CN103935127B - 液体喷头制造方法、液体喷头和打印装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种液体喷头制造方法、液体喷头和打印装置，其中方法包括在基板上表面依次层叠振动板、下电极、压电陶瓷薄膜层和上电极，所述下电极、压电陶瓷薄膜层和上电极形成压电元件；通过等离子体增强化学气相沉积法在所述压电元件的上表面和侧面形成氮化硅保护膜，所述氮化硅保护膜的内应力为压应力。本发明通过等离子体增强化学气相沉积法在所述压电元件的上表面和侧面形成氮化硅保护膜，氮化硅保护膜的内应力为压应力，所以可以防止墨水接触到压电陶瓷薄膜层，可以更可靠地防止压电陶瓷薄膜层被墨水腐蚀破坏，并且氮化硅保护膜的内应力为压应力，因此可以有效防止振动板的位移量减小。

Description

液体喷头制造方法、液体喷头和打印装置

技术领域

本发明涉及打印设备技术，尤其涉及一种液体喷头制造方法、液体喷头和打印装置。

背景技术

打印设备的液体喷头是通过压电元件和振动板的变形，使液体喷头的压力腔室的体积发生变化，从而将压力腔室中的墨水从液体喷头的喷嘴喷出，实现打印设备的打印操作。

现有技术中，打印设备中的液体喷头通过压电元件作为振动源把墨水喷出，主要有两种类型：一种液体喷头是压电元件和振动板设置于压力腔室的外部，通过压电元件和振动板的变形，使得压力腔室的体积发生变化，从而把墨滴从喷嘴喷出。另一种液体喷头是将振动板设置在压力腔室内部，形成悬臂梁或振动梁结构，通过向振动板上的压电元件施加电压而使振动板发生振动，压力腔室内的墨水因为振动板的振动而从喷嘴喷出。

压电元件包括依次层叠的下电极、压电陶瓷薄膜层和上电极层。由于压电元件置于压力腔室的墨水中，因而需要对压电元件进行防墨水腐蚀保护。现有技术中，在液体喷头中每个压电元件的上电极上表面以及压电元件的侧表面设置保护膜，其中，保护膜的材料为氧化硅或有机材料(光敏的聚酞亚胺)。但是，上述保护膜中产生的应力可以是张应力(如图1A所示)，所以有压缩力作用在压电元件上，导致压电元件驱动振动板产生的位移量下降。

为了使压电元件的保护膜的应力为压应力(如图1B所示)，另一种现有技术中，通过用氧化铝作为保护膜，且保护膜的应力与压电元件的应力之和为压应力，可以增大压电元件驱动振动板产生的位移量，但氧化铝为碱性氧化物，不能置于具有酸性的墨水中，且氧化铝置于墨水中时，氧化铝保护膜的致密度不足以防止墨水对液体喷头的压电元件的渗透，从而导致压电元件容易被墨水腐蚀破，影响打印装置的打印质量。

发明内容

本发明提供一种液体喷头制造方法、液体喷头和打印装置，用于解决现有技术中液体喷头的压电元件容易被墨水腐蚀且振动板产生的位移量下降的技术缺陷。

本发明提供的液体喷头制造方法，包括：

在基板上表面依次层叠振动板、下电极、压电陶瓷薄膜层和上电极，所述下电极、压电陶瓷薄膜层和上电极形成压电元件；

通过等离子体增强化学气相沉积法在所述压电元件的上表面和侧面形成氮化硅保护膜，所述氮化硅保护膜的内应力为压应力。

本发明提供的液体喷头，该液体喷头是用如上所述的液体喷头制造方法制造的。

本发明提供的打印装置，该打印装置上设置有如上所述的液体喷头。

本发明提供的液体喷头制造方法、液体喷头和打印装置，通过等离子体增强化学气相沉积法在所述压电元件的上表面和侧面形成氮化硅保护膜，氮化硅保护膜的内应力为压应力，所以可以防止墨水接触到压电陶瓷薄膜层，可以更可靠地防止压电陶瓷薄膜层被墨水腐蚀破坏，并且氮化硅保护膜的内应力为压应力，因此可以有效防止振动板的位移量减小。

