CN1408550A - 压电式喷墨打印头及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种压电式喷墨打印头，以一金属层及一具有槽孔的硅基底取代公知的以陶瓷材料形成的振动层及墨腔层，避免在高温烧结时，其内部结构容易发生应力破坏的现象。其制造方法是提供一硅基底，并依次形成一金属层及一钝性金属层于硅基底的一面。再依次形成图案化的一压电层及一上电极层于钝性层上，之后移除部分硅基底以形成至少一槽孔，其贯穿硅基底的二面，而硅基底与金属层之间构成一凹槽，其位置对应于压电层的位置。最后贴附一喷孔片于硅基底的另一面，其与凹槽的间构成一墨水腔，而喷孔片具有至少一喷孔，其与墨水腔相通。

Description

压电式喷墨打印头及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种压电式喷墨打印头及其制造方法，特别是有关于一种以一金属层及一具有槽孔的硅基底取代公知陶瓷材料，用以形成压电式喷墨打印头的振动层及墨腔层的结构及其制造方法。

背景技术

传统的喷墨打印技术的主要工作原理可分为热泡式(Thermalbubble)及压电式(Piezoelectric)。热泡式喷墨打印技术是利用加热器(Heater)将墨水瞬间气化，产生高压气泡推动墨水由喷嘴射出。由于热泡式喷墨打印头的制造成本较低，业已由HP及CANON成功地商业化，并形成相当大的喷墨打印机市场。但由于其高温气化的工作原理，使得适用墨水(主要是水系溶剂)选择性低，使其延伸的应用领域有限。

压电式喷墨打印技术是利用压电陶瓷(Piezoelectric ceramic)因施加电压而产生变形，挤压液体产生高压将液体喷出。相对于热泡式喷墨打印头，压电式喷墨打印头具有下列优点：压电式喷墨打印头的墨水不会因为高温气化发生化学变化，影响颜色品质的状况；由于不需使用反复的高热应力，故具有极佳的耐久性；压电式喷墨打印头所使用的压电陶瓷的反应速度快，可提高打印速度，而热泡式喷墨打印头则会受到热传导速度的限制；压电式喷墨打印头是通过控制电压的大小来控制压电陶瓷的变形量，进而控制墨滴的大小，可提高打印的品质。

图1是公知的一种压电式喷墨打印头的剖面示意图。传统压电式喷墨打印头100的制造方法是利用陶瓷厚膜(thick film)制造方法形成的具有上电极层102(upper electrode layer)、压电层104(piezoelectriclayer)、下电极层107(lower electrode layer)、振动层108(vibratinglayer)、墨腔层110、及墨腔底膜112等陶瓷厚膜生胚(green tape)，并依照顺序将不同层的陶瓷厚膜生胚压合粘着在一起后，再进行陶瓷结构的高温烧结。例如EPSON公司所生产的压电式喷墨打印头。

请同样参考图1，压电式喷墨打印头100的工作原理是通过上电极层102及下电极层107施加电压至压电层104，由于压电层104的材质是一压电陶瓷(piezoelectric ceramic)，故压电层104会受到电压的影响而产生瞬间变形，并通过此瞬间变形来推移振动层108，以挤压墨水腔114(pressure chamber)中的墨水，并从出墨口116将墨水高压喷射出以形成墨滴，而到达纸张表面形成图文。

请同样参考图1，由于公知的压电层104的宽度均大于或等于凹槽118的横截面的宽度。因此，当压电层104在频繁地振动下，振动层108极易沿着凹槽118的底面四周(如圆圈所示之处)发生破裂，导致振动层108无法正常推挤墨水腔的墨水，因而降低喷墨打印的品质。

请同样参考图1，同样由于公知的压电层104的宽度大于或等于凹槽118的横截面的宽度，使压电层104接收电压后瞬间变形所产生的振动波极易传达到相紧邻的其它喷墨打印头(图中未绘出)，使不喷墨的其它邻近的喷墨打印头受到压电层104的振动波的影响，因而喷出些微墨滴至纸张表面，破坏原先应有的图案文字，造成喷墨打印品质的降低，即发生所谓交互干扰(cross-talk)的现象。

