CN201200951Y - 一种压电桥式梁驱动的液体喷射结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了属于微电子机械领域的一种压电桥式梁驱动的液体喷射结构，其结构包括：微喷孔、微槽道、压电桥式梁；在液体喷射结构外表面设置与微槽道相通的微喷孔，作为微槽道中液体喷射驱动器的压电桥式梁位于微槽道的上部或槽道中；与微槽道相通的微喷孔、微槽道、微槽道上部或槽道中的压电桥式梁相结合构成液体喷射结构。它同时克服了基于四周固定的压电振动板式液体喷射结构和基于压电悬臂梁式液体喷射结构的缺点，它既保证了可靠性，又兼顾了工作效率，也降低了制造难度。

Description

一种压电桥式梁驱动的液体喷射结构

技术领域

本实用新型属于微电子机械领域，特别涉及采用微加工方法实现的一种压电桥式梁驱动的液体喷射结构。

背景技术

液体喷射结构及采用液体喷射结构的装置最常见、最广泛、最典型的应用为喷墨式打印，图形、图像记录和印刷、印染等领域。在液晶显示、有机发光显示等多种显示器以及生物芯片等其它微制造方面也有广泛的应用。基于压电效应的液体喷射结构具有液滴大小可控，喷射速度可控，容易实现高精度的液滴喷射，使用寿命长等特点，是液体喷射装置发展的重要方向。

液体喷射结构是液体喷射装置中最核心的部分，其设计和制造技术决定着整个液体喷射装置的性能。

随着技术的发展，液体喷射结构的喷射速度和喷孔阵列密度不断提高。高性能的液体喷射结构主要决定于液体驱动器、液体微槽道及微喷孔的整体设计和制造技术。

精工爱普生株式会社公开了一种压电式液体喷射结构，在微槽道的上壁制作压电/弹性复合振动板，当向压电振动板上的压电元件施加电压时，振动板发生凸、凹形变，从而改变微槽道内的容积，使液体从与微槽道相通的微喷孔中喷射出去。采用这种方式的压电振动板硬度较大，使其形变所需驱动力很大；并且，振动板四周与微槽道壁相连，且受到约束。这两种原因，严重限制了对微槽道中液体驱动。而且，由于板四周边的约束作用，当振动板的面积越小时，板的形变就越小，微槽道内的体积变化就越小，喷射的出液量就越小。为了增加喷射出液量，需要增加微槽道的尺度。而在形成更高密度的液体喷射阵列时，微槽道的宽度却又受到限制。因此，这种液体喷射结构的驱动方式影响了液体喷出量，妨碍了进一步减少微槽道的尺寸和提高液体喷射结构的集成度。

一种压电悬臂梁式液体喷射结构克服了上述压电液体喷射结构存在的问题。它采用压电悬臂梁在微槽道的上部或中间直接驱动微槽道中的液体从微喷孔中喷出。由于压电悬臂梁仅在梁的一侧固定支撑，其它部分为悬空可动，不受衬底的制约，因此，压电悬臂梁的变形量远远大于前述的四周固定的压电振动板，它能更有效的驱动更多液体从微喷孔中喷出。由于压电悬臂梁能在低电压下实现大的变形，因此，这种液体喷射结构可以在较低的电压下工作。或者，由于压电悬臂梁能实现较大的变形，这样就可以在保持射出液体量不变的情况下，减小驱动器的总体面积或微槽道的横向尺寸，从而实现具有更高密度喷孔阵列的液体喷射结构。

但是，基于压电悬臂梁的液体喷射结构，由于压电悬臂梁只有一端固定，另一端悬浮可动，这样，当悬臂梁较长时，悬臂梁结构比较脆弱，虽然可动端的驱动位移可以很大，但是驱动力减少。另一方面，一端浮动的悬臂梁结构也为液体喷射结构的可靠性和制造带来了困难，降低了使用寿命和制造成品率。

发明内容

本实用新型的目的针对现有技术中由于压电悬臂梁只有一端固定，另一端悬浮可动，这样，当悬臂梁较长时，悬臂梁结构比较脆弱，虽然可动端的驱动位移可以很大，但是驱动力减少。另一方面，一端浮动的悬臂梁结构也为液体喷射结构的可靠性和制造带来了困难，降低了使用寿命和制造成品率的不足，而提供一种压电桥式梁驱动的液体喷射结构，其结构包括：微喷孔、微槽道、压电桥式梁；其特征在于：在液体喷射结构外表面设置与微槽道相通的微喷孔，作为微槽道中液体喷射驱动器的压电桥式梁位于微槽道的上部或槽道中；与微槽道相通的微喷孔、微槽道、微槽道上部或槽道中的压电桥式梁相结合构成液体喷射结构。

