CN103072378A

CN103072378A - 一种液体喷头及其制造方法

Info

Publication number: CN103072378A
Application number: CN2011103273647A
Authority: CN
Inventors: 周毅; 李越
Original assignee: Ninestar Image Co Ltd
Current assignee: Zhuhai Sailner 3D Technology Co Ltd
Priority date: 2011-10-25
Filing date: 2011-10-25
Publication date: 2013-05-01
Anticipated expiration: 2031-10-25
Also published as: CN103072378B

Abstract

本发明提供一种液体喷头及其制造方法，所述液体喷头的制造方法包括：在压电元件的共用电极表面设置绝缘材料层作为振动板；使用可光成像高分子材料在所述绝缘材料层表面设置第一薄膜层，并对该第一薄膜层上确定为液体腔室的区域实施第一次曝光；使用可光成像高分子材料在已实施曝光的第一薄膜层表面设置第二薄膜层，并对该第二薄膜层上确定为喷液孔的区域实施第二次曝光；利用显影液显影去除第一薄膜层和第二薄膜层未曝光材料，形成液体腔室和喷液孔。本发明的液体喷头通过二次曝光和一次显影实现液体腔室和喷液头一体成型，提高了液体腔室的强度，以及成品率，利于提升打印设备的品质。

Description

一种液体喷头及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种打印设备中的液体喷头以及该液体喷头的制造方法，尤其涉及一种喷墨打印设备中使用的压电式喷液头及其制造方法。

背景技术

改进现有打印设备的喷液头装置，提高喷墨式记录头的清晰化程度的要求随着打印设备的普及而日显强烈。为了使喷墨式记录头高清晰度化，一些相应的改进方案也开始被提出。

常见的液体喷头结构一般包括有压力室基板、粘接在压力室基板一面上的喷嘴板，和设置在压力室基板另一面上的振动板。压力室基板一般为硅基板(硅晶片)，通过蚀刻工艺在该压力室基板上形成多个存储墨水的压力室(空腔)，使喷嘴板对应各压力室被粘接，从而在振动板的一面完成喷嘴孔的配置；在振动板的另一面与压力室相对位置形成压电元件，即完成喷液头的加工。执行打印时，压电元件在施压下产生体积变化，通过振动板引起压力室体积变化，由于压力室中填充墨水，此时墨水会从喷嘴孔中喷出而完成打印。由于压力室(也称液体腔室)是在硅晶片上蚀刻形成，为了提高打印的清晰度而减小压力室的侧壁厚度时，必然会导致作为振动板的硅晶片的机械强度下降，在压力室形成中出现硅晶片的破损而使整个液体喷头的成品率较低，明显导致了制造成本的增加；另一方面，由于喷嘴板是利用粘合剂粘接在压力室基板上，对粘接处理的要求也很高，因为若粘合剂流入压力室中，也会影响到打印质量。研究结果显示，通过减小压力室的宽度、高度及隔离压力室间的侧壁厚度，改进喷液头结构，是提高喷墨式记录头清晰度的关键。

中国专利申请CN01119993.8公开了一种压电喷墨头的制造方法，具体为一种一体成型的方法，即，采用薄膜层技术来一体形成压力室和喷孔，由于薄膜材料容易加工且不易碎裂，可以解决现有液体喷头成品率低、制造成本高等问题；此外，由于不需要粘合剂来粘合喷嘴板，也可以防止粘合时产生的热应力导致喷嘴层出现分层，及防止粘合剂流入到压力室中而引起打印质量的恶化等问题。但是现有技术提供的喷墨头在解决上述问题的同时也带来了新的问题，参照图11所示(CN01119993.8公开文件的图6)：

首先，该工艺中形成压力室14和喷孔15的方法是首先在下电极11c和压电推动片层11b上形成第一感旋光性高分子薄膜层，经图案化曝光，成为压力室腔壁12及压力室14，然后在压力室14的腔壁12上形成第二感旋光性高分子薄膜，进一步利用曝光显影或激光加工形成喷孔薄膜层13。可以理解，在已经形成的压力室腔壁12上再通过曝光显影或激光加工得到喷孔薄膜层13，这明显是不合理的，或至少是需要非常高的加工水准和要求，所以按照该工艺实现喷墨头的制造显然难度很大；

其次，该工艺制成的喷墨头的结构中，压力室是直接形成在压电元件上，没有设置振动板，这样在执行打印工作中会严重影响喷射墨滴的质量和效率，因为压电元件11自身变形是非常小的，其主要是通过自身的变形瞬间产生一很大的应力作用在振动板上，通过振动板的变形使得压力室变形从而喷出墨滴。

