与振动板40相平行的方向收缩。然后，振动板40弯曲以使得振动板40朝向独立液体腔31一侧凸起。这样，独立液体腔31内部的压力快速增大，并且记录液体从与独立液体腔31相连通的喷嘴孔21中排出。接着，在施加了脉冲压力之后，由于收缩了的压电材料60回复到初始状态，因此弯曲的振动板40也回复到初始状态。因而，独立液体腔31内部的压力与公共液体腔33内部的压力相比变为负值。进而，记录液体从公共液体腔22处穿过流阻部分32供给至独立液体腔31。通过重复上述操作控制，喷墨头可以持续地排出液滴。因此，喷墨头可以在朝向喷墨头1放置的记录介质(记录纸张)上形成图像。
根据该实施例的喷墨头的主要部分的结构将通过参考图2-4进行解释。图2是沿宽度方向示出根据该实施例的喷墨头的结构的剖视图。图2和4是沿纵向示出根据该实施例的喷墨头1的结构的剖视图。此外，图3示出了在安置保持基板72之前喷墨头1的结构，图4示出了在已经安置了保持基板72之后喷墨头1的结构。在此，图2-4示出了独立液体腔31。然而，如同在图1中所示的，独立液体腔31被隔断壁30a分隔开。在图2中，多个独立液体腔31被设置在左和右的方向。在图3和4中，多个独立液体腔31被设置在与纸张平面相垂直的方向。
如图2-4中所示，喷墨头1具有形成在Si基板上的振动板40和压电元件2，在所述压电元件2中，下电极50、压电材料60和上电极70在振动板40上按该顺序层压。喷墨头1是侧面喷射(side-shooter)形式的头，以使得包括压电元件2和振动板40的压电激励器促使液滴从喷嘴孔21处排放出来，所述喷嘴孔21是设置在喷嘴板20的基板表面部分处的液体排出孔。
喷嘴板20由金属(例如不锈钢(SUS)、Ni、Si)、无机材料或者树脂材料(例如聚酰亚胺(PI))形成。在喷嘴板20上形成有喷嘴孔21。喷嘴板20通过粘合剂(未示出)或其它结合方式(例如阳极连接方式)与液体腔基板30相结合。
液体腔基板30由易于加工的Si基板制成。Si基板是一种具有充足机械强度和耐化学腐蚀性的材料。当使用Si基板时，所谓的半导体加工工艺能够被用于照相平板加工工艺和蚀刻加工工艺。因此，液体腔更高集成度的布置成为可能。
对于振动板40而言，可以使用在压电元件2的形变范围内能够弹性变形的材料。作为振动板40的材料，由无机材料或有机材料制成的薄膜可以被使用。考虑到相对于电极的粘合性，无机材料是优选的。作为无机材料，任意的材料，诸如金属、合金、半导体或介电材料都可以被使用。对于振动板40的材料，最佳的材料可基于加工方法来进行选择。当使用Si作为液体腔基板30的材料时，优选使用SiO2、Si3N4或者其它硅晶体。一般说来，使用Si的热氧化膜。此外，当这些材料被层压以形成膜时，剩余应力会被该结构所消除。另外，介电材料，诸如SiO2或者Si3N4，是化学性质稳定的。因此，即使介电材料与排出的墨水相接触，介电材料也能够防止振动板40因墨水所产生的腐蚀而塌陷。此外，形成这些薄膜的技术是半导体加工工艺而已经形成的技术。因此，稳定的振动板40能够被获得。
基于材料的刚度和形成材料的方法来优化振动板40的厚度是优选的。当使用上文所描述的无机材料(SiO2、Si3N4)时，厚度优选介于1μm到5μm的范围内。例如，首先，成为振动板40的绝缘体形成在Si基板上。接着，将成为液体腔(例如独立液体腔31)的型腔通过蚀刻形成。然后，Si基板被抛光以具有所需的厚度。当蚀刻处理进行时，绝缘层是终止层。
下电极50是用于多个压电元件2的公共电极，并且下电极50通过公共电极接触孔50via连接至公用电极布线50a。
