CN113352758A - 一种基于磁致伸缩效应的高速打印机喷墨头及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微机电系统制造技术领域，尤其涉及一种基于磁致伸缩效应的高速打印机喷墨头及其制备方法，包括若干条均由喷嘴、储液池、进液管组成的喷液通路，所述储液池具有振动膜层，所述振动膜层外布置有磁致伸缩层，所述磁致伸缩层上布置有电极导线层。本发明的一种基于磁致伸缩效应的高速打印机喷墨头极其制备方法，利用磁致伸缩材料磁致伸缩应变极限的柔度值λp大等优良特性，在工艺允许的情况下使用磁致伸缩材料可以在不影响喷墨头工作性能的前提下缩小单个喷墨头的尺寸，从而提高喷墨头的密度，实现更高分辨率的打印效果，同时在达到现有喷墨打印技术喷墨速度的前提下，大幅减少重吸墨过程所需的时间，达到高速打印的效果。

Description

一种基于磁致伸缩效应的高速打印机喷墨头及其制备方法

技术领域

本发明涉及微机电系统制造技术领域，尤其涉及一种基于磁致伸缩效应的高速打印机喷墨头及其制备方法。

背景技术

当下喷墨打印主要包括压电式喷墨技术、静电式喷墨技术与热发泡式喷墨技术。压电式喷墨技术采用压电材料作为振动单元，能够以很高的频率将墨水喷出，但是压电材料的单位尺寸内最大形变量有限，而且每个喷墨头的控制信号直接控制压电材料导致相邻喷墨头之间存在较大的干扰，所以基于压电喷墨原理的喷墨头尺寸难以缩小，难易实现高分辨力的打印机喷头制备。静电喷墨技术利用泰勒效应，通过电场将墨水牵引出喷头形成墨滴并喷出，再借助偏转模块控制墨滴的运动路径，但是为了区分前后两个墨滴，静电喷墨的喷墨速度受到一定限制。热发泡式喷墨技术利用高温产生的气泡将墨水挤压喷出，但是由于墨水加热与冷却的周期受墨水自身物理属性的限制，且高温会导致基与热喷墨原理的喷头寿命相对较短。此外，三种喷墨技术在墨滴喷出后喷墨腔重吸墨的过程仅仅依赖于墨水的表面张力，所需的时间约80微秒，明显大于一个喷墨周期中其他所有流程所需的时间总和约30微秒。

针对以上技术问题，故需对其进行改进。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供了一种基于磁致伸缩效应的高速打印机喷墨头及其制备方法。

为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于磁致伸缩效应的高速打印机喷墨头，包括若干条均由喷嘴、储液池、进液管组成的喷液通路，所述储液池具有振动膜层，所述振动膜层外布置有磁致伸缩层，所述磁致伸缩层上布置有电极导线层。

作为优选方案，所述喷液通路阵列于硅基片和玻璃基片的键合面之间，或者硅基片和另一硅基片的键合面之间，所述硅基片在键合面所在面，具有硅基喷嘴凹槽、硅基储液池凹槽、硅基进液管凹槽，所述硅基片在键合面所在面的背面具有磁致伸缩槽，所述磁致伸缩槽与硅基储液池凹槽之间为振动膜层，所述磁致伸缩层布置于磁致伸缩槽中。

作为优选方案，所述振动膜层的厚度为5-50微米。

作为优选方案，所述玻璃基片在键合面所在面，具有与硅基喷嘴凹槽、硅基储液池凹槽、硅基进液管凹槽，上下正对分布的玻璃基喷嘴凹槽、玻璃基储液池凹槽、玻璃基进液管凹槽，所述硅基进液管凹槽深度为0。

作为优选方案，所述另一硅基片的结构为，沿键合面与硅基片的结构镜像对称的结构。

作为优选方案，所述磁致伸缩层的材料为Ni-Zn-Co铁氧体。

作为优选方案，所述若干喷液通路的进液管与同一进液孔连通。

一种基于磁致伸缩效应的高速打印机喷墨头的制备方法，包括步骤：

S1.选取硅基片并清洗；

S2.刻蚀硅基片，采用光刻工艺将喷液通路的对应图形,转移到硅基片的键合面所在面上，采用反应离子刻蚀工艺刻蚀出硅基喷嘴凹槽、硅基储液池凹槽、硅基进液管凹槽，去胶并清洗硅片；采用光刻工艺将磁致伸缩层对应的图形,转移到硅基片的键合面所在面的背面上，采用反应离子刻蚀工艺刻蚀出磁致伸缩槽，去胶并清洗硅片；