公知的传统压电式喷墨打印头的制造方法中，除了上电极层、下电极层采用金属之外，其它组件均以陶瓷厚膜制造方法制造完成后，再进行对位压合粘结以及陶瓷结构的高温烧结。然而，传统压电式喷墨打印头的制造方法具有下列缺点：

(1)由于压电式喷墨打印头的结构尺寸相当小，且其结构具有较高的精密度，因而使各层陶瓷厚膜之间进行对位压合粘结的不合格率相对提高；

(2)由于压电式喷墨打印头的结构相当复杂，在高温烧结时往往因为陶瓷材料的收缩量不均匀，造成结构上的应力破坏，因而使成品的不合格率相对提高；

(3)由于喷墨打印头的结构相当复杂，在高温烧结时会因为陶瓷材料的收缩量不均匀，将致使结构设计越致密的喷墨打印头，其成品的合格率相对降低，而无法增加喷墨打印头之间的密度，因而限制喷墨打印的分辨率。

(4)由于公知的压电层的宽度大于等于凹槽的横截面的宽度，因此，在压电层长时间频繁且激烈地振动下，使得振动层极易沿着凹槽的底面四周发生破裂，导致振动层无法正常推挤墨水腔的墨水，因而降低喷墨打印的品质。

(5)由于公知的压电层的宽度大于等于凹槽横截面的宽度，将使压电层接收电压后瞬间变形所产生的振动波极易传达到相紧邻的其它喷墨打印头，使不需喷墨的其它喷墨打印头受到压电层的振动波的影响，而喷出些微的墨滴，发生交互干扰的现象，因而降低喷墨打印的品质。

发明内容

本发明的目的是解决上述的问题，提供一种压电式喷墨打印头及其制造方法，是利用电镀(electroplate)及微影(photolithography)、蚀刻(etching)的方法，形成一金属层及一具有槽孔的硅基底，两者分别取代公知的以陶瓷材料制成的振动层及墨腔层，以提高成品合格率及加工精密度，降低制造成本。此外，通过等向缩小压电层的分布面积，在压电层频繁地振动下，可避免金属层在凹槽的底面四周发生破裂，并借此增加压电层的振动效率，以提高喷墨打印头的使用寿命及工作效率。

基于本发明的目的，本发明提出一种压电式喷墨打印头，包括一硅基底，其具有一第一面及对应的一第二面，并具有至少一槽孔，贯穿硅基底的第一面及第二面。而金属层配置于硅基底的第一面，并与硅基底构成一凹槽，而凹槽的位置对应于槽孔的位置。另外，钝性金属层配置于金属层之上，而图案化的一压电层配置于钝性金属层之上，其中压电层的位置对应于凹槽的位置。而图案化的一上电极层配置于压电层之上。喷孔片则配置于硅基底的第二面，其中喷孔片与硅基底及金属层构成一墨水腔，并且喷孔片具有至少一喷孔，而喷孔与墨水腔相通。其中，压电层的分布面积约略小于凹槽的横截面积。并且，位于压电层下方的金属层的厚度约略大于其它位置的金属层的厚度。

基于本发明的目的，本发明提出一种压电式喷墨打印头的制造方法，首先提供一硅基底，其具有一第一面及一第二面，再形成一金属层于硅基底的第一面，之后形成一钝性金属层于金属层之上。接着，形成图案化的一压电层于钝性金属层之上，再形成图案化的一上电极层于压电层上，并移除部分硅基底，以形成至少一槽孔，其中槽孔贯穿硅基底的第一面及第二面，而硅基底与金属层构成一凹槽，且凹槽的位置对应压电层的位置。最后，贴附一喷孔片于硅基底的第二面，其中喷孔片与硅基底及金属层构成一墨水腔，并且喷孔片具有至少一喷孔，其与墨水腔相通。此外，本发明的压电式喷墨打印头的制造方法中，在形成压电层之后，还包括一烧结该压电层的步骤。

本发明是以电镀的方式，利用金属材料取代公知的陶瓷材料而形成一金属层，作为喷墨打印头的振动层的，由于电镀金属层的成本低于陶瓷厚膜对位压合的成本，因此可以用电镀的金属层作为振动层，可降低制造成本。