此外，下电极50是晶体取向薄膜，其控制例如压电材料60的取向。对于用于形成下电极50的材料而言，任意的导电材料均可使用。对于导电材料而言，金属、合金或导电化合物均可使用。基于压电材料60的形成方式，优选使用具有更高耐热性的材料作为电极的材料。在形成了压电材料60的膜之后，需要进行使压电材料60结晶的工序。当使用作为压电材料的普遍材料的锆钛酸铅(PZT)时，结晶工艺的温度通常介于500摄氏度至800摄氏度的范围内。因此，需要压电元件2的材料具有高的熔点。与此同时，需要压电元件2的材料具有高的稳定性而不会与振动板40和压电材料形成化合物，其在高温下与用于压电元件2的材料相临。对于用于压电元件2的材料而言，优选使用具有低反应性和高熔点的金属，例如Pt、Ir、Pd、Au或它们的合金。在这些金属和合金中，Pt是最为普遍地采用的。Pt的晶格常数接近于锆钛酸铅(PZT)的。Pt是难以氧化的贵金属。此外，可以使用具有高“高温稳定性”的复合导电材料。例如，可以考虑使用含有铂族金属的导电氧化物，例如IrO2、RuO2、SrO、SrRuO3、CaRuO3、BaRuO3、(SrxCa1-x)RuO3或者LaNiO3。
下电极50的厚度可以根据下电极50所需具有的电阻进行任意设定。下电极50的厚度优选处于从100nm至1μm的范围内。此外，粘结层可以附着于下电极50，以提高相对于振动板40的粘附性，或者下电极50可以具有层压结构，以使得位于下电极50和压电材料60之间的边界表面的材料不同于下电极50的。
作为压电材料60的材料，可使用具有可由化学式ABO3表达的钙钛矿型晶体结构的复合氧化物。在此，作为A位置的元素可以考虑的元素例如Pb、Ba、Nb、La、Li、Sr、Bi、Na或者K。此外，作为B位置的元素可以考虑的元素例如Cd、Fe、Ti、Ta、Mg、Mo、Ni、Nb、Zr、Zn、W或者Yb。在这些复合氧化物当中，在很多情况下使用锆钛酸铅(PZT)。在锆钛酸铅(PZT)中，铅(Pb)被用作A位置，锆(Zr)和钛的混合物被用作B位置。由于锆钛酸铅(PZT)优异的热性能和压电性能，因此当使用锆钛酸铅(PZT)时，可以获得高度可靠的且稳定的压电元件2。钛酸钡(BaTiO3)可用于替换锆钛酸铅PZT。钛酸钡具有不含铅的环保优点。此外，当使用钛酸钡时，位移量很大。由于钛酸钡更加便宜，因此在很多情况下会使用钛酸钡。
作为形成压电材料60的方法，可以使用现有的任何方法。可以考虑的现有方法的示例有属于真空膜形成方法的溅射法、属于液相膜形成方法的旋转涂布法，以及印刷工艺。当使用液相膜形成方法时，通常使用溶胶-凝胶法。在溶胶-凝胶法中，其中溶解有成为膜材料的有机金属化合物的液体被干燥。在那之后，有机材料通过热工艺而被溶解和移除，并且压电材料60可被获得。特别地，当采用液相膜形成方法时，形成膜的设备和工艺可以被简化。因此，高质量的压电材料能够容易地被获得。根据上述工艺中的任意工艺所获得的压电材料60通常具有非晶形结构，并且不展示出压电性能。然而，经过热加工后(500摄氏度至750摄氏度)，非晶形结构结晶并且极化。因此，压电材料60展示压电性能。压电材料60膜的厚度可以根据所需要的性能而被设定成最优值。然而，优选的厚度在0.1μm-5μm的范围内。
此外，压电材料60可以对应于独立液体腔31单独地形成。压电材料60的宽度可以小于独立液体腔31的宽度。当压电材料60对应于独立液体腔单独地形成，并且压电材料60的宽度可以小于独立液体腔31的宽度时，其上未形成压电材料60的膜的高硬度部分形成在独立液体腔31的上方，并且确保了振动和位移的区域。当压电材料60形成在整个表面上时，由于振动位移量的减小，因此需要更高的驱动电压来获得所需的性能。
为了压电材料60的构图(压电材料60对应于独立液体腔的分割)，可以使用现有的工艺方法。当采用在半导体制造工艺中常用的照相平版法作为现有加工方法时，可以实现高精度的构图。此外，当使用液相膜形成方法时，使用印刷工艺的直接构图为可能。作为印刷工艺的实例，可以考虑使用版的印刷方式，例如凹版印刷方式、柔性版印刷方式、丝网印刷方式，以及不使用版的印刷方式，例如喷墨方式。
上电极70形成在对应于独立液体腔31形成的压电材料60的上方。此外，每一个上电极70是对应于多个压电元件2中的一个的独立电极。每一个上电极70通过对应的独立电极接触孔70via连接至对应的独立电极布线70a。每一个独立电极布线70a被独立地传导性地连接至对应的多个上电极70中的一个，所述多个上电极70与压电元件2相对应。驱动信号从驱动信号输入单元(未示出)通过对应的独立电极布线70a被输入至对应的压电元件2。