附图说明

图1A为现有的液体喷头的压电元件上的保护膜受到压应力时的变形示意图；

图1B为现有的液体喷头的压电元件上的保护膜受到张应力时的变形示意图；

图2为本发明实施例提供的液体喷头制造方法的流程图；

图2A为图2中步骤100的一种具体实施方式的流程图；

图3A-图3K为本发明实施例提供的液体喷头制造方法的制造过程示意图；

图4A为本发明实施例提供的液体喷头在振动板远离喷嘴时的状态示意图；

图4B为本发明实施例提供的液体喷头在振动板靠近喷嘴时的状态示意图；

图4C为本发明实施例提供的液体喷头在振动板恢复原形时的状态示意图。

具体实施方式

图2为本发明实施例提供的液体喷头制造方法的流程图；如图2所示，本实施例提供的液体喷头制造方法，包括：

步骤100，在基板上表面依次层叠振动板、下电极、压电陶瓷薄膜层和上电极，所述下电极、压电陶瓷薄膜层和上电极形成压电元件。

图2A为图2中步骤100的一种具体实施方式的流程图；图3A-图3K为本发明实施例提供的液体喷头制造方法的制造过程示意图；如图2A所示，具体地，步骤100，在基板上表面依次层叠振动板、下电极、压电陶瓷薄膜层和上电极，所述下电极、压电陶瓷薄膜层和上电极形成压电元件；可以包括：

步骤101，在基板上表面形成二氧化硅层，在所述二氧化硅层上表面形成氮化硅层，所述二氧化硅层和氮化硅层形成振动板；所述二氧化硅层的厚度为0.5μm-1.0μm，所述氮化硅层的厚度为0.2μm～0.6μm。

如图3A所示，在基板1的上表面形成二氧化硅层31，具体是将作为基板1的硅片在含有氧气或水蒸气的氧化性环境中进行高温处理(如氧化温度为1180℃，通干燥氧气，时间为10分钟，接着通潮湿氧气，时间约为9小时，然后通干燥氧气，时间为30分钟)，形成二氧化硅层31。如图3B所示，在二氧化硅层31上通CVD法或PVD法生长氮化硅层32。其中，二氧化硅层31的厚度可为0.5μm～1.0μm，氮化硅层32的厚度可为0.2μm～0.6μm。二氧化硅层31和氮化硅层32用于形成振动板。在形成二氧化硅层31的过程中，由于需要1180℃的高温氧化处理过程，很容易导致热应力的产生，在降温过程中，基板1和二氧化硅层31内部残留张应力，导致二氧化硅层31发生翘曲变形。

步骤102，在所述氮化硅层上表面形成下电极，所述下电极为铂金层或铱层，或铂金与铱组成的复合层；所述下电极的厚度为0.1μm～0.2μm。

如图3C所示，在氮化硅层32上形成压电元件，具体地，在氮化硅层32上形成下电极41。下电极41为在氮化硅层32上形成的铂金(Pt)层或铱(Ir)层或铂金和铱组成的复合层，下电极41的厚度可以为0.1μm～0.2μm，可通过溅射法等使铂金或铱等附着在氮化硅层32上。

另外，为提高下电极41在氮化硅层32上的紧密度，还可在下电极41形成之前，通过溅射法或真空电镀法形成由钛组成的钛层(图中未示)，在钛层上形成下电极41。

步骤103，在所述下电极上表面形成压电陶瓷薄膜层，所述压电陶瓷薄膜层为压电薄膜材料形成，厚度为1.0μm～1.5μm。

如图3D所示，在下电极41上表面形成压电陶瓷薄膜层42，压电陶瓷薄膜层42可以由压电薄膜材料形成，本实施例中，形成压电陶瓷薄膜层42的材料可以优选为：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(Mg_l/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]等材料。

