CN102950897B

CN102950897B - 一种液体喷头及其制造方法

Info

Publication number: CN102950897B
Application number: CN201110254364.9A
Authority: CN
Inventors: 周毅; 李越
Original assignee: Ninestar Image Co Ltd
Current assignee: Zhuhai Sailner 3D Technology Co Ltd
Priority date: 2011-08-31
Filing date: 2011-08-31
Publication date: 2015-01-07
Anticipated expiration: 2031-08-31
Also published as: CN102950897A

Abstract

本发明涉及一种液体喷头及其制造方法，液体喷头包括：硅基板；设置在硅基板表面的液体腔室；设置在液体腔室内部一端固定在的硅基板上，另一端是活动端的压电元件；设置在硅基板上的供墨通道和与液体腔室连通的喷嘴孔；液体腔室由设置在硅基板表面上的多个液体腔室薄膜层形成。多个液体腔室薄膜层容易加工而且不易碎裂，在制造上一体成型，可以获得高效率、高精度、低成本的产品，从而可以用低成本来制造出高精度和高密度的喷嘴孔的一体成型喷墨头。

Description

一种液体喷头及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种液体喷头及其制造方法。

背景技术

现有利用压电元件作为致动器把墨水喷出的喷头，主要有以下两种类型，一种是压电元件和振动板部分构成与排出墨滴相应喷嘴孔连通的压力产生腔室，通过压电元件和振动板的变形，使得压力产生腔室体积发生变化，从而把墨水从喷嘴孔喷出。因为需要压力腔室的体积变化，所以压电元件和振动板的变形需要很大，压电元件的变形能量需要足够大，同时压力腔室的侧壁需要很好的强度和韧性，这样为了获得所需要的喷出墨滴大小，压电元件需要一定的面积才能保证所需要的变形量，压力腔室的侧壁也需要很好的强度和韧性，从而难以实现高密度的喷嘴孔布置(参照专利文献1，中国专利CN02105630.7)。

另外一种是在硅基板上设置喷嘴孔和压力腔室，压电元件和振动板以悬臂梁的形式设置在压力腔室内。因为硅基板比较薄并且脆，加工起来很容易产生裂纹，如果要制造高密度高精度的喷嘴孔和压力腔室很困难(参照专利文献2，日本专利申请平3-124449)。

制造这两种类型喷头是通过装配加工方法实现的，装配加工的工装夹具的精度非常高，从而制造的成本很高。

发明内容

本发明提供一种液体喷头，以解决现有液体喷头成品率低、制造成本高和喷液质量不高的技术问题。

为了解决以上技术问题，本发明采取的技术方案是：

一种液体喷头，包括：

一个硅基板；

设置在所述硅基板表面的液体腔室；

设置在所述液体腔室内部一端固定在所述的硅基板上，另一端是活动端的压电元件；

设置在所述硅基板上的供墨通道；

和与所述液体腔室连通的喷嘴孔；

其特征是，所述液体腔室由设置在所述硅基板表面上的多个液体腔室薄膜层形成。

所述硅基板和压电元件之间还设置有绝缘膜。

所述硅基板对应所述压电元件的下方还设置有凹部。

所述压电元件由设置在所述硅基板表面上的多个压电元件薄膜层形成。

所述压电元件表面设置有绝缘保护层。

所述绝缘保护层的材料为碳化硅或氮化硅。

所述压电元件由下至上包括下电极、压电层和上电极。

所述压电元件表面设有振动板。

所述振动板的材料为氧化锆(ZrO2)或氧化钛(TiOx)

所述压电元件活动端部分与硅基板之间有间隙。

所述压电元件活动端部分与所述喷嘴孔薄膜层之间有间隙。

本发明同时提供上述液体喷头的制造方法，包括如下步骤：

一、在硅基板上形成压电元件；

二、在所述硅基板和压电元件上面设置多个液体腔室薄膜层并形成液体腔室；

三、在所述液体腔室一个表面形成与所述液体腔室连通的喷嘴孔；

四、在硅基板上设置供墨通道。

所述步骤一包括以下步骤：(一)、在所述硅基板上形成绝缘膜；(二)在绝缘膜表面上形成压电元件。

在所述步骤一包括以下步骤：A、在硅基板上形成凹部；B、用填充材料来填平凹部；C、在硅基板上填平凹部位置处的上部形成压电元件；在所述步骤一之后还进行以下步骤：a、洗去所述的填充材料。