所述压电桥式梁的两端与衬底相连，作为桥式梁的固定支撑端，压电桥式梁中间部分的两侧不与衬底相连，形成桥式结构。

所述压电桥式梁为包含压电层和非压电层的多层复合结构，其中至少包含一层压电层及其上、下电极层。

所述压电桥式梁中的各层覆盖整个桥式梁，或部分地分布于桥式梁上。

所述压电桥式梁的表面为电绝缘层。

所述压电桥式梁在每个微槽道的上部或槽道中至少放置一个。

所述压电桥式梁驱动的液体喷射结构，包含至少一组相互对应的微喷孔、微槽道、压电桥式梁，构成压电桥式梁驱动的液体喷射结构阵列。

本实用新型的有益效果是由于压电桥式梁仅在梁的两端固定支撑，桥中间部分为不受衬底的制约，因此，桥式梁的变形量远远大于四周固定的压电振动板，它能更有效的驱动更多液体从微喷孔中喷出。另一方面，由于压电桥式梁在梁的两端固定支撑，因此，避免了压电悬臂梁结构中，仅一端固定支撑，而另一端悬浮可动所引起的结构脆弱、驱动力相对较小、可靠性低、制造困难等问题。因此，基于压电桥式梁的液体喷射结构同时克服了基于四周固定的压电振动板式液体喷射结构和基于压电悬臂梁式液体喷射结构的缺点。它既保证了可靠性，又兼顾了工作效率，也降低了制造难度。

附图说明

图1为液体喷射结构的第一种结构示意图，这种结构中，压电桥式梁在微槽道中部。

图2为图1的组装示意图。

图3为图1的分体示意图。

图4为液体喷射结构的第二种结构示意图，这种结构中，压电桥式梁在微槽道上部。

图、5为液体喷射结构的第三种结构示意图，这种结构中，压电桥式梁在微槽道上部。

图6为压电桥式梁剖面结构示意图。

具体实施方式

本实用新型提出的压电桥式梁驱动的液体喷射结构有多种实现方式。图1、图4、图5分别示例了其中三种可能的实现结构。它们的共同特征都是在液体喷射结构外表面设置与微槽道相通的微喷孔，作为微槽道中液体喷射驱动器的压电桥式梁位于微槽道的上部或槽道中；与微槽道相通的微喷孔、微槽道、微槽道上部或槽道中的压电桥式梁相结合构成液体喷射结构。在电压的驱动下，压电桥式梁产生形变，驱动微槽道中的液体从与微槽道相通的微喷孔中喷出。图1、图4、图5所示都可以视为实现压电桥式梁驱动的液体喷射结构阵列的示意图。

在图1所示的第一种结构示意图中，由喷孔板100、衬底200和上衬底300组成。在喷孔板100上设置一排与衬底200上微槽道220对应的微喷孔110；压电桥式梁210位于衬底200上的微槽道220的上部；衬底200上的微槽道220和上衬底300上的上微槽道320合并在一起，构成一个完整的液体微槽道，在微槽道220与上微槽道320合并成完整的液体微槽道后，压电桥式梁210位于合并成的液体微槽道的中部；在衬底200上的微槽道220的旁边设置储液室230；微槽道220与储液室230之间通过微槽240相连通；在上衬底300上与衬底200上的储液室230相对应处设置上储液室330，储液室230与上储液室330合并在一起，成为一个大的储液室，并在上储液室330的上部设置进液口350；在上衬底300上，上微槽道320与上储液室330之间通过上微槽340相连通。喷孔板100、衬底200和上衬底300依次粘结在一起组成压电桥式梁驱动的液体喷射结构(如图2、3所示)。

所述压电桥式梁210两端固定在衬底200的微槽道220壁上，其中间部分为桥状结构(如图2、3所示)。

所述压电桥式梁210包含压电层212及其上电极213、下电极层211，在桥式梁的表面可以覆盖绝缘介质层214，使上、下电极层与微槽道中的液体保持电绝缘。该压电桥式梁210还可以为含有多层压电层和多层非压电层的多层复合压电桥式梁；或是以包含两层或两层以上极化方向相同或相反的压电层的形式构成压电桥式梁。

