CN106541706B - 一种直通式压电喷墨打印头及其制造方法 - Google Patents

一种直通式压电喷墨打印头及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本公开揭示一种直通式压电喷墨打印头及其制造方法，所述直通式压电喷墨打印头由压电致动器、振动板和腔体结构层构成；墨水入口、腔体和喷孔形成于腔体结构层。压电致动器由压电陶瓷薄膜以及上、下电极组成，形成于振动板表面，分别与腔体对应，用于向各腔体施加驱动力，所述振动板用于传递压电致动器的振动。该直通式压电喷墨打印头腔体结构和喷孔形成于一层硅片上，喷孔位于硅片的侧面，即喷孔的轴线与腔体的长度方向重合，使得打印头在平行于打印基底方向上的截面积减小，有利于多个打印头拼接，同时在腔体结构层的两面都制造腔体，使喷孔数量增加了一倍，因此该直通式压电喷墨打印头可用于高宽幅打印机，提高其工作效率。

Description

一种直通式压电喷墨打印头及其制造方法
技术领域
本公开属于打印喷头领域，尤其涉及一种直通式压电喷墨打印头及其制造方法。
背景技术
喷墨打印头无论在办公还是工业上的应用越来越广泛，根据墨喷射方法，喷墨打印头可以分成两种类型：热喷墨打印头和压电喷墨打印头。热喷墨打印头利用热在墨中生成气泡，并利用气泡的膨胀来喷射墨滴，而压电喷墨打印头利用压电材料变形产生的压力来喷射墨滴。
传统的压电喷墨打印头喷孔轴线与腔体长度方向是垂直的，使得各排喷孔之间的间距无法缩小，随着增材制造在工业的快速发展与应用，对高宽幅打印设备的需求越来越迫切，由于传统的压电喷墨打印头无法实现多个拼接，从而制约了高宽幅打印设备的工作效率。
发明内容
基于此，本公开揭示了一种直通式压电喷墨打印头，所述打印头包括：腔体结构层，压电致动器和振动板；
所述腔体结构层用于提供墨水流动的通道；
所述压电致动器用于提供墨滴生成所需的振动；
所述振动板用于传递压电致动器产生的振动。
本公开还揭示了一种直通式压电喷墨打印头的制造方法，所述方法包括以下步骤：
S100、制造腔体结构层：
S1001、清洗硅片，并在硅片上表面涂一层光刻胶，将硅片放在热板上进行软烘；
S1002、将硅片放进光刻机中进行光刻，光刻结束后将硅片放在显影液中进行显影，最后将硅片放在热板上进行坚膜；
S1003、在干法刻蚀机内，将硅片中未被光刻胶掩蔽的部分刻蚀出腔体及墨水入口；
S1004、将硅片放入丙酮中，超声处理后，将硅片上表面的光刻胶去除掉；
S1005、将硅片放入酒精与丙酮1∶1混合的溶液中，超声处理后，清洗硅片；
S1006、重复步骤S1001-S1005，刻蚀出硅片的另一面腔体及墨水入口；
S1007、将尺寸相同的完成了腔体和墨水入口制造的硅片整齐排列于模具中，并将所述模具设为定位基准；
S1008、在硅片上旋涂一层光刻胶然后将模具与硅片整体放在热板上进行软烘；
S1009、将模具与硅片整体放到光刻机进行光刻，光刻结束后在显影液中显影，然后将模具与硅片整体放在热板上进行坚膜；
S1010、在干法刻蚀机内，将硅片中未被光刻胶掩蔽的部分刻穿，形成喷孔；
S1011、将硅片放到丙酮溶液中，去除表面剩余的光刻胶；
S1012、将硅片放入酒精与丙酮1∶1混合的溶液中，超声处理后，清洗硅片，完成腔体结构层的制造；
S200、制造压电致动器；
S2001、将振动板与腔体结构层进行键合；
S2002、在振动板的表面溅射一层铂；
S2003、在铂层上丝网印刷压电陶瓷浆料，并通过溶胶-凝胶法形成压电陶瓷薄膜；
S2004、在压电陶瓷薄膜的表面通过丝网印刷金制造出上电极和下电极；