S3.沉积磁致伸缩材料，采用气相沉积工艺，将铁氧体材料沉积在磁致伸缩槽中形成磁致伸缩层，去胶并清洗硅片；

S4.沉积电极导线，采用化学气相沉积工艺,在整个硅基片的键合面所在面的背面上,沉积厚度1-3微米的二氧化硅层，采用光刻工艺将电极导线层对应的图形，转移到二氧化硅层上，采用金属溅射工艺，将电极导线沉积到二氧化硅层形成电极导线层，去胶并清洗硅片；

S5.选取玻璃基片或另一硅基片，并清洗；

S6.刻蚀玻璃基片或另一硅基片，选取玻璃基片时，采用光刻工艺将喷液通路的对应图形,转移到玻璃基片键合面所在面上，采用反应离子刻蚀工艺刻蚀出玻璃基喷嘴凹槽、玻璃基储液池凹槽、玻璃基进液管凹槽，去胶并清洗玻璃基片；选取另一硅基片时，采用光刻及反应离子刻蚀工艺，刻蚀出沿键合面与硅基片的结构镜像对称的结构，并沉积相同的磁致伸缩层、电极导线层；

S7.键合，采用湿法腐蚀工艺去除需键合面的氧化层，采用键合工艺将硅基片与玻璃基片键合，或硅基片与另一硅基片键合，清洗键合片并分片。

作为优选方案，所述步骤S7之前，还包括步骤，刻蚀进液孔，采用光刻及反应离子刻蚀工艺，选取任一基片单面刻蚀，或两个基片对称刻蚀，形成进液孔。

作为优选方案，所述步骤中，硅基片、另一硅基片选取为厚度410微米的4英寸高阻硅片，玻璃基片选取为4英寸玻璃片，刻蚀的硅基储液池凹槽、玻璃基储液池凹槽深度为200-250微米，刻蚀的磁致伸缩槽深度为150-190微米；选取玻璃基片时，硅基进液管凹槽刻蚀深度为0。

与现有技术相比，本发明的一种基于磁致伸缩效应的高速打印机喷墨头极其制备方法，利用磁致伸缩材料磁致伸缩应变极限的柔度值λp大等优良特性，在工艺允许的情况下使用磁致伸缩材料可以在不影响喷墨头工作性能的前提下缩小单个喷墨头的尺寸，从而提高喷墨头的密度，实现更高分辨率的打印效果，同时在达到现有喷墨打印技术喷墨速度的前提下，大幅减少重吸墨过程所需的时间，达到高速打印的效果。

附图说明

图1为本发明实施例一的基于磁致伸缩效应的高速打印机喷墨头的结构示意图；

图2为本发明实施例一的基于磁致伸缩效应的高速打印机喷墨头的玻璃基片的结构示意图；

图3为本发明实施例一的基于磁致伸缩效应的高速打印机喷墨头的硅基片键合面所在面的结构示意图；

图4为本发明实施例一的基于磁致伸缩效应的高速打印机喷墨头的制备过程中的剖面形态变化示意图；

图5为本发明实施例二的基于磁致伸缩效应的高速打印机喷墨头的剖面形态示意图；

其中：1.硅基片；11.硅基喷嘴凹槽；12.硅基储液池凹槽；13.磁致伸缩槽；2.玻璃基片；21.玻璃基喷嘴凹槽；22.玻璃基储液池凹槽；23.玻璃基进液管凹槽；24.进液孔；3.磁致伸缩层；4.电极导线层；5另一硅基片。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一:

如图1-4所示，本实施例的基于磁致伸缩效应的高速打印机喷墨头及其制备方法，喷墨头采用磁致伸缩材料，包括若干条均由喷嘴、储液池、进液管组成的喷液通路，储液池具有振动膜层，振动膜层外布置有磁致伸缩层3，磁致伸缩层3上布置有电极导线层4，基于磁致伸缩效应，磁致伸缩层3在电极导线层4产生的高频磁场的驱动下可以产生与磁场同频的伸缩振动，进而驱动对应位置的振动膜层挤压或抽缩储液池，实现高速喷墨的功能。