具体地，在下电极41上表面旋涂压电体前驱体膜，通过烧结使压电体前驱体结晶，形成具有压电效应的薄膜晶体层。通过该烧结工艺，压电体前驱体膜由非结晶状态变成菱面体结晶构造，向呈机电转换作用的薄膜变化。每次形成压电陶瓷层的厚度约70nm-200nm，为了形成压电陶瓷薄膜层42，所需的厚度，可以通过多次重复进行如上的前驱体膜的形成和烧结工艺。假设烧结一次涂敷的前驱体膜的膜厚为200nm，将其重复六次，则压电陶瓷薄膜层42的厚度为1.2um，每次的烧结温度约为650-700℃，每次烧结时间为30-60分钟。通过多次的薄膜生长，可以依次受到下层的压电体膜的影响结晶生长，使压电陶瓷薄膜层42有良好的结晶取向度。同理，由于需要650-700℃的高温和长时间的烧结处理过程，很容易导致热应力的产生，在降温过程中，压电元件残留张应力，导致压电元件发生翘曲变形。

步骤104，在所述压电陶瓷薄膜层上表面形成上电极，所述上电极为铂金层或铱层，或铂金与铱组成的复合层；所述上电极的厚度为0.05μm～0.1μm。

如图3E所示，上电极43是在压电陶瓷薄膜层42上表面形成的铂金(Pt)层或铱(Ir)层或铂金和铱组成的复合层，上电极43的厚度可以为0.05μm～0.1μm。具体可以采用上述形成下电极41的方法实现，在此不再赘述。下电极41、压电陶瓷薄膜层42和上电极43形成压电元件4。

步骤200，通过等离子体增强化学气相沉积法在所述压电元件的上表面和侧面形成氮化硅保护膜，所述氮化硅保护膜的内应力为压应力。

如图3F，在压电元件4的上电极43的上表面以及压电元件的侧面氮化硅材料形成的氮化硅保护膜9，将压电元件4覆盖。此时，在本发明中，通过等离子体增强化学气相沉积法(Plasma Enhanced Chemical VaporDeposition，简称PECVD)工艺形成氮化硅保护膜9，其厚度为100-400nm，压应力为0.5-2.0GPa，密度为2.3-3.0g/cm³的氮化硅保护膜。

氮化硅保护膜9即使在厚度很小的情况下，对水也具有非常低的渗透性，所以可以通过用氮化硅保护膜9覆盖上电极43的上表面以及压电元件4的侧面，可以防止墨水接触到压电陶瓷薄膜层42，可以更可靠地防止压电陶瓷薄膜层42由于墨水所导致的腐蚀破坏。

优选地，氮化硅保护膜9具有2.3-3.0g/cm³的膜密度，还具有150-210GPa的杨氏弹性模量。具有上述性能的氮化硅保护膜9覆盖压电元件4外表面，可以防止墨水渗透入压电元件4中，并且不会妨碍压电元件4的位移。

氮化硅保护膜9的应力为压应力。氮化硅保护膜9的应力指的是在氮化硅保护膜9膜内产生的内应力(膜应力)，应力σ由氮化硅保护膜9的杨氏弹性模量Y、应变ε和膜厚m表示，即ε×Y×m。通过多次测试发现，本技术方案认为：氮化硅保护膜9的应力为压应力，且压应力在0.5-2.0GPa条件下，能达到较好的压电元件4的振动位移。

位于压力腔室2内的区域中的压电元件4的内应力在制造过程中形成，随后在降温中被释放。具体而言，在压电元件4下形成压力产生腔2之后，压电陶瓷薄膜层42在拉伸方向上的内应力(张应力)松弛，并且在一个方向(受压方向)上产生力使得振动板向着压力腔室变形。

但是，在本实施例中，压电元件4被氮化硅保护膜9覆盖，并且氮化硅保护膜9的应力是压应力。因此，在形成压力腔室2之后，氮化硅保护膜9应力(压应力)释放，使得沿拉伸方向上的力作用在压电元件4上，可以有效地防止通过压电元件4的驱动导致的振动板3的位移量的减小，同时可靠地防止压电陶瓷薄膜层42在墨水腐蚀影响下而破坏。