S2005、在上电极与下电极之间通入高压电对压电陶瓷薄膜进行极化，极化电场强度为1.0-2.5KV/mm，极化温度为100-150℃，极化时间为5-30min，完成压电致动器的制造。
本公开具有以下优点：
1)喷孔位于硅片的侧面，即喷孔的轴线与腔体的长度方向重合，使得打印头在平行于打印基底方向上的截面积得到减小，有利于多个打印头拼接；
2)腔体结构层只由一层硅片构成，简化了制造工艺，同时减少了因对准而造成的误差；
3)在硅片的两个表面都有腔体，提高了腔体的数量，增加了分辨率；
4)压电陶瓷薄膜与上电极都是采用丝网印刷工艺制得，避免了压电陶瓷薄膜与上电极的刻蚀，简化了制造过程。
附图说明
图1为本公开一个实施例中直通式压电喷墨打印头的一部分的分解透视图；
图2(a)为本公开一个实施例中腔体结构层的制造流程中的清洗硅片示意图；
图2(b)为本公开一个实施例中腔体结构层的制造流程中的光刻形成刻蚀掩蔽示意图；
图2(c)为本公开一个实施例中腔体结构层的制造流程中的刻蚀出腔体及墨水入口示意图；
图2(d)为本公开一个实施例中腔体结构层的制造流程中的光刻形成刻蚀掩蔽示意图；
图2(e)为本公开一个实施例中腔体结构层的制造流程中的刻蚀出另一面腔体及墨水入口示意图；
图2(f)为本公开一个实施例中腔体结构层的制造流程中的去除光刻胶示意图；
图3(a)为本公开一个实施例中喷孔的制造流程中将硅片整齐排列于模具内的示意图；
图3(b)为本公开一个实施例中喷孔的制造流程中光刻形成刻蚀掩蔽的示意图；
图3(c)为本公开一个实施例中喷孔的制造流程中刻蚀出喷孔的示意图；
图4(a)为本公开一个实施例中键合振动板和腔体结构层示意图；
图4(b)为本公开一个实施例中制造压电致动层示意图；
图4(c)为本公开一个实施例中在腔体结构层另一面键合振动板并制造压电致动层示意图；
其中：1-上电极、2-压电陶瓷薄膜、3-下电极、4-振动板、5-墨水入口、6-腔体、7-腔体结构层、8-喷孔、9-硅片、10-光刻胶、11-模具、12-丝网印刷金、13-压电陶瓷浆料、14-铂。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本公开进行进一步的说明：
在一个实施例中，本公开揭示了一种直通式压电喷墨打印头，所述打印头包括：腔体结构层，压电致动器和振动板；
所述腔体结构层用于提供墨水流动的通道；
所述压电致动器用于提供墨滴生成所需的振动；
所述振动板用于传递压电致动器产生的振动。
在本实施例中，所述直通式压电喷墨打印头由压电致动器、振动板和腔体结构层构成；墨水入口、腔体和喷孔形成于腔体结构层。压电致动器由压电陶瓷薄膜以及上、下电极组成，形成于振动板表面，分别与腔体对应，用于向各腔体施加驱动力，振动板用于传递压电致动器的振动。该直通式压电喷墨打印头腔体结构和喷孔形成于一层硅片上，喷孔位于硅片的侧面，即喷孔的轴线与腔体的长度方向重合，使得打印头在平行于打印基底方向上的截面积得到减小，有利于多个打印头拼接，同时在腔体结构层的两面都制造腔体，使喷孔数量增加了一倍，因此该直通式压电喷墨打印头可用于高宽幅打印机，提高其工作效率。
在一个实施例中，所述腔体结构层包括：硅片、墨水入口、腔体和喷孔；
所述墨水入口和腔体通过干法刻蚀或湿法刻蚀形成于硅片上；
所述喷孔孔通过干法刻蚀形成于腔体结构层的侧面。
更优的，所述压电致动器包括：所述压电致动器包括：下电极、压电陶瓷薄膜和上电极；
所述上电极通过丝网印刷浆料形成于压电陶瓷薄膜的上层；
所述压电陶瓷薄膜通过丝网印刷浆料形成于所述下电极的上层，并通过溶胶-凝胶法使浆料形成薄膜，利用逆压电效应，使压电陶瓷薄膜通电之后产生振动，通过振动板传递给腔体结构层，从而产生墨滴。
在本实施例中，如图1所示：所述打印头包括压电致动器(1、2、3)、振动板(4)和腔体结构层(7)；