在所述步骤B与C之间还进行以下步骤：在所述填平凹部的硅基板上形成绝缘膜。

所述步骤一中所述压电元件的形成方法为在所述硅基板表面上设置多个压电元件薄膜层形成所述的压电元件。

在所述步骤二之前还进行以下步骤：在所述压电元件表面设置绝缘保护膜。

在所述步骤二之前还进行以下步骤：在所述压电元件表面设置振动板。

所述的填充材料为多晶硅或PSG。

在采用了上述技术方案后，由于液体腔室由设置在所述硅基板表面上的多个液体腔室薄膜层形成，多个液体腔室薄膜层容易加工而且不易碎裂，在制造上一体成型，可以获得高效率、高精度、低成本的产品，从而可以用低成本来制造出高精度和高密度的喷嘴孔的一体成型喷墨头。

附图说明

图1是本发明实施例的喷头的剖视图。

图2-图14是制造实施例喷头的在各制造步骤中形成的剖视图。

标号说明：

1硅基板；2凹部；3填充材料；5绝缘膜(振动板)；6a下电极；6b压电层；6c上电极；7绝缘保护膜；8a、8b液体腔室薄膜层；8c喷嘴孔薄膜层；9掩膜；10液体腔室；11UV光；12γ射线；13喷嘴孔；14供墨通道

具体实施方式

下列将通过实施例详细描述本发明：

图1是本发明实施例的液体喷头的剖视图，如图所示，一种液体喷头，包括：一个硅基板1；设置在硅基板表面的若干薄膜层，包括液体腔室薄膜层8a/8b、压电元件薄膜层6a/6b/6c、喷孔薄膜层8c；所述的薄膜层形成液体腔室10、压电元件6(下电极、压电层、下电极)、喷嘴孔13；所述压电元件设置在液体腔室10内部，压电元件一端固定在所述的硅基板上，另一端是活动端；所述压电元件表面覆盖绝缘保护层7；所述喷嘴孔13与所述液体腔室10连通。

所述压电元件表面设有振动板5，该振动板可以由绝缘膜5来充当，振动板5和压电元件一起振动，可以把墨水从喷嘴孔13挤出。所述压电元件活动端部分与所述的硅基板1和喷嘴孔薄膜层8c之间有间隙，可以使压电元件活动端部分有活动空间

如图2-图14所示，制造液体喷头的工艺过程的流程如下：

图2：通过离子铣削法在基底硅(单晶硅)1上形成一凹部2；

图3：用填充材料3来涂覆凹部2，并进行化学机械抛光(CMP)使填充材料平坦化，其中填充材料可以是多晶硅或PSG。

图4：在基底硅的一个面上1a形成绝缘膜5，其组分可以是氧化锆(ZrO2)或氧化钛(TiOx)，可以在含氧气氛中对通过溅射法或真空蒸镀法等而形成的Zr/Ti层进行高温处理得到。其主要作用是防止压电材料层的铅成分向基底硅的扩散，并可保护下电极不受墨水的腐蚀

图5：在绝缘膜5上形成压电元件6的工序，形成工序依次为：

1)下电极6a形成工序

在绝缘膜5上通过电子束蒸镀或溅射法形成下电极6a，其由导电性材料构成，例如由钛(Ti)层，白金(Pt)层，钛层叠层构成，这种叠层构成下部电极，是为了提高白金层和压电体层以及白金层和绝缘膜之间的密合性。

2)压电体层6b形成工序

对压电体层6b的制造方法没有特殊的限定，例如有溶胶-凝胶法、MOD法和水热法等。并且，当通过这样的方法在下部电极6a上形成压电体层6b时，通过适当地调整成膜条件、加热(烧固)条件等，能够形成具有良好结晶性的压电体层6b

作为压电体层6b的材料，例如优选由以锆钛酸铅[Pb(Zr，Ti)03：PZT]为主要成分的材料形成，此外也可以使用铌镁酸铅和钛酸铅的固溶体[Pb(Mg_1/3Nb_2/3)03-PbTi03：PMN-PT]、锌铌酸铅和钛酸铅的固溶体[Pb Zn_1/3Nb_2/3)O3-PbTi03：PZN-PT]等。无论是哪一种，如果压电体层6b的材料由钙钛矿结构的结晶形成的话，则不限于上述材料。

3)上电极6c形成工序

通过电子束蒸镀法或溅射法，在压电体层6b上形成上部电极6c，其材料可以是白金(Pt)层或金(Au)层

图6：保护膜形7成工序

通过物理气相沉积(PVD)或化学气相沉积法(CVD)在上电极和压电层的四周形成保护膜7来防止上电极和压电材料被墨水腐蚀，保护膜7的材料可以是碳化硅或氮化硅等耐腐蚀的绝缘材料；

图7用常规的旋涂方法在压电元件6的两侧涂覆可交联的聚合物材料形成层8a，并通过化学机械抛光(CMP)使层8a上表面平坦；可交联的聚合物材料可以采用比如可光成像的环氧树脂(SU8)、可光成像的聚合物或光敏硅树脂电介质或者环氧硅氧烷等

