CN110588177B - 一种梁膜式压电阵列打印头的转印制造方法 - Google Patents

Abstract

一种梁膜式压电阵列打印头的转印制造方法，首先制备出梁膜式压电阵列打印头液体通道板，同时单独制备出梁膜式压电阵列打印头压电驱动板，然后通过转印的方式将梁膜式压电阵列打印头压电驱动板上的压电驱动结构与梁膜式压电阵列打印头液体通道板结合，形成完整的梁膜式压电阵列打印头；本发明实现广泛结构适用性的梁膜式压电阵列打印头的制造，工艺兼容性强，成本低。

Description

一种梁膜式压电阵列打印头的转印制造方法

技术领域

本发明属于微滴喷射打印技术领域，具体涉及一种梁膜式压电阵列打印头的转印制造方法。

背景技术

梁膜式压电阵列打印头通过设于相邻压电喷射单元之间的分隔梁降低了振动膜之间的机械串扰，并且隔绝了电极之间的电串扰，有助于提高压电阵列打印头喷射单元的阵列密度和喷射频率，在微滴喷射打印头及微滴喷射打印领域具有巨大的应用前景。

制造梁膜式压电阵列打印头过程中，在分隔梁与振动膜组成的凹槽结构中制备图案化的压电陶瓷驱动材料尤为重要，传统的制备打印头压电陶瓷驱动材料的方法主要有研磨减薄法、丝网印刷法、溶胶凝胶法、磁控溅射法等。

由于梁膜式打印头中压电陶瓷驱动材料设置于分隔梁与振动膜组成的凹槽结构中，并且高度低于分隔梁，采用研磨减薄法、丝网印刷法、溶胶凝胶法等方法难以实现这种在凹槽中形成图形化压电陶瓷驱动材料的梁膜式压电驱动结构的制备。磁控溅射法原理上可以实现压电陶瓷材料随形覆盖从而实现梁膜式压电驱动结构的制备，但是受到工艺能力本身限制，一般只可用于开发压电陶瓷材料厚度在数微米左右的薄膜型梁膜式压电阵列打印头，很难实现厚度更高的压电陶瓷材料制备，并且磁控溅射法对于梁膜式凹槽结构的深宽比有较高的要求，所能制备的打印头结构有较大局限性。因此，现有技术难以实现广泛结构适用性梁膜式压电阵列打印头的制造。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种梁膜式压电阵列打印头的转印制造方法，实现广泛结构适用性的梁膜式压电阵列打印头的制造。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种梁膜式压电阵列打印头的转印制造方法，首先制备出梁膜式压电阵列打印头液体通道板，同时单独制备出梁膜式压电阵列打印头压电驱动板，然后通过转印的方式将梁膜式压电阵列打印头压电驱动板上的压电驱动结构与梁膜式压电阵列打印头液体通道板结合，形成完整的梁膜式压电阵列打印头。

所述的梁膜式压电阵列打印头液体通道板的制备方法，包括以下步骤：

S01、提供第一块硅衬底，并在第一块硅衬底的两面分别刻蚀出流道与喷孔；

S02、提供第二块硅衬底，并在第二块硅衬底的两面分别刻蚀出压力腔室与分隔梁，相邻两分隔梁之间的凹槽与压力腔室中间的夹层作为振动膜；

S03、将第一块硅衬底带有流道的一面与第二块硅衬底带有压力腔室的一面进行对准键合，形成完整的打印头液体通道板，其中键合方法是硅硅键合、阳极键合、聚合物中间层键合、金硅键合、金属共晶键合、金属热压键合或其他任意一种高温或低温的键合集成方法。

所述的梁膜式压电阵列打印头压电驱动板的制备方法，包括以下步骤：

S04、提供第三块硅衬底，并在第三块硅衬底的正面依次制备绝缘层、下电极、压电陶瓷、上电极，制备压电陶瓷的方法是研磨减薄法、丝网印刷法、溶胶凝胶法、磁控溅射法或其他任意一种在平面上形成压电陶瓷膜的方法，实现数微米至数十微米甚至数百微米厚度的压电陶瓷膜的制备；