所述腔体结构层(7)上有墨水入口(5)、腔体(6)和喷孔(8)，且墨水入口(5)和腔体(6)通过干法刻蚀或湿法刻蚀形成于所述上腔体结构层(7)上；
所述喷孔(8)通过干法刻蚀形成于所述腔体结构层(7)上，因此所述喷孔(8)具有垂直的侧壁；
所述压电致动器包括上电极(1)、压电陶瓷薄膜(2)和下电极(3)；
所述上电极(1)通过丝网印刷Au形成于压电陶瓷薄膜(2)的上层；
所述压电陶瓷薄膜(2)通过丝网印刷形成于所述下电极(3)的上层，并通过溶胶-凝胶法使其形成薄膜，利用其逆压电效应，使其通电之后产生振动，从而产生墨滴；
所述下电极(3)通过磁控溅射Pt形成于所述振动板(4)的表面；
所述压电陶瓷薄膜(2)通过在所述上电极(1)与所述下电极(3)之间通入高压电进行极化，极化电场强度为1.0-2.5KV/mm，极化温度为100-150℃，极化时间为5-30min，极化之后，所述压电陶瓷薄膜(2)才具有压电效应。
在一个实施例中，所述振动板为厚度是20-50μm的硅片，且通过硅硅键合工艺与腔体结构层结合。
在本实施例中，所述振动板的厚度与需要传递给腔体结构层的振动强度有关，可根据不同振动强度选择不同厚度的振动板。
在一个实施例中，所述下电极通过磁控溅射铂形成于所述振动板的表面。
在本实施例中，所述下电极还可以采用化学气相沉积(CVD)法形成于所述振动板的表面。
在一个实施例中，所述压电陶瓷薄膜通过在所述上电极与下电极之间通入高压电进行极化，极化电场强度为1.0-2.5KV/mm，极化温度为100-150℃，极化时间为5-30min。
在一个实施例中，所述喷孔的轴线与腔体的长度方向重合。
更优的，所述打印头通过多个拼接来增加喷孔的数量。
在本实施例中，所述打印头腔体结构和喷孔形成于一层硅片上，喷孔位于硅片的侧面，即喷孔的轴线与腔体的长度方向重合，使得打印头在平行于打印基底方向上的截面积得到减小，有利于多个打印头拼接，同时在腔体结构层的两面都制造腔体，使喷孔数量增加了一倍，因此该直通式压电喷墨打印头可用于高宽幅打印机，提高其工作效率。
在一个实施例中，当上电极通电，下电极接地时，上电极下方正对的压电陶瓷薄膜产生振动，并将此振动通过振动板传递到腔体内，使腔体的截面积变小，压力增大，从而使腔体内的墨水通过喷孔喷射出而形成墨滴，外部的墨水通过墨水入口入腔体内补充墨水，为下一次喷射墨滴做准备。
在本实施例中，如图1所示，当上电极(1)通电，下电极(3)接地时，上电极(1)下方正对的压电陶瓷薄膜(2)产生振动，并将此振动通过振动板(4)传递到腔体(6)内，使腔体(6)的截面积变小，压力增大，从而使腔体(6)内的墨水通过喷孔(8)喷出而形成墨滴，外部的墨水通过墨水入口(5)进入腔体(6)内补充墨水，为下一次喷射墨滴做准备。
在一个实施例中，本公开揭示了一种直通式压电喷墨打印头的制造方法，所述方法包括以下步骤：
S100、制造腔体结构层：
S1001、清洗硅片，并在硅片上表面涂一层光刻胶，将硅片放在热板上进行软烘；
S1002、将硅片放进光刻机中进行光刻，光刻结束后将硅片放在显影液中进行显影，最后将硅片放在热板上进行坚膜；
S1003、在干法刻蚀机内，将硅片中未被光刻胶掩蔽的部分刻蚀出腔体及墨水入口；
S1004、将硅片放入丙酮中，超声处理后，将硅片上表面的光刻胶去除掉；
S1005、将硅片放入酒精与丙酮1∶1混合的溶液中，超声处理后，清洗硅片；
S1006、重复步骤S1001-S1005，刻蚀出硅片的另一面腔体及墨水入口；
S1007、将尺寸相同的完成了腔体和墨水入口制造的硅片整齐排列于模具中，并将所述模具设为定位基准；
S1008、在硅片上旋涂一层光刻胶然后将模具与硅片整体放在热板上进行软烘；
