CN116001447A - 压电式打印喷头及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于微加工技术领域，具体涉及一种压电式打印喷头及其制备方法。本发明中的压电式打印喷头的制备方法包括准备盖片衬底，盖片衬底包括主体层，利用感应耦合等离子体‑化学气相沉积法，在主体层的一侧制备耗尽层，准备底片衬底，将底片衬底与耗尽层在预设温度下通过阳极键合的方式连接为一体，并形成压电式打印喷头，预设温度为300℃‑400℃。通过使用本技术方案中的压电式打印喷头的制备方法，将底片衬底与耗尽层在预设温度下通过阳极键合的方式连接为一体，预设温度为300℃‑400℃，能够使得制备压电式打印喷头的制备流程中的工艺温度处于较低温度，进而使键合工艺能够兼容盖片衬底的压电层材料。

Description

压电式打印喷头及其制备方法

技术领域

本发明属于打印喷墨技术领域，具体涉及一种压电式打印喷头及其制备方法。

背景技术

压电式喷墨打印技术相比于热泡式喷墨打印技术，具有喷头使用寿命长、打印材料类型广泛以及墨滴尺寸控制精准等优点，已被广泛应用于工业打印与家庭打印市场之中。随着微机电系统(MEMS)领域的发展与成熟，微米尺度的微加工技术使得压电式喷墨打印不断向更高喷嘴密度、更宽幅打印尺寸与更复杂电-机-声系统的方向发展，并赋予其易于批量化生产、低成本、高可靠性与高制造精度、易于与互补金属氧化物半导体(CMOS)集成及易于实现智能化等优点。

目前，压电MEMS喷墨打印头以弯曲式的压电驱动为主，弯曲式压电打印喷头的工艺关键在于腔室层的形成，腔室层的制备工艺主要包括牺牲层法和键合法。基于牺牲层工艺的腔室制作方法，往往采用多种材料，不同的热膨胀特性使腔室结构容易发生形变，且工艺复杂，制备周期长，难以通过微小的喷孔和流道去除牺牲层残渣。键合法极高的退火温度会使压电材料性能退化，不能与已经集成压电材料的键合片兼容，并且高温过程会增加腔室结构不稳定性。

发明内容

本发明的目的是至少解决现有压电式打印喷头由于制备时温度较高，不能兼容已经集成压电材料的键合片的问题。该目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的第一方面提出了一种压电式打印喷头，包括：

准备盖片衬底，盖片衬底包括主体层，利用感应耦合等离子体-化学气相沉积法，在主体层的一侧制备耗尽层；

准备底片衬底，将底片衬底与耗尽层在预设温度下通过阳极键合的方式连接为一体，并形成压电式打印喷头，预设温度为300℃-400℃。

通过使用本技术方案中的压电式打印喷头的制备方法，采用盖片衬底和底片衬底的组合结构，盖片衬底包括主体层，利用感应耦合等离子体-化学气相沉积法，在主体层的一侧制备耗尽层，能够为主体层与底片衬底的键合提供耗尽层材料，另外将底片衬底与耗尽层在预设温度下通过阳极键合的方式连接为一体，预设温度为300℃-400℃，能够使得制备压电式打印喷头的制备流程中的工艺温度处于较低温度，进而使键合工艺能够兼容盖片衬底的压电层材料，同时避免了高温对盖片衬底的损害，提升了压电式打印喷头制备流程的稳定性。

另外，根据本发明的压电式打印喷头的制备方法，还可具有如下附加的技术特征：

在本发明的一些实施方式中，所述利用感应耦合等离子体-化学气相沉积法，在主体层的一侧制备耗尽层之前还包括：

在盖片衬底的另一侧制备第一电极层；

在第一电极层远离主体层的一侧制备压电层；

在压电层远离第一电极层的一侧制备第二电极层。

在本发明的一些实施方式中，所述在第一电极层远离主体层的一侧制备压电层之后还包括：

在压电层上制备贯穿孔，并在压电层完成图形化操作。

在本发明的一些实施方式中，所述在主体层的一侧制备耗尽层之后还包括：

在主体层的一侧制备储墨槽、限制槽和压力槽，储墨槽、限制槽和压力槽沿第一方向设置，且限制槽分别与储墨槽和压力槽相连通。

在本发明的一些实施方式中，所述准备底片衬底之后还包括：

在底片衬底朝向主体部的一侧制备喷射孔，喷射孔与压力槽相连通。

本发明第二方面提出了一种压电式打印喷头，所述压电式打印喷头由上述的制备方法制备而得。

在本发明的一些实施方式中，所述主体层的一侧沿第一方向依次设有储墨槽、限制槽和压力槽，所述限制槽分别与所述储墨槽和所述压力槽相连通，所述底片衬底朝向主体部的一侧设有喷射孔，喷射孔包括相互连通的阻尼孔部和增压孔部，所述阻尼孔部和所述增压孔部沿第二方向设置，所述阻尼孔部和所述压力槽相连通。

