CN106739505A - 一种复合腔体压电喷墨打印头及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种复合腔体压电喷墨打印头，并给出具体制造方法，其包括上、下压电致动器、上、下振动板、腔体结构层；所述腔体结构层包括多个腔体单元，每个腔体单元均包括位于同一垂直截面的上腔体单元与下腔体单元；所述上振动板上设置有与上腔体单元及下腔体单元均连通的墨水入口；所述下振动板上设置有多个分别与所述上腔体单元、下腔体单元对应连通的喷孔；上压电制动器固定在上振动板上，与上腔体单元对应；下压电制动器固定在下振动板上，与下腔体单元对应。本发明简化了制造工艺，提高了腔体数量，增加了分辨率；同时，压电制动器中的压电陶瓷薄膜与上电极都可采用丝网印刷工艺制得，避免压电陶瓷薄膜与上电极的刻蚀，简化了制造过程。
Description
技术领域
本发明涉及一种喷墨打印头，尤其涉及一种采用微纳制造技术形成的同一垂直截面具有上下两个腔体的复合腔体压电喷墨打印头以及制造该喷墨打印头的方法。
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在同一个垂直截面只具有一个腔体。在该情况下，为了增加分辨率，只能减小腔体的宽度以及腔体的间隔，由于打印头在工作过程中各腔体之间的相互干扰等原因，使得现有打印头的腔体和腔体间隔无法进一步缩小，因此分辨率很难继续提高。
发明内容
基于此，本发明公开了一种复合腔体压电喷墨打印头及其制造方法。
其技术方案如下：
一种复合腔体压电喷墨打印头，其从上而下依次包括上压电致动器、上振动板、腔体结构层、下振动板、下压电制动器；其中，所述腔体结构层包括多个腔体单元，每个腔体单元均包括位于同一垂直截面上的上腔体单元与下腔体单元；所述上振动板上设置有与上腔体单元及下腔体单元均连通的墨水入口；所述下振动板上设置有多个分别与所述上腔体单元、下腔体单元对应连通的喷孔；所述上压电制动器固定在上振动板上，与所述上腔体单元对应；所述下压电制动器固定在下振动板上，与所述下腔体单元对应。
较佳的，所述腔体结构层由硅片构成，所述上腔体与下腔体通过干法刻蚀或湿法刻蚀形成于硅片上。
较佳的，所述上振动板与下振动板都为厚度20-50μm的硅片，且通过键合工艺与腔体结构层结合。
较佳的，所述墨水入口通过干法刻蚀或湿法刻蚀获得；所述喷孔通过干法刻蚀获得。
较佳的，所述上压电致动器与所述下压电致动器均由下电极、压电陶瓷薄膜和上电极组成。
较佳的，所述下电极通过磁控溅射分别形成于所述上振动板和下振动板的表面。
较佳的，所述压电陶瓷薄膜通过丝网印刷，并通过溶胶-凝胶法形成于下电极的表面。
较佳的，所述上电极通过丝网印刷金(Au)形成于压电陶瓷薄膜的表面。
较佳的，所述压电陶瓷薄膜通过在所述上电极与所述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。
相应的，本发明还提供了一种对上述复合腔体压电喷墨打印头进行制造的方法，主要包括步骤：
A、采用干法刻蚀或湿法刻蚀对硅片进行加工，形成所述腔体结构层；
B、对硅片进行加工形成上振动板及下振动板，通过干法刻蚀或湿法刻蚀所述上振动板获得所述墨水入口，通过干法刻蚀所述下振动板获得所述喷孔；
C、将上振动板与下振动板分别与所述腔体结构层进行键合，在上振动板和下振动板的表面分别溅射形成下电极，并采用丝网印刷工艺制得压电陶瓷薄膜与上电极，从而形成上压电制动器及下压电制动器。
可见，与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)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；
2)通过在同一垂直截面上具有上下腔体单元，提高了腔体的数量，在不减小腔体的宽度以及腔体间隔的前提下(避免各腔体之间产生相互干扰)，巧妙的增加了分辨率；
3)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为本发明一个实施例中复合腔体压电喷墨打印头一部分分解透视图；
图2为本发明一个实施例中腔体结构层的制造流程示意图；
图3为本发明一个实施例中上振动板和下振动板的制造流程示意图；
图4为本发明一个实施例中键合及压电制动器的制造流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明进行进一步的说明：
图1是本发明一个实施例中复合腔体压电喷墨打印头的一部分的分解透视图，从图中可见，该复合腔体压电喷墨打印头，从上而下依次包括上压电致动器、上振动板4、腔体结构层6、下振动板9、下压电制动器。
其中，所述腔体结构层6包括阵列排布的腔体单元，每个腔体单元均包括位于同一垂直截面上的上腔体单元7与下腔体单元8；所述上振动板4上设置有与上腔体单元7及下腔体单元8均连通的墨水入口5；所述下振动板4上设置有多个分别与上腔体单元7、下腔体单元8连通的喷孔10；所述上压电制动器固定在上振动板4上，与所述上腔体单元7对应；所述下压电制动器固定在下振动板9上，与所述下腔体单元8对应。