本发明是以微影蚀刻的方式，在硅基底上形成槽孔，其与金属层构成凹槽，使具有槽孔的硅基底可作为喷墨打印头的墨腔层，由于微影蚀刻所形成的尺寸精密度相当高，故可借此提高喷墨打印头的墨水腔结构的尺寸精密度。

本发明是通过形成一钝性金属层介于金属层及压电层之间，以避免在高温烧结时，金属层及压电层相互发生化学变化，因而影响到压电层的应有的压电特性。

本发明通过等向缩小压电层的分布面积，使其小于凹槽的横截面积，用以避免压电层在频繁地振动下，金属层容易沿着凹槽的底面四周而发生破裂的现象，进而增加喷墨打印头的使用寿命。同时压电层与金属层可构成中央较厚而外侧较薄的结构，因而增加压电层的振动效率，而增加喷出墨滴的尺寸范围，以提高喷墨打印头的工作效能。

附图说明

图1是公知的一种压电式喷墨打印头的剖面示意图；

图2A～2D是本发明的实施例的压电式喷墨打印头的制造方法的剖面流程图；

图3A及图3B分别是本发明的具有宽度较窄的压电层的压电式喷墨打印头的剖面示意图及上视图；

图4及图4B分别是本发明的具有增厚层的金属层的压电式喷墨打印头的剖面示意图；

图5A～5C是本发明的一种形成具有增厚层的金属层的剖面流程图；

图6A～6C是本发明的另一种形成具有增厚层的金属层的剖面流程图。

图中标记分别为：

100：压电式喷墨打印头    102：上电极层

104：压电层              106：下电极层

108：振动层              110：墨腔层

112：墨腔底膜            114：墨水腔

116：出墨口              118：凹槽

200：压电式喷墨打印头    202：硅基底

204：第一面              206：第二面

208：金属层              209：增厚层

210：钝性金属层          212：压电层

214：上电极层            216：槽孔

218：凹槽                220：喷孔片

222：墨水腔              224：喷孔

226：光阻层

具体实施方式

请依次参考图2A～2D，是本发明实施例的压电式喷墨打印头的制造方法的剖面流程图。首先，如图2A所示，提供一硅基底202，例如一硅芯片(silicon wafer)，其具有一第一面204及对应的一第二面206，并以电镀(electroplate)的方式，形成一金属层208(metal layer)于硅基底202的第一面204，再同样以电镀的方式，形成一钝性金属层210(Inert metal layer)于金属层208之上。

如图2B所示，再以网版印刷(screen printing)的方式，形成一图案化的压电层212(piezoelectric layer)于钝性金属层210之上。值得注意的是，压电层212的材质通常是一压电陶瓷(Piezoelectricceramic)，而初次网印上的压电层212为一陶瓷厚膜生胚(green tape)，必须对其进行高温烧结，以使陶瓷厚膜生胚转变成压电陶瓷。其中，压电层212的材质包括铅锆钛掺合物(lead zirconate titanate，PZT)或压电高分子，压电高分子包括聚二氟乙烯(Poly(VinylideneFluoride)，PVDF)。

如图2C所示，再以网版印刷的方式，形成图案化的一上电极层214(upper electrode layer)于压电层212上，而上电极层214的位置对应压电层212的位置。由于上电极层214是在压电层212经过高温烧结后，才网印上压电层212的，因此，上电极层214的材质不需耐高热的导电材料。接着，再以微影(photolithography)、蚀刻(etching)的方式，移除部分硅基底202，以形成至少一槽孔216，其贯穿硅基底202的第一面204及第二面206，并且硅基底202与金属层208构成一凹槽218，而凹槽218的位置对应于槽孔216的位置，也对应于压电层212的位置。

如图2D所示，再以贴合的方式，贴附一喷孔片220(nozzle plate)于硅基底202的第二面206，其中喷孔片220封闭先前图2C所示的凹槽218的开口，而与硅基底202及金属层208共同形成墨水腔222(pressure chamber)的封闭空腔结构，其中喷孔片220还具有一个至数个喷孔224(nozzle)，其分别与墨水腔222相通，用以作为墨水的进出口，而完成压电式喷墨打印头200的制作。值得注意的是，压电层212若采用压电陶瓷，而需要进行高温烧结时，由于喷孔片220在压电层212经过高温烧结之后，才贴附于金属层204上，因此喷孔片220的材质不必是耐高热材料，而可由金属或聚合物(polymer)的材料制作而成。