本实施例提供的液体喷头制造方法，通过等离子体增强化学气相沉积法在所述压电元件的上表面和侧面形成氮化硅保护膜9，氮化硅保护膜9的内应力为压应力，所以可以防止墨水接触到压电陶瓷薄膜层42，可以更可靠地防止压电陶瓷薄膜层42被墨水腐蚀破坏，并且氮化硅保护膜9的内应力为压应力，因此可以有效防止振动板的位移量减小。

在上述实施例提供的液体喷头制造方案技术方案的基础上，进一步地，等离子体增强化学气相沉积法的反应气体为SiH₄和NH₃，载气为惰性气体，例如可以为Ar等隋性气体；其中，SiH₄和NH₃的流量比为0.1～4.0，SiH₄的浓度用N₂稀释到12％；氮化硅保护膜的沉积温度为200℃至400℃之间，反应压强为100mTorr至500mTorr之间；射频功率源的功率为100W～300W，频率为50KHz～500KHz。

本实施例中，为了生成具有压应力的氮化硅保护膜9，需要功率为100至300W的低频功率源，频率为50-500KHz。如果需要生成具有张应力的氮化硅保护膜9，需要功率为100至300W的射频功率源，频率为13.56MHz。

通入反应源气体后，在以上条件下发生一系列化学反应：SiH₄+NH₃→SiNx+H₂↑其中1.0≤x≤1.4。调节工艺参数，可以生成具有不同压应力的氮化硅保护膜9。工艺参数调节方式如下：

a、反应温度：随着反应温度的变化，无论是生成张应力还是压应力薄膜，都与其成正比关系，因此在工艺要求允许的情况下尽量提高反应温度可以提高应力。

b、反应压强：随着反应压强的变化，张应力与压应力变化相反:对于张应力来说与其成正比，对于压应力来说与其成反比。

c、低频功率：随着低频功率的提高，张应力薄膜应力减小，压应力薄膜应力增大。

d、隋性气体流量：随着惰性气体流量的提高，压应力薄膜应力增大，而张应力薄膜与其无关。

f、SiH₄与NH₃流量比：随着SiH₄与NH₃流量比的提高，张应力薄膜应力减小，压应力薄膜应力没有发生变化。

g、反应气体总流量：张应力与压应力薄膜与反应气体总流量成反比，随着反应气体总流量的提高，其应力均会减小。

由以上分析可知，通过改变PECVD的工艺参数，就能得到所需要的张应力或压应力的氮化硅保护膜9。为了得到本技术方案需要的压应力值，制作了下述表1所示的成膜条件，来说明氮化硅保护膜的应力大小。

表1

通过表1说明，在生长氮化硅保护膜时，沉积温度200℃至370℃，射频功率源的频率为100-300KHz，功率为150-300W，形成氮化硅保护膜的压应力为0.5-2.0GPa之间。

在上述实施例提供的液体喷头制造方法技术方案的基础上，进一步地，在步骤200之后还包括：

在所述上电极上表面旋转涂覆抗腐材料，以涂覆的抗蚀材料作为掩膜，进行曝光和显影处理，将未涂覆抗蚀材料的部分去掉，形成压电元件。

如图3F所示，在上电极43上表面旋转涂覆抗腐材料，以涂覆的抗蚀材料作为掩膜，进行曝光和显影处理，采用刻蚀的方法将压电元件4中未涂覆抗蚀材料的部分去掉，形成压电元件4。

如图3G所示，在所述氮化硅层上表面涂覆抗腐材料，并进行曝光、显影和刻蚀处理，形成供墨通道。

在所述基板的下表面刻蚀形成变形空腔，所述振动板搭设在所述变形空腔上。

具体的，在形成振动板3及压电元件4后，可在上电极43上旋转涂覆抗蚀材料，以涂覆的抗蚀材料作为掩膜，进行曝光、显影处理，然后采用刻蚀的方法将压电元件4中未涂覆抗蚀材料的部分去掉，在振动板3的氮化硅层32上涂覆抗蚀材料，然后进行曝光、显影、刻蚀处理，形成供墨通道61，在基板1上刻蚀形成变形空腔8。