S05、对第三块硅衬底上的下电极、压电陶瓷、上电极以及绝缘层与硅基底材料进行图案化，形成打印头压电驱动板，其中图案化的方法是干法刻蚀、湿法刻蚀或激光刻蚀中的任意一种；

所述的梁膜式PZT薄膜压电阵列打印头的转印制备方法，包括以下步骤：

S06、将打印头液体通道板上带有分隔梁及相邻两分隔梁之间的凹槽的一面沉积键合材料，并与打印头的压电驱动板的正面，即带有下电极、压电陶瓷、上电极的一面进行对准键合，键合面包括上电极与振动膜的键合面、分隔梁表面与第三块硅衬底上的图案化硅基底材料的键合面，其中键合方法是聚合物中间层键合、金硅键合、金-金热压键合方法中的任意一种；

S07、去除打印头压电驱动板上硅衬底、绝缘层的多余材料，实现压电陶瓷材料的转印，形成完整的梁膜式压电阵列打印头。

与现有技术相比，本发明的有益效果是:

1、工艺兼容性强：由于在打印头液体通道结构键合过程中无压电材料的存在，避免了由压电陶瓷材料居里温度对键合温度的限制，键合工艺兼容性强，选择多样，可以是硅硅键合工艺、阳极键合工艺、聚合物中间层键合工艺、金硅键合工艺、金属共晶键合工艺、金属热压键合工艺或其他任意一种高温或低温的键合工艺；由于采用先制备压电材料再通过转印将压电材料转移至凹槽结构中的方法，避免了梁模式结构对于制备压电陶瓷材料工艺的限制，制备压电陶瓷材料的工艺兼容性强，选择多样，可以是研磨减薄法、丝网印刷法、溶胶凝胶法、磁控溅射法或其他任意一种在平面上形成压电陶瓷膜的方法。

2、结构适用性广：由于制备压电陶瓷材料的工艺选择多样，可以满足数微米至数十微米甚至数百微米厚度的压电陶瓷膜的制备，满足了不同结构的梁膜式压电阵列打印头对于压电陶瓷厚度的不同需求；由于采用转印的方式将压电材料转移至凹槽结构，对于梁膜式凹槽结构的深宽比限制较小，可以实现更大范围深宽比的梁模式压电驱动结构的制备，更加扩宽了可制备的梁膜式压电阵列打印头的结构范围。

3、成本低：压电阵列打印头的制造成本主要集中在键合、压电材料制备及硅基结构制备等工艺上。由于键合工艺与压电材料制备工艺兼容性强，可根据具体需求选择成本低廉的键合方式、压电材料制备方式，极大的降低了键合工艺与压电材料制备工艺的成本；常规的硅片(以4英寸硅晶圆为例)厚度一般大于300μm，而压电打印头压力腔室的深度与打印头性能密切相关,一般远远小于300μm，传统制备方式中采用硅片减薄或直接使用超薄硅片(厚度小于200μm)等方式实现小深度的压力腔室加工，超薄硅片价格高且易碎，增加了制造难度与成本，而梁膜式压电阵列打印头的转印制造方法只需根据压力腔室的深度要求调整与其对应的上方分隔梁与振动膜组成的凹槽结构深度即可，方法简单，避免了超薄硅片的使用，降低了打印头硅基结构的制备成本。

附图说明

图1为本发明梁膜式压电阵列打印头液体通道板的制备方法原理图。

图2为本发明梁膜式压电阵列打印头压电驱动板的制备方法原理图。

图3为本发明梁膜式PZT薄膜压电阵列打印头的转印制备方法的原理图。

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。

一种梁膜式压电阵列打印头的转印制造方法，首先制备出梁膜式压电阵列打印头液体通道板，同时单独制备出梁膜式压电阵列打印头压电驱动板，然后通过转印的方式将梁膜式压电阵列打印头压电驱动板上的压电驱动结构与梁膜式压电阵列打印头液体通道板结合，形成完整的梁膜式压电阵列打印头。