作为上电极70的材料，类似于下电极50的材料的任何材料都可以被使用。也就是说，任何导电材料可以被用作上电极70的材料。作为导电材料，可以考虑金属、合金或者导电化合物。然而，金属或者合金是优选的。为了选择上电极70的材料，可以考虑相对于压电材料60的粘合度。此外，与压电材料60中所包括的材料相反应或者相扩散的材料，例如Pb，以及与之形成合金的材料是非优选的。此外，与压电材料60中所包含的氧或者类似物相反应的材料是非优选的。因此，使用反应性低的稳定材料是优选的。作为上述材料的实例，可以考虑的材料诸如Au、Pt、Ir、Pd或其合金，或者其固溶体。
此外，上电极70的宽度小于压电材料60的宽度是优选的。如果形成上电极70来覆盖压电材料60的端部，那么在下电极50和下电极70之间可能会发生短路。在这样的情况下，压电元件2的可靠性会显著地降低。
根据该实施例的喷墨头1包括：上层绝缘膜13，其至少覆盖公共电极布线50a的表面和独立电极布线70a的表面；中间层绝缘膜12，其提供于独立电极布线70a和下电极50之间至少在独立电极布线70a和下电极50相重叠的区域，中间层绝缘膜12是上层绝缘膜13的下层；以及下层绝缘膜11，其至少覆盖压电材料2的表面，下层绝缘膜11是中间绝缘层的下层。在此，中间层绝缘膜12和上层绝缘膜13具有露出压电元件2的开口。在下文中，对下层绝缘膜11、中间层绝缘膜12和上层绝缘膜13进行解释。
(下层绝缘膜11)
如图2-4中所示，下层绝缘膜11是覆盖包括压电元件2的板表面(振动板40)的整个表面的绝缘层。在制造工艺中，下层绝缘膜11是将要形成的下层绝缘膜11、中间层绝缘膜12和上层绝缘膜13中第一层。此外，下层绝缘膜11仅在公共电极接触孔50via处具有开口，用于从下电极50处延伸公共电极，以及在独立电极接触孔70via处具有开口，用于从上电极70处延伸独立电极。下层绝缘膜11具有覆盖形成有振动板40的其它部分的结构。
由下电极50、压电材料60和下电极70形成的压电元件2会被两个因素所损坏。一个是制造工序的因素。另一个是设备的使用环境的因素。然而，下层绝缘膜11具有保护压电元件2避免损坏的功能。
导致压电元件2损坏的制造工艺的因素是由膜形成工艺和蚀刻工艺所引起的。也就是说，喷墨头1的形成工艺包括形成和构图中间层绝缘膜12和上层绝缘膜13的工艺过程，所述中间层绝缘膜12是用于使独立电极布线70a和下电极50绝缘的层间绝缘层，而上层绝缘膜13是保护公共电极布线50a和独立电极布线70a的布线保护层。可以实施溅射方法或等离子体CVD技术来形成绝缘膜，但是压电元件2可能会被所产生的等离子体所损坏。特别地，压电材料60被等离子体中所含有的氢离子的还原效果所减少，并且压电材料60的压电特性和电阻被降低。此外，对于所形成的布线的膜的构图，通常使用照相平版法。特别地，与上述形成绝缘膜的情况相类似地，当利用使用等离子体的干法蚀刻来执行图案形成时，压电材料60可能被蚀刻气体所损坏，所述蚀刻气体已经成为等离子体。
此外，空气中的湿气(湿度)可以是装置使用环境中的因素。特别地，由于使用水性墨水的喷墨设备趋向于被暴露于高湿度的环境中，因此在装置中的空气中的湿气进入压电材料60的内部，并且导致失效的发生使得压电材料60损坏。结果是，压电元件2的电阻降低并且发生短路，以及喷墨头的驱动耐用度降低。
因此，在该实施例中，为了防止发生由制造工艺的因素或设备使用环境的因素所导致的压电材料2的损坏，下层绝缘膜11作为保护压电材料60的膜而被提供。
对于下层绝缘膜11的材料，可以选择那些上文所描述的等离子体或空气中的湿气不易穿过的材料。因此，可以使用致密的无机材料。在此，有机材料不适合作为下层绝缘膜11的制作材料。当有机材料被用作下层绝缘膜11的制作材料时，下层绝缘膜11的厚度会更大，以获得有效的保护。在这样的情况下，下层绝缘膜11会阻止振动板40的振动形变，并且喷墨头1的排出性能被降低。
