CN111703205B - 一种压电喷墨打印喷头的驱动元件结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种压电喷墨打印喷头的驱动元件结构，属于半导体传感器执行器制造技术领域。该驱动元件结构包括振动薄板、底电极、压电陶瓷、顶电极；当所述顶电极和所述底电极同时通电时，压电陶瓷会因为逆压电效应发生变形，进而驱动所述振动薄板变形，所述振动薄板变形会挤压压电喷墨打印喷头腔室内的墨水，进而使墨水喷出。本设计结构所使用的振动薄板材料可以是金属、无机物、有机物等单一材料，也可以是多种材料互相组合而成的材料。本设计的压电喷墨打印喷头的驱动元件结构，其制作工艺简单、成本低、工艺重复性好。

Description

一种压电喷墨打印喷头的驱动元件结构
技术领域
本发明属于半导体传感器执行器制造技术领域，具体的是采用微机电技术(MEMS)设计制造的一种压电喷墨打印喷射头的驱动元件，包括顶电极、压电陶瓷、底电极和振动薄板的材料性能和结构参数设计。
背景技术
喷墨打印自19世纪50年代被发明后，由于其打印头不接触承接物，印刷图像清晰等特点，使其得以快速广泛的发展。随着喷墨打印头技术的不断革新，喷墨打印在印刷行业中的地位越来越高。而且，喷墨打印技术已从图形印刷发展到新的领域，如机械工程，生命科学和电子产品。它的低成本，非接触和易于物料处理的优点现在被研究的越来越多。压电驱动方案和热驱动方案是两个最成熟的喷墨打印技术。压电驱动方案是一种利用压电元件挤压振动薄板，进而挤压腔室内的墨水，来实现墨滴喷射的按需喷墨打印技术。与热驱动方案相比，压电驱动打印技术具有能耗低，驱动力大，制造周期短等优点，本发明以压电振动薄板为研究对象，重点研究了振动薄板的材料性能参数和尺寸对压电喷墨打印的影响。
在压电喷墨打印头中，压电振动薄板通过施加的电压波形产生的小位移在墨水通道中产生压力波并且它传播到喷嘴处来喷射液滴。压电振动薄板主要是利用压电陶瓷的逆压电效应，即在压电陶瓷极化方向施加电压时，压电陶瓷会产生形变，且形变的大小与施加的电场大小成正相关。针对压电振动薄板的研究，学者们做了大量工作，Holland使用Rayleigh-Ritz方法研究了矩形压电板的拉伸模式，并将它们分为四种不同的对称类型。Yao Y U等人研究了压电陶瓷在被压缩的过程中除了受逆压电效应影响还常常伴随着因为弯曲产生的正压电效应的影响，正压电效应产生的电场会影响到逆压电效应的变形量。Rogacheva对压电壳和板应用理论的构建中出现的问题进行了综合处理。Chen等人提出了横向各向同性压电体的无量纲方程，并分析了简支矩形板的自由振动。
然而，针对压电晶体为锆钛酸铅(PZT)的压电振子的振幅的研究是一个非常复杂的科学问题，至今尚未有成熟的理论设计方法。Li X等人采用PZT/黄铜双层结构来研究压电层与基底层在完全自由边界的情况，而实际经过MEMS工艺形成的基板层往往是部分固定边界(即介于完全自由和完全固定边界条件之间)约束。有关部分固定边界条件对压电振动薄板等效载荷和挠度的影响分析很少报道。Wang W等人采用SiO2作为基层板的振动薄板，虽然SiO2做振动薄板的振幅很大，但是SiO2的易脆、疲劳性差的特点一直影响着压电振子的寿命。如何提高振动薄板寿命，目前也是一个挑战。
发明内容
本发明的目的是为了增加压电喷墨打印喷头驱动元件的振幅和挤压力，提出了一种压电喷墨打印喷头的驱动元件结构。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种压电喷墨打印喷头的驱动元件结构，该驱动元件结构包括振动薄板、底电极、压电陶瓷6和顶电极；
计算了振动薄板厚度与所受载荷关系、振动薄板厚度与振动薄板挠度关系。在关系分析中发现，在驱动元件向下弯曲(即驱动元件的中性面以上部分压缩，中性面以下部分拉伸)时，当PZT厚度确定，振动薄板厚度的研究范围取0.1μm-10μm时，在振动薄板厚度小于PZT厚度的范围内，随着振动薄板厚度的增加，驱动元件的等效载荷和振幅逐渐增加；在振动薄板厚度接近PZT厚度时，压电元件的等效载荷和振幅显著增大；在振动薄板厚度大于PZT厚度的范围内，随着振动薄板厚度的增加，驱动元件的等效载荷和振幅逐渐减少。经过对其他材料的仿真模拟发现，以SiO2为材料的振动薄板为研究对象，也会出现上文所述的现象。
由此可知，在PZT厚度确定的情况下，为了实现墨滴喷出时有足够大的挤压力，可以通过优化振动薄板的厚度，使其接近压电元件的厚度来达到获取更大等效载荷和更大挠度的目的。考虑到正压电效应和载荷方向的改变对喷墨稳定性的影响，在实际设计时，驱动元件的中性面要尽可能设计在振动薄板上，使得振动薄板有更大的挤压力和振幅，进而使墨水腔室有更大的挤墨压强和腔室变形量。同时，在SiO2的基础上增加了Ni和Pt金属作为振动薄板的一部分，有效地提高了振动薄板的振幅，并且可以通过控制Ni和Pt金属的厚度来实现控制振动薄板厚度的目的。
故本发明设计所述振动薄板主要由材料1、材料2、材料3、材料4四种材料组成，所述底电极主要由材料5组成，所述顶电极主要由材料7、材料8组成；所述材料1包括但不限于SiO2、Si、Si3N4等材料，所述材料2包括但不限于Ti、Cr等材料，所述材料3包括但不限于Pt、Au等材料，所述材料4包括但不限于Cr、Ni、Cu、SiO2、Si、Si3N4等材料，所述材料5包括但不限于Pt、Au等材料，所述材料7包括但不限于Ti、Cr等材料，所述材料8包括但不限于Pt、Au等材料。
所述材料1的材料为SiO2，所述材料2的材料为Ti，所述材料3的材料为Pt，所述材料4的材料为金属，所述材料5的材料为Pt，所述材料7的材料为Ti，所述材料8的材料为Pt。
所述材料1、材料2、材料3、材料4、材料5、压电陶瓷6、材料7和材料8的厚度相同或不同，范围为不大于10um。
所述底电极与压电陶瓷6、顶电极三者的厚度之和小于或等于振动薄板的厚度。
当底电极和顶电极同时通电时，压电陶瓷6会发生变形，进而导致振动薄板变形，挤压墨水，进而使墨水喷出。
所述驱动元件结构的中性面位于所述底电极、顶电极或振动薄板的内部。所述驱动元件结构的组成顺序从上至下依次为顶电极、压电陶瓷、底电极、振动薄板，或者从上至下依次为振动薄板、顶电极、压电陶瓷、底电极。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
(1)该压电喷墨打印喷头的驱动结构制备工艺简单，重复性好；
(2)该驱动元件结构具有很高的振幅和挤压力、使用寿命长；
(3)该驱动元件结构的振动薄板可以由金属Ni、金属Pt、氧化物SiO2等多层材料制成，制备成本低。
附图说明
图1为本发明压电喷墨打印喷头一个腔室的结构主视剖面图；
图2为本发明压电喷墨打印喷头一个腔室的结构俯视剖面图；
图3为本发明压电喷墨打印喷头一个腔室的结构左视剖面图；
图中：1材料1；2材料2；3材料3；4材料4；5材料5；6压电陶瓷；7材料7；8材料8。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的实施例。
实施例1
如图1所示，本实施例的一种压电喷墨打印喷头的驱动元件结构，由多层材料组成，从下至上依次包括：振动薄板、底电极、压电陶瓷6、顶电极；所述振动薄板由材料1、材料2、材料3、材料4组成，所述底电极由材料5组成，所述顶电极由材料7、材料8组成；本发明方案中，所述材料1的材料为SiO2，厚度为900nm，所述材料2的材料为Ti，厚度为30nm，所述材料3的材料为Pt，厚度为200nm，所述材料4的材料为Ni，厚度为380nm，所述材料5的材料为Pt，厚度为200nm，所述压电陶瓷6的厚度为1μm，所述材料7的材料为Ti，厚度为30nm，所述材料8的材料为Pt，厚度为200nm。最终，我们利用MEMS工艺设计制作了一种的新型振动板结构，振动板厚度为1.5μm、压电元件厚度为1.5μm，当所述底电极和所述顶电极同时通电时，压电陶瓷6会发生变形，进而导致所述振动薄板变形，挤压墨水，进而使墨水喷出。
本实施例的一种压电喷墨打印喷头的驱动结构，其制作工艺简单、成本低、工艺重复性好并且容易实现。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。

