CN1228190C - 压电喷墨头及其振动层成型法 - Google Patents
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Abstract
一种压电喷墨头的振动层的成型法。首先，提供一第一硅芯片以及一第二硅芯片，然后，分别在该第一硅芯片的贴合面以及该第二硅芯片的贴合面上形成一粘合层，再根据接合技术将该第一硅芯片的底面接合在该第二硅芯片的顶面上。随后，进行研磨制程，使该第一硅芯片表面残留的厚度达5～20μm，以提供作为一振动层。然后，提供一硬掩膜层，形成在该第二硅芯片的底面，且包含有复数个开口，用以定义出该墨水腔的预定图案。最后，进行蚀刻制程，并利用该粘合层作为一蚀刻阻挡层，将该开口内的第二硅芯片移除，以形成复数个隔绝的墨水腔。
Description
技术领域
本发明涉及一种压电喷墨头的振动层的成型技术，特别涉及一种使用硅芯片的接合、研磨、蚀刻等技术以使压电喷墨头的振动层与墨水腔成型的方法。
背景技术
喷墨打印技术的主要运作原理分为热泡式(Thermal bubble)及压电式(Piezoelectric)两类。热泡式乃利用加热器将墨水瞬间气化，产生高压气泡推动墨水由喷嘴射出，但由于其高温气化的运作原理使得适用液体的选择性低，故其应用领域有限。压电式，例如美国专利US-A-5739832以及日本专利申请JP-A-10-264389中所揭示的，是利用施加电压方式使压电陶瓷产生形变，经由挤压墨水而产生高压，进而将墨水喷出。相比之下，压电式喷墨头具有下列优点：(1)压电式不会因为高温气化产生化学变化，故具有极佳的耐久性。(2)压电陶瓷反应速度快，不会受限于热传导速度，故可提升打印速度。(3)压电式容易控制液滴的大小，可提升打印品质。
根据不同压电产生变形的机制，目前已经商业化的压电式喷墨头可分为弯曲式(bend mode)与推拉式(push mode)两种，其中弯曲型式采用表面弯曲射出(face-shooter)的压电变形机制，而推拉式是采用两端推挤射出(edge-shooter)的压电变形机制。
如图1所示，其显示已知弯曲式的压电喷墨头的剖面示意图。已知弯曲式的压电喷墨头10是由一致动器单元12以及一墨水路径单元14所连接构成，其中致动器单元12是由一多层式的压电陶瓷片(piezo ceramic)16、一振动片(diaphragm)18、以及一具有多个相互隔离的墨水腔(pressure chamber)19的基板20所堆栈而成，而墨水路径单元14是由一设置有墨水槽21、入口通孔与出口通孔23的第一基板22、一设置有出口信道25的第二基板24、以及一具有复数个喷嘴27的喷孔片26所粘贴而成。当压电陶瓷片16承受控制电路所施加的电压而产生收缩变形时，会受到振动片18的牵制而形成侧向弯曲，进而挤压墨水腔19内的墨水，则位于喷嘴27处的墨水会因承受内外压力差而加速运动，进而加速喷出而形成一墨水滴28。
如图2所示，其显示已知推拉式的压电喷墨头的剖面示意图。已知推拉式的压电喷墨头30是由一单层的压电陶瓷片32、一动能转换器(transducer foot)34、一振动片36、一具有墨水腔37、墨水槽38、入口信道39与出口信道40的基板42、以及一具有喷嘴43的喷孔片44所堆栈而成。此外，以无电极电镀镍的方式在墨水腔37侧壁上制作一电极层，并将两个电极接在三个一组的墨水腔37之间。当两个电极之间外加电位相反的电压逐渐增强时，墨水腔37的腔壁会向外弯曲而引进墨水。当两个电极的外加电压急速变换时，压电陶瓷片32会产生收缩变形，使得振动片36产生更大的弯曲变形，而其产生的右侧推力可以挤压墨水腔37内的墨水，进而使墨水加速喷出喷嘴43处而形成一墨水滴46。
然而，已知压电喷墨头技术大多采用基层积层陶瓷共烧法来成型震动片以及墨水腔等组件，其成型法包含有粉末原料(PZT、ZrO2、PbO、TiO2、其它适当添加物)的合成、混合、干燥、锻烧、粉碎、造粒、压缩、成型、烧结以及极化作用等步骤，但碍于上述制程繁琐且困难度高，一直存在着合格率低、成本高、不利大量生产等缺点。有鉴于此，如何改良压电喷墨头的震动片的成型法以提高制程稳定度，成为当前急需研发的重要课题。
发明内容