在本发明的一些实施方式中，所述增压孔部的内径尺寸小于所述阻尼孔部的内径尺寸。

在本发明的一些实施方式中，所述主体层远离所述底片衬底的一侧设有压电层，所述压电层包括第一压电层和第二压电层，所述第一压电层与所述第二压电层沿第一方向间隔设置，所述第一压电层与所述压力槽对应设置，所述第二压电层上设有贯通孔。

在本发明的一些实施方式中，所述主体层和所述底片衬底均为硅片结构。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：

图1示意性地示出了根据本发明实施方式的压电式打印喷头的整体结构剖面示意图；

图2为图1中压电式打印喷头的制备方法中制备第一电极层和压电层的剖面示意图；

图3为图1中压电式打印喷头的制备方法中制备贯穿孔的剖面示意图；

图4为图1中压电式打印喷头的制备方法中制备第二电极层的剖面示意图；

图5为图1中压电式打印喷头的制备方法中制备压力槽、限制槽和储墨槽的剖面示意图；

图6为图1中压电式打印喷头的制备方法中制备喷射孔的剖面示意图。

附图中各标号表示如下：

11、主体层；111、振动板结构；112、储墨槽；113、限制槽；114、压力槽；115、耗尽层；121、第一电极层；122、压电层；1221、第一压电层；1222、第二压电层；12221、贯通孔；123、第二电极层；

20、底板衬底；211、阻尼孔部；212、增压孔部。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。文中描述的方法步骤、过程、以及操作不解释为必须要求它们以所描述或说明的特定顺序执行，除非明确指出执行顺序。还应当理解，可以使用另外或者替代的步骤。

尽管可以在文中使用术语第一、第二、第三等来描述多个元件、部件、区域、层和/或部段，但是，这些元件、部件、区域、层和/或部段不应被这些术语所限制。这些术语可以仅用来将一个元件、部件、区域、层或部段与另一区域、层或部段区分开。除非上下文明确地指出，否则诸如“第一”、“第二”之类的术语以及其它数字术语在文中使用时并不暗示顺序或者次序。因此，以下讨论的第一元件、部件、区域、层或部段在不脱离示例实施方式的教导的情况下可以被称作第二元件、部件、区域、层或部段。

为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“内部”、“外部”、“内侧”、“外侧”、“下面”、“下方”、“上面”、“上方”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的不同方位。例如，如果在图中的装置翻转，那么描述为“在其它元件或者特征下面”或者“在其它元件或者特征下方”的元件将随后定向为“在其它元件或者特征上面”或者“在其它元件或者特征上方”。因此，示例术语“在……下方”可以包括在上和在下的方位。装置可以另外定向(旋转90度或者在其它方向)并且文中使用的空间相对关系描述符相应地进行解释。

目前，压电MEMS喷墨打印头以弯曲式的压电驱动为主，打印头单元主要由压电层、上下电极层、振动板、储墨腔、压力腔、限制腔以及喷嘴构成。当电源的驱动波形施加于电极时，压电薄膜由于逆压电效应发生相应的弯曲变形，从而挤压压力腔室体积，使得在喷嘴处附近形成急剧的压力变化，最终实现液滴喷射。液滴形成与压电薄膜的体积形变量密切相关，只有足够的驱动体积形变量，才能促使喷嘴处的液体突破表面张力的束缚，完成动能向自由能的转换。

其中，弯曲式压电打印喷头的工艺关键在于腔室层(包括储墨腔、限制腔、压力腔、阻尼腔和喷头)的形成，腔室层的制备工艺主要包括牺牲层法和键合法。基于牺牲层工艺的腔室制作方法，往往采用多种材料，不同的热膨胀特性使腔室结构容易发生形变，且工艺复杂，制备周期长，难以通过微小的喷孔和流道去除牺牲层残渣。键合法极高的退火温度会使压电材料性能退化，不能与已经集成压电材料的键合片兼容，并且高温过程会增加腔室结构不稳定性。

