CN107399165A - 一种提高剪切式形变量的压电喷头及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高剪切式形变量的压电喷头，包括具有压力腔、墨水通道和喷孔的衬底、压电陶瓷片、设于所述压电陶瓷片内表面的下极化电极层和设于所述压电陶瓷片外表面的多个驱动电极，所述下极化电极层与所述衬底凹设有压力腔的一面键合，所述压电陶瓷片具有不同的极化方向。本发明还公开了一种提高剪切式形变量的压电喷头的制备方法，该制备方法将压电陶瓷片不同区域选定不同极化方向进行极化，与通常的只对压电陶瓷片选定一个极化方向进行极化相比，有效地提高压了压电陶瓷的剪切式运动位移量；在压电陶瓷片厚度和剪切式位移量一定的情况下，分区域极化的压电陶瓷所需驱动电压可以有效的降低。

Description

一种提高剪切式形变量的压电喷头及其制备方法
技术领域
本发明涉及微加工技术领域，尤其涉及一种提高剪切式形变量的压电喷头及其制备方法。
背景技术
压电陶瓷是一种新型的功能材料，广泛应用于电子、光、热、声学等领域。在压电陶瓷器件制备的过程中，极化是关键工艺。极化过程是压电陶瓷中畴结构运动和发展的过程。压电陶瓷在人工极化前为各向同性体，对外不显示压电效应；极化后，由于剩余极化，成为各向异性体，从而具有压电效应。
压电喷墨利用喷嘴上游压电陶瓷(执行器)的逆压电效应，在外电场的驱动下使得喷嘴液腔壁产生机械位移，改变液腔体积；从而在液腔内部产生压力波，利用压力波驱动墨水形成液滴，并从喷嘴喷出。
通常的压电喷墨喷头的压电陶瓷在极化时选定一个极化方向进行极化，其具体工作原理为：当往压电致动器上施加电压脉冲时，正电压会使压电致动器向管外扩张。随着压电致动器的逐渐扩张，管道内的体积将逐渐变大，腔体内的液体压力快速变为负。此时，当液体压力比大气压小时，喷嘴口的液体会向管内回缩。一段时间之后，撤去电压脉冲，压电致动器会相应的向管道中心收缩，最终回到原位，挤压管道中的液体。此种压电喷墨喷头在实际应用中会出现压电陶瓷的剪切式运动位移量较小，即喷头的压力腔形变量较小，在陶瓷片厚度和剪切式位移量一定的情况下，压电陶瓷所需驱动电压较大。
发明内容
鉴于现有技术存在的不足，本发明提供了一种提高剪切式形变量的压电喷头及其制备方法，该制备方法可以有效的提高压电陶瓷的剪切式运动形变量，在陶瓷片厚度和剪切式位移量一定的情况下，分区域极化的压电陶瓷所需驱动电压可以有效的降低。
为了实现上述的目的，本发明采用了如下的技术方案：
一种提高剪切式形变量的压电喷头，包括具有压力腔、墨水通道和喷孔的衬底、压电陶瓷片、设于所述压电陶瓷片内表面的下极化电极层和设于所述压电陶瓷片外表面多个驱动电极，所述下极化电极层与所述衬底凹设有所述压力腔的一面键合，所述压电陶瓷片具有不同的极化方向。
作为其中一种实施方式，所述衬底为SOI衬底材料。
作为其中一种实施方式，所述驱动电极的材质选自铂、金、银、铜、铜合金、钛、钛合金、镍中的任意一种，所述驱动电极的厚度为50nm～5μm。
作为其中一种实施方式，所述压电陶瓷片的厚度为5μm～2mm。
作为其中一种实施方式，每个所述驱动电极的宽度均大于10μm。
本发明的另一目的在于提供一种提高剪切式形变量的压电喷头的制备方法，包括：
S01、在压电陶瓷片下表面沉积金属膜作为下极化电极层；
S02、在SOI衬底上刻蚀压力腔、墨水通道以及喷孔；
S03、将压电陶瓷片下表面和SOI衬底凹设有压力腔的一面键合，并研磨压电陶瓷片上表面至预定厚度；
S04、在压电陶瓷片上表面沉积金属膜并光刻出上极化电极图形，腐蚀出上极化电极图形并去除光刻胶；
S05、在压电陶瓷片的不同区域选定不同极化方向进行极化，并腐蚀掉上极化电极；
S06、在压电陶瓷片上表面沉积金属膜，并光刻出驱动电极图形；
S07、腐蚀出驱动电极图形并去除光刻胶。