图8采用掩膜9a，用UV光11交联被曝光层8a，其被用来确定喷墨腔10a的形状和面积；

图9用常规的旋涂方法在层8a上涂覆与层8a相同的聚合物材料，形成层8b，并通过化学机械抛光CMP)使层8b上表面平坦；

图10采用掩膜9b，用UV光11交联被曝光层8b，其被用来确定喷墨腔10b的形状和面积；

图11用常规的旋涂方法在层8b上涂覆与层8a相同的聚合物材料，形成层8c，并通过化学机械抛光(CMP)使层8c上表面平坦；

图12采用掩膜9c，用γ射线12交联被曝光层8c，其被用来确定喷嘴13a的形状和面积；

图13当填充材料3是多晶硅时，使用混合酸(氢氟酸和硝酸)或KOH清除；当填充材料是PSG时用氢氟酸清除；并用显影液(如PMEGA液)去除未曝光区域10a、10b和13a形成墨腔10和喷孔13

图14通过湿蚀刻、干蚀刻、深反应离子蚀刻(DRIE)、以及紫外激光加工等方法在基底的一个面1b上形成供墨通道14

在上述的实施例中，将喷出墨水的喷墨头作为液体喷头进行描述。但是液体喷头的基本结构并不限于上述这些，本发明的意图应用于各种液体喷头。

Claims

1.一种液体喷头，包括：

一个硅基板；

设置在所述硅基板表面的液体腔室；

设置在所述硅基板上的供墨通道；

和与所述液体腔室连通的喷嘴孔；

其特征是,所述液体腔室由设置在所述硅基板表面上的多个液体腔室薄膜层形成，且所述液体腔室薄膜层是由可交联的聚合物材料形成层构成。

2.根据权利要求1所述的液体喷头，其特征是,所述硅基板和压电元件之间还设置有绝缘膜。

3.根据权利要求1所述的液体喷头，其特征是,所述硅基板对应所述压电元件的下方还设置有凹部。

4.根据权利要求1所述的液体喷头，其特征是,所述压电元件由设置在所述硅基板表面上的多个压电元件薄膜层形成。

5.根据权利要求1或2所述的液体喷头，其特征是,所述压电元件表面设置有绝缘保护层。

6.根据权利要求5所述的液体喷头，其特征是,所述绝缘保护层的材料为碳化硅或氮化硅。

7.根据权利要求1或2或3所述的液体喷头，其特征是,所述压电元件由下至上包括下电极、压电层和上电极。

8.根据权利要求5所述的液体喷头，其特征是,所述压电元件表面设有振动板。

9.根据权利要求8所述的液体喷头，其特征是,所述振动板的材料为氧化锆(ZrO2)或氧化钛(TiOx)

10.根据权利要求5所述的液体喷头，其特征是，所述压电元件活动端部分与硅基板之间有间隙。

11.根据权利要求5所述的液体喷头，其特征是，所述压电元件活动端部分与所述喷嘴孔薄膜层之间有间隙。

12.根据如权利要求1所述液体喷头的制造方法，包括如下步骤：

一、在硅基板上形成压电元件；

二、在所述硅基板和压电元件上面设置多个液体腔室薄膜层并形成液体腔室，且所述液体腔室薄膜层是由可交联的聚合物材料形成层构成；

四、在硅基板上设置供墨通道。

13.根据权利要求12所述液体喷头的制造方法，其特征是，所述步骤一包括以下步骤：(一)、在所述硅基板上形成绝缘膜；(二)在绝缘膜表面上形成压电元件。

14.根据权利要求12所述液体喷头的制造方法，其特征是，在所述步骤一包括以下步骤：A、在硅基板上形成凹部；B、用填充材料来填平凹部；C、在硅基板上填平凹部位置处的上部形成压电元件；在所述步骤一之后还进行以下步骤：a、洗去所述的填充材料。

15.根据权利要求14所述液体喷头的制造方法，其特征是，在所述步骤B与C之间还进行以下步骤：在所述填平凹部的硅基板上形成绝缘膜。

16.根据权利要求12或13或14或15所述液体喷头的制造方法，其特征是，所述步骤一中所述压电元件的形成方法为在所述硅基板表面上设置多个压电元件薄膜层形成所述的压电元件。

17.根据权利要求12或13或14或15所述液体喷头的制造方法，其特征是，在所述步骤二之前还进行以下步骤：在所述压电元件表面设置绝缘保护膜。

18.根据权利要求17所述液体喷头的制造方法，其特征是，在所述步骤二之前还进行以下步骤：在所述压电元件表面设置振动板。

19.根据权利要求14所述液体喷头的制造方法，其特征是，所述的填充材料为多晶硅或PSG。