图1示意性地示出了根据本发明实施方式的压电式打印喷头的整体结构剖面示意图。如图1所示，本发明提出了一种压电式打印喷头及其制备方法。本发明中的压电式打印喷头的制备方法包括准备盖片衬底，盖片衬底包括主体层11，利用感应耦合等离子体-化学气相沉积法(ICP-CVD：Inductively Coupled Plasma Chemical Vapor Deposition)，在主体层11的一侧制备耗尽层115，准备底片衬底，将底片衬底与耗尽层115在预设温度下通过阳极键合的方式连接为一体，并形成压电式打印喷头，预设温度为300℃-400℃。

通过使用本技术方案中的压电式打印喷头的制备方法，采用盖片衬底和底片衬底的组合结构，盖片衬底包括主体层11，利用感应耦合等离子体-化学气相沉积法，在主体层11的一侧制备耗尽层115，能够为主体层11与底片衬底的键合提供耗尽层115材料，另外将底片衬底与耗尽层115在预设温度下通过阳极键合的方式连接为一体，预设温度为300℃-400℃，能够使得制备压电式打印喷头的制备流程中的工艺温度处于较低温度，进而使键合工艺能够兼容盖片衬底的压电层材料，同时避免了高温对盖片衬底的损害，提升了压电式打印喷头制备流程的稳定性。

在本发明的一些实施方式中，如图2和4所示，利用感应耦合等离子体-化学气相沉积法，在主体层11的一侧制备耗尽层115之前还包括：

在盖片衬底的另一侧制备第一电极层121；

在第一电极层121远离主体层11的一侧制备压电层122；

在压电层122远离第一电极层121的一侧制备第二电极层123。

具体地，在本实施方式中，当第一电极层121和第二电极层123分别与电源的正负极电连接时，位于第一电极层121和第二电极层123之间的压电层122会产生逆压电效应，产生一定的弯曲变形，进而导致与压电层122靠近的主体层11(即压力槽114沿第二方向最高位置处的主体层11，也称为振动板结构111)产生对应的弯曲变形，对压力槽114内的墨水进行压力驱动，最终通过底片衬底完成喷射操作。

具体地，在本实施方式中，在盖片衬底的另一侧依次制备第一电极层121和压电层122均通过磁控溅射技术进行实施。

具体地，在本实施方式中，第一电极层121与整个流通腔对应设置，第一电极层121和第二电极层123的材料均为Pt，第一电极层121和第二电极层123的厚度均为50nm-300nm。

具体地，在本实施方式中，压电层122的材料为PZT、AlN或ScAlN中的任意一种，压电层122的厚度为0.5um-3um。

在本发明的一些实施方式中，如图3所示，在第一电极层121远离主体层11的一侧制备压电层122之后还包括：

在压电层122上制备贯穿孔，并在压电层122完成图形化操作。

具体地，在本实施方式中，外界电源能够通过贯通孔12221与第一电极层121电连接，配合第二电极层123的电连接，能够对压电层122施加电源的驱动波形。在本发明的其他实施方式中，也可以不设置贯通孔12221，直接将电源与第一电极层121的侧端的裸露部电连接，也能够实现第一电极层121的通电操作。

具体地，在本实施方式中，压电层122的刻蚀可用干法刻蚀或者湿法刻蚀。干法刻蚀采用ICP-RIE技术，刻蚀气体为SF₆。湿法刻蚀采用的溶液为BOE+HCl(38％)+NH₄Cl+H2O溶液体积比为1:2:4:4，其腐蚀速率为13nm/s-16nm/s。

在本发明的一些实施方式中，如图5所示，在主体层11的一侧制备耗尽层115之后还包括：

在主体层11的一侧制备储墨槽112、限制槽113和压力槽114，储墨槽112、限制槽113和压力槽114沿第一方向设置，且限制槽113分别与储墨槽112和压力槽114相连通。

在本实施方式中，储墨槽112能够储存墨水，进而便于依次通过限制槽113和压力槽114对底片衬底提供墨水，最终喷出，完成打印操作。限制槽113能够对储墨槽112流向压力槽114的墨水的流量进行限制，进而达到限流的目的，并能够决定打印喷头的墨水喷射速度。压力槽114沿第二方向最高位置处的主体层11会因为电极层的通电而产生逆压电效应，进而产生弯曲变形，对压力槽114内的墨水产生挤压，进而对流经底片衬底的墨水进行压力的改变，形成急剧的压力变化，实现墨水的喷射。