作为其中一种实施方式，所述步骤S01、S04、S06中的所述金属膜的材质选自铂、金、银、铜、铜合金、钛、钛合金、镍中的任意一种，金属膜的厚度为50nm～5μm。
作为其中一种实施方式，所述步骤S01、S04、S06中的所述金属膜的粘附层为钛或铬，厚度为10～20nm。
作为其中一种实施方式，所述步骤S04的上极化电极图形中相邻两上极化电极之间的间距大于10μm。
作为其中一种实施方式，所述步骤S03中，所述压电陶瓷片与所述SOI衬底BCB键合。
作为其中一种实施方式，所述步骤S05中极化电压为20～2000V。
本发明提出的提高剪切式形变量的压电喷头制备方法将压电陶瓷片不同区域选定不同极化方向进行极化，与通常的只对压电陶瓷片选定一个极化方向进行极化相比，有效地提高压了压电陶瓷的剪切式运动位移量；在压电陶瓷片厚度和剪切式位移量一定的情况下，分区域极化的压电陶瓷所需驱动电压可以有效的降低。
附图说明
图1为本发明实施例的压电喷头的结构示意图。
图2为压电陶瓷片只选定一个方向进行极化的结构示意图及其有限元模拟位移图。
图3为本发明实施例的压电陶瓷片的结构示意图及其有限元模拟位移图。
图4为本发明实施例的压电喷头的制备方法流程图。
图5为本发明实施例的压电喷头制备方法的前半部分原理图。
图6为本发明实施例的压电喷头制备方法的后半部分原理图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本发明的压电喷头可明显提高剪切式形变量，参阅图1，本实施例的压电喷头包括衬底10、压电陶瓷片20、设于压电陶瓷片20内表面的下极化电极层31和设于压电陶瓷片20外表面的多个驱动电极32，其中，衬底10上形成有依次连通的压力腔1、墨水通道2和喷孔3，压电陶瓷片20的下极化电极层31与衬底10凹设有压力腔的一面键合，压电陶瓷片20具有不同的极化方向。具体是在压电陶瓷片20的不同区域选定不同极化方向进行极化，极化电压优选为20～2000V。
作为其中一种实施方式，衬底10为SOI(Silicon-On-Insulator，绝缘衬底上的硅)衬底材料，其与压电陶瓷片20通过BCB(苯并环丁烯)等键合方式键合。具体地，衬底10包括中间硅层11、上部硅层12和下部硅层13，上部硅层12中部开设有压力腔1，中间硅层11中部开设有墨水通道2，下部硅层13上开设有喷孔3，压力腔1、墨水通道2和喷孔3所占空间依次递减。中间硅层11与下部硅层13之间具有一层氧化硅层14，且优选该氧化硅层14完全覆盖下部硅层13的内表面。
下极化电极层31与驱动电极32的材质均可以选自铂、金、银、铜、铜合金、钛、钛合金、镍中的任意一种材料，下极化电极层31与驱动电极32的厚度均为50nm～5μm。下极化电极层31与驱动电极32的表面均形成有便于粘贴的粘附层，且粘附层为钛或铬，其厚度为10～20nm。压电陶瓷片20的厚度为5μm～2mm，每个驱动电极32的宽度均大于10μm。如图1中所示，极化后，相邻的两个驱动电极32之间的极性相反，且优选驱动电极32为5个，每两个相邻的驱动电极32之间形成一个对应的极化区域，5个驱动电极32将压电陶瓷片20划分为4个极化区域，中部的两个极化区域的极化方向沿压电陶瓷片20片的厚度方向朝压电喷头外部(即图1所示的竖直向上方向)，两侧的两个极化区域沿压电陶瓷片20片的厚度方向朝压电喷头内部(即图1所示的竖直向下方向)。可以理解的是，其他实施方式中，驱动电极32的数量可以根据需要自行设置，且极化方向可以与本实施方式中的极化方向完全相反。
结合图2和图3所示，图2为压电陶瓷片只选定一个方向进行极化的结构示意图及其有限元模拟位移图，图3为本发明实施例具有不同极化方向的压电陶瓷片的结构示意图及其有限元模拟位移图，其中A、B分别代表图中压电陶瓷片下表面和上表面。驱动电极32通电后，电场方向的与极化方向垂直，压电陶瓷片20发生剪切变形，本实施例的压电陶瓷片20位于中部的极化区域的部分朝外凸起，由于中间两个相邻的极化区域的极化方向相同，两侧的极化区域的极化方向与中部的相反，每个中间的极化区域与其侧部的极化区域交界处的电场力叠加，使得压电陶瓷片中间位置产生更大的剪切力，与仅选定一个方向进行极化的压电陶瓷片相比，施加相同大小的驱动电压，压电陶瓷片在电场重叠处能产生更大的剪切式运动位移量，压电陶瓷片具有的总的剪切式运动位移量更大，因此在压电陶瓷片厚度和剪切式位移量一定的情况下，分区域极化的压电陶瓷片所需驱动电压可以有效的降低。