S1009、将模具与硅片整体放到光刻机进行光刻，光刻结束后在显影液中显影，然后将模具与硅片整体放在热板上进行坚膜；
S1010、在干法刻蚀机内，将硅片中未被光刻胶掩蔽的部分刻穿，形成喷孔；
S1011、将硅片放到丙酮溶液中，去除表面剩余的光刻胶；
S1012、将硅片放入酒精与丙酮1∶1混合的溶液中，超声处理后，清洗硅片，完成腔体结构层的制造；
S200、制造压电致动器；
S2001、将振动板与腔体结构层进行键合；
S2002、在振动板的表面溅射一层铂；
S2003、在铂层上丝网印刷压电陶瓷浆料，并通过溶胶-凝胶法形成压电陶瓷薄膜；
S2004、在压电陶瓷薄膜的表面通过丝网印刷金制造出上电极和下电极；
S2005、在上电极与下电极之间通入高压电对压电陶瓷薄膜进行极化，极化电场强度为1.0-2.5KV/mm，极化温度为100-150℃，极化时间为5-30min，完成压电致动器的制造。
在本实施例中，如图2(a)-(f)所示为腔体结构层的制造流程示意图，具体包括以下步骤：
1.清洗硅片(9)，分别进行SPM清洗、RCA-1清洗和RCA-2清洗，清洗液的配比浓度、清洗温度和清洗时间分别如下：
SPM清洗：H2SO4/H2O2(浓硫酸/双氧水)按照4∶1体积配置，加热到120-150℃，浸泡10-20分钟；
RCA-1清洗：NH4OH/H2O2/H2O(氨水/双氧水/水)按照1∶1∶5体积配置，加热到75-85℃，浸泡10-20分钟；
RCA-2清洗：HCl/H2O2/H2O(盐酸/双氧水/水)按照1∶1∶6体积配置，加热到75-85℃，浸泡10-20分钟；
2.在硅片(9)上表面旋涂一层光刻胶(10)，型号为EP6535，旋涂转速为500r/min、1000r/min，时间分别为7s、40s，然后将硅片放在95℃的热板上进行软烘，软烘时间为5分钟；
3.将硅片(9)放到光刻机进行光刻，曝光时间为7s，光刻结束后在显影液中显影，显影液为NaOH水溶液，浓度为5‰，显影时间为20-30s，然后将硅片(9)放在115℃的热板上进行坚膜，坚膜时间为15分钟；
4.在干法刻蚀机内，将未被光刻胶(10)掩蔽的部分刻蚀出腔体(6)，刻蚀气体SF6(六氟化硫)和C4F8(八氟环丁烷)的流量比为5∶1，源功率为1000W，射频电极功率为300W；
5.将硅片(9)放入丙酮中，超声处理30分钟，将硅片(9)上表面的光刻胶(10)去除掉；
6.将硅片(9)放入酒精与丙酮1∶1混合的溶液中，超声处理60分钟，清洗硅片(9)；
7.重复上述步骤，刻蚀出另一面的腔体(6)，完成腔体结构层(7)的制造。
在本实施例中，如图3(a)-(c)所示为喷孔的制造流程示意图，具体包括以下步骤：
1.将尺寸相同的完成了腔体结构层(7)制造的硅片(9)整齐排列于模具(11)中，该模具(11)具有定位基准；
2.在硅片(9)上旋涂一层光刻胶(10)，型号为EPG535，旋涂转速为500r/min、1000r/min，时间分别为7s、40s，然后将模具(11)与硅片(9)整体放在95℃的热板上进行软烘，软烘时间为5分钟；
3.将模具(11)与硅片(9)整体放到光刻机进行光刻，曝光时间为7s，光刻结束后在显影液中显影，显影液为NaOH水溶液，浓度为5‰，显影时间为20-30s，然后将模具(11)与硅片(9)整体放在115℃的热板上进行坚膜，坚膜时间为15分钟；
4.在干法刻蚀机内，将未被光刻胶(10)掩蔽的部分刻穿，形成喷孔(8)，刻蚀气体SF6(六氟化硫)和C4F8(八氟环丁烷)的流量比为5∶1，源功率为1000W，射频电极功率为300W；
5.将硅片(9)放到丙酮溶液中，去除表面剩余的光刻胶(10)；
6.将硅片(9)放入酒精与丙酮1∶1混合的溶液中，超声处理60分钟，清洗硅片(9)。