当本实施例中的复合腔体压电喷墨打印头进行工作时，对所述上压电制动器/下压电制动器进行供电；当所述上压电制动器获得供电时，其产生振动，并将此振动通过上振动板4传递到上腔体单元7内，使上腔体单元7的截面积变小，压力增大，从而使上腔体单元7内的墨水通过其所对应的喷孔10喷出而形成墨滴，外部的墨水通过墨水入口5进入上腔体单元7内补充墨水，为下一次喷射墨滴做好准备；下腔体单元8内墨水喷射过程与上腔体单元7相同，由下压电制动器提供振动通过下振动板9传递到下腔体单元8内，从而，下腔体单元8内的墨水也通过其所对应的喷孔10喷出形成墨滴，该下腔体单元8同样与墨水入口5连通，从而也可通过墨水入口5进行墨水补充。
本发明的优势结合附图1及附图4可以体现的更为清楚，从附图4可见，每个腔体单元中被间隔体(从附图中可见，在本实施例中为或状，但并不局限于此)分成上腔体单元7、下腔体单元8；上腔体单元7、下腔体单元8均与墨水入口5连通，都可通过墨水入口5补充墨水，且其分别与下振动板9上不同位置处的墨水喷孔10相对应；通过上述设置——在同一垂直截面上具有上下腔体单元，提高了腔体的数量，在不减小腔体的宽度以及腔体间隔的前提下(避免各腔体之间产生相互干扰)，巧妙的增加了分辨率。
进一步的，在一些具体实施例中，所述上压电制动器/下压电制动器包括上电极1、压电陶瓷薄膜2、下电极3；其具体工作工程为：当所述上电极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，从而带动整个上压电制动器/下压电制动器产生振动。
与上述喷墨打印头装置相对应的，本发明还给出了相应的复合腔体压电喷墨打印头制造方法，其主要包括步骤：
A、采用干法刻蚀或湿法刻蚀对硅片进行加工，形成所述腔体结构层6；
B、对硅片进行加工形成上振动板4及下振动板9，通过干法刻蚀或湿法刻蚀所述上振动板4获得所述墨水入口5，通过干法刻蚀所述下振动板9获得所述喷孔10；
C、将上振动板4与下振动板9分别与腔体结构层6进行键合，在上振动板4和下振动板9的表面溅射形成下电极3，采用丝网印刷工艺制得压电陶瓷薄膜2与上电极1。
可见，上述制造方法按一定顺序对所述喷墨打印头中主要部件进行制造，具体顺序为：腔体结构层6——上、下振动板4、9——压电制动器。
下面具体通过附图2-4分别给出了上述部件的具体制造流程。
在一些改进的实施例中，所述腔体结构层6只由一层硅片构成，所述上腔体单元7与下腔体单元8通过干法刻蚀或湿法刻蚀形成于硅片上，从而简化了制造工艺，同时减少了因对准而造成的误差。如图2所示，其给出了一个具体实施例中，示意了所述腔体结构层6的制造流程，具体包括以下步骤：
A1、清洗硅片11，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；
A2、在硅片11上表面旋涂一层光刻胶12，型号为EPG535，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；
A3、将硅片11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11放在115℃的热板上进行坚膜，坚膜时间为15分钟；
A4、在干法刻蚀机内，将未被光刻胶12掩蔽的部分刻蚀出上腔体单元7，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；
A5、将硅片11放入丙酮中，超声处理30分钟，将硅片11上表面的光刻胶12去除掉；
A6、将硅片11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11；
A7、重复上述步骤，刻蚀出下腔体单元8，并将上腔体单元7打通，完成腔体结构层6的制造。
对于所述上振动板4与下振动板9，在一些具体实施例中，其均采用硅片，且通过键合工艺与所述腔体结构层6结合；所述墨水入口5通过干法刻蚀或湿法刻蚀获得。所述喷孔10通过干法刻蚀获得，且喷孔具有垂直的侧壁。
图3给出了所述上振动板4和下振动板9的制造流程示意图，具体包括以下步骤：
B1、清洗硅片11，分别进行SPM清洗、RCA-1清洗和RCA-2清洗，具体的，所述清洗液的配比浓度、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；
B2、在硅片11上旋涂一层光刻胶12并进行软烘，具体的，所述光刻胶的型号为EPG535，旋涂转速为500r/min、1000r/min，时间分别为7s、40s，然后将硅片(11)放在95℃的热板上进行软烘，软烘时间为5分钟；
B3、将硅片11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11放在115℃的热板上进行坚膜，坚膜时间为15分钟；
B4、在干法刻蚀机内，将未被光刻胶12掩蔽的部分刻穿，形成墨水入口5，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；