所以，如何使打印设备喷液头的结构和加工工艺更加科学合理，做到兼顾喷液头本身的强度等性能和打印质量，成为业内有待解决的课题。

发明内容

本发明所解决的主要技术问题在于提供一种制造液体喷头的方法，通过改进液体腔室和喷液孔的形成工艺，以解决现有技术中液体喷头成品率低、制造成本高和喷液质量不高的问题。

本发明进一步提供了一种改进的喷液头，通过对其液体腔室和喷液孔构造改进，利于提高喷墨式记录头的打印质量。

本发明提供了一种液体喷头的制造方法，包括以下步骤：

在压电元件的共用电极表面设置绝缘材料层作为振动板；

使用可光成像高分子材料在所述绝缘材料层表面设置第一薄膜层，并对该第一薄膜层上确定为液体腔室的区域实施第一次曝光；

使用可光成像高分子材料在已实施曝光的第一薄膜层表面设置第二薄膜层，并对该第二薄膜层上确定为喷液孔的区域实施第二次曝光；

利用显影液显影去除第一薄膜层和第二薄膜层未曝光材料，形成液体腔室和喷液孔。

根据本发明提供的液体喷头的制造方法，通过对依次设置的二个薄膜层分别实施曝光，然后通过一次性显影同时形成液体腔室和喷液孔，即，液体腔室与喷液头在制造上一体成型，为高效率、高精度、低成本生产高精度喷液头提供了有效手段。

根据本发明的具体实施方案，其中，用于设置第一薄膜层和第二薄膜层的可光成像高分子材料选自可光成像的环氧树脂、可光成像的聚合物、光敏性硅树脂或者光敏性环氧硅氧烷等。

为了确定液体腔室和喷液孔的设置区域和位置，可以采用任何可行的手段，优选地，实施第一次曝光和第二次曝光时，分别使用掩膜确定曝光区域。

基于液体腔室和喷液孔结构各自的特点，对第一薄膜层的第一次曝光可以采用长波射线，例如采用UV光交联第一薄膜层的光可成像高分子材料，确定液体腔室的位置，第二次曝光时则适合采用波长较短、穿透能力较强的短波射线，实现更精密的曝光和显影，即，采用波长较UV光波长短的电磁波射线(例如γ射线)交联第二薄膜层的光可成像高分子材料，以利于确定喷液孔的位置。

本发明的方案中，液体腔室和喷液孔的设置均在已经形成的绝缘材料层上进行，在最终制成的喷液头中，该绝缘材料层直接作为了振动板，利于在打印时将来自压电元件的作用应力传递到液体腔室(压力室)，使喷液头的打印更加精密。所以，作为振动板的绝缘材料层优选具备一定的弹性，可以通过在共用电极表面镀上SiO₂层来实现。

根据本发明的制造方法，可以先选择利用一个基座，初步形成压电元件，即，还可以包括以下步骤：

在基座上形成剥离层，并在该剥离层上形成压电元件；以及

在形成液体腔室和喷液孔后，将基座从剥离层剥离。

进一步地，所述在剥离层上形成压电元件的方法包括：

在剥离层上依次形成驱动电极、压电体层和共用电极；

所述使基座从剥离层剥离的方法包括利用光照射基座的里侧以对剥离层产生摩蚀而使基座被剥离。

对于基座和剥离层的材料选择和设置方式，均按照常规技术，例如基座可以选择具有良好的透光性、耐热性和耐腐蚀性的材料，例如石英玻璃或钠钙玻璃；剥离层的材料则可以是非晶硅、高分子化合物、含硅或含氮化合物，例如非晶硅、金属(铝、钛、锂等)、高分子化合物(PP、PE、PET等)、氧化硅、氮化硅、氮化铝或氮化钛等。根据基座和剥离层的具体材料和性质，可以选择适当的照射光，最好是可引起剥离层中层内剥离和/或界面剥离的照射光，使剥离层产生摩蚀而将基座剥离，本发明所说的“基座的里侧”是指基座上与剥离层相背的一侧，例如，采用x射线、紫外线、可见光、红外线、毫米波或微波等电磁波照射基座与剥离层相背的一侧。