本发明的主要目的在于提出一种压电喷墨头的振动层及其成型技术，使用硅芯片的接合、研磨、蚀刻等技术，可利用硅芯片表面上的硅层与氧化硅层作为振动层，并可直接在硅芯片背面制作墨水腔，以解决已知技术遭遇到的问题。
根据上述目的，本发明提供了一种压电喷墨头，包括有：第一硅芯片，用以当作该压电喷墨头的振动层，在所述第一硅芯片的顶面上形成压电材料层；第二硅芯片，其顶面接合在所述第一硅芯片的底面上，且所述第二硅芯片中包含有复数个隔绝的墨水腔；粘合层，形成在所述第一硅芯片的底面以及所述第二硅芯片的顶面上，用以接合所述第一硅芯片以及所述第二硅芯片，且用以当作所述复数个墨水腔的蚀刻停止层；压电材料层，形成在所述第一硅芯片顶面上；以及硬掩膜层，形成在所述第二硅芯片的底面，用以当作所述复数个墨水腔的图案定义层。
所述第一硅芯片的厚度为5～20μm。
所述第一硅芯片以及所述第二硅芯片的接合采用绝缘层覆硅技术。
所述粘合层由氧化硅材质所构成。
所述粘合层由树脂、磷硅玻璃、旋涂玻璃或是干膜所构成。
所述硬掩膜层由氧化硅或氮化硅材质所构成。
本发明还提供了一种压电喷墨头的振动层的成型法，包括有下列步骤：
提供第一硅芯片以及第二硅芯片，在所述第一硅芯片的顶面上形成压电材料层；
提供粘合层，分别形成在所述第一硅芯片的底面以及所述第二硅芯片的顶面；
进行接合技术，将所述第一硅芯片的底面接合在所述第二硅芯片的顶面上，以使所述粘合层形成在所述第一硅芯片以及所述第二硅芯片之间；
进行研磨制程，使所述第一硅芯片表面残留的厚度达5～20μm，以提供作为振动层；
提供硬掩膜层，形成在所述第二硅芯片的底面，且包含有复数个开口，用以定义出所述墨水腔的预定图案；以及
进行蚀刻制程，并利用所述粘合层作为蚀刻阻挡层，将所述开口内的第二硅芯片移除，以形成复数个隔绝的墨水腔。
另包含有一步骤：在提供所述硬掩膜层之前，进行研磨制程，使所述第二硅芯片的厚度达到一墨水腔的预定深度。
所述第一硅芯片以及所述第二硅芯片的接合采用绝缘层覆硅技术。
所述粘合层由氧化硅材质所构成。
所述粘合层由树脂、磷硅玻璃、旋涂玻璃或是干膜所构成。
所述硬掩膜层由氧化硅或氮化硅材质所构成。
所述研磨制程采用化学机械研磨方法。本发明的优点之一在于，使用硅芯片的接合、研磨、蚀刻等技术，可利用第一硅层以及第三氧化硅作为压电喷墨头的振动层，并可直接蚀刻第二硅层以制作成为墨水腔，因此具有制程步骤简化、制程困难度低且制程稳定度高等优点，可以使压电喷墨头的合格率提高、成本降低、产量增加。
为使本发明的上述和其它目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举出较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下：
附图的简要说明
图1是已知弯曲式的压电喷墨头的剖面示意图。
图2是已知推拉式的压电喷墨头的剖面示意图。
图3A至3F是本发明实施例一的压电喷墨头的振动层成型技术的剖面示意图。
图4A至4F是本发明实施例二的压电喷墨头的振动层成型技术的剖面示意图。
具体的实施方式
本发明揭露一种压电喷墨头的振动层及其成型技术，是使用硅芯片的接合及研磨技术以形成压电喷墨头的主结构体，再经由蚀刻技术可同时获得振动层与墨水腔结构，其中硅芯片表面上的硅层以及氧化硅层的组合结构作为一振动层。本发明的压电喷墨头的振动层及墨水腔可以应用于压电变形机制的压电式喷墨头中，例如弯曲式(bend mode)与推拉式(push mode)两种压电式喷墨头。
实施例一：
如图3A至3F所示，其显示本发明实施例一的压电喷墨头的振动层成型技术的剖面示意图。
如图3A所示，提供一第一硅芯片52以及一第二硅芯片54，并进行氧化程序，以在第一硅芯片52的贴合面上形成一第一SiO2层51a，并在第二硅芯片54的贴合面上形成一第二SiO2层51b。
如图3B所示，进行绝缘层覆硅(silicon-on-insulator，SOI)技术，可将第一硅芯片52的底部与第二硅芯片54的贴合面形成紧密接合。在较佳实施例中，可先以旋转涂布或喷洒的方式将一含氢键的溶剂(如：丙酮或酒精)形成在第一硅芯片52的底面与第二硅芯片54的顶面上，使第一SiO2层51b以及第二SiO2层51c暂时贴合成为一SiO2粘合层53，其可当作后续压力腔成型技术的阻挡层53。随后，利用芯片的对位、压合技术将第一硅芯片52的底部向下压合至第二硅芯片54的表面上。
