CN107344453A - 一种压电喷墨打印装置及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及喷墨技术领域，尤其是一种压电喷墨打印装置，包括喷墨室，其包括并列排布的若干个压力腔以及与所述压力腔连通的墨水槽；每个所述压力腔底部均开设有喷墨通道；以及，盖设于所述喷墨室上方的压电驱动盖板，所述压电驱动盖板与所述压力腔、墨水槽配合形成墨水的容置空间；所述压电驱动盖板上设置有与所述墨水槽对应的进墨口。本发明提供的压电喷墨打印装置采用了在压电材料上表面正负电极交叉排列的方法，制造工艺简单，驱动频率高；且喷墨室与盖板只需要一步粘合工艺，解决了其他发明压电结构复杂，多次使用粘合(键合)工艺的难题，降低了工艺难度和制造成本。

Description

一种压电喷墨打印装置及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及打印技术领域，尤其是一种喷墨打印装置及其制备方法。

背景技术

[0002] 一般地，压电喷墨结构由压电材料、墨水腔、喷孔、进墨口以及电极等部分组成。其 通过压电材料的弯曲形变引起墨水腔的体积的变化，进而产生压力波传递至喷口处产生墨 滴，喷射至打印衬底上形成一定的图像。

[0003] CN20101〇282243披露了一种压电喷墨头的制备方法。其通过相互结合的上下两片 压电芯片的切断，形成多个开口上下交错的流道，并压电致动模块;再在其形成的结构上下 表面设置上下盖板，在其形成的结果第一第二侧面分别设置密封层与喷嘴片，至此形成整 个压电喷墨头。该方法在制备过程中涉及5次粘接或键合过程，一般地粘接或键合过程工艺 复杂且难度大，工艺成本较高，应尽量减小该过程的次数。另外在形成改压电喷墨结构的过 程中，通过两次切割形成多个交错的流道;该过程工艺难度大，且在一片晶圆上进行多次切 割，成品率非常低，导致成品的成本激增。

[0004] CN201180071942.3公开了一种压电喷墨裸片堆叠。其通过依次堆叠基体裸片、电 路裸片、压电致动器裸片、帽裸片形成压电喷墨结构。该方法使用环氧树脂类材料将这些裸 片堆叠起来，简化单层裸片的结构及制造难度，与CN201010282243相比，该方法披露了更多 的诸如墨水进出岐管、带有气室的柔量膜、压力腔室、喷嘴层材料等结构，但是该方法本质 上没有改变通过粘接(或者键合)多层结构组成压电喷墨头的现状，工艺依旧复杂，单个喷 头的制造成本依旧很高。

[0005] CN200610151301公开了一种压电喷墨打印头及其制造方法。其压电喷墨打印头由 两个堆叠并连结的衬底组成。上衬底由单晶硅或SOI以及在其表面形成的压电层材料组成； 下衬底由S 0 I形成，包括岐管、压力腔、喷孔及流阻结构等组成。相比于专利 CN201010282243，该方法包含了较少的衬底，缩短了制造过程，减小制造成本。然而该方法 两次使用到了 SOI衬底，该衬底价格较贵，一般会增加压电喷头的制造成本。

发明内容

[0006] 为了克服上述技术问题存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种结构优化的压电 喷墨打印装置的结构，其制造方法步骤少，制造成本低。

[0007] 这种压电喷墨打印装置包括；

[0008] 喷墨室，其包括并列排布的若干个压力腔以及与所述压力腔连通的墨水槽;每个 所述压力腔底部均开设有喷墨通道;以及

[0009] 盖设于所述喷墨室上方的压电驱动盖板，所述压电驱动盖板与所述压力腔、墨水 槽配合形成墨水的容置空间;所述压电驱动盖板上设置有与所述墨水槽对应的进墨口。