根据本发明的实施方案，可以在已经加工好的压电体元件的共用电极上实施液体腔室和喷液孔的设置加工，得到所要求的液体喷头；优选的方案是，根据所形成的液体腔室和喷液孔，对压电元件的形状再进一步处理，以更好制成所述液体喷头，即，优选的制造方法还可包括以下步骤：

将基座剥离后，在暴露出的驱动电极上涂敷抗蚀材料，并在对应于液体腔室的位置进行曝光、显影而图形化，随后利用残留的抗蚀材料作为掩膜对驱动电极和压电体层进行蚀刻，形成预定形状的压电元件，所述操作中，涂敷的抗蚀材料，以及曝光和显影处理，均为常规技术。

按照本发明的方法可以得到一种改进的液体喷头，尤其可以为压电式喷墨头，其中的液体腔室即为喷墨腔室，喷液孔即为喷墨孔，供喷墨打印设备安装。

所以，本发明还提供了一种液体喷头以及安装有该液体喷头的打印设备，基于所述一体成型喷墨头的高效率、高精度和低成本的特点，利于显著提升打印设备的性能和品质。

总之，本发明通过对液体腔室和喷液头形成工艺提出改进，制造过程更加科学合理，液体腔室与喷液头在制造上一体成型，加工中压力室和侧壁尺寸的减小也不会影响到振动板的机械强度和性能，利于提高喷液头生产过程中的成品率，而且通过一次显影是液体腔室与喷液头一体成型，避免了粘结剂的使用，从而为高效率、高精度、低成本生产高品质喷液头提供了有效手段。

附图说明

图1-图10是按照本发明实施例的方法制造喷液头过程中各制造步骤效果示意图；

图11是传统喷墨头的剖视图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例详细说明本发明实施方案，以帮助阅读者更好地理解本发明的实质内容和有益效果，但不能理解为对本发明可实施范围的任何限定。

请参照图1-10，本实施例的制造过程如下：

1、在基座1上形成剥离层2

基座1和剥离层2的材料选择以及形成方式均为常规方法，如图1所示；

作为基座1，最好是选择具有良好的透光性和耐热性材料制成，以减少光照射过程的能量衰减，有利于后续对剥离层的剥离。基座对照射光的透过率为10％以上较好，在50％以上更好。如果透过率过低，那么照射光的衰减变大，需要更大的能量来实现剥离层中层内剥离和/或界面剥离；另一方面，由于压电元件形成过程中需要达到例如400℃-900℃以上的高温，也需要底座有良好的耐热性，那么在形成压电元件时，就可以自由地进行温度设定。

基座可以是石英玻璃或钠钙玻璃制成，以利于满足透光性和耐热性需要，从提供加工强度考虑，基座还应该具有一定厚度，但本发明对此没有特别的限制，综合考虑透光率和强度特性，一般选择厚度在0.5mm-1.5mm左右较好。当然，如果该基座对照射光的透过率较高，在成本许可的前提下可以选择厚度更大的基座。

剥离层2的设置是为了在完成腔室和喷液孔的加工后将基座剥离，二者的剥离方法以及剥离层的设置均按照公知方法实施即可。剥离层2的材料可以是非晶硅、金属(铝、钛、锂等)、高分子化合物(PP、PE、PET等)、氧化硅、氮化硅、氮化铝、氮化钛中的一种，尤其是可以选择能够在照射光作用下实现层内或界面剥离的材料。剥离层的厚度通常在40nm-1μm左右。剥离层的厚度过薄不利于随后部件加工的薄层均匀性，而如果剥离层的厚度过厚也会增加剥离的难度和成本，例如通过照射剥离时，势必需要增强照射光功率(光量)。

2、在剥离层2上形成压电元件

所述压电元件的结构及构成方法均按照常规手段完成，包括驱动电极、压电体层和共用电极的依次设置；例如图2所示，具体过程可以描述为：

1)形成驱动电极3a

通过电子束蒸镀法或溅射法，在剥离层2上形成驱动电极3a，与现有技术相同，采用贵金属材料形成驱动电极层，例如可以是白金(Pt)或金(Au)等，而形成方式没有特殊限制；

2)在驱动电极3a上形成压电体层3b

可以采用溶胶-凝胶法、MOD法或水热法等，在驱动电极3a上形成压电体层3b；

作为压电体层3b的材料，优选采用钙钛矿结构的材料，具体材料种类按照常规技术选择即可，例如可以采用以锆钛酸铅[Pb(Zr，Ti)O₃:PZT]为主要成分的材料，也可以使用铌镁酸铅和钛酸铅的固溶体[Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃:PMN-PT]、锌铌酸铅和钛酸铅的固溶体[PbZn_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃:PZN-PT]等；