此外，为了在维持下层绝缘膜11的精细厚度的同时，获得更高的保护性能，优选使用氧化物、氮化物或者碳化膜。另外，压电材料60的材料和振动板40的材料可以选择相对于下电极50和下电极70具有更高粘合度的材料。在此，下电极50、下电极70、压电材料60和振动板40是下层绝缘膜11的底层。此外，对于形成下层绝缘膜11的方法，可以选择不损坏压电材料2的方法。也就是说，在其中反应气体被等离子化并且等离子反应气体聚集在基底上的等离子体CVD法，以及等离子体与目标材料相碰撞，并且被沉积以形成膜的溅射方法不是优选的。形成下层绝缘膜11的优选的方法的实例包括蒸发法、原子层沉积(ALD)。尽管大范围的材料可以被使用，但是ALD是优选的。形成下层绝缘膜11的优选的材料的实例包括由无机材料(陶瓷材料)所形成的薄膜，其至少包括Al2O3、ZrO2、Y2O3、Ta2O5和TiO2中的一种。
下层绝缘膜11的厚度可以足够地大，以确保其用于保护压电元件2的性能。与此同时，下层绝缘膜11的厚度可以足够地小，以使得下层绝缘膜11不会阻碍振动板40的形变。下层绝缘膜11优选的厚度范围是从20nm至100nm，当下层绝缘膜11的厚度大于100nm时，振动板40的形变退化，并且喷墨头1的排出效率降低。从另一个方面讲，当下层绝缘膜11的厚度小于20nm时，下层绝缘膜11作为保护压电元件2的层的功能是不充分的，并且压电元件2的性能降低。
(中间层绝缘膜12)
如图3中所示，在根据该实施例的喷墨头1中，每一个上电极70作为独立电极穿过对应的独立电极接触孔70via延伸，并且连接至对应的独立电极布线70a。此外，存在延伸的独立电极布线70a和下电极50相重叠的区域。在此，下电极50被下层绝缘膜11所覆盖。然而，由于下层绝缘膜11的厚度如上文所述的那样小，因此虽然具有下层绝缘膜11，也不能保证在独立电极布线70a和下电极50相重叠的区域有足够的电阻。因此，在该实施例中，在该区域提供中间层绝缘膜12。中间层绝缘膜12在独立电极布线70a和下电极50之间被提供，以将独立电极布线70a与下电极50隔开，并且确保足够的电阻。例如，在形成独立电极布线70a的区域中，中间层绝缘膜12可以形成为独立电极布线70a的下层。在此，独立电极布线70a形成在中间层绝缘膜12和上层绝缘膜13之间。
作为中间层绝缘膜12的材料，可以使用任何绝缘材料。然而，考虑到中间层绝缘膜12相对于形成在中间层绝缘膜12上方的独立电极布线70a的粘合度，无机材料是优选的。作为无机材料，可以使用任意的氧化物、氮化物、碳化物或者它们的络合物。然而，优选使用在半导体装置中所普遍使用的SiO2。此外，作为形成中间层绝缘膜12的方法，可以使用任何方法。例如，可以使用CVD法和溅射法。然而，考虑到图案形成的部分，例如形成电极的部分，的逐步涂布，优选使用能够同性地形成膜的CVD法。
中间层绝缘膜12的厚度可被设置成防止中间层绝缘膜12发生电击穿。换句话说，施加至中间层绝缘膜12的电场强度可以在中间层绝缘膜12不发生电击穿的范围内进行调节。此外，考虑到中间层绝缘膜12的表面特性和底层的针孔，中间层绝缘膜12的厚度可以大于或等于200nm。中间层绝缘膜12的厚度优选大于或等于500nm。此外，考虑到中间层绝缘膜12形成的时间和加工处理的时间，中间层绝缘膜12的厚度优选小于或等于2000nm。当中间层绝缘膜12的厚度大于2000nm时，用于形成和加工处理中间层绝缘膜12的时间被延长。因此，生产率降低。另外，由于所制造的压电元件2暴露于等离子体中的时间延长了，因此下层绝缘膜11被损坏。进而，压电元件2的性能就降低了。
此外，如图2中所示，中间层绝缘膜12具有用于露出压电元件2的开口。由于与可以调节振动板40的形变量的区域相对应的中间层绝缘膜12被移除，因此即使中间层绝缘膜12的厚度足够大来保证足够的电阻，中间层绝缘膜12对振动板40的形变的影响也会被减小。因此，排出效率和可靠性能够提高。此外，由于压电元件2被下层绝缘膜11所保护，因此照相平版法和干蚀刻可被用于形成中间层绝缘膜12的开口。
以这种方式，下电极50和独立电极布线70a能够通过中间层绝缘膜12相互重叠。因此，电极布置的自由度得到提高。此外，布线的构图的自由度得到提高。因而，电极和布线的有效图案布置成为可能。也就是说，喷墨头1的尺寸减小和更高的集成度成为可能。
