CN103252997A - 一种液体喷头及其制造方法 - Google Patents
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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的两端固定的两端支持梁压电元件；设置在硅基板上的供墨通道；和与液体腔室连通的喷嘴孔；液体腔室和喷嘴孔共同由设置在硅基板表面上的一个或多个高分子膜层形成。高分子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高精度的制造出高密度喷嘴孔排列的两端支持梁结构的液体喷头。解决了现有液体喷头成品率低、制造成本高和打印质量低的技术问题。
Description
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，主要有以下三种类型，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腔室，通过压电元件和振动板的变形，使得压力腔室体积发生变化，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，从而难以实现喷嘴孔的高密度排列(参照中国专利CN02105630.7)。
另一种是在将压电元件和振动板以悬臂梁的形式设置在压力腔室内，见日本专利JP3-124449(图6)，图6中，101硅基板；102腔室；103喷孔；104振动板；105下电极；106压电膜；107上电极；108储液室；109边框。
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喷嘴孔中喷出，因此，这种喷头可以在较低的电压下工作，并且可以在保持喷出液体量不变的情况下，减小致动器的总体面积，从而实现喷嘴孔的高密度排列。但是，由于压电悬臂梁只有一端固定，另一端自由可动，这样，当悬臂梁较长时，悬臂梁结构比较脆弱，会导致喷头的寿命降低，并且悬浮的自由端非常难控制，这会引起喷出的墨滴大小不一致，从而降低打印质量。
最后一种是在将压电元件和振动板以两端支持(桥式)梁的形式设置在压力腔室内，见日本专利JP3-124448(图7A)和JP1989267047(图7B)，图7A中，201硅基板；202腔室；203喷孔；204振动板；205下电极；206压电膜；207上电极；208储液室；209边框。图7B中，301喷嘴；302喷嘴板；303下电极；304压电膜；305上电极。
这样的结构优势一方面在于桥中间部分不受衬底的制约，因此，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喷嘴孔中喷出。另一方面，由于压电两端支持(桥式)梁的两端固定，因此，避免了压电悬臂梁结构中，仅一端固定，而另一端自由可动所引起的结构脆弱、可靠性低、不容易控制等问题。因此，基于压电两端支持(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的可靠性，又兼顾了喷头的工作效率。
但是，在日本专利申请JP1989267047提到的压电两端支持(桥式)梁的液体喷头是通过装配加工方法实现的，由于装配加工对工装夹具的精度要求非常高，从而导致制造成本很高；在日本专利申请平3-124448中提到的压电两端支持(桥式)梁的液体喷头是用硅基板作为腔室和喷嘴孔，由于硅基板比较薄并且脆，加工起来很容易产生裂纹，如果要高精度的制造高密度排列的喷嘴孔和压力腔室很困难。
发明内容
本发明提供一种液体喷头及其制造方法，以解决现有液体喷头成品率低、制造成本高和打印质量低的技术问题。
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的两端固定的两端支持梁压电元件；
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，所述液体腔室和喷嘴孔共同由设置在所述硅基板表面上的一个或多个高分子膜层形成。
所述硅基板和压电元件之间设置有绝缘膜。
所述硅基板对应所述压电元件的下方还设置有凹部。
所述两端支持梁压电元件的两端与硅基板相连，作为两端支持梁的固定端，形成两端支持梁结构。
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。
所述压电元件一个表面设置有绝缘保护层，所述压电元件另一表面设有振动板，所述绝缘保护层的材料为二氧化硅(SiO2)、碳化硅(SiC)或氮化硅(Si3N4)，所述振动板的材料为二氧化硅(SiO2)。
所述压电元件与所述硅基板之间有活动的空间，所述压电元件与所述喷嘴孔之间有活动的空间。
本发明还提供上述液体喷头的制造方法，其特征是，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一个或多个高分子膜层；
三、通过曝光一个或多个高分子膜层，并显影形成液体腔室以及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。
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、在所述填平凹部的硅基板的一个面上形成绝缘膜；D、在所述绝缘膜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。
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：在所述压电元件另一表面设置振动板。
所述的填充材料为多晶硅或PSG。
所述步骤二中的高分子膜层材料是可光成像的高分子材料，包括可光成像的环氧树脂、光敏性硅树脂或者光敏性环氧硅氧烷。