具体的，基于磁致伸缩效应的高速打印机喷墨头，由硅基片1和玻璃基片2，或硅基片1和另一硅基片制备而成，以硅基片1和玻璃基片2为例描述：

喷液通路阵列于硅基片1和玻璃基片2的键合面之间，硅基片1在键合面所在面，具有硅基喷嘴凹槽11、硅基储液池凹槽12、硅基进液管凹槽，硅基片1在键合面所在面的背面具有磁致伸缩槽13，磁致伸缩槽13与硅基储液池凹槽12之间为振动膜层，磁致伸缩层3布置于磁致伸缩槽13中，磁致伸缩层3的材料选用Ni-Zn-Co铁氧体，或其他具有磁致伸缩性的材料，采用气相沉积工艺置于磁致伸缩槽13内。优选的，通过制备时控制硅基储液池凹槽12和磁致伸缩槽13凹槽的深度，控制振动膜层的厚度在5-50微米，该厚度下的振动膜层受磁致伸缩层3的驱动挤压或抽缩储液池的效果最佳。

玻璃基片2在键合面所在面，具有与硅基喷嘴凹槽11、硅基储液池凹槽12、硅基进液管凹槽，上下正对分布的玻璃基喷嘴凹槽21、玻璃基储液池凹槽22、玻璃基进液管凹槽23，上下正对分布的凹槽在键合后合并成为喷液通路，优选的，在选用玻璃基片2时，硅基进液管凹槽深度设计为0，仅通过玻璃基进液管的厚度形成进液管，减少硅基进液管凹槽内空间对振动膜层受驱动挤压或抽缩的影响力度。

进一步的，为喷液通路设计进液孔24可实现墨液补充功能，为方便补液，所有的喷液通路的进液管与同一进液孔24连通，优选的，可根据需要，连通不同的进液孔24，比如彩色打印需求下，不同颜色的喷液通路连通分别各自的进液孔24。进一步的，除了本身振动膜层的收缩，可根据需要增加额外加压单元通过额外施加压力加速重吸墨过程，达到提高喷墨打印速度的作用。

本实施例的基于磁致伸缩效应的高速打印机喷墨头的制备方法，包括步骤：

S1.选取硅基片1并清洗；比如选取为厚度410微米的4英寸高阻硅片，采用标准工业清洗硅片。

S2.刻蚀硅基片1，采用光刻工艺将喷液通路对应的硅基喷嘴凹槽11、硅基储液池凹槽12、硅基进液管凹槽图形,转移到硅基片1的键合面所在面上，采用反应离子刻蚀工艺刻蚀出硅基喷嘴凹槽11、硅基储液池凹槽12、硅基进液管凹槽，刻蚀的硅基储液池凹槽12深度为200-250微米，刻蚀的硅基进液管凹槽深度为0，去胶并清洗硅片；采用光刻工艺将磁致伸缩层3对应的磁致伸缩槽13图形,转移到硅基片1的键合面所在面的背面上，采用反应离子刻蚀工艺刻蚀出磁致伸缩槽13，刻蚀出深度为150-190微米的磁致伸缩槽13去胶并清洗硅片。

S3.沉积磁致伸缩材料，采用气相沉积工艺，将铁氧体材料沉积在磁致伸缩槽13中形成磁致伸缩层3，去胶并清洗硅片。

S4.沉积电极导线，采用化学气相沉积工艺,在整个硅基片1的键合面所在面的背面上,沉积厚度1-3微米的二氧化硅层，作为绝缘，采用光刻工艺将电极导线层4对应的图形，转移到二氧化硅层上，采用金属溅射工艺，将电极导线沉积到二氧化硅层形成电极导线层4，去胶并清洗硅片。

S5.选取玻璃基片2，选取玻璃基片2为4英寸玻璃片，采用标准工艺清洗玻璃片。

S6.刻蚀玻璃基片2，采用光刻工艺将喷液通路对应的玻璃基喷嘴凹槽21、玻璃基储液池凹槽22、玻璃基进液管凹槽23、进液孔24联通槽图形,转移到玻璃基片2键合面所在面上，采用反应离子刻蚀工艺刻蚀出玻璃基喷嘴凹槽21、玻璃基储液池凹槽22、玻璃基进液管凹槽23、进液孔24联通槽，刻蚀玻璃基储液池凹槽22的深度为200-250微米，去胶并清洗玻璃基片2。其中，进液孔24的通孔图形可通过光刻时转移在键合面所在面上或键合面的背面上，再通过反应离子刻蚀工艺完成刻蚀，方式不限。

