CN104245324A - 压电致动器和制造压电致动器的方法 - Google Patents

压电致动器和制造压电致动器的方法 Download PDF

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Abstract

在一个示例中，压电致动器包括压电材料、在压电材料的第一部分上的第一导体、以及利用粘合剂结合到第一导体的膜。第一导体在与膜的结合界面处具有至少10nm的均方根表面粗糙度。

Description

压电致动器和制造压电致动器的方法
背景技术
压电式喷墨打印机使用压电材料致动器在填有墨的室中生成压力脉冲以迫使墨滴离开室。用于喷墨打印头的压电致动器通过将压电材料附接到覆盖打印头中的压力室的膜而制造。导体形成于压电材料上以选择性地生成用于使压电材料变形的所需电场，该电场将膜弯曲到压力室中的每一个内以迫使墨滴离开室。
附图说明
图1是示出可在其中实施新型压电致动器的示例的喷墨打印机的框图。
图2和图3分别是侧剖视图和平面剖视图，示出了并入新型压电致动器的一个示例的打印头的一部分。
图4是详图，示出了在图2的压电致动器中的压电材料和膜之间的粘合剂结合界面的一个示例。
图5是流程图，示出了用于制造压电致动器的新方法的一个示例。
图6-11是剖视图，并且图12是流程图，示出了用于制造压电致动器的新方法的另一个示例。
贯穿附图，相同的附图标记标示相同或类似的部件。
具体实施方式
所示出和描述的示例示出但不限制本发明，本发明在本说明书之后的权利要求中被限定。
粘合剂结合在压电致动器和其它MEMS (微机电系统)装置中被普遍地使用。强效而可靠的粘合剂结合在压电致动器中特别需要的，其中，该结合有助于将机械能从压电材料转移到另一部件。已经开发出新的粗糙结构和制造工艺来帮助改善在用于喷墨打印头的压电致动器中的压电材料和膜之间的粘合剂结合。然而，新的结构和工艺不限于在喷墨打印头中实施，而且可能在用于在其它装置或环境中使用的压电致动器中实施。
在新结构的一个示例中，压电致动器包括结合到压电材料上的导体之一的膜粘合剂。该导体在与膜的结合界面处具有至少10nm的均方根表面粗糙度。在特别适合用于喷墨打印头的致动器的一个实施中，粗糙表面由涂有锡(Sn)的镍(Ni)或镍合金(例如，NiV)组成。在新制造工艺的一个示例中，将锡的涂层沉积在镍或镍合金的层上，然后在必要时或者希望使复合膜稳定时将结构退火，通过这种方式来形成在结合界面处的粗糙导体表面。期望的是，其它低熔点金属涂层，诸如在能移动到所述金属涂层中的镍或其它10或11族金属导体上的铟(In)、锌(Zn)和铅(Pb)，也可能用来形成所需的粗糙导体结合表面。
如本文所用，“液体”意指主要不由一种或多种气体构成的流体，“膜”意指柔韧的片材或层，并且“打印头”意指从一个或多个开口分配液体的喷墨打印机或其它喷墨式分配器的一部分。“打印头”不限于利用墨打印，而是包括其它液体的喷墨式分配和/或用于除打印之外的用途。另外，如本文所用，诸如“顶部”和“底部”的方向术语是指所描述的图中所示的部件的取向。该部件在另一个图中或不同环境中可具有不同的取向，例如，部件可在制造期间定向成一种方式，而在操作期间定向成不同方式。一部件在另一部件“上方”包括该部件在另一部件之上、之下或侧面，并且因此不依赖于两部件一起的任何特定取向。一部件在另一部件“上”包括该部件直接在另一部件上(无居间部件)或间接地在另一部件(居间部件)上。
现在参看图1的框图，喷墨打印机10包括压电打印头14的阵列12，该打印头14结合了新的粗糙结构以用于改善在压电致动器中的压电材料和膜之间的结合，如下文详细描述的。打印机10也包括墨源16、打印介质输送机构18和打印机控制器20。控制器20大体上表示编程、处理器和相关联的存储器、以及控制打印机10的操作元件所需的电子电路和部件。在操作中，打印机控制器20以合适的顺序选择性地激励打印头中的压电致动器，以将墨以对应于所需打印图像的图案喷射到打印介质22上。打印头阵列12和墨源16可作为单个单元容纳在一起，或者它们可包括单独的单元。打印头阵列12可以是跨越打印介质22的宽度的静止的较大单元(带有或不带有墨源16)。备选地，打印头阵列12可以是在可移动的滑架上横跨介质22的宽度来回扫描的较小的单元。
图2和图3分别是侧剖视图和平面剖视图，示出了实施诸如可能在图1的打印机中使用那样的新压电致动器24的一个示例的打印头14的一部分。图4是取自图2的详图，示出了在压电致动器24中的压电材料和膜之间的粘合剂结合界面的一个示例。首先参看图2和图3，每个致动器24覆盖通道结构28中的对应压力室26，墨(或其它液体)通过该通道结构供应至压力室26和从压力室26分配。每个致动器24包括压电陶瓷板或其它合适的压电材料30、形成于压电材料30的一部分上的公共导体32、以及形成于压电材料30的另一部分上的独立导体34。在所示示例中，压电材料30通过在导体34和膜36之间的粘合剂结合38间接地附接到覆盖压力室26的玻璃片或其它合适的膜36。