[0010] 进一步地，所述压电驱动盖板与所述喷墨室通过熔融键合或粘合的方式连接。

[0011] 进一步地，所述喷墨通道包括:与所述压力腔连接的流道、以及与所述流道相连通 的喷孔。

[0012] 进一步地，所述流道内径大于所述喷孔内径。

[0013]进一步地，所述压力腔与所述所述墨水槽之间还设置有阻尼结构，用于改变墨水 流动的阻力。

[0014] 进一步地，所述阻尼结构由若千根立于所述压力腔底部的柱体构成。

[0015] 进一步地，所述压电驱动盖板包括一压电层以及设置于所述压电层表面的电极 层。

[0016] 进一步地，所述电极层包括交叉排列正电极和负电极；正电极的长中轴线与压力 腔的长中轴线重合，负电极的长中轴线与相邻两压力腔之间侧壁的长中轴线重合。

[0017] 本发明还提供这种压电喷墨打印装置的制备方法，包括如下步骤：

[0018] 在一硅衬底上依次形成氧化硅层、喷孔层；

[0019] 在所述硅衬底远离所述氧化硅层的一面进行刻蚀，使所述硅衬底刻穿到达所述氧 化娃层，形成所述流道；

[0020]在所述硅衬底远离所述氧化硅层的一面进行刻蚀形成所述压力腔和所述墨水槽； [0021]在所述喷孔层上开设若干个喷孔，所述喷孔贯穿所述氧化硅层到达所述硅衬底、 并与所述流道连通；

[0022]在所述压力腔上方对应熔融键合或粘合一压电材料形成压电层，并在所述压电层 上沉积电极层；

[0023]对应于所述墨水槽、在所述压电层上刻蚀出所述进墨口。

[0024]进一步地，还包括在所述硅衬底远离所述氧化硅层的一面进行刻蚀形成阻尼结 构;所述阻尼结构设置于压力腔与所述所述墨水槽之间，用于改变墨水流动的阻力。

[0025]进一步地，所述阻尼结构由若干根立于所述压力腔底部的柱体构成。

[0026]进一步地，所述电极层包括交叉排列、且相互电连接的正电极和负电极;正电极的 长中轴线与压力腔的长中轴线重合，负电极的长中轴线与相邻两压力腔之间侧壁的长中轴 线重合。

[0027]进一步地，所述喷孔层的材质选自氧化硅、氮化硅、惰性金属或光刻胶中任一种或 者多种。

[0028]进一步地，所述压电材料为锆钛酸铅;所述电极层的材质选自钛、金、铝、铂中至少 一种。

[0029]进一步地，所述刻蚀的方法选自深硅刻蚀法或碱液湿法刻蚀法中任一种。

[0030]有益效果：

[0031]本发明所述压电喷墨打印装置的制备工艺中只需要一步粘合(键合)工艺，解决了 其他发明压电结构复杂，多次使用粘合(键合)工艺的难题，降低了工艺难度和制造成本。 [0032]本发明所述压电喷墨打印装置的电极层，采用了在压电材料上表面正负电极交叉 排列的方法，制造工艺简单，驱动频率高。

附图说明

[0033]图1为本发明实施例压电喷墨打印装置的分解结构示意图。

[0034]图2为本发明实施例压电喷墨打印装置的剖面结构示意图。

具体实施方式

[0035]下面，将结合附图对本发明各实施例作详细介绍。

[0036]如图1所示，本实施例提供一种压电喷墨打印装置，其包括;喷墨室100、和盖设于 所述喷墨室100上方的压电驱动盖板200。

[0037]其中，喷墨室100包括并列排布的若干个压力腔110以及与所述压力腔110连通的 墨水槽120,具体地，压力腔优选为中空的长方体或正方体，墨水槽120设置于若干个压力腔 110的同一侧，同时贯通若干个压力腔110,使得各个压力腔110中的墨水能及时得到墨水槽 120中墨水的补给。所述压电驱动盖板200与所述压力腔110、墨水槽120配合形成墨水的容 置空间。

[0038]结合图2所示，每个所述压力腔110底部均开设有喷墨通道130。所述的喷墨通道 130包括：与所述压力腔连接的流道131、以及与所述流道131相连通的喷孔132。所述喷孔 132、流道131优选为具有一定尺寸的圆柱结构，内径范围为5〜100微米。流道131内径大于 所述喷孔132内径，使得喷墨过程获得二次压力。

[0039] 进一步地，在所述压力腔110与所述所述墨水槽120之间还设置有阻尼结构140,用 于改变墨水流动的阻力。所述阻尼结构由若干根立于所述压力腔110底部的柱体141构成。 [0040]结合图1、图2所示，压电驱动盖板200通过熔融键合或粘合的方式与所述喷墨室 100连接。所述压电驱动盖板200包括一压电层210以及设置于所述压电层210表面的电极层 220。进一步地，所述电极层220包括交叉排列、且相互连接的正电极221和负电极222。这种 结构制作工艺简单且驱动频率高。