所述步骤三中采用不同波长的电磁波交联可成像的高分子膜层。
在采用了上述技术方案后，由于液体腔室和喷嘴孔共同由设置在所述硅基板表面上的一个或多个高分子膜层形成，高分子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高精度的制造出高密度喷嘴孔排列的两端支持梁结构的液体喷头。
附图说明
图1是本发明第一实施例的喷头的剖视图。
图2是本发明一实施例的喷头的立体图。
图3A-图3N示出了本发明第一实施例的喷头在各制造步骤中形成的剖视图。
图4A-图4B示出了本发明第二实施例的喷头在各制造步骤中形成的剖视图。
图5A-图5C示出了本发明第三实施例的喷头在各制造步骤中形成的剖视图。
图6是传统压电式悬臂梁结构的液体喷头示意图。
图7A-7B是传统压电式两端支持(桥式)梁液体喷头的示意图。
图1-5C中标号说明：
1硅基板；2凹部；3填充材料；4a、4b硅基板上、下表面；5绝缘膜；6压电元件；6a下电极；6b压电层；6c上电极；7振动板(绝缘膜)；8a、8b液体腔室高分子膜层；8c喷嘴孔高分子膜层；9a、9b掩膜；10液体腔室；11、11′UV光；12、12′γ射线；13喷嘴孔；14、15供墨通道；16两端支持梁即桥式梁；17缝隙。
具体实施方式
下列将通过实施例详细描述本发明：
图1和图2分别是本发明一实施例的液体喷头的剖视图和立体图，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高分子膜层，压电元件薄膜层6a/6b/6c、喷嘴孔板膜层8c；所述若干高分子膜层在液体腔室位置处的部分即液体腔室高分子膜层8a/8b形成液体腔室10、压电元件6和所述若干高分子膜层在喷嘴孔13位置处的部分形成喷嘴孔13；压电元件6由压电元件薄膜层形成的下电极6a、压电层6b和下电极6c，所述压电元件设置在液体腔室10内部，其两端固定在所述的硅基板1上，形成两端支持梁即桥式梁结构16；所述压电元件6的下表面极靠着硅基板的那个面覆盖绝缘保护层5，上表面即靠着喷嘴孔板的那个面设有振动板7；所述喷嘴孔13与所述液体腔室10连通；所述供墨通道14与凹部2连通。
结合图1和图2简要说明下喷头喷墨的工作原理：当压电元件6接收到电信号后，其瞬间的变形会给振动板7一较大的应力，此时，振动板5会和压电元件6一起振动，也就是两端支持梁即桥式梁16振动，振动产生的压力波会将墨水从喷嘴孔13挤出，并且墨盒(未画出)中的墨水会通过供墨通道14和凹槽2，经过两端支持梁即桥式梁16两边的缝隙17补给到腔室10中。所述压电元件6的非固定端部分与所述的硅基板1和喷嘴孔板薄膜层8c之间都有一定的空间，可以使压电元件6的非固定端部分在振动时有活动空间。
图3A-图3N示出了本发明第一实施例的喷头在各制造步骤中形成的剖视图：
图3A：通过离子铣削法在基底硅1上形成一凹部2，基底硅为单晶硅；
图3B：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3C：在基底硅的一个面4a上形成绝缘膜5，其组分可以是二氧化硅(SiO2)、碳化硅(SiC)或氮化硅(Si3N4)，可以通过物理气相沉积法(PVD)形成，其主要作用是保护下电极不受墨水的腐蚀。
图3D：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(Ti)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。作为压电体层6b的材料，例如优选由以锆钛酸铅[Pb(Zr，Ti)O3: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(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3:PMN-PT]、锌铌酸铅和钛酸铅的固溶体[Pb Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3: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3E：振动板7形成工序
在上电极6c上镀上绝缘材料，例如SiO2，形成振动板7。该过程的目的是在压电元件与液体腔室之间设置一绝缘层，既作为振动板与压电元件一起振动，又作为绝缘层防止压电元件被墨水腐蚀，要求其具有一定韧性(也称弹性)和强度，材料不限于所述的SiO2，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，厚度可以控制在1μm左右。
图3F：图案化压电元件
在振动板7表面旋涂抗蚀材料，在相应应形成液体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(对应于液体腔室形成位置，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振动板7、压电元件6和绝缘膜5，从而形成预定的形状。
图3G-图3M：曝光显影步骤
图3G：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；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)、光敏性硅树脂或者光敏性环氧硅氧烷等。
图3H：采用掩膜9a，用常规的电磁波如UV光11交联被曝光层8a。
图3I：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3J：采用掩膜9a，用常规的电磁波如UV光11交联被曝光层8b，其被用来确定液体腔室10的位置、形状和面积。