(上层绝缘膜13)
上层绝缘膜13是钝化层，其起到用于保护公共电极布线50a和独立电极布线70a的保护层的作用。如图4中所示，上层绝缘膜13覆盖着除了公共电极布线延伸的部分(未示出)的公共电极布线50a和除了独立电极布线70a延伸的部分13h的独立电极布线70a。此外，上层绝缘膜13形成在中间层绝缘膜12上方。利用这种结构，公共电极布线50a和独立电极布线70a被保护，以避免受到喷墨头1使用环境中的腐蚀。因此，Al或者主要由Al构成的铝合金材料可以被用作公共电极布线50a和独立电极布线70a的制作材料。在此，Al和主要由Al构成的铝合金材料成本低。从而，可以实现低成本且高可靠性的喷墨头。
作为上层绝缘膜13的材料，可以使用任意的有机材料或任意的无机材料。上层绝缘膜13的制作材料具有低水分渗透性能(moisture permeability)。无机材料的实例包括氧化物、氮化物和碳化物。有机材料的实例包括聚酰亚胺、丙烯酸树脂和聚氨酯树脂。然而，当有机材料被用作上层绝缘膜13的材料时，上层绝缘膜13会是厚膜。因此，有机材料不适合用于下文所述的构图。因而，作为上层绝缘膜13的材料，无机材料是优选的。由无机材料形成的薄膜能够提供保护布线的功能。特别地，在Al布线上优选使用Si3N4。在Al布线上Si3N4的使用是用于半导体装置的经证实过的技术。
此外，上层绝缘膜13的厚度优选大于或等于200nm，并且上层绝缘膜13的厚度更优选大于或等于500nm。当上层绝缘膜13的厚度较小时，上层绝缘膜13不能提供足够的钝化功能。在这种情况下，布线材料的腐蚀会导致公共布线50a和独立电极布线70a的断开。因此，喷墨头1的可靠性降低。在此，考虑到上层绝缘膜13的形成时间和加工处理时间，上层绝缘膜13的厚度优选小于或等于2000nm。当上层绝缘膜13的厚度大于2000nm时，上层绝缘膜13的形成时间和加工处理时间被延长。因此，生产率降低。另外，由于所制造的压电元件2被暴露于等离子体中的时间延长了，因此下层绝缘体11被损坏。因而，压电元件2的性能将降低。
此外，如图2中所示，上层绝缘膜13在振动板40的上方具有开口，以露出压电元件2。与上文所描述的中间层绝缘膜12的开口相类似地，由于上层绝缘膜13在能够调节振动板40的形变量的区域中被移除，因此上层绝缘膜13对振动板40形变的影响被减小。因而，排出效率和可靠性都被提高。通过这些，能够实现高效率且高可靠性的喷墨头1。
此外，如图2和4中所示，喷墨头1具有这样的结构，以使得保持基板72被布置在上层绝缘膜13上，并且墨水从形成在保持基板72上的墨水供给单元33a处穿过公共液体腔33和流阻部分32而被提供至独立液体腔31。
在此，如图2中所示，优选地在压电元件2的附近，保持基板72和液体腔基板30通过隔断壁30a相连接。采用这样的结构，所谓的“串扰(cross-talk)”将减少。在此，串扰是这样的效果，当独立液体腔31中的一个中的振动板40被驱动时，在邻接独立液体腔31中的振动板40也发生形变。
作为保持基板72的材料，可以使用任何材料。然而，当使用其材料与液体腔基板30的材料相同的Si基板时，保持基板72的热膨胀系数和液体腔基板30的热膨胀系数之间的差别可以被减小，并且保持基板72和液体腔基板30的热变形可以被减小。
当上文所描述的上层绝缘膜13、中间层绝缘膜12和下层绝缘膜11被布置时，由在喷墨头1的制造工艺期间的半导体加工处理中的等离子体和在使用环境中的空气中的湿气所导致的压电元件2(压电材料60)的恶化可以被防止。因此，压电元件2的可靠性被提高。进而，由于压电元件2足够的形变量被确保，因此喷墨头1的排出效率被提高。与此同时，由于对下电极50和独立电极布线70a之间的布置不存在约束，因此喷墨头1的减小尺寸和更高的集成度变成可能。