在本实施例中，如图4(a)-(c)所示为键合及压电致动器的制造流程示意图，具体包括以下步骤：
1.将振动板(4)与腔体结构层(7)进行键合，键合方法为阳极键合；
2.在振动板(4)的表面溅射一层铂(Pt)(14)，厚度为100-300nm；
3.在Pt(14)层上丝网印刷压电陶瓷浆料(13)，并通过溶胶-凝胶法形成压电陶瓷薄膜(2)；
4.在压电陶瓷薄膜(2)的表面通过丝网印刷金(Au)(12)制造出上电极(1)与下电极(3)；
5.在上电极(1)与下电极(3)之间通入高压电对压电陶瓷薄膜(2)进行极化，极化电场强度为1.0-2.5KV/mm，极化温度为100-150℃，极化时间为5-30min，从而完成压电致动器的制造。
这里本公开的描述和应用是说明性的，并非想将本公开的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术任一来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术任一应该清楚的是，在不脱离本公开的精神或本质特征的情况下，各种替换和修改都是可能的。因此，本公开不应局限于实施例所公开的内容，本公开要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (8)

1.一种直通式压电喷墨打印头，其特征在于，所述打印头包括：腔体结构层，压电致动器和振动板；
所述腔体结构层用于提供墨水流动的通道，所述腔体结构层包括：墨水入口、腔体和喷孔，所述腔体结构层由一层硅片制成，硅片的两个表面都有腔体，喷孔的轴线与腔体的长度方向重合；
所述压电致动器用于产生墨滴生成所需的振动，所述压电致动器包括：上电极、压电陶瓷薄膜和下电极；所述上电极通过丝网印刷浆料形成于压电陶瓷薄膜的上层；所述压电陶瓷薄膜通过丝网印刷浆料形成于所述下电极的上层，并通过溶胶-凝胶法使浆料形成薄膜，利用逆压电效应，使压电陶瓷薄膜通电之后产生振动，通过振动板传递给腔体结构层，从而产生墨滴，所述下电极通过磁控溅射铂形成于所述振动板的表面，所述压电陶瓷薄膜通过在所述上电极与下电极之间通入高压电进行极化，极化电场强度为1.0-2.5KV/mm，极化温度为100-150℃，极化时间为5-30min；
所述振动板用于传递压电致动器产生的振动到腔体结构层内，所述振动板为厚度是20μm至50μm的硅片，且通过硅硅键合工艺与腔体结构层相结合。
2.根据权利要求1所述的打印头，其特征在于，所述墨水入口和腔体通过干法刻蚀或湿法刻蚀形成于硅片上；
所述喷孔通过干法刻蚀形成于腔体结构层的侧面。
3.根据权利要求1或2所述的打印头，其特征在于：所述打印头通过多个拼接来增加喷孔的数量。
4.根据权利要求3所述的打印头，其特征在于：当上电极通电，下电极接地时，上电极下方正对的压电陶瓷薄膜产生振动，并将此振动通过振动板传递到腔体内，使腔体的截面积变小，压力增大，从而使腔体内的墨水通过喷孔喷射出而形成墨滴，外部的墨水通过墨水入口进入腔体内补充墨水，为下一次喷射墨滴做准备。
5.一种直通式压电喷墨打印头的制造方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S100、制造腔体结构层：
S1001、清洗硅片，并在硅片上表面涂一层光刻胶，将硅片放在热板上进行软烘；
S1002、将硅片放进光刻机中进行光刻，光刻结束后将硅片放在显影液中进行显影，最后将硅片放在热板上进行坚膜；
S1003、在干法刻蚀机内，将硅片中未被光刻胶掩蔽的部分刻蚀出腔体及墨水入口；
S1004、将硅片放入丙酮中，超声处理后，将硅片上表面的光刻胶去除掉；