实施例2
本发明的另一目的在于提供一种实施例1的压电喷头的制备方法，如图4所示，该制备方法包括：
S01、在压电陶瓷片20下表面沉积金属膜作为下极化电极层31；
S02、在SOI衬底10上刻蚀压力腔1、墨水通道2以及喷孔3；
S03、将压电陶瓷片20下表面和SOI衬底10具有压力腔的一面键合，并研磨压电陶瓷片上表面至预定厚度；
S04、在压电陶瓷片20上表面沉积金属膜并光刻出上极化电极图形P，腐蚀出上极化电极P图形并去除光刻胶R；
S05、在压电陶瓷片20的不同区域选定不同极化方向进行极化，并腐蚀掉上极化电极P；
S06、在压电陶瓷片20上表面沉积金属膜，并光刻出驱动电极图形；
S07、腐蚀出驱动电极32图形并去除光刻胶R’。
其中，步骤S01、S04、S06中的金属膜的材质选自铂、金、银、铜、铜合金、钛、钛合金、镍中的任意一种，金属膜的厚度为50nm～5μm，该金属膜即为下极化电极层31。步骤S01、S04、S06中的金属膜的粘附层为钛或铬，厚度为10～20nm；步骤S03中压电陶瓷片与SOI衬底BCB键合，步骤S04的上极化电极图形中相邻两上极化电极P之间的间距大于10μm；步骤S05中极化电压为20～2000V。步骤S03中压电陶瓷片20研磨后的厚度是5μm～2mm。
结合图5和图6所示，本实施例的制备工艺为：首先在压电陶瓷片下表面沉积金属膜Ti/Au(20nm/200nm)作为下极化电极，并将压电陶瓷片下表面和刻蚀有压力腔以及墨水通道的SOI键合，再将压电陶瓷片研磨到厚度200μm。然后在压电陶瓷片上表面沉积金属膜Ti/Au(20nm/200nm)，光刻并腐蚀出上极化电极图形，使相邻上极化电极之间的间距为20μm。再在压电陶瓷片不同区域选定不同极化方向进行极化(极化方向如图6所示，中间竖直向上，两侧竖直向下)，极化电压为240V，然后腐蚀掉上极化电极，重新溅射沉积金属膜Ti/Au(20nm/200nm)，最后光刻并腐蚀出驱动电极，驱动电极的宽度为20μm。
实施例3
本实施例的其他工艺与实施例2相同，本实施例的制备工艺为：首先在压电陶瓷片下表面沉积金属膜Ti/Au(10nm/100nm)作为下极化电极，并将压电陶瓷片下表面和刻蚀有压力腔以及墨水通道的SOI键合，再将压电陶瓷片研磨到厚度50μm。然后在压电陶瓷片上表面沉积金属膜Ti/Au(10nm/100nm)，光刻并腐蚀出上极化电极图形，使相邻上极化电极之间的间距为30μm。再在压电陶瓷片不同区域选定不同极化方向进行极化(极化方向如图6所示，中间竖直向上，两侧竖直向下)，极化电压为60V，然后腐蚀掉上极化电极，重新溅射沉积金属膜Ti/Au(10nm/100nm)，最后光刻并腐蚀出驱动电极，驱动电极的宽度为30μm。
实施例4
本实施例的其他工艺与实施例2相同，本实施例的制备工艺为：首先在压电陶瓷片下表面沉积金属膜Ti/Au(20nm/200nm)作为下极化电极，并将压电陶瓷片下表面和刻蚀有压力腔以及墨水通道的SOI键合，再将压电陶瓷片研磨到厚度100μm。然后在压电陶瓷片上表面沉积金属膜Ti/Au(20nm/200nm)，光刻并腐蚀出上极化电极图形，使相邻上极化电极之间的间距为20μm。再在压电陶瓷片不同区域选定不同极化方向进行极化(极化方向与图6相反，即中间竖直向下，两侧竖直向上)，极化电压为120V，然后腐蚀掉上极化电极，重新溅射沉积金属膜Ti/Au(20nm/200nm)，最后光刻并腐蚀出驱动电极，驱动电极的宽度为30μm。
实施例5