同样在所示示例中，公共导体32形成于压电材料30的顶部上，并且独立导体34形成于压电材料30的底部上。其它合适的配置是可能的。举另一示例来说，公共导体可形成于压电材料30的底部上，并且相应地，压电材料将通过公共导体附接到膜。如图3所示，每个独立导体34可以是与每个压力室26相同形状的，在该示例中为圆形的。在操作中，在压力室26填充有墨(或另一种液体)的情况下，电压被施加到特定的独立导体34以在该导体34和公共导体32之间在压电材料30中生成电场。该局部电场造成压电材料30在对应的压力室26上方的区域中变形，从而使膜36弯曲到压力室26中以将膜通过孔口40挤出。
现在参看图4的详图，每个独立导体34包括金属基本层42和金属涂层44。涂层44在与膜36的结合界面48处形成有粗糙表面46。表面46在结合界面48处具有至少10nm的RMS(均方根)表面粗糙度。测试表明，相比常规的结合表面，较低的粗糙度不太可能提高结合的强度。在用于导体34的一种具体实施中，镍或镍合金基本层42被锡涂层44覆盖。用锡44涂布镍基本层42形成足够粗糙的表面46，以用于到膜36的稳固的粘合剂结合。已经发现，基本层42中的镍能够大量地移动到锡涂层中。因此，基本层42中的一些镍迁移到锡涂层44中，如由图4的涂层44中的点彩所指示的，以在导体34上形成作为镍和锡的混合物的结合界面48。复合的镍/锡薄膜可通过退火来稳定化，迫使两种金属完全混合至均衡。此外，镍浓度可能通过涂层44的厚度从在基本层42附近的较高浓度变化至在表面46处的较低浓度。虽然镍(基本层)迁移到锡(涂层)中可能有利于其中过程中的结构不能经受高的退火或其它处理温度的实施，但这样的基本层迁移可能不是其它实施所期望的。
在图5的流程图中所示的用于制造压电致动器的新方法的一个示例中，在压电材料的一部分上形成导体(步骤102)，并且在导体的裸露部分上形成粗糙表面(步骤104)。然后，膜被结合到导体的粗糙表面(步骤106)。现在将参照图6-11的剖视图和图12的工艺流程图描述用于制造诸如图2-4中所示致动器24的压电致动器的另一个更详细的示例。图6-8中的致动器结构的取向与图2-4中所示颠倒，以更好地示出制造过程，其中结构通常一个在另一个顶部上顺序地形成。首先参看图6，导体基本金属层42被沉积在压电陶瓷板30上(图12中的步骤108)。对于喷墨打印头应用来说，镍或镍合金(例如，NiCr和NiV)层42利用溅射沉积以180µm至400µm的厚度沉积到板30的抛光表面上，但可以使用其它合适的金属、薄膜厚度和沉积技术。另外，铬或钛的薄层有时首先施加以提高基本金属42到压电陶瓷板30的粘合力。
参看图7，基本金属42涂覆有锡或具有适当较低的熔融温度(1200ºC以下)的另一种金属以在基本金属42上形成粗糙表面涂层44(图12中的步骤110)。涂层44提供粗糙表面46以用于将每个导体34粘合剂结合到膜36。用于涂层44的金属、厚度和沉积技术被选择以实现沿结合表面46至少10nm的RMS(均方根)表面粗糙度。如上所述，测试表明，相比常规的结合表面，较低的粗糙度不可能提高结合的强度。在实现所需表面粗糙度的一个具体的示例性过程中，在镍基本层42上利用真空沉积在下列条件下形成约1,000Å厚的锡涂层44：
　　压力= 3mT
　　功率 = 500W
　　气体 = 氩气。
用于锡涂层的在150mT或以下的真空沉积预计实现可接受的表面粗糙度。可以找到实现所需表面粗糙度的其它沉积技术和参数以及其它材料和材料厚度。例如，可以预料，其它金属涂层，其具有容易迁入到所述金属涂层中的具有1200ºC以下的熔点的诸如铟、锌和铅或其它10或11族金属或其合金，也可用来形成所需的粗糙导体结合表面。
如上所述，镍(或其它金属)基本层42中的一些可迁移到涂层44中以形成作为两种金属的混合物的结合表面46。该结构可在必要时或希望使涂层44稳定化时被退火，以允许这两种金属朝均衡完全混合。例如，将1,000Å的锡涂层44在约150ºC下退火约1小时有利于使镍向锡中的迁移稳定化。然而，已经发现，锡涂层44可能足够粗糙并且在不退火的情况下提供适当地稳固的结合界面。
然后可以使用常规的过程步骤来完成致动器24的制造。参看图8，金属层42和44被蚀刻或以所需图案以其它方式选择性地移除，以形成独立导体34(图12中的步骤112)。在图9中，导电的、各向异性的或其它合适的粘合剂的薄层50被施加到玻璃或其它合适的膜36上(图12中的步骤114)，并且过程中的膜结构52结合到过程中的压电结构54，如图10所示(图12中的步骤116)。在图11中，在压电板26的顶部上形成金属或其它合适的公共导体32以完成致动器24(图12中的步骤118)。
如在本说明书的开始处提及的，附图中所示和上文描述的示例示出但不限制本发明。其它示例是可能的。因此，上述描述不应理解为限制在所附权利要求中限定的本发明的范围。