在所述基板的上部形成与多个所述振动板对应的压力腔室、与所述多个压力腔室对应的喷嘴、以及与多个所述压力腔室连通的公共腔室。如图3H所示，具体可先在第二基板5上涂覆可交联的聚合物材料，如可光成像的环氧树脂(光刻胶SU8等)、光敏性硅树脂或者光敏性环氧硅氧烷等，以作为掩膜进行曝光、显影处理，并刻蚀掉部分材料，形成喷嘴51、压力腔室、公共腔室等形状。

如图3I示，将经刻蚀的第二基板5粘接在振动板3背离基板1的一侧，形成多个压力腔室2、公共腔室6及喷嘴51，在各压力腔室2与公共腔室6之间还设置有限流通道7，限流通道7的截面积小于压力腔室2的截面积(限流通道7的具体作用见下述内容)。本实施例中，在基板1的下表面设置有盖板11，该盖板11盖设所述变形空腔8上并保持所述供墨通道的畅通，以增加基板1的机械强度。

如图3J所示，本实施例制造形成的液体喷头中喷嘴孔51分为两排布置，并且第二基板5上的喷嘴孔51呈错位排列。

如图3K所示，本实施例制造形成的液体喷头，形成有多个压力腔室2，喷嘴孔51与每个压力腔室2对应，压电元件4经蚀刻形成分别在各压力腔室2中的多个子部分，每个子部分接收到电压信号，给振动板3较大的应力，使振动板3发生变形，通过变形将各压力腔室2中的墨水通过喷嘴51挤出。

下面对用本实施例提供的液体喷头制造方法所制造的液体喷头的工作过程进行说明：

图4为本发明实施例提供的液体喷头在振动板远离喷嘴时的状态示意图；图4为本发明实施例提供的液体喷头在振动板靠近喷嘴时的状态示意图；图4为本发明实施例提供的液体喷头在振动板恢复原形时的状态示意图。如图4所示，当压电元件4接收到电压信号后，其瞬间的变形会给振动板3较大的应力，此时，振动板3会和压电元件4一起向远离喷嘴51的方向移动，此时振动板凹向变形空腔8，形成“拉”这一过程，这时喷嘴51处的液面凹向压力腔室2，形成“弯月面”。这第一次“拉”的过程，使振动板3的变形远离喷嘴51，其变形的大小正比于喷出液滴的大小。

接着对压电元件4施加跟“拉”模式相反的电压信号，振动板3会和压电元件4向靠近喷嘴51处移动，把压力腔室2内的墨水向喷嘴51处挤压，并把墨水排出到喷嘴51外面，形成如图4所示的“推”这一过程。在这个过程中，墨水除了向喷嘴51外流动外，还有部分墨水通过限流通道7向公共腔室6流动，产生回流的墨水，由于墨水限流通道7的存在，通过限流通道7向公共腔室6流动的墨水将减少，从而有更多的墨水从喷嘴51流出，达到减小回流损失的墨水的目的，进而减少了墨水再次填充的时间，缩短了墨滴的喷射周期，提高了打印频率。同时，由于有更多的墨水从喷嘴51流出，可以减小压电元件4的振动位移也能达到喷出相应大小的墨滴，提高压电元件4的寿命，使打印头更加持久耐用。

完成“推”这一过程后，紧接着对压电元件4施加跟第一次“拉”时相同的电压信号时，振动板3复原形，一部分墨水向各压力腔室2内移动，另外一部分墨水由于惯性继续向喷嘴51外喷出，把图4中挤压在喷嘴51外面的墨水拉断，形成墨滴，如图4所示,墨滴由于惯性作用喷射到打印介质上，这时完成单个墨滴的喷射。