[0041 ]在所述压电层210上还设置有与所述墨水槽120对应的进墨口 230，该进墨口 230可 以为圆柱腔结构、或长方体结构。需要打印的墨水从进墨口 230进入，流入所述墨水槽120、 继而灌注、存储于所述压力腔110当中。

[0042] 下面，结合图2所示，介绍本实施例这种压电喷墨打印装置的制备方法，包括如下 步骤：

[0043] 步骤S1:选取一厚度为200〜500微米的单晶硅材料作为硅衬底3丨〇,在硅衬底31〇 上表面和/或下表两面形成厚度范围为0.2〜5微米的氧化硅层320;该氧化硅层可以采用热 氧化工艺获得，也可以选自化学沉积工艺获得。

[0044] 然后在任一氧化硅层320上形成喷孔层330，该喷孔层330厚度为2〜10微米，其材 料选自氧化硅、惰性金属或光刻胶中任一种。当材料选择氧化硅时可以通过化学沉积而成； 当材料选择惰性金属时可以通过电镀或者物理沉积而成，当材料选择SU8等结构光刻胶材 料时可以通过旋涂而成。

[0045]步骤S2:第一次深硅刻蚀。

[0046] 去除另一面裸露的氧化硅层(如有），然后在所述硅衬底310远离所述氧化硅层320 的一面采用深硅刻蚀工艺，使所述硅衬底310刻穿到达所述氧化硅层320,形成所述流道 131。在其他实施例中，刻蚀也可以采用碱液湿法刻蚀工艺完成。形成流道131的内径范围为 50〜400微米。

[0047] 步骡S3:第二次深硅刻蚀。 _

[0048] 继续在所述硅衬底310远离所述氧化硅层32〇的一面采用深硅刻蚀工艺，进行刻蚀 形成所述压力腔110,压力腔110为长方体槽状结构，深度为20〜100微米。

[0049] 步骤S4:第三次深硅刻蚀。

[0050] 继续在所述硅衬底310远离所述氧化硅层320的一面采用深硅刻蚀工艺，进行刻蚀 形成所述墨水槽120和阻尼结构140。本实施例的墨水槽120深度与所述刻蚀压力腔110的深 度相当，阻尼结构140为多排柱体141构成，柱状体的横截面可为圆形、正方形、长方形、三角 形等结构，柱体141高度为20〜100微米。

[0051] 在其他实施例中，根据实际情况调整，也可以使所述步骤S4、步骤S4合并进行。 [0052]步骤S5:采用光刻和深硅刻蚀工艺，在所述喷孔层330上开设若干个喷孔132，喷孔 内径范围为5〜10微米;所述喷孔132贯穿所述氧化硅层320到达所述硅衬底310、并与所述 流道131连通，形成完整的喷墨通道130。

[0053] 步骤S5:喷墨室100与压电驱动盖板200的接合。

[0054]在所述压力腔110上方，采用熔融键合工艺或粘合工艺，连接一压电材料形成压电 层210。其中，所述压电材料优选为锆钛酸铅压电材料(PZT)中具有高dl3压电性能的材料， 其厚度约为2〇〜2〇〇微米;其他具有优越压电性能的压电材料也可以达到本发明目的。 [0055]若采用粘合工艺实现喷墨室100与压电驱动盖板200的接合，优先选择环氧类的胶 水(非金属材料的胶)作为粘合剂。

[0056] 步骤S6:在所述压电层210上沉积电极层220。

[0057]压电驱动盖板200的电极层220位于压电层210上表面，电极层220的材质选自钛、 金、铝、铂等一种或者多种材料形成;优先选择物理沉积获得，其次选择化学沉积而成，厚度 为50〜500纳米。本实施例中的电极层220包括交叉排列、且相互电连接的正电极221和负电 极222。正电极221的长中轴线与压力腔110的长中轴线重合，负电极222的长中轴线与相邻 两压力腔110之间的侧壁重合。正电极221的长度、宽度分别为5〇0〜2〇〇〇微米、10〜5〇〇微 米;负电极222的长度、宽度分别为500〜2000微米、20〜500微米。

[0058]步骤S7:最后，对应于所述墨水槽120、在所述压电层210上刻蚀出所述进墨口 230。 所述进墨口 230为圆柱腔结构或长方体状，其通过机械打孔或者湿法刻蚀形成，内径范围为 0.1〜5毫米，深度为20〜200微米，优先选择机械加工形成。