顺便提及，在图2所示的喷墨头1的结构中，在独立液体腔31中的发生形变的振动板40的端部由独立液体腔31的宽度所定义。在此，当独立液体腔31通过MEMS工艺形成在液体腔基板30上时，液体腔基板30通过使用蚀刻法从图2中的下表面处被雕刻出来。在那时，液体腔基板30采用各向异性时刻形成。也就是说，使用在其中图2所示的液体腔基板30被选择性地从下侧蚀刻至上侧的方法。然而，在那时，由于液体腔基板30也沿水平方向被蚀刻，因此独立液体腔31的横截面形状不是理想的矩形形状，而是横截面形状趋向于逐渐变细。因而，定义振动板40的可移动区域的端部之间的宽度趋向于变化。从而，喷墨头1的排出性能不断变化。
因此，如图5中所示，中间层绝缘膜12和上层绝缘膜13的开口的宽度优选大于压电元件2的宽度，并且小于独立液体腔31的宽度。也就是说，形成在用于分隔独立液体腔31的隔断壁30a的上方的中间层绝缘膜12和上层绝缘膜13被形成以具有这样的结构，使得中间层绝缘膜12和上层绝缘膜13的宽度大于隔断壁30a的宽度，并且中间层绝缘膜12和上层绝缘模13被朝向独立液体腔31的一侧延伸。
通过上述结构，由于中间层绝缘膜12和上层绝缘膜13的开口通过构图精确地形成，因此在独立液体腔31中的振动板40的可移动区域的端部可以被中间层绝缘膜12和上层绝缘膜13的端部精确地定义。如此，减少了独立液体腔31特性的变化(排出性能的变化)。
在这种情况下，中间层绝缘膜12和上层绝缘膜13之一可以是具有高刚度的膜。特别地，起到保护电极布线50a和电极布线70a的层的作用的上层绝缘膜13优选是致密且高硬度的膜。与此同时，上层绝缘膜13的厚度优选比中间层绝缘膜12的厚度厚。通过这种结构，上层绝缘膜13可以是接合保持基板72和液体腔基板30的部分的加强层。
顺便提及，喷墨头1可以与将液体(例如墨水)提供给喷墨头1以形成液体盒的液体罐相整合。图6示出了墨盒80的外观，该墨盒80是液体盒。墨盒80通过与具有根据该实施例的喷嘴孔21及其类似结构，以及用于将墨水供应给喷墨头1的墨水罐82相整合而形成。当墨水罐82与喷墨头1相整合，并且使用高精度、高致密性且高可靠性的激励器单元时，可以提高墨盒80的出品率和可靠度。因此，墨盒80的成本可以减少。
在下文中，对根据该实施例的图像形成装置进行说明。根据该实施例的图像形成装置是通过排出液滴来形成图像的图像形成装置。图像形成装置具有上文中所描述的根据该实施例的喷墨头1，或者具有图6中的与喷墨头单元相整合的液体盒80。在此，参考图7和8作为实例来描述作为包括根据该实施例的喷墨头1的图像形成装置的喷墨记录装置90。图7是示出喷墨记录装置90的透视图。图8是示出喷墨记录装置90的机械部分的侧视图。
打印单元91保存在喷墨记录装置90的内部。打印单元91至少具有滑架98，其可以沿着主扫描方向移动；根据该实施例的喷墨头(记录头)1，其安装在滑架98上；以及墨盒99，其将墨水提供给相应的喷墨头1。其上堆叠着许多记录纸张92的供纸盒(或者供纸托盘)93能够从主体的前侧可分离地连接至喷墨记录装置90的主体。此外，喷墨记录装置90具有可开启用于手动地供给记录纸张92的手动供纸盘94。喷墨记录装置90接收来自于供纸盒93处或手动供纸盘94处的记录纸张92，并且在使用打印单元91在记录纸张上形成所需的图像之后，喷墨记录装置90将记录纸张92弹出到出纸托盘95上。
打印单元91具有由左右侧板(未示出)支承的主导杆96；副导杆97；以及支承可沿主扫描方向移动的滑架98的打印单元91。分别排出黄色(Y)墨滴、青色(C)墨滴、品红(M)墨滴和黑色(Bk)墨滴的喷墨头1安装在滑架98上，以使得喷墨头1的多个墨水排出口(喷嘴)垂直于主扫描方向布置成一排，并且喷墨头1的墨水排出方向指向下。此外，分别提供黄色墨水、青色墨水、品红墨水和黑色墨水的墨盒99被可替换地安装在滑架98上。
墨盒99中的每一个具有设置在墨盒99上侧的空气进入口；用于将相应的墨水供应至相应的喷墨头1的供给口，该供给口设置在墨盒99的下侧；以及填充相应墨水的多孔体，该多孔体设置在墨盒99的内部。墨盒99中的每一个保持着待提供至相应喷墨头1的相应墨水，以使得相应的墨水由于多孔体的毛细管作用力而具有微弱的负压。在此，作为喷墨头1，使用了对应于黄色墨水、青色墨水、品红墨水和黑色墨水的喷墨头1。然而，喷墨头1可以是具有多个喷嘴孔的单独液体排放头，所述多个喷嘴孔分别排出黄色墨水、青色墨水、品红墨水和黑色墨水。