参阅图1，所述的梁膜式压电阵列打印头液体通道板的制备方法，包括以下步骤：

S01、提供第一块硅衬底1，并在第一块硅衬底1的两面分别刻蚀出流道2与喷孔3；

S02、提供第二块硅衬底4，并在第二块硅衬底4的两面分别刻蚀出压力腔室8与分隔梁7，相邻两分隔梁7之间的凹槽5与压力腔室8中间的夹层作为振动膜6；

S03、将第一块硅衬底1带有流道2的一面与第二块硅衬底4带有压力腔室8的一面进行对准键合，形成完整的打印头液体通道板9，其中键合方法可以是硅硅键合、阳极键合、聚合物中间层键合、金硅键合、金属共晶键合、金属热压键合或其他任意一种高温或低温的键合集成方法。

参阅图2，所述的梁膜式压电阵列打印头压电驱动板的制备方法，包括以下步骤：

S04、提供第三块硅衬底10，并在第三块硅衬底10的正面依次制备绝缘层11、下电极12、压电陶瓷13、上电极14，其中制备压电陶瓷的方法可以是研磨减薄法、丝网印刷法、溶胶凝胶法、磁控溅射法或其他任意一种在平面上形成压电陶瓷膜的方法，可实现数微米至数十微米甚至数百微米厚度的压电陶瓷膜的制备；

S05、对第三块硅衬底10上的下电极12、压电陶瓷13、上电极14以及绝缘层11与第三块硅衬底10进行图案化，形成打印头压电驱动板15，其中图案化的方法可以是干法刻蚀、湿法刻蚀或激光刻蚀等方法中的任意一种；

参与图3，所述的梁膜式PZT薄膜压电阵列打印头的转印制备方法，包括以下步骤：

S06、将打印头液体通道板9上带有分隔梁7及相邻两分隔梁之间的凹槽5的一面沉积键合材料16，并与打印头压电驱动板15的正面(即带有下电极12、压电陶瓷13、上电极14的一面)进行对准键合，键合面包括上电极12与振动膜6的键合面、分隔梁7表面与第三块硅衬底10上的图案化硅基底材料的键合面，其中键合方法可以是聚合物中间层键合、金硅键合、金-金热压键合等键合方法中的任意一种；

S07、去除打印头压电驱动板15上硅衬底10、绝缘层11等多余材料，实现压电陶瓷材料的转印，形成完整的梁膜式压电阵列打印头17。

所述的步骤S01、S02中第一块硅衬底1、第二硅衬底4可以是硅晶圆、SOI晶圆或表面氧化的硅晶圆中的任意一种，所述的振动膜6可以是硅膜或者由二氧化硅与硅组成的膜。

所述的步骤S03中采用阳极键合、聚合物中间层键合、金硅键合、金属共晶键合或金属热压键合等键合方式时，键合材料如玻璃、聚合物、金属等可以采用喷涂或溅射等方式沉积于第一块硅衬底1带有流道2的一面与第二块硅衬底4的带有压力腔室8的一面；所述的聚合物中间层键合可以是环氧树脂中间层键合、聚酰亚胺中间层键合、苯并环丁希中间层键合等键合方式中任意一种；所述的金属共晶键合可以是金锡共晶键合、金铟共晶键合、金锗共晶键合、铜锡共晶键合等键合方式中任意一种；所述的金属热压键合可以是金-金热压键合、铜-铜热压键合、铝-铝热压键合等键合方式中的任意一种。

所述的步骤S04中绝缘层11的材料可以是二氧化硅、氮化硅或者二氧化硅与氮化硅的组合，下电极12的材料可以是铂(Pt)、铱(Ir)等为代表的金属或镍酸镧(LaNiyOx)为代表的导电性氧化物，压电陶瓷13的材料可以是锆钛酸铅(PZT)或向其掺杂了铌、镧等元素形成的铌掺杂锆钛酸铅(PNZT)、镧掺杂锆钛酸铅(PLZT)等材料，上电极14的材料可以是铂(Pt)、铱(Ir)、金(Au)等金属；所述的磁控溅射法与溶胶凝胶法可用于数微米甚至十数微米厚度的压电陶瓷膜的制备；所述的研磨减薄法、丝网印刷法可用于数十微米至数百微米厚度的压电陶瓷膜的制备。