请参考图2D，当压电层212的材质为压电陶瓷，而需要进行高温烧结时，为了避免高温烧结时熔化金属层208，因此，金属层208的材质必须选择熔点大于800℃以上的金属。此外，当以电镀的方式形成金属层208时，在金属层208内部的残留应力容易造成结构上的应力破坏，因此，金属层208的材质需选择电镀后的残留应力小且延展性好的金属。故金属层208的材质可包括镍(Ni)、铜(Cu)、钯(Pd)、及其合金等金属，或者是其它导电材料。

请同样参考图2D，当压电层212的材质采用压电陶瓷，而需进行高温烧结时，为避免压电层212与金属层208两者在高温环境下发生化学反应，而破坏压电陶瓷应有的压电特性，故可利用钝性金属层210分隔金属层208及压电层212。同样，为避免钝性金属层210在高温烧结时熔化，其熔点亦需大于800℃。因此，钝性金属层210的材质可包括金(Au)、银(Ag)、铜(Cu)、铂(Pt)、钯(Pd)、其合金等金属，或是其它导电材料。值得注意的是，钝性金属层210或金属层208均可作为压电层212的下电极，即低电压端或接地端(ground)。

为了预防公知的两相邻喷墨打印头之间发生交互干扰(cross-talk)的现象，请同时参考图3及图3B，分别是本发明具有宽度较窄的压电层的压电式喷墨打印头的剖面示意图及上视图。本发明的实施例通过等向缩小压电层212的分布面积，如箭头方向所示，使其小于凹槽218的横截面积，即使压电层212的外侧均远离凹槽218的横截面的范围(如图3B的虚线所示)，因此压电层212所产生的振动波将不易传递至相紧邻的喷墨打印头的墨水腔(图中未绘出)，而减少两相紧邻喷墨打印头之间的交互干扰，避免不需喷墨的喷墨打印头喷出墨滴。

请同样参考图3A及图3B，通过上述压电层212及金属层208所组成的中央较厚而外侧较薄的结构，在压电层212频繁地振动下，可以避免金属层212沿着凹槽218的底面四周发生破裂的现象。此外，同样通过此种中央较厚而外侧较薄的结构，可提高压电层212的振动效率，因而增加喷出墨滴的尺寸范围。

如上所述，通过压电层212及金属层208所组成的中央较厚而外侧较薄的结构，将可增加压电层212的振动效率。因此，为了增加上述结构的中央厚度，以提高压电层212的振动效率，请同时参考图4A及图4B，分别是本发明的具有增厚层的金属层的压电式喷墨打印头的剖面示意图。其中图4A与图3A不同的是，金属层208具有一增厚层209，其对应压电层212的位置突出于金属层208，而增厚层209的面积约等于压电层212的面积，且增厚层209的材质可与金属层208的材质相同或不同。

承上所述，图4B与图4A的不同点在于，增厚层209的分布面积约略大于压电层212的分布面积，但小于凹槽218的横截面积。综上所述，图4A及图4B的增厚层209的厚度，将使金属层208在压电层212的下方的厚度，大于其它位置的金属层208的厚度，进而与压电层212之间构成一中央较厚而外侧较薄的结构，以提高压电层212的振动效率。

为说明如何形成图4A及图4B的具有增厚层209的金属层208，请依次参考图5A～5C，是本发明的一种形成具有增厚层的金属层的剖面流程图。如图5A所示，在硅基底202上形成一金属层208，再形成一光阻层226于金属层208上，接着利用曝光(photography)、显影(development)的方式，图案化光阻层226，以暴露需要蚀刻移除的部分金属层208。之后，如图5B所示，以半蚀刻(half etching)的方式，并未蚀穿金属层208，而是移除部分金属层208的表层，使得金属层226受到光阻层226遮盖处，形成突出的一增厚层209，接着，移除光阻层226之后。将如图5C所示，最后，形成一具有增厚层209的金属层208，即一中央厚而外侧薄的金属层208。