3)形成共用电极3c

在压电体层3b上通过电子束蒸镀或溅射法等形成驱动电极3c，采用导电性材料，例如形成钛(Ti)层、白金(Pt)层或钛层叠层等。

为利于后续液体腔室薄膜和喷空薄膜的加工，此时对压电体元件的设置可以先形成较大尺寸，供后续进一步处理成型为与喷墨腔室相匹配的形状和尺寸。

3、在共用电极3c上形成弹性的绝缘层4

在共用电极3c上镀上绝缘材料，例如SiO₂，形成绝缘层4，参见图3。该过程的目的是在压电元件与喷墨腔室之间设置能提供一定韧性的绝缘层，可以通过任何可行的方法，例如物理气相沉积法(PVD)实现镀膜，该绝缘层可以作为压电式喷墨头的振动板，所以要求有一定的强度和韧性(也称弹性)，材料不限于所述的SiO₂，厚度可以控制在1μm左右。

4、在绝缘层4上形成第一薄膜层5a

参见图4，用常规的旋涂方法在绝缘层(SiO₂)上涂覆可交联的聚合物材料形成第一薄膜层5a，并通过化学机械抛光(CMP)使该聚合物薄膜层5a的上表面平坦；

该过程使用的可交联的聚合物材料为公知的可光成像高分子材料，例如可光成像的环氧树脂(诸如常用的光刻胶SU8等)、可光成像的聚合物、光敏性硅树脂或者光敏性环氧硅氧烷等，因该第一薄膜层5a用于形成喷墨腔室，也称液体腔室薄膜层。

5、在第一薄膜层5a上曝光确定喷墨腔

按照喷墨腔室的结构要求，在该第一薄膜层上设定区域实施曝光。

参见图5，可以设置掩膜6a，光固交联第一薄膜层5a，例如可以采用UV光7a实施第一次曝光，以确定喷墨腔8a的位置、形状和面积。

6、喷墨腔室及喷墨孔的形成

在已经被交联的第一薄膜层上再次涂覆可交联的聚合物材料，形成第二薄膜层，并按照喷墨孔的设计要求在经第一次曝光的第一薄膜层上设定区域实施第二次曝光，确定喷墨孔的位置、形状和面积，该第二薄膜层用于形成喷墨孔，所以也称喷孔薄膜层；

利用显影液显影去除第一薄膜层和第二薄膜层未曝光材料，从而形成喷墨腔和喷墨孔。

该过程的具体操作如下：

参见图6，用常规的旋涂方法在实施第一次曝光后的第一薄膜层5a上再次涂覆可交联的聚合物材料，该聚合物材料的选择标准与第一薄膜层5a相同，为方便操作，一般使用与第一薄膜层5a相同的可光成像高分子材料，形成第二薄膜层5b，同样地，使该薄膜层表面平坦；

参见图7，根据设定的喷墨孔结构，采用掩膜6b，用相比于UV光波长较短的电磁波射线，选择波长尽可能小的电磁波，目的是利于加工出尺寸较喷墨腔室更小且内壁光滑的喷墨孔，例如波长短且穿透力较强的γ射线7b交联第二薄膜层5b，实施第二次曝光，确定喷墨孔9a的形状和面积；

完成第二次曝光后即可用显影液(如PMEGA液)显影，同时去除第一薄膜层5a和第二薄膜层5b的未曝光区域8a和9a的薄膜材料，形成喷墨腔8和喷墨孔9，参见图8。

7、剥离基座

完成喷墨腔和喷墨孔加工后，将基座从剥离层剥离；本实施例中，具体方法可以有：

参见图9，从基座1的里侧(基座背离剥离层的表面)设置照射光7c，由于基座具有适当的透光率和耐热性，照射光的能力会对剥离层2产生摩蚀，实现与基座1剥离。作为照射光7c，最好是可引起剥离层中层内剥离和/或界面剥离的照射光，例如可采用x射线、紫外线、可见光、红外线(热射线)、毫米波、微波等各波长的电磁波，可以根据基座的性质进行选择。

8、压电元件的成型

脱除基座后，在暴露出的驱动电极上涂敷抗蚀材料，在对应于喷墨腔室的位置进行曝光、显影而图形化，随后利用残留的抗蚀材料作为掩膜对驱动电极和压电体层进行蚀刻，最终形成预定形状的压电元件。