Claims (14)

1. 一种压电致动器，包括：
压电材料；
第一导体，其在所述压电材料的第一部分上；以及
膜，其利用粘合剂在第一结合界面处结合到所述第一导体，所述第一导体在所述结合界面处具有至少10nm的均方根表面粗糙度。
2. 根据权利要求1所述的致动器，其中，所述膜直接结合到所述第一导体。
3. 根据权利要求1所述的致动器，其中，所述第一导体包括金属第一导体，并且所述金属第一导体的表面在所述结合界面处包括锡。
4. 根据权利要求3所述的致动器，其中，所述金属第一导体的表面是锡或锡与镍的混合物。
5. 根据权利要求4所述的致动器，其中，所述第一导体包括在镍或镍合金的层上的锡层。
6. 根据权利要求1所述的致动器，还包括在所述压电材料的第二部分上的第二导体。
7. 一种压电打印头，包括：
多个压力室，所述多个压力室每个具有在其中的开口，液体能穿过所述开口从所述室分配；
压电致动器，其操作性地连接到所述压力室中的每一个，所述压电致动器包括：
压电材料；
第一导体，其在所述压电材料的第一部分上；
多个第二导体，其在所述压电材料的第二部分上；
所述第一导体或所述第二导体具有包括锡、铟、锌或铅的结合表面；以及
膜，其覆盖所述压力室中每一个的一部分，所述膜利用粘合剂沿所述结合表面结合到所述第一导体或所述第二导体。
8. 根据权利要求7所述的打印头，其中，所述结合表面具有至少10nm的均方根表面粗糙度。
9. 根据权利要求8所述的打印头，其中，所述结合表面是在纯的或合金化的10族或11族基本金属上的金属涂层的一部分。
10. 一种用于制造压电致动器的方法，包括：
在压电材料的第一部分上形成第一导体；
在所述第一导体的裸露部分上形成粗糙表面，所述粗糙表面具有至少10nm的均方根表面粗糙度；以及
利用粘合剂将膜结合到所述第一导体的所述粗糙表面。
11. 根据权利要求10所述的方法，其中，在所述第一导体的裸露部分上形成粗糙表面包括将具有小于1200ºC的熔点的第一金属沉积在能移动到所述第一金属中的第二金属上。
12. 根据权利要求10所述的方法，其中，在所述第一导体的裸露部分上形成粗糙表面包括将锡、铟、锌或铅沉积在纯的或合金化的10族或11族金属上。
13. 根据权利要求12所述的方法，其中，在所述第一导体的裸露部分上形成粗糙表面包括将锡沉积在镍或镍合金上。
14. 根据权利要求10所述的方法，还包括在与所述第一导体电绝缘的所述压电材料的第二部分上形成第二导体。
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