图3K：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3L：采用掩膜9b，选择波长尽可能小的电磁波做为曝光源，其目的是利于加工出尺寸较液体腔室更小且内壁光滑的喷嘴孔，可以选择波长短且穿透力较强的γ射线12交联被曝光层8c，其被用来确定喷嘴孔13的位置、形状和面积。
图3M：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和13a形成液体腔室10和喷嘴孔13。
图3N：供墨通道形成步骤
通过湿法蚀刻、干法蚀刻、喷砂开槽或激光法中的一种或几种在硅基底的一个面4b上开槽形成供墨通道14。
图4A-图4B示出了本发明第二实施例的喷头在各制造步骤中形成的剖视图。
与第一实施例在硅基板上形成凹部不同，本实施例是先在硅基板上形成绝缘膜，压电元件，振动板，腔室和喷嘴孔，然后在硅基板的背面直接开槽形成供墨通道。
图4A：首先在基底硅1的一个面4a上形成绝缘膜5，再在上面形成压电元件6，振动板7，液体腔室10以及喷嘴孔13，制造步骤跟上一实施例相同。
图4B：通过湿法蚀刻、干法蚀刻、喷砂开槽或激光法中的一种或几种在基底的另一面4b上开槽形成供墨通道15。
图5A-图5C示出了本发明第三实施例的喷头在各制造步骤中形成的剖视图。
与第一实施例在硅基板上形成多个高分子膜层不同，本实施例是形成一层厚的高分子膜层，通过两次光照强度不一样的曝光确定液体腔室和喷嘴孔的位置、形状和面积，最后显影形成液体腔室和喷嘴孔。
图5A：在基底硅(单晶硅)1上形成一凹部2并用材料填平，再在基底硅上形成绝缘膜5，压电元件6，振动板7，最后用常规的旋涂方法在压电元件6的两侧及上端涂覆可交联的聚合物材料形成较厚的高分子膜层8，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)、光敏性硅树脂或者光敏性环氧硅氧烷等。
图5B：采用掩膜9a，用高强度电磁波，如较强的UV光11′，交联被曝光层8，其被用来确定液体腔室10的位置、形状。
图5C：采用掩膜9b，用低强度的电磁波，如较弱的γ射线12′，继续交联被曝光层8，其被用来确定喷嘴孔13的位置、形状和面积，结合步骤图5B再次确定液体腔室10的面积。
最后用显影液去除未曝光区域10a和13a形成液体腔室10和喷嘴孔13，通过湿法蚀刻、干法蚀刻、喷砂开槽或激光法中的一种或几种在硅基底的一个面4b上开槽形成供墨通道14，形成的结构跟图3N的一样。
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喷头。
Claims (15)
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；
设置在所述液体腔室内部的两端固定的两端支持梁压电元件；
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，所述液体腔室和喷嘴孔共同由设置在所述硅基板表面上的一个或多个高分子膜层形成。
2.如权利要求1所述的液体喷头，其特征是，所述硅基板和压电元件之间设置有绝缘膜。
3.如权利要求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.如权利要求1所述的液体喷头，其特征是，所述两端支持梁压电元件的两端与硅基板相连，作为两端支持梁的固定端，形成两端支持梁结构。
5.如权利要求1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，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。
6.如权利要求1所述的液体喷头，其特征是，所述压电元件一个表面设置有绝缘保护层，所述压电元件另一表面设有振动板，所述绝缘保护层的材料为二氧化硅(SiO2)、碳化硅(SiC)或氮化硅(Si3N4)，所述振动板的材料为二氧化硅(SiO2)。
7.如权利要求1所述的液体喷头，其特征是，所述压电元件与所述硅基板之间有活动的空间，所述压电元件与所述喷嘴孔之间有活动的空间。
8.一种上述液体喷头的制造方法，其特征是，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一个或多个高分子膜层；
三、通过曝光一个或多个高分子膜层，并显影形成液体腔室以及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。
9.如权利要求8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。
10.如权利要求9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：A、在硅基板上形成凹部；B、用填充材料来填平凹部；C、在所述填平凹部的硅基板的一个面上形成绝缘膜；D、在所述绝缘膜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。
11.如权利要求8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。
12.如权利要求8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：在所述压电元件另一表面设置振动板。
13.如权利要求10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。
14.如权利要求8所述液体喷头的制造方法，其特征是，所述步骤二中的高分子膜层材料是可光成像的高分子材料，包括可光成像的环氧树脂、光敏性硅树脂或者光敏性环氧硅氧烷。
15.如权利要求8所述液体喷头的制造方法，其特征是，所述步骤三中采用不同波长的电磁波交联可成像的高分子膜层。
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