具体地，由于基座的脱除，使驱动电极3a被暴露出，在该驱动电极3a表面旋涂抗蚀材料，在相应应形成喷墨腔室的位置进行曝光(可以利用掩膜)、显影而图形化，将未曝光的抗蚀材料去除，而留下的抗蚀材料(对应于喷墨腔室形成位置，已经被曝光而固化的材料)作为掩膜通过离子研磨等方法蚀刻驱动电极3a和压电体层3b，从而形成预定形状压电元件3，参见图10。

经以上过程即完成喷墨打印设备喷液头的加工，形成的喷墨腔室8成为压力室，其设置在绝缘层4上，由于绝缘层4为弹性材料膜层，因此在打印设备工作中起到振动板的作用，绝缘膜层4与压电元件3一起振动，使喷墨腔室8的体积改变，把墨水从喷墨孔9挤出，完成打印。

从打印效果和加工性能考虑，可以选择在压电元件的共用电极表面镀膜SiO₂形成弹性绝缘膜层4，并充当振动板。

如图10所示意，该液体喷头的结构可以包括：

一个压电元件3，包括驱动电极3a、压电体层3b和共用电极3c；

设置在压电元件3表面的振动板4，该振动板4为弹性绝缘材料膜层，优选为SiO₂膜层；

设置在振动板4上的若干薄膜层，包括第一薄膜层(喷墨腔室薄膜层)5a和第二薄膜层(喷孔薄膜层)5b，第一薄膜层形成喷墨腔室8，第二薄膜层则形成喷墨孔9。

在上述的实施例中，是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，但凡应用本发明的基本思想加工压力室的方案，均应被涵盖于本发明的保护范围内，即，本发明的设计思想应用于各种液体喷头。

Claims

1.一种液体喷头的制造方法，包括以下步骤：

在压电元件的共用电极表面设置绝缘材料层作为振动板；

2.根据权利要求1所述的液体喷头的制造方法，其中还包括以下步骤：

在基座上形成剥离层，并在该剥离层上形成压电元件；以及

在形成所述液体腔室和喷液孔后，将基座从剥离层剥离。

3.根据权利要求2所述的液体喷头的制造方法，其中，

在剥离层上形成压电元件的方法包括在剥离层上依次形成驱动电极、压电体层和共用电极；

4.根据权利要求3所述的液体喷头的制造方法，其中，所述照射光包括选自x射线、紫外线、可见光、红外线、毫米波或微波的电磁波。

5.根据权利要求2或3所述的液体喷头的制造方法，其中，所述基座的材料包括石英玻璃或钠钙玻璃；所述剥离层的材料选自非晶硅、金属、高分子材料、氧化硅、氮化硅、氮化铝或氮化钛。

6.根据权利要求2或3所述的液体喷头的制造方法，其中还包括以下步骤：

将基座剥离后，在暴露出的驱动电极上涂敷抗蚀材料，并在对应于液体腔室的位置进行曝光、显影而图形化，随后利用残留的抗蚀材料作为掩膜对驱动电极和压电体层进行蚀刻，形成预定形状的压电元件。

7.根据权利要求1所述的液体喷头的制造方法，其中，用于设置第一薄膜层和第二薄膜层的可光成像高分子材料选自可光成像的环氧树脂、可光成像的聚合物、光敏性硅树脂或者光敏性环氧硅氧烷。

8.根据权利要求1或7所述的液体喷头的制造方法，其中，实施第一次曝光和第二次曝光时，分别使用掩膜确定曝光区域。

9.根据权利要求8所述的液体喷头的制造方法，其中，第一次曝光时采用UV光交联第一薄膜层的光可成像高分子材料，第二次曝光时采用波长较UV光波长短的电磁波射线交联第二薄膜层的光可成像高分子材料。

10.根据权利要求9所述的液体喷头的制造方法，其中，所述波长较UV光波长短的电磁波射线选自短波射线。

11.根据权利要求10所述的液体喷头的制造方法，其中，所述波长较UV光波长短的电磁波射线包括γ射线。

12.根据权利要求1所述的液体喷头的制造方法，其中，所述绝缘材料层为SiO₂层。

13.一种液体喷头，该液体喷头为按照权利要求1-12任一项所述方法制造而成。

14.根据权利要求13所述的液体喷头，其为压电喷墨头，其中的液体腔室为喷墨腔室，喷液孔为喷墨孔。

15.一种打印设备，其中设置有权利要求13或14所述的液体喷头。