S7.键合，采用湿法腐蚀工艺去除需键合面的氧化层，即硅基片1键合面的氧化层，采用键合工艺将硅基片1与玻璃基片2键合，清洗键合片并分片，完成制备。

使用时，当打印信息传递到打印机时，驱动电路在对应位置的电极上输出电流信号，交变电流在电极导线处产生环形磁场，并根据电流方向驱动磁致伸缩层3的伸长和收缩运动。磁致伸缩层3的伸缩运动驱动对应位置的振动膜挤压或抽缩，驱动墨滴喷出或吸入，实现墨滴喷出和墨液补充的功能。

本实施例的基于磁致伸缩效应的高速打印机喷墨头，采用磁致伸缩材料，与采用压电材料相比，磁致伸缩材料具有更大的单位体积形变量、可塑性，能够有效解决高分辨率打印机喷头的关键尺寸问题，同时规避了相邻喷墨头互相干扰的问题。同时由于磁致伸缩材料对温度并不敏感，可以在高温下稳定工作，所以高频磁场激发的涡流产生的加热作用不会对喷墨头工作的稳定性与使用寿命产生实质性影响。

本实施例的基于磁致伸缩效应的高速打印机喷墨头在达到现有喷墨打印技术喷墨速度的前提下，大幅减少重吸墨过程所需的时间，达到高速打印的效果。同时利用磁致伸缩材料磁致伸缩应变极限的柔度值λp大等优良特性，在工艺允许的情况下使用磁致伸缩材料可以在不影响喷墨头工作性能的前提下缩小单个喷墨头的尺寸，从而提高喷墨头的密度，实现更高分辨率的打印效果。

实施例二：

本实施例的基于磁致伸缩效应的高速打印机喷墨头与实施例一的不同之处在于：

如图5所示，喷墨头由硅基片1和另一硅基片5制备而成，另一硅基片5的结构为沿键合面与硅基片1的结构镜像对称的结构，相比实施例一，该结构下能够制备出双振动膜层的喷墨头，受两侧电极导线层产生的高频磁场的驱动下可以产生更多种的控制方式，实现不同喷墨精度、控制的需要。

本实施例的基于磁致伸缩效应的高速打印机喷墨头的制备方法，包括步骤：

S1.选取硅基片1并清洗。

S2.刻蚀硅基片1，采用光刻工艺将喷液通路的对应图形,转移到硅基片1的键合面所在面上，采用反应离子刻蚀工艺刻蚀出硅基喷嘴凹槽11、硅基储液池凹槽12、硅基进液管凹槽、进液孔凹槽，去胶并清洗硅片；采用光刻工艺将磁致伸缩层3对应的图形,转移到硅基片1的键合面所在面的背面上，采用反应离子刻蚀工艺刻蚀出磁致伸缩槽，去胶并清洗硅片；此处进液孔为采用两个基片对称刻蚀的方法形成，通孔形成在到键合面，相比实施例一，可根据设备接口适配选择，不限形成方式。

S3.沉积磁致伸缩材料，采用气相沉积工艺，将铁氧体材料沉积在磁致伸缩槽中形成磁致伸缩层3，去胶并清洗硅片。

S4.沉积电极导线，采用化学气相沉积工艺,在整个硅基片1的键合面所在面的背面上,沉积厚度1-3微米的二氧化硅层，采用光刻工艺将电极导线层4对应的图形，转移到二氧化硅层上，采用金属溅射工艺，将电极导线沉积到二氧化硅层形成电极导线层4，去胶并清洗硅片。

S5.选取另一硅基片5，并清洗。

S6.刻蚀另一硅基片5，采用光刻及反应离子刻蚀工艺，刻蚀出沿键合面与硅基片1的结构镜像对称的结构，并沉积相同的磁致伸缩层3、电极导线层4。

S7.键合，采用湿法腐蚀工艺去除需键合面的氧化层，采用键合工艺将硅基片1与另一硅基片5键合，清洗键合片并分片，完成制备。

优选的，实施例一或实施例二中的玻璃基板、另一硅基板可省略刻蚀、沉积的的操作，直接进行键合，喷液通路此时为硅基板键合处硅基喷嘴凹槽、硅基储液池凹槽、硅基进液管凹槽形成的通路，相比其他实施例，能够简化制备要求，降低成本。

其他结构或制备方法参考实施例一。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (10)

1.一种基于磁致伸缩效应的高速打印机喷墨头，其特征在于，包括若干条均由喷嘴、储液池、进液管组成的喷液通路，所述储液池具有振动膜层，所述振动膜层外布置有磁致伸缩层，所述磁致伸缩层上布置有电极导线层。