本发明实施例还提供一种液体喷头，该液体喷头是上述任一实施例提供的液体喷头制造方法制造的。

本发明实施例还提供一种打印装置，该打印装置上设置有上述任一实施例提供的液体喷头。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种液体喷头制造方法，其特征在于,包括：

在基板上表面依次层叠振动板、下电极、压电陶瓷薄膜层和上电极，所述下电极、压电陶瓷薄膜层和上电极形成压电元件；

通过等离子体增强化学气相沉积法在所述压电元件的上表面和侧面形成氮化硅保护膜，所述氮化硅保护膜的内应力为压应力；

所述等离子体增强化学气相沉积法的反应气体为SiH₄和NH₃，载气为惰性气体；其中，SiH₄和NH₃的流量比为0.1～4.0；

所述氮化硅保护膜的沉积温度为200℃至400℃之间，反应压强为100mTorr至500mTorr之间；

射频功率源的功率为100W～300W，频率为50KHz～500KHz；

所述氮化硅保护膜的厚度为100nm～400nm；

所述氮化硅保护膜的压应力为0.5GPa～2.0GPa，且密度为2.3g/cm³～3.0g/cm³。

2.根据权利要求1所述的液体喷头制造方法，其特征在于，所述在基板上表面依次层叠振动板、下电极、压电陶瓷薄膜层和上电极，所述下电极、压电陶瓷薄膜层和上电极形成压电元件，包括：

在基板上表面形成二氧化硅层，在所述二氧化硅层上表面形成氮化硅层，所述二氧化硅层和氮化硅层形成振动板；所述二氧化硅层的厚度为0.5μm～1.0μm，所述氮化硅层的厚度为0.2μm～0.6μm；

在所述氮化硅层上表面形成下电极，所述下电极为铂金层或铱层，或铂金与铱组成的复合层；所述下电极的厚度为0.1μm～0.2μm；

在所述下电极上表面形成压电陶瓷薄膜层，所述压电陶瓷薄膜层为压电薄膜材料形成，厚度为1.0μm～1.5μm；

在所述压电陶瓷薄膜层上表面形成上电极，所述上电极为铂金层或铱层，或铂金与铱组成的复合层；所述上电极的厚度为0.05μm～0.1μm。

3.根据权利要求2所述的液体喷头制造方法，其特征在于，在所述压电陶瓷薄膜层上表面形成上电极，之后还包括：

在所述上电极上表面旋转涂覆抗腐材料，以涂覆的抗腐材料作为掩膜，进行曝光和显影处理，将未涂覆抗腐材料的部分去掉，形成压电元件。

4.根据权利要求3所述的液体喷头制造方法，其特征在于，所述通过等离子体增强化学气相沉积法在所述压电元件的上表面和侧面形成氮化硅保护膜，所述氮化硅保护膜的内应力为压应力，之后还包括：

在所述氮化硅保护膜上表面涂覆抗腐材料，并进行曝光、显影和刻蚀处理，形成供墨通道；

在所述基板的下表面刻蚀形成变形空腔，所述振动板搭设在所述变形空腔上。

5.根据权利要求4所述的液体喷头制造方法，其特征在于，所述在所述基板的下表面刻蚀形成变形空腔，所述振动板搭设在所述变形空腔上，之后还包括：

在所述基板的上部形成与多个所述振动板对应的压力腔室、与所述多个压力腔室对应的喷嘴、以及与多个所述压力腔室连通的公共腔室。

6.根据权利要求5所述的液体喷头制造方法，其特征在于，所述在所述基板的上部形成与多个所述振动板对应的压力腔室、与所述多个压力腔室对应的喷嘴、以及与多个所述压力腔室连通的公共腔室，之后还包括：

在所述基板的下表面设置有盖板，该盖板盖设所述变形空腔上并保持所述供墨通道的畅通。

7.一种液体喷头，其特征在于，该液体喷头是用权利要求1至6中任一项所述的液体喷头制造方法制造的。

8.一种打印装置，其特征在于，该打印装置上设置有权利要求7所述的液体喷头。