在本发明的一些实施方式中，如图6所示，准备底片衬底之后还包括：

在底片衬底朝向主体部的一侧制备喷射孔，喷射孔与压力槽114相连通。

具体地，在本实施方式中，在第一电极层121和第二电极层123通电时，电源的驱动波形会施加于压电层122，由于逆压电效应主体层11的振动板结构111处会发生相应的弯曲变形，同时主体层11内具有压力槽114，会挤压压力槽114内的墨水并改变其体积，最终作用于与压力槽114相连通的喷射孔，从而在喷射孔内形成急剧的压力变化，实现墨水的喷射。

具体地，在本实施方式中，采用ICP-RIE(Inductively Coupled Plasma-ReactiveIon Etching，感应耦合等离子体-反应离子刻蚀法)技术分别在盖片衬底上制备储墨槽112、限制槽113和压力槽114，以及在底片衬底上制备喷射孔。

进一步地，本发明中压电式打印喷头的制备方法，采用ICP-CVD技术沉积氧化硅薄膜作为阳极键合的耗尽层115材料，最后通过低温阳极键合工艺形成连通的腔室结构(即储墨槽112、限制槽113、压力槽114和喷射孔依次连通)，完成压电打印喷头的制备。整个流程的最高工艺温度为400℃，此方法可以使已经集成压电材料的衬底与工艺流程兼容。其次，本发明采用MEMS(微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System))制备工艺，制备工艺简单，与CMOS(CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor,互补金属氧化物半导体)工艺兼容。其中，采用ICP-CVD的深硅刻蚀技术完成储墨槽112、限制槽113、压力槽114和喷射孔的制备，可完成高密度压电打印喷头的制备。再次，盖片衬底与底片衬底均为硅片，具有相同的热膨胀系数，降低了温度升高对腔室结构的危害。

本发明第二方面提出了一种压电式打印喷头，压电式打印喷头由上述的制备方法制备而得。

通过使用本技术方案中的压电式打印喷头，采用盖片衬底和底片衬底的组合结构，盖片衬底还包括主体层11、第一电极层121、第二电极层123和压电层122，在第一电极层121和第二电极层123通电时，电源的驱动波形施加于压电层122，由于压电层122的逆压电效应，与压电层122相对应的振动板结构111会发生相应的弯曲变形，同时主体层11内具有压力槽114，会挤压压力槽114内的墨水并改变其体积，最终作用于与压力槽114相连通的喷射孔的墨水，从而形成急剧的压力变化，实现墨水的喷射，本发明中盖片衬底的另一侧设有耗尽层115，通过感应耦合等离子体-化学气相沉积法制得，能够为其与底片衬底的键合提供耗尽层115材料，同时耗尽层115与底片衬底低温键合连接，能够使得制备流程中的工艺温度处于低温，进而使键合工艺能够兼容盖片衬底的压电层材料，避免了高温对压力槽114、限制槽113、储墨槽112和喷射孔内的腔室结构产生损害，提升了腔室结构的稳定性。

在本发明的一些实施方式中，如图1所示，主体层11的一侧沿第一方向依次设有储墨槽112、限制槽113和压力槽114，限制槽113分别与储墨槽112和压力槽114相连通，底片衬底朝向主体部的一侧设有喷射孔，喷射孔包括相互连通的阻尼孔部211和增压孔部212，阻尼孔部211和增压孔部212沿第二方向设置，阻尼孔部211和压力槽114相连通。在本实施方式中，阻尼孔部211的体积远小于压力槽114的体积，墨水由空间大的压力槽114流入空间小的阻尼孔部211，会使得墨水的通入量减慢，但是会增加墨水的流速，进而提升喷射的速度。同时配合增压孔部212，能够更好的对墨水的进入压力进行限制，从而进一步地对墨水喷出的速度进行增大，提升了打印喷头的喷射速度。

具体地，在本实施方式中，底片衬底和盖片衬底在键合连接之后，底片衬底能够对储墨槽112、限制槽113和部分压力槽114进行封闭，且压力槽114与喷射孔相连通。

在本发明的一些实施方式中，如图1所示，增压孔部212的内径尺寸小于阻尼孔部211的内径尺寸。在本实施方式中，这样能够配合阻尼孔部211进行对墨水进行二次的增压操作，提升墨水的喷射速度。