本实施例的其他工艺与实施例2相同，本实施例的制备工艺为：首先在压电陶瓷片下表面沉积金属膜Ti/Cu(20nm/200nm)作为下极化电极，并将压电陶瓷片下表面和刻蚀有压力腔以及墨水通道的SOI键合，再将压电陶瓷片研磨到厚度1mm。然后在压电陶瓷片上表面沉积金属膜Ti/Cu(20nm/200nm)，光刻并腐蚀出上极化电极图形，使相邻上极化电极之间的间距为50μm。再在压电陶瓷片不同区域选定不同极化方向进行极化(极化方向如图6所示，中间竖直向上，两侧竖直向下)，极化电压为2400V，然后腐蚀掉上极化电极，重新溅射沉积金属膜Ti/Cu(20nm/200nm)，最后光刻并腐蚀出驱动电极，驱动电极的宽度为100μm。
本发明提出的提高剪切式形变量的压电喷头制备方法将压电陶瓷片不同区域选定不同极化方向进行极化，与通常的只对压电陶瓷片选定一个极化方向进行极化相比，有效地提高压了压电陶瓷的剪切式运动位移量；在压电陶瓷片厚度和剪切式位移量一定的情况下，分区域极化的压电陶瓷所需驱动电压可以有效的降低。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (11)

1.一种提高剪切式形变量的压电喷头，其特征在于，包括具有压力腔(1)、墨水通道(2)和喷孔(3)的衬底(10)、压电陶瓷片(20)、设于所述压电陶瓷片(20)内表面的下极化电极层(31)和设于所述压电陶瓷片(20)外表面的多个驱动电极(32)，所述下极化电极层(31)与所述衬底(10)凹设有所述压力腔(1)的一面键合，所述压电陶瓷片(20)具有不同的极化方向。
2.根据权利要求1所述的提高剪切式形变量的压电喷头，其特征在于，所述衬底(10)为SOI衬底材料。
3.根据权利要求1或2所述的提高剪切式形变量的压电喷头，其特征在于，所述驱动电极(32)的材质选自铂、金、银、铜、铜合金、钛、钛合金、镍中的任意一种，所述驱动电极(32)的厚度为50nm～5μm。
4.根据权利要求3所述的提高剪切式形变量的压电喷头，其特征在于，所述压电陶瓷片(20)的厚度为5μm～2mm。
5.根据权利要求3所述的提高剪切式形变量的压电喷头，其特征在于，每个所述驱动电极(32)的宽度均大于10μm。
6.一种提高剪切式形变量的压电喷头的制备方法，其特征在于，包括：
S01、在压电陶瓷片下表面沉积金属膜作为下极化电极层；
S02、在SOI衬底上刻蚀压力腔、墨水通道以及喷孔；
S03、将压电陶瓷片下表面和SOI衬底凹设有压力腔的一面键合，并研磨压电陶瓷片上表面至预定厚度；
S04、在压电陶瓷片上表面沉积金属膜并光刻出上极化电极图形，腐蚀出上极化电极图形并去除光刻胶；
S05、在压电陶瓷片的不同区域选定不同极化方向进行极化，并腐蚀掉上极化电极；
S06、在压电陶瓷片上表面沉积金属膜，并光刻出驱动电极图形；
S07、腐蚀出驱动电极图形并去除光刻胶。
7.根据权利要求6所述的提高剪切式形变量的压电喷头的制备方法，其特征在于，所述步骤S01、S04、S06中的所述金属膜的材质选自铂、金、银、铜、铜合金、钛、钛合金、镍中的任意一种，金属膜的厚度为50nm～5μm。
8.根据权利要求6所述的提高剪切式形变量的压电喷头的制备方法，其特征在于，所述步骤S01、S04、S06中的所述金属膜的粘附层为钛或铬，厚度为10～20nm。
9.根据权利要求6所述的提高剪切式形变量的压电喷头的制备方法，其特征在于，所述步骤S04的上极化电极图形中相邻两上极化电极之间的间距大于10μm。
10.根据权利要求6所述的提高剪切式形变量的压电喷头的制备方法，其特征在于，所述步骤S03中，所述压电陶瓷片与所述SOI衬底BCB键合。
11.根据权利要求6-10任一所述的提高剪切式形变量的压电喷头的制备方法，其特征在于，所述步骤S05中极化电压为20～2000V。
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