同样为说明如何形成图4A及图4B的具有增厚层209的金属层208，请依次参考图6A～6C，是发明的另一种形成具有增厚层的金属层的剖面流程图。如图6A所示，在硅基底202上形成一金属层208，再形成一光阻层226于金属层208上，并以曝光显影的方式，图案化光阻层226。之后，如图6B所示，利用电镀的方式，以金属层208为种子层(seed layer)，形成一增厚层209于光阻层226的沟渠内，再移除光阻层226，将如图6C所示，最后形成一具有增厚层209的金属层208，即形成中央厚而外侧薄的金属层208。

依照本发明的特征，是利用金属取代公知的陶瓷材料，而以电镀的方式形成一金属层，用以作为喷墨打印头的振动层。此外，以微影蚀刻的方式，在硅基底上形成至少一槽孔，此槽孔将与先前电镀的金属层构成一凹槽，使得具有槽孔的硅基底可作为喷墨打印头的墨腔层，由于电镀及微影蚀刻所形成的尺寸精密度均相当高，故可借此提高喷墨打印头的墨水腔结构的尺寸精密度。

依照本发明的特征，是以电镀及微影蚀刻的方式，形成金属层于硅基底，并在硅基底上形成槽孔，再对位贴合一喷孔片所构成喷墨打印头的墨水腔结构，其加工精密度将大于公知的以陶瓷厚膜对位压合及高温烧结后的加工精密度，故可进一步增加喷墨打印头的密度，以提高喷墨打印的分辨率。

依照本发明的特征，形成一钝性金属层介于金属层及压电层之间，以避免在高温烧结时，金属层及压电层相互发生化学变化，而影响到压电层应有的压电特性。此外，钝性金属层也可作为压电层的下电极。

依照本发明的特征，等向缩小压电层的分布面积，使其小于凹槽的横截面积，用以避免压电层在频繁且激烈地振动下，金属层沿着凹槽的底面四周而发生破裂的现象。同时可形成压电层与金属层所构成中央较厚而外侧较薄的结构，用以增加压电层的振动效率，而增加喷出墨滴的尺寸范围。

综上所述，本发明的压电式喷墨打印头的制造方法具有下列优点：

(1)本发明的压电式喷墨打印头的制造方法，以金属取代公知的以陶瓷材料制成的振动层，以减少陶瓷材料的使用，由于金属的导热性及延展性均优于陶瓷，故可改善陶瓷在高温烧结时，喷墨打印头的结构发生应力破坏的现象。此外，由于金属层的电镀成本低于公知的陶瓷材料的对位压合及高温烧结的成本，故可降低成品的制造成本。

(2)本发明的压电式喷墨打印头的制造方法，以电镀及微影蚀刻的方式，形成金属层于硅基底，并在硅基底上形成槽孔，再对位贴合一喷孔片所构成喷墨打印头的墨水腔结构。其加工精密度将大于公知的以陶瓷厚膜对位压合及高温烧结后的加工精密度，故可进一步增加喷墨打印头的密度，以提高喷墨打印的分辨率。

(3)本发明的压电式喷墨打印头的制造方法，通过等向缩小压电层的分布面积，使其小于凹槽的横截面积，而形成一中央较厚而外侧较薄的结构，用以避免压电层在频繁且激烈地振动下，金属层沿着凹槽的底面四周而发生破裂的现象，故可增加喷墨打印头的使用寿命。同时形成压电层与金属层所构成中央较厚而外侧较薄的结构，用以增加压电层的振动效率，而增加喷出墨滴的尺寸范围，以提高喷墨打印头的工作效能。

虽然本发明已以一较佳实施例公开如上，但其并非用以限制本发明的保护范围，任何熟悉该项技术的人员，在不脱离本发明的精神和范围内所作的更动与润饰，均属于本发明的范围。

Claims (21)