在本发明的一些实施方式中，如图3所示，主体层11远离底片衬底的一侧设有压电层122，压电层122包括第一压电层1221和第二压电层1222，第一压电层1221与第二压电层1222沿第一方向间隔设置，第一压电层1221与压力槽114对应设置，第二压电层1222上设有贯通孔12221。在本实施方式中，将压电层122图形化为两部分，能够节省一定的材料成本。同时将第一压电层1221与压力腔对应，能够保证通电时准确通过压电层122对压力槽114沿第二方向上最高位置处的振动板结构111进行弯曲变形的操作，进而对压力槽114内的腔室结构进行体积的变化。贯通孔12221设置在第一压电层1221上，能够避免贯通孔12221设置在第二压电层1222上影响第二压电层1222的逆压电效应的产生，提升了可靠性。

具体地，在本发明的其他实施方式中，压电层122也可以覆盖整体的第一电极层121，同样能够进行通电作用，且能够进行逆压电效应并对主体层11进行作用。另外，整体对第一电极层121进行覆盖的压电层122，也具有贯通孔12221的开设空间。

在本发明的一些实施方式中，主体层11和底片衬底均为硅片结构。主体层11和底片衬底均为硅片材料，因此二者具有相同的热膨胀系数，在键合过程中降低了温度升高对压力槽114、储墨槽112、限制槽113和喷射孔内的腔室结构的危害。

具体地，ICP-CVD技术在沉积氧化硅薄膜时可以产生比PECVD(Plasma EnhancedChemical Vapor Deposition-等离子体增强化学的气相沉积法)高1-2个数量级的等离子体密度，所以压力槽114、限制槽113和储墨槽112内腔室结构的温度设为120℃时就可生长出致密性较好的氧化硅薄膜，其击穿电压高达6MV/cm，氧化硅薄膜的厚度为1um-2um。

在本发明中，阳极键合技术的工艺温度为300℃-400℃，电压为500V-800V，能够使得制备流程中的工艺温度处于低温，进而使盖片衬底与整体工艺流程兼容，避免了高温对流通腔和喷射腔的损害，提升了腔室结构的稳定性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种压电式打印喷头的制备方法，其特征在于，包括：

准备盖片衬底，盖片衬底包括主体层，利用感应耦合等离子体-化学气相沉积法，在主体层的一侧制备耗尽层；

准备底片衬底，将底片衬底与耗尽层在预设温度下通过阳极键合的方式连接为一体，并形成压电式打印喷头，预设温度为300℃-400℃。

2.根据权利要求1所述的压电式打印喷头的制备方法，其特征在于，所述利用感应耦合等离子体-化学气相沉积法，在主体层的一侧制备耗尽层之前还包括：

在盖片衬底的另一侧制备第一电极层；

在第一电极层远离主体层的一侧制备压电层；

在压电层远离第一电极层的一侧制备第二电极层。

3.根据权利要求2所述的压电式打印喷头的制备方法，其特征在于，所述在第一电极层远离主体层的一侧制备压电层之后还包括：

在压电层上制备贯穿孔，并在压电层完成图形化操作。

4.根据权利要求1所述的压电式打印喷头的制备方法，其特征在于，所述在主体层的一侧制备耗尽层之后还包括：

在主体层的一侧制备储墨槽、限制槽和压力槽，储墨槽、限制槽和压力槽沿第一方向设置，且限制槽分别与储墨槽和压力槽相连通。

5.根据权利要求4所述的压电式打印喷头的制备方法，其特征在于，所述准备底片衬底之后还包括：

在底片衬底朝向主体部的一侧制备喷射孔，喷射孔与压力槽相连通。

6.一种压电式打印喷头，其特征在于，所述压电式打印喷头由权利要求1-5中任一项所述的制备方法制备而得。

7.根据权利要求6所述的压电式打印喷头，其特征在于，所述主体层的一侧沿第一方向依次设有储墨槽、限制槽和压力槽，所述限制槽分别与所述储墨槽和所述压力槽相连通，所述底片衬底朝向主体部的一侧设有喷射孔，喷射孔包括相互连通的阻尼孔部和增压孔部，所述阻尼孔部和所述增压孔部沿第二方向设置，所述阻尼孔部和所述压力槽相连通。

8.根据权利要求7所述的压电式打印喷头，其特征在于，所述增压孔部的内径尺寸小于所述阻尼孔部的内径尺寸。

9.根据权利要求7所述的压电式打印喷头，其特征在于，所述主体层远离所述底片衬底的一侧设有压电层，所述压电层包括第一压电层和第二压电层，所述第一压电层与所述第二压电层沿第一方向间隔设置，所述第一压电层与所述压力槽对应设置，所述第二压电层上设有贯通孔。

10.根据权利要求6所述的压电式打印喷头，其特征在于，所述主体层和所述底片衬底均为硅片结构。

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