2.如权利要求1所述的一种基于磁致伸缩效应的高速打印机喷墨头，其特征在于，所述喷液通路阵列于硅基片和玻璃基片的键合面之间，或者硅基片和另一硅基片的键合面之间，所述硅基片在键合面所在面，具有硅基喷嘴凹槽、硅基储液池凹槽、硅基进液管凹槽，所述硅基片在键合面所在面的背面具有磁致伸缩槽，所述磁致伸缩槽与硅基储液池凹槽之间为振动膜层，所述磁致伸缩层布置于磁致伸缩槽中。

3.如权利要求2所述的一种基于磁致伸缩效应的高速打印机喷墨头，其特征在于，所述振动膜层的厚度为5-50微米。

4.如权利要求3所述的一种基于磁致伸缩效应的高速打印机喷墨头，其特征在于，所述玻璃基片在键合面所在面，具有与硅基喷嘴凹槽、硅基储液池凹槽、硅基进液管凹槽，上下正对分布的玻璃基喷嘴凹槽、玻璃基储液池凹槽、玻璃基进液管凹槽，所述硅基进液管凹槽深度为0。

5.如权利要求3所述的一种基于磁致伸缩效应的高速打印机喷墨头，其特征在于，所述另一硅基片的结构为，沿键合面与硅基片的结构镜像对称的结构。

6.如权利要求3所述的一种基于磁致伸缩效应的高速打印机喷墨头，其特征在于，所述磁致伸缩层的材料为Ni-Zn-Co铁氧体。

7.如权利要求3所述的一种基于磁致伸缩效应的高速打印机喷墨头，其特征在于，所述若干喷液通路的进液管与同一进液孔连通。

8.一种如权利要求1-7任一项所述的一种基于磁致伸缩效应的高速打印机喷墨头的制备方法，其特征在于，包括步骤：

S1.选取硅基片并清洗；

S2.刻蚀硅基片，采用光刻工艺将喷液通路的对应图形,转移到硅基片的键合面所在面上，采用反应离子刻蚀工艺刻蚀出硅基喷嘴凹槽、硅基储液池凹槽、硅基进液管凹槽，去胶并清洗硅片；采用光刻工艺将磁致伸缩层对应的图形,转移到硅基片的键合面所在面的背面上，采用反应离子刻蚀工艺刻蚀出磁致伸缩槽，去胶并清洗硅片；

S3.沉积磁致伸缩材料，采用气相沉积工艺，将铁氧体材料沉积在磁致伸缩槽中形成磁致伸缩层，去胶并清洗硅片；

S4.沉积电极导线，采用化学气相沉积工艺,在整个硅基片的键合面所在面的背面上,沉积厚度1-3微米的二氧化硅层，采用光刻工艺将电极导线层对应的图形，转移到二氧化硅层上，采用金属溅射工艺，将电极导线沉积到二氧化硅层形成电极导线层，去胶并清洗硅片；

S5.选取玻璃基片或另一硅基片，并清洗；

S6.刻蚀玻璃基片或另一硅基片，选取玻璃基片时，采用光刻工艺将喷液通路的对应图形,转移到玻璃基片键合面所在面上，采用反应离子刻蚀工艺刻蚀出玻璃基喷嘴凹槽、玻璃基储液池凹槽、玻璃基进液管凹槽，去胶并清洗玻璃基片；选取另一硅基片时，采用光刻及反应离子刻蚀工艺，刻蚀出沿键合面与硅基片的结构镜像对称的结构，并沉积相同的磁致伸缩层、电极导线层；

S7.键合，采用湿法腐蚀工艺去除需键合面的氧化层，采用键合工艺将硅基片与玻璃基片键合，或硅基片与另一硅基片键合，清洗键合片并分片。

9.如权利要求8所述的一种基于磁致伸缩效应的高速打印机喷墨头的制备方法，其特征在于，所述步骤S7之前，还包括步骤，刻蚀进液孔，采用光刻及反应离子刻蚀工艺，选取任一基片单面刻蚀，或两个基片对称刻蚀，形成进液孔。

10.如权利要求8所述的一种基于磁致伸缩效应的高速打印机喷墨头的制备方法，其特征在于，所述步骤中，硅基片、另一硅基片选取为厚度410微米的4英寸高阻硅片，玻璃基片选取为4英寸玻璃片，刻蚀的硅基储液池凹槽、玻璃基储液池凹槽深度为200-250微米，刻蚀的磁致伸缩槽深度为150-190微米；选取玻璃基片时，硅基进液管凹槽刻蚀深度为0。

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