在此，滑架98的后侧(沿纸张输送方向的下游侧)可滑动地固定在主导杆96上，并且滑架98的前侧(沿纸张输送方向的上游侧)可滑动地固定在副导杆97上。此外，为了促使滑架98沿主扫描方向移动和扫描，同步带104悬挂在驱动滑轮102上，所述驱动滑轮102由主扫描马达101和驱动滑轮103旋转驱动，并且同步带104固定在滑架98上。因此，滑架98通过主扫描马达101的正向和反向旋转而往复运动。
从另一方面讲，喷墨记录装置90具有用于从供纸盒93处供给记录纸张92并用于分离记录纸张92的供纸辊105和摩擦垫106；用于引动记录纸张92的引导件107；使得被供给的记录纸张92翻转和传送的输送辊108；被按压于输送辊108的外表面的压辊109；以及定义了从输送辊108处送出记录纸张92的角度，以传送被设定在供纸盒93中的记录纸张92至喷墨头1的下部的上部末端辊(topend roller)110。输送辊108通过齿轮由副扫描马达旋转驱动。
此外，喷墨记录装置90包括：打印支承件111，其对应于滑架98在主扫描方向上的移动范围，并且用于引导位于喷墨头1下部的从输送辊108处送出的记录纸张92。在打印支承件111的记录纸张传送方向的下游侧，喷墨记录装置90进一步包括输送辊112和正齿轮113，其被旋转驱动以沿纸张排出方向送出记录纸张92；出纸辊114和正齿轮115，其用于将记录纸张92送出到出纸托盘95上；以及形成出纸路径的引导件116和117。
在使用喷墨记录装置90记录的过程中，在滑架98移动的同时，喷墨头1依据图像信号而被驱动。通过这种方式，喷墨头1将墨水排出到已停止的记录纸张92上，并且完对应于一行的记录过程。接着，喷墨记录装置90在记录纸张92移动了预定距离之后，开始记录下一行。当指示记录纸张92的末端已到达记录区域的记录终止信号或信号被接收时，喷墨记录装置90终止记录操作，并且排出记录纸张92。
此外，喷墨记录装置90具有用于恢复喷墨头1的排出故障的恢复装置118。恢复装置118被设置在记录区域外部的位置。在此，该位置位于滑架98的移动方向的最右侧。维护装置118具有盖单元、抽吸单元和清洁单元。在喷墨记录装置90的打印等待状态期间，滑架98被移动至维护装置118的一侧，并且喷墨头1被盖单元所覆盖。通过这种方式，墨水排出口的湿润状态被保持，并且有墨水干涸所导致的排出故障被防止。此外，在记录期间，喷墨记录装置90促使喷墨头1排出与记录过程不相关的墨水。通过这种方式，所有墨水排出口的墨水黏度保持不变，并且喷墨头1稳定的排出状态得到维持。
此外，当排出故障发生时，喷墨记录装置90促使盖单元密封喷墨头1的排出口。然后，抽吸单元通过管子从排出口处连同墨水抽吸气泡。清洁单元除去积聚在排出口表面的墨水或灰尘。通过这种方式，排出故障被恢复。此外，被抽吸的墨水被排出到设置在喷墨记录装置90主体下部的废墨池(未示出)中，并且废墨池中的墨水吸收体吸收并储存所抽吸的墨水。
如上文所述，由于喷墨记录装置90具有喷墨头1，因此稳定的墨水排出特性被获得，并且图像的质量得到提高。在此，其中喷墨头1应用于喷墨记录装置90中的实例得到了解释洗明。然而，实施例并不限制于此。例如，喷墨头1可以应用于排出除墨滴以外的液滴，例如构图用的液体电阻的液滴，的装置中。
该实施例已经通过使用附图进行了解释说明。然而，该实施例并不局限于附图所示的方面。实施例可以在所属领域技术人员能够构思到的范围内进行修改。例如，另外的实施例可以加入到实施例中，实施例的一部分可以被修改，或者实施例的一部分可以被删除。修改了的实施例包含在实施例的范围内，其提供的修改了的实施例阐述了本发明的实施例的功能和效果。
本发明的实施例被应用于其中的实施例至少具有MEMS装置，该装置具有使用了压电元件的微驱动器。特别地，各实施例具有含有微镜的光学装置，例如投影仪和用于将液体提供至极微小的液体通道的微型泵。
本发明并不局限于所公开的特定的实施例，并且可以进行不脱离本发明的范围的改变和修改。