B5、将硅片11放到丙酮溶液中，去除表面剩余的光刻胶12；
B6、将硅片11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11；
B7、下振动板9中喷孔10的制造过程与上振动板4中墨水入口5的制造过程相同。
对于所述压电制动器的制造，在一些具体实施例中，该压电制动器中的压电陶瓷薄膜与上电极都是采用丝网印刷工艺制得，从而避免了压电陶瓷薄膜与上电极的刻蚀，简化了制造过程。在一个更为具体的实施例中，如图4所示，给出了上振动板4、下振动板9与腔体结构层进行键合及压电制动器的制造流程示意图，具体包括以下步骤：
C1、将上振动板4与下振动板9分别与腔体结构层6进行键合，键合方法为阳极键合；
C2、在上振动板4和下振动板9的表面溅射一层铂(Pt)13，厚度为100-300nm；
C3、在Pt层13上丝网印刷压电陶瓷浆料14，并通过溶胶-凝胶法形成压电陶瓷薄膜2；
C4、在压电陶瓷薄膜2的表面通过丝网印刷金(Au)15制造出上电极1；
C5、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，具体的，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。
综上可见，本发明提供了一种复合腔体压电喷墨打印头，并给出了其具体的制造方法，该喷墨打印头包括上压电致动器、上振动板4、腔体结构层6、下振动板9、下压电制动器，所述腔体结构层6包括阵列排布的腔体单元，每个腔体单元均包括位于同一垂直截面上的上腔体单元7与下腔体单元8；由于采用了只由一层硅片构成、且在同一垂直截面上具有上下两个腔体的腔体结构层，本发明简化了制造工艺，同时减少了因对准而造成的误差，并提高了腔体的数量，增加了分辨率；同时，压电制动器中的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。
这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明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，在不脱离本发明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，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
Claims (10)
1.一种复合腔体压电喷墨打印头，其特征在于：所述喷墨打印头从上而下依次包括上压电致动器、上振动板、腔体结构层、下振动板、下压电制动器；其中，
所述腔体结构层包括多个腔体单元，每个腔体单元均包括位于同一垂直截面上的上腔体单元与下腔体单元；所述上振动板上设置有与上腔体单元及下腔体单元均连通的墨水入口；所述下振动板上设置有多个分别与所述上腔体单元、下腔体单元对应连通的喷孔；所述上压电制动器固定在上振动板上，与所述上腔体单元对应；所述下压电制动器固定在下振动板上，与所述下腔体单元对应。
2.根据权利要求1所述的复合腔体压电喷墨打印头，其特点在于，优选的，所述腔体结构层由硅片构成，所述上腔体与下腔体通过干法刻蚀或湿法刻蚀形成于硅片上。
3.根据权利要求1所述的复合腔体压电喷墨打印头，其特点在于，所述上振动板与下振动板都为厚度20-50μm的硅片，且通过键合工艺与腔体结构层结合。
4.根据权利要求1所述的复合腔体压电喷墨打印头，其特点在于，所述墨水入口通过干法刻蚀或湿法刻蚀获得；所述喷孔通过干法刻蚀获得。
5.根据权利要求1所述的复合腔体压电喷墨打印头，其特点在于，所述上压电致动器与所述下压电致动器均由下电极、压电陶瓷薄膜和上电极组成。
6.根据权利要求5所述的复合腔体压电喷墨打印头，其特点在于，所述下电极通过磁控溅射分别形成于所述上振动板和下振动板的表面。
7.根据权利要求5所述的复合腔体压电喷墨打印头，其特点在于，所述压电陶瓷薄膜通过丝网印刷，并通过溶胶-凝胶法形成于下电极的表面。
8.根据权利要求5所述的复合腔体压电喷墨打印头，其特点在于，所述上电极通过丝网印刷金(Au)形成于压电陶瓷薄膜的表面。
9.根据权利要求5所述的复合腔体压电喷墨打印头，其特点在于，所述压电陶瓷薄膜通过在所述上电极与所述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。
10.对权利要求1-9中任一项所述的复合腔体压电喷墨打印头进行制造的方法，其特征在于：主要包括步骤：
A、采用干法刻蚀或湿法刻蚀对硅片进行加工，形成所述腔体结构层；
B、对硅片进行加工形成上振动板及下振动板，通过干法刻蚀或湿法刻蚀所述上振动板获得所述墨水入口，通过干法刻蚀所述下振动板获得所述喷孔；
C、将上振动板与下振动板分别与所述腔体结构层进行键合，在上振动板和下振动板的表面分别溅射形成下电极，并采用丝网印刷工艺制得压电陶瓷薄膜与上电极，从而形成上压电制动器及下压电制动器。
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