然后，如图3C所示，对第一硅芯片52表面进行研磨制程，例如化学机械研磨技术(chemical mechanical polishing，CMP)，使第一硅芯片52的残留的厚度约达5～20μm，当作本发明压电喷墨头的一振动层52A。同时，可对第二硅芯片54的底部进行研磨制程，例如化学机械研磨技术(chemical mechanical polishing，CMP)，以使第二硅芯片54底部残留厚度达到墨水腔的预定深度。
如图3D所示，在振动层52A表面上制作一压电材料层56，然后根据烧结制程，可使压电材料层56成为一压电组件。值得注意的是，此步骤也可在完成压力腔成型技术之后再进行。接着，在第二硅芯片54的底面形成一硬掩膜层58，其材质可为氧化硅(SiO2)或氮化硅(Si3N4)，厚度约为5～20μm。
如图3E所示，进行微影蚀刻制程，可在硬掩膜层58中形成复数个开口59，用以定义出墨水腔的预定图案。
如图3F所示，自第二硅芯片54的背部进行蚀刻制程，可选用干式蚀刻(dry etching)、湿式蚀刻(wet etching)或其它可施行的蚀刻方式，利用硬掩膜层58的图案作为罩幕，并利用阻挡层53作为一蚀刻阻挡层以控制蚀刻深度，则可将开口59内的第二硅芯片54去除，以形成复数个隔绝的墨水腔60。
然后可在墨水腔60下方进行墨水槽、通孔以及喷孔片的制作，在此不再加以详述。
于已知技术相比，本发明使用硅芯片的接合、研磨、氧化、微影、蚀刻等技术，可利用第一硅芯片52的残留厚度当作振动层52A，并可以蚀刻方式直接在第二硅芯片54背面制作墨水腔60，因此具有制程步骤简化、制程困难度低且制程稳定度高等优点，可以使压电喷墨头的合格率提高、成本降低、产量增加。
实施例二：
本发明实施例二的压电喷墨头的振动层成型技术大致与实施例一所述的步骤相同，不同之处在于芯片粘合方式改成采用接合剂，以取代实施例一的绝缘层覆硅技术，如此可进一步降低制作成本并简化制作流程。
如图4A至4F所示，其显示本发明实施例二的压电喷墨头的振动层成型技术的剖面示意图。
如图4A所示，提供第一硅芯片52以及第二硅芯片54，并在第一硅芯片52的底面上形成一第一接合层51c，并在第二硅芯片54的顶面上形成一第二接合层51d。在较佳实施例中，第一接合层51c以及第二接合层51d的接合剂材质可为：树脂、磷硅玻璃(phosphosilicateglass，PSG)、旋涂玻璃(spin on glass，SOG)或是干膜(dry film)等等。
如图4B所示，将第一硅芯片52的第一接合层51c与第二硅芯片54的第二接合层51d紧密接合成一粘合层55，其可当作以后压力腔成型技术的阻挡层55。使第一硅芯片52以及第二SiO2层53暂时贴合，再利用芯片的对位、压合技术将第一硅芯片52的底部向下压合至第二硅芯片54的表面上。
如图4C所示，对第一硅芯片52表面进行研磨制程，例如化学机械研磨技术(chemicalmechanical polishing，CMP)，使第一硅芯片52的残留的厚度约达5～20μm，当作本发明压电喷墨头的一振动层52A。同时，可对第二硅芯片54的底部进行研磨制程，例如化学机械研磨技术(chemical mechanical polishing，CMP)，以使第二硅芯片54底部残留厚度达到墨水腔的预定深度。
如图4D所示，在振动层52A表面上制作一压电材料层56，然后根据烧结制程，可使压电材料层56成为一压电组件。值得注意的是，此步骤也可在完成压力腔成型技术之后再进行。接着，在第二硅芯片54的底面形成一硬掩膜层58，其材质可为氧化硅(SiO2)或氮化硅(Si3N4)，厚度约为5～20μm。
如图4E所示，进行微影蚀刻制程，可在硬掩膜层58中形成复数个开口59，用以定义出墨水腔的预定图案。
如图3F所示，自第二硅芯片54的背部进行蚀刻制程，可选用干式蚀刻(dry etching)、湿式蚀刻(wet etching)或其它可施行的蚀刻方式，利用硬掩膜层58的图案作为罩幕，并利用阻挡层55作为一蚀刻阻挡层以控制蚀刻深度，则可将开口59内的第二硅芯片54去除，以形成复数个隔绝的墨水腔60。