本发明基于2011年2月10日提交的日本优先申请No.2011-026905，该申请的全部内容通过引用结合于此。
Claims (12)
1.一种喷墨头，其包括：
多个形成有隔断壁的独立液体腔，每个独立液体腔都具有液滴排出孔；
振动板，所述振动板连接至多个独立液体腔的表面，多个独立液体腔的表面不同于提供有液滴排出孔的表面；
多个压电元件，所述多个压电元件设置在振动板上对应于多个独立液体腔的位置，每一个压电元件通过在振动板上将下电极、压电材料和上电极按顺序层叠而形成，其中下电极是公共电极，并且上电极是独立电极；
连接至下电极的公共电极布线；并且
独立电极布线，该独立电极布线独立地且传导地连接至多个压电元件中相对应的上电极，其中驱动信号被单独输入相对应的独立电极布线，
其中喷墨头包括
上层绝缘膜，该上层绝缘膜至少涂布于公共电极布线和独立电极布线的表面；
中间层绝缘膜，该中间层绝缘膜提供于独立电极布线和下电极之间，至少位于独立电极布线和下电极重叠的区域，中间层绝缘膜是上层绝缘膜的下层；以及
下层绝缘膜，该下层绝缘膜至少涂布于压电元件的表面，下层绝缘膜是中间层绝缘膜的下层，并且
其中中间层绝缘膜和上层绝缘膜具有用于露出压电元件的开口，
其中开口的宽度大于每一个压电元件的宽度，并且开口的宽度小于每一个独立液体腔的宽度，并且
其中在作为上层绝缘膜的下层的至少独立电极布线和下电极重叠的区域中，两个层，即中间层绝缘膜和下层绝缘膜，形成在独立电极布线和下电极之间。
2.根据权利要求1所述的喷墨头，其中下层绝缘膜是保护压电元件免受在喷墨头的制造过程中等离子体的影响并且免受在喷墨头使用环境中的湿气的影响的保护膜。
3.根据权利要求2所述的喷墨头，其中下层绝缘膜是由包括Al2O3、ZrO2、Y2O3、Ta2O5和TiO2中的至少一种的无机材料所形成的薄膜。
4.根据权利要求3所述的喷墨头，其中下层绝缘膜的厚度在20nm至100nm的范围内。
5.根据权利要求1所述的喷墨头，其中中间层绝缘膜是位于独立电极布线和下电极之间的层间绝缘层。
6.根据权利要求5所述的喷墨头，其中中间层绝缘膜由SiO2形成。
7.根据权利要求6所述的喷墨头，其中中间绝缘膜的厚度大于或等于200nm。
8.根据权利要求1所述的喷墨头，其中上层绝缘膜是保护公共电极布线和独立电极布线免受喷墨头使用环境的影响的钝化膜。
9.根据权利要求8所述的喷墨头，其中上层绝缘膜由Si3N4形成。
10.根据权利要求9所述的喷墨头，其中上层绝缘膜的厚度大于或等于200nm。
11.根据权利要求8所述的喷墨头，其中上层绝缘膜的厚度大于中间层绝缘膜的厚度。
12.一种图像形成装置，其具有
喷墨头，该喷墨头包括：
多个形成有隔断壁的独立液体腔，每个独立液体腔都具有液滴排出孔；
振动板，该振动板连接至多个独立液体腔的表面，多个独立液体腔的表面不同于提供有液滴排出孔的表面；
多个压电元件，所述多个压电元件设置在振动板上对应于多个独立液体腔的位置，每一个压电元件通过在振动板上将下电极、压电材料和上电极按顺序层叠而形成，其中下电极是公共电极，并且上电极是独立电极；
连接至下电极的公共电极布线；并且
独立电极布线，该独立电极布线独立地且传导地连接至多个压电元件中相对应的上电极，其中驱动信号被单独输入相对应的独立电极布线，
其中喷墨头包括
上层绝缘膜，该上层绝缘膜至少涂布于公共电极布线和独立电极布线的表面；
中间层绝缘膜，该中间层绝缘膜提供于独立电极布线和下电极之间，至少位于独立电极布线和下电极重叠的区域，中间层绝缘膜是上层绝缘膜的下层；以及
下层绝缘膜，该下层绝缘膜至少涂布于压电元件的表面，下层绝缘膜是中间层绝缘膜的下层，并且
其中中间层绝缘膜和上层绝缘膜具有用于露出压电元件的开口，
其中开口的宽度大于每一个压电元件的宽度，并且开口的宽度小于每一个独立液体腔的宽度，并且
其中在作为上层绝缘膜的下层的至少独立电极布线和下电极重叠的区域中，两个层，即中间层绝缘膜和下层绝缘膜，形成在独立电极布线和下电极之间。
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