Claims (3)

1.一种压电喷墨打印喷头的驱动元件结构，其特征在于，该驱动元件结构包括振动薄板和压电元件；所述振动薄板主要由材料A（1）、材料B（2）、材料C（3）、材料D（4）组成，所述压电元件主要由底电极、压电陶瓷F（6）、顶电极组成，所述底电极主要由材料E（5）组成，所述顶电极主要由材料G（7）、材料H（8）组成；当底电极和顶电极同时通电时，压电陶瓷F（6）会发生变形，进而导致所述振动薄板变形，挤压墨水，进而使墨水喷出；所述材料A（1）为Cr、Ni、Cu、SiO2、Si或Si3N4，所述材料B（2）为Ti或Cr，所述材料C（3）为Pt或Au，所述材料D（4）为Cr、Ni、Cu、SiO2、Si或Si3N4，所述材料E（5）为Pt或Au，所述材料G（7）为Ti或Cr，所述材料H（8）为Pt或Au；所述材料A（1）、材料B（2）、材料C（3）、材料D（4）、材料E（5）、压电陶瓷F（6）、材料G（7）和材料H（8）的厚度相同或不同，范围为不大于10um；所述驱动元件结构的组成顺序从上至下依次为顶电极、压电陶瓷、底电极、振动薄板，或者从上至下依次为振动薄板、顶电极、压电陶瓷、底电极。
2.根据权利要求1所述的驱动元件结构，其特征在于，所述底电极、压电陶瓷F（6）与顶电极三者的厚度之和小于或等于所述振动薄板的厚度。
3.根据权利要求1或2所述的驱动元件结构，其特征在于，所述驱动元件结构的中性面位于所述底电极、顶电极或振动薄板的内部。
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