S1005、将硅片放入酒精与丙酮1:1混合的溶液中，超声处理后，清洗硅片；
S1006、重复步骤S1001-S1005，刻蚀出硅片的另一面腔体及墨水入口；
S1007、将尺寸相同的完成了腔体和墨水入口制造的硅片整齐排列于模具中，并将所述模具设为定位基准；
S1008、在硅片上旋涂一层光刻胶然后将模具与硅片整体放在热板上进行软烘；
S1009、将模具与硅片整体放到光刻机进行光刻，光刻结束后在显影液中显影，然后将模具与硅片整体放在热板上进行坚膜；
S1010、在干法刻蚀机内，将硅片中未被光刻胶掩蔽的部分刻穿，形成喷孔；
S1011、将硅片放到丙酮溶液中，去除表面剩余的光刻胶；
S1012、将硅片放入酒精与丙酮1:1混合的溶液中，超声处理后，清洗硅片，完成腔体结构层的制造；
S200、制造压电致动器；
S2001、将振动板与腔体结构层进行键合；
S2002、在振动板的表面溅射一层铂；
S2003、在铂层上丝网印刷压电陶瓷浆料，并通过溶胶-凝胶法形成压电陶瓷薄膜；
S2004、在压电陶瓷薄膜的表面通过丝网印刷金制造出上电极和下电极；
S2005、在上电极与下电极之间通入高压电对压电陶瓷薄膜进行极化，极化电场强度为1.0-2.5KV/mm，极化温度为100-150℃，极化时间为5-30min，完成压电致动器的制造。
6.根据权利要求5所述的直通式压电喷墨打印头的制造方法，其特征在于：
S1001中，清洗硅片，分别进行SPM清洗、RCA-1清洗和RCA-2清洗，清洗液的配比浓度、清洗温度和清洗时间分别如下：
SPM清洗：H2SO4/H2O2按照4:1体积配置，加热到120-150℃，浸泡10-20分钟；
RCA-1清洗：NH4OH/H2O2/H2O按照1:1:5体积配置，加热到75-85℃，浸泡10-20分钟；
RCA-2清洗：HCl/H2O2/H2O按照1:1:6体积配置，加热到75-85℃，浸泡10-20分钟；
在硅片上表面旋涂一层光刻胶，旋涂转速为500r/min、1000r/min，时间分别为7s、40s，然后将硅片放在95℃的热板上进行软烘，软烘时间为5分钟；
S1002中，将硅片放到光刻机进行光刻，曝光时间为7s，光刻结束后在显影液中显影，显影液为NaOH水溶液，浓度为5‰，显影时间为20-30s，然后将硅片放在115℃的热板上进行坚膜，坚膜时间为15分钟；
S1003中，在干法刻蚀机内，将未被光刻胶掩蔽的部分刻蚀出腔体，刻蚀气体SF6和C4F8的流量比为5:1，源功率为1000W，射频电极功率为300W；
S1004中，将硅片放入丙酮中，超声处理30分钟，将硅片上表面的光刻胶去除掉。
7.根据权利要求5所述的直通式压电喷墨打印头的制造方法，其特征在于：
S1008中，在硅片上旋涂一层光刻胶，旋涂转速为500r/min、1000r/min，时间分别为7s、40s，然后将模具与硅片整体放在95℃的热板上进行软烘，软烘时间为5分钟；
S1009中，将模具与硅片整体放到光刻机进行光刻，曝光时间为7s，光刻结束后在显影液中显影，显影液为NaOH水溶液，浓度为5‰，显影时间为20-30s，然后将模具与硅片整体放在115℃的热板上进行坚膜，坚膜时间为15分钟；
S1010中，在干法刻蚀机内，将未被光刻胶掩蔽的部分刻穿，形成喷孔，刻蚀气体SF6和C4F8的流量比为5:1，源功率为1000W，射频电极功率为300W。
8.根据权利要求5所述的直通式压电喷墨打印头的制造方法，其特征在于：
S2001中，将振动板与腔体结构层进行键合，键合方法为阳极键合；
S2002中，在振动板的表面溅射一层铂，厚度为100-300nm。
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