1.一种压电式喷墨打印头，其特征在于：至少包括：

一硅基底，具有一第一面及对应的一第二面，及具有至少一槽孔，其贯穿该硅基底的该第一面及该第二面；

一金属层，配置于该硅基底的该第一面，其中该金属层与该硅基底之间构成一凹槽，其位置对应于该槽孔的位置；

一钝性金属层，配置于该金属层之上；

图案化的一压电层，配置于该钝性金属层之上，其中该压电层的位置对应于该凹槽的位置；

图案化的一上电极层，配置于该压电层之上；

一喷孔片，配置于该硅基底的该第二面，其中该喷孔片与该硅基底及该金属层构成一墨水腔，并且该喷孔片具有至少一喷孔，而该喷孔与该墨水腔相通。

2.根据权利要求1所述的压电式喷墨打印头，其特征在于：该压电层的分布面积约略小于该凹槽的横截面积。

3.根据权利要求2所述的压电式喷墨打印头，其特征在于：位于该压电层下方的该金属层的厚度约略大于其它位置的该金属层的厚度。

4.根据权利要求1所述的压电式喷墨打印头，其特征在于：该金属层的材质是选自于由镍、铜、钯、该等的合金及该等的组合所组成族群中的一种材质。

5.根据权利要求1所述的压电式喷墨打印头，其特征在于：该钝性金属层的材质是选自于由金、银、铜、铂、钯、该等的合金及该等的组合所组成族群中的一种材质。

6.根据权利要求1所述的压电式喷墨打印头，其特征在于：该压电层的材质包括铅钛锆掺合物。

7.根据权利要求1所述的压电式喷墨打印头，其特征在于：该压电层的材质包括聚二氟乙烯。

8.根据权利要求1所述的压电式喷墨打印头，其特征在于：该上电极层的材料是选自于由金、银、铜、铂、钯、该等的合金及该等的组合所组成族群中的一种材质。

9.一种压电式喷墨打印头的制造方法，其特征在于：至少包括下列步骤：

提供一硅基底，具有一第一面及一第二面；

形成一金属层于该硅基底的该第一面；

形成一钝性金属层于该金属层之上；

形成图案化的一压电层于该钝性金属层之上；

形成图案化的一上电极层于该压电层上；

移除部分该硅基底，以形成至少一槽孔，其中该槽孔贯穿该硅基底的该第一面及该第二面，而该硅基底与该金属层构成一凹槽，且该凹槽的位置对应该压电层的位置；

贴附一喷孔片于该硅基底的该第二面，其中该喷孔片与该硅基底及该金属层构成一墨水腔，并且该喷孔片具有至少一喷孔，而该喷孔与该墨水腔相通。

10.根据权利要求9所述的压电式喷墨打印头的制造方法，其特征在于：在形成该压电层之后，还包括一烧结该压电层的步骤。

11.根据权利要求9所述的压电式喷墨打印头的制造方法，其特征在于：该金属层的形成方法包括电镀。

12.根据权利要求9所述的压电式喷墨打印头的制造方法，其特征在于：该金属层的材质是选自于由镍、铜、钯、该等的合金及该等的组合所组成族群中的一种材质。

13.根据权利要求9所述的压电式喷墨打印头的制造方法，其特征在于：部分该金属层的移除方法包括微影蚀刻。

14.根据权利要求9所述的压电式喷墨打印头的制造方法，其特征在于：该钝性金属层的形成方法包括电镀。

15.根据权利要求9所述的压电式喷墨打印头的制造方法，其特征在于：该钝性金属层的材质是选自于由金、银、铜、铂、钯、该等的合金及该等的组合所组成族群中的一种材质。

16.根据权利要求9所述的压电式喷墨打印头的制造方法，其特征在于：该压电层的形成方法包括网版印刷。

17.根据权利要求9所述的压电式喷墨打印头的制造方法，其特征在于：该压电层的材质包括铅钛锆掺合物。

18.根据权利要求9所述的压电式喷墨打印头的制造方法，其特征在于：该压电层的材质包括聚二氟乙烯。

19.根据权利要求9所述的压电式喷墨打印头的制造方法，其特征在于：该上电极层的形成方法包括网版印刷。

20.根据权利要求9所述的压电式喷墨打印头的制造方法，其特征在于：该上电极层的材料选自于由金、银、铜、铂、钯、该等的合金及该等的组合所组成族群中的一种材质。

21.根据权利要求9所述的压电式喷墨打印头的制造方法，其特征在于：部分该硅基底的移除方法包括微影蚀刻。

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