然后可在墨水腔60下方进行墨水槽、通孔以及喷孔片的制作，在此不再加以详述。
于已知技术相比，本发明使用硅芯片的接合、研磨、氧化、微影、蚀刻等技术，可利用第一硅芯片52的残留厚度当作振动层52A，并可以蚀刻方式直接在第二硅芯片54背面制作墨水腔60，因此具有制程步骤简化、制程困难度低且制程稳定度高等优点，可以使压电喷墨头的合格率提高、成本降低、产量增加。
虽然本发明已以一较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的权利要求为准。
符号说明
10弯曲式的压电喷墨头 12致动器单元
14墨水路径单元 16压电陶瓷片
18振动片 19墨水腔
20陶瓷基板 21墨水槽
23出口通孔 22第一基板
25出口信道 24第二基板
27喷嘴 26喷孔片
28墨水滴 30推拉式的压电喷墨头
32压电陶瓷片 34动能转换器
36振动片 37墨水腔
38墨水槽 39入口信道
40出口信道 42基板
43喷嘴 44喷孔片
46墨水滴 51a第一SiO2层
51b第二SiO2层 51c第一接合层
51d第二接合层 53SiO2粘合层
55粘合层 52第一硅芯片
52A振动层 54第二硅芯片
56压电材料层 58硬掩膜层
59开口 60墨水腔
Claims (13)
1.一种压电喷墨头，包括有压电材料层，其特征在于，还包括：
第一硅芯片，用以当作该压电喷墨头的振动层；
第二硅芯片，其顶面接合在所述第一硅芯片的底面上，且所述第二硅芯片中包含有复数个隔绝的墨水腔；
粘合层，形成在所述第一硅芯片的底面以及所述第二硅芯片的顶面上，用以接合所述第一硅芯片以及所述第二硅芯片，且用以当作所述复数个墨水腔的蚀刻停止层；
硬掩膜层，形成在所述第二硅芯片的底面，用以当作所述复数个墨水腔的图案定义层；
所述压电材料层形成在所述第一硅芯片顶面上。
2.如权利要求1所述的压电喷墨头，其特征在于，所述第一硅芯片的厚度为5～20μm。
3.如权利要求1所述的压电喷墨头，其特征在于，所述第一硅芯片以及所述第二硅芯片的接合采用绝缘层覆硅技术。
4.如权利要求3所述的压电喷墨头，其特征在于，所述粘合层由氧化硅材质所构成。
5.如权利要求1所述的压电喷墨头，其特征在于，所述粘合层由树脂、磷硅玻璃、旋涂玻璃或是干膜所构成。
6.如权利要求1所述的压电喷墨头，其特征在于，所述硬掩膜层由氧化硅或氮化硅材质所构成。
7.一种压电喷墨头的振动层的成型法，其特征在于，包括有下列步骤：
提供第一硅芯片以及第二硅芯片，在所述第一硅芯片的顶面上形成压电材料层；
提供粘合层，分别形成在所述第一硅芯片的底面以及所述第二硅芯片的顶面；
进行接合技术，将所述第一硅芯片的底面接合在所述第二硅芯片的顶面上，以使所述粘合层形成在所述第一硅芯片以及所述第二硅芯片之间；
进行研磨制程，使所述第一硅芯片表面残留的厚度达5～20μm，以提供作为一振动层；
提供硬掩膜层，形成在所述第二硅芯片的底面，且包含有复数个开口，用以定义出所述墨水腔的预定图案；以及
进行蚀刻制程，并利用所述粘合层作为蚀刻阻挡层，将所述开口内的第二硅芯片移除，以形成复数个隔绝的墨水腔。
8.如权利要求7所述的压电喷墨头的振动层的成型法，另包含有一步骤：
在提供所述硬掩膜层之前，进行研磨制程，使所述第二硅芯片的厚度达到一墨水腔的预定深度。
9.如权利要求7所述的压电喷墨头的振动层的成型法，其特征在于，所述第一硅芯片以及所述第二硅芯片的接合采用绝缘层覆硅技术。
10.如权利要求7所述的压电喷墨头的振动层的成型法，其特征在于，所述粘合层由氧化硅材质所构成。
11.如权利要求7所述的压电喷墨头的振动层的成型法，其特征在于，所述粘合层由树脂、磷硅玻璃、旋涂玻璃或是干膜所构成。
12.如权利要求7所述的压电喷墨头的振动层的成型法，其特征在于，所述硬掩膜层由氧化硅或氮化硅材质所构成。
13.如权利要求7所述的压电喷墨头的振动层的成型法，其特征在于，所述研磨制程采用化学机械研磨方法。
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