所述的步骤S05中干法刻蚀可以是ICP、RIE或离子物理轰击刻蚀等方法中的任意一种。

所述的步骤S06中键合材料16可以是环氧树脂、聚酰亚胺、苯并环丁希、金(Au)等，对于数十微米至数百微米厚度的压电陶瓷膜，键合可采用环氧树脂、聚酰亚胺、苯并环丁希等聚合物作为中间层进行键合或沉积金材料采用金硅共晶、金金热压进行键合；聚合物中间层厚度可根据具体需求控制在1微米至小于5微米之间；金材料厚度可控制在500纳米以内以节省键合成本；对于数微米甚至十数微米厚度的压电陶瓷膜，键合采用金硅共晶或金金热压键合，金材料厚度小于500纳米，在保证键合强度的前提下可尽可能减小金材料厚度，以保证键合层厚度远远小于压电陶瓷膜厚度，避免键合层对于压电陶瓷膜振动性能的影响。

所述的步骤S07中去除打印头压电驱动板15上多余的材料的方式可以是干法或湿法刻蚀去除，或者采用研磨的方式去除。

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 (1)

1.一种梁膜式压电阵列打印头的转印制造方法，其特征在于：首先制备出梁膜式压电阵列打印头液体通道板，同时单独制备出梁膜式压电阵列打印头压电驱动板，然后通过转印的方式将梁膜式压电阵列打印头压电驱动板上的压电驱动结构与梁膜式压电阵列打印头液体通道板结合，形成完整的梁膜式压电阵列打印头；

所述的梁膜式压电阵列打印头液体通道板的制备方法，包括以下步骤：

S01、提供第一块硅衬底，并在第一块硅衬底的两面分别刻蚀出流道与喷孔；

S02、提供第二块硅衬底，并在第二块硅衬底的两面分别刻蚀出压力腔室与分隔梁，相邻两分隔梁之间的凹槽与压力腔室中间的夹层作为振动膜；

S03、将第一块硅衬底带有流道的一面与第二块硅衬底带有压力腔室的一面进行对准键合，形成完整的打印头液体通道板，其中键合方法是硅硅键合、阳极键合、聚合物中间层键合、金硅键合、金属共晶键合、金属热压键合或其他任意一种高温或低温的键合集成方法；

所述的梁膜式压电阵列打印头压电驱动板的制备方法，包括以下步骤：

S04、提供第三块硅衬底，并在第三块硅衬底的正面依次制备绝缘层、下电极、压电陶瓷、上电极，制备压电陶瓷的方法是研磨减薄法、丝网印刷法、溶胶凝胶法、磁控溅射法或其他任意一种在平面上形成压电陶瓷膜的方法，实现数微米至数十微米甚至数百微米厚度的压电陶瓷膜的制备；

S05、对第三块硅衬底上的下电极、压电陶瓷、上电极以及绝缘层与硅基底材料进行图案化，形成打印头压电驱动板，其中图案化的方法是干法刻蚀、湿法刻蚀或激光刻蚀中的任意一种；

所述的梁膜式压电阵列打印头的转印制备方法，包括以下步骤：

S06、将打印头液体通道板上带有分隔梁及相邻两分隔梁之间的凹槽的一面沉积键合材料，并与打印头的压电驱动板的正面，即带有下电极、压电陶瓷、上电极的一面进行对准键合，键合面包括上电极与振动膜的键合面、分隔梁表面与第三块硅衬底上的图案化硅基底材料的键合面，其中键合方法是聚合物中间层键合、金硅键合、金-金热压键合方法中的任意一种；

S07、去除打印头压电驱动板上硅衬底、绝缘层的多余材料，实现压电陶瓷材料的转印，形成完整的梁膜式压电阵列打印头。

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