[0059]应用本发明的压电喷墨打印装置时，通过控制电极层电压的通断，使压电材料的 弯曲形变引起墨水腔的体积的变化，进而产生压力波传递至喷口处产生墨滴，喷射至打印 衬底上形成一定的图像。

[0060]本发明所述压电喷墨结构由硅衬底与压电材料组成，所述制备工艺中只一步粘合 (键合)工艺，解决了其他发明压电结构复杂，多次使用粘合(键合)工艺的难题，降低了工艺 难度和制造成本。本发明所述压电喷墨结构的电极，米用了在压电材料上表面正负电极交 叉排练的方法，制造工艺简单，驱动频率高。

Claims (15)

1. 一种压电喷墨打印装置，其特征在于，包括； 喷墨室，其包括并列排布的若千个压力腔以及与所述压力腔连通的墨水槽;每个所述 压力腔底部均开设有喷墨通道;以及， 盖设于所述喷墨室上方的压电驱动盖板，所述压电驱动盖板与所述压力腔、墨水槽配 合形成墨水的容置空间；所述压电驱动盖板上设置有与所述墨水槽对应的进墨口。

2. 根据权利要求1所述压电喷墨打印装置，其特征在于，所述压电驱动盖板与所述喷墨 室通过熔融键合或粘合的方式连接。

3. 根据权利要求1所述压电喷墨打印装置，其特征在于，所述喷墨通道包括:与所述压 力腔连接的流道、以及与所述流道相连通的喷孔。

4. 根据权利要求3所述压电喷墨打印装置，其特征在于，所述流道内径大于所述喷孔内 径。

5. 根据权利要求1所述压电喷墨打印装置，其特征在于，所述压力腔与所述所述墨水槽 之间还设置有阻尼结构，用于改变墨水流动的阻力。

6. 根据权利要求5所述压电喷墨打印装置，其特征在于，所述阻尼结构由若干根立于所 述压力腔底部的柱体构成。

7. 根据权利要求1所述压电喷墨打印装置，其特征在于，所述压电驱动盖板包括一压电 层以及设置于所述压电层表面的电极层。

8. 根据权利要求7所述压电喷墨打印装置，其特征在于，所述电极层包括交叉排列正电 极和负电极;正电极的长中轴线与压力腔的长中轴线重合，负电极的长中轴线与相邻两压 力腔之间侧壁的长中轴线重合。

9.一种如权利要求3所述压电喷墨打印装置的制备方法，其特征在于，包括如下步骤： 在一硅衬底上依次形成氧化硅层、喷孔层； 在所述硅衬底远离所述氧化硅层的一面进行刻蚀，使所述硅衬底刻穿到达所述氧化硅 层，形成所述流道，； 在所述硅衬底远离所述氧化硅层的一面进行刻蚀形成所述压力腔和所述墨水槽； 在所述喷孔层上开设若干个喷孔，所述喷孔贯穿所述氧化硅层到达所述硅衬底、并与 所述流道连通； 在所述压力腔上方对应熔融键合或粘合一压电材料形成压电层，并在所述压电层上沉 积电极层； 对应于所述墨水槽、在所述压电层上刻蚀出所述进墨口。

10. 根据权利要求9所述压电喷墨打印装置的制备方法，其特征在于，还包括在所述硅 衬底远离所述氧化硅层的一面进行刻蚀形成阻尼结构;所述阻尼结构设置于压力腔与所述 所述墨水槽之间，用于改变墨水流动的阻力。

11. 根据权利要求10所述压电喷墨打印装置的制备方法，其特征在于，所述阻尼结构由 若干根立于所述压力腔底部的柱体构成。

12. 根据权利要求9所述压电喷墨打印装置的制备方法，其特征在于，所述电极层包括 交叉排列正电极和负电极;正电极的长中轴线与压力腔的长中轴线重合，负电极的长中轴 线与相邻两压力腔之间侧壁的长中轴线重合。

13. 根据权利要求9所述压电喷墨打印装置的制备方法，其特征在于，所述喷孔层的材 质选自氧化硅、氮化硅、惰性金属或光刻胶中任一种或者多种。

14. 根据权利要求9所述压电喷墨打印装置的制备方法，其特征在于，所述压电材料为 锆钛酸铅;所述电极层的材质选自钛、金、铝、铂中至少一种。

15. 根据权利要求9所述压电喷墨打印装置的制备方法，其特征在于，所述刻蚀的方法 选自深硅刻蚀法或碱液湿法刻蚀法中任一种。