在每个微槽道的上部或槽道中可以以不同方式放置多个压电桥式梁，驱动同一个微槽道中的液体从与之相通的微喷孔中喷出。

喷孔板100可以采用金属材料、有机材料、单晶硅、陶瓷等材料制作，采用激光钻孔、超声钻孔、腐蚀等方法可形成微喷孔110及其阵列。

衬底200可以采用单晶硅材料。在其上制作微槽道阵列的下半部分220、压电桥式梁210、储液室的下半部分230及微槽道220与储液室230之间相连的微槽240。采用双面抛光硅片，双面热氧化后淀积氮化硅层，背面光刻出结构窗口，刻蚀掉窗口中氮化硅，漂去露出的热氧化层。刻蚀去除正面的全部氮化硅层，以原有的氧化硅层或重新生长适当厚度的热氧化硅层作为压电桥式梁的底层材料和缓冲层215(如图6所示)。接着，在正面进行PZT(锆钛酸铅)复合多层薄膜的制作工艺。依次淀积下电极层，压电薄膜，上电极层，并采用物理或化学刻蚀工艺，依次刻蚀出上电极213、压电薄膜212、下电极211，最后淀积绝缘介质膜214(如图6所示)，再采用物理或化学刻蚀工艺刻蚀露出上、下电极引线，作为电极的引出线连接端。然后，在正面进行光刻并刻蚀出桥式梁形状。随后，保护正面，利用KOH、TMAH等各向异性腐蚀技术进行体硅腐蚀，或采用ICP(电感耦合等离子体)进行干法刻蚀，形成微槽道220和储液室230，及它们之间相连的微槽240，并释放桥式梁结构，形成压电桥式梁210。在本实施方式中，下电极211可由钛/铂复合层或铂或铱构成，压电薄膜212由PZT层或掺杂后的PZT层构成，或为PbTiO₃等压电种子层与上述PZT层的复合层，上电极213可由钛/铂复合层或铂或铱构成。另外，衬底材料也可以采用金属、二氧化硅、陶瓷等材料。

上衬底300可以采用单晶硅材料制作，在其上制作上微槽道320、上储液室330及它们之间相连的上微槽340。采用双面抛光硅片，双面热氧化后淀积氮化硅层，背面光刻出微槽道和储液室结构窗口，刻蚀掉窗口中氮化硅，漂去露出的热氧化层。利用KOH、TMAH等各向异性腐蚀技术进行体硅腐蚀，或采用ICP(电感耦合等离子体)进行干法刻蚀，形成上微槽道320和上储液室330及它们之间相连的上微槽340。重新进行双面热氧化后淀积氮化硅，再在正面进行光刻，刻蚀形成进液口掩膜窗口。利用KOH、TMAH等各向异性腐蚀液进行体硅腐蚀，或采用ICP(电感耦合等离子体)进行干法刻蚀，刻蚀形成进液口350。

最后，将喷孔板100、衬底200和上衬底300三块衬底通过键合或粘接的方式组合到一起，形成液体喷射结构。

所述压电桥式梁驱动的液体喷射结构中，以至少一个微喷孔、微槽道、压电桥式梁分别排布在各自衬底上，并相互对应，各衬底组合在一起后就构成压电桥式梁驱动的液体喷射结构阵列。如图1、图4、图5所示都可以视为压电桥式梁驱动的液体喷射结构阵列的示意图。

在图4所示的液体喷射结构的第二种结构分体示意图中，压电桥式梁在微槽道上部。液体喷射结构的大部分与图1、图2、图3所示一样，与第一种结构不同的是，在上衬底300中各个上微槽道间的隔离壁在第二种结构中被去除，形成一个大的储液室321，与旁边原有的上储液室330通过上微槽340相连。将上述三个衬底组合在一起后，相当于压电桥式梁210位于液体微槽道的顶部(如图4所示)。

在图5所示的液体喷射结构的第三种结构分体示意图中，压电桥式梁也在微槽道顶部。但是，与第二种结构不同的是，上衬底300上的两个储液室在第二种结构的基础上合并为一个大的储液室322。这时，第二种实现方式中进液口350可以移至衬底中部，变为进液口351。将上述三个衬底组合在一起后，也相当于压电桥式梁210位于液体微槽道的顶部(如图5所示)。

上述实施例中的压电桥式梁210的剖面结构如图6所示，它由二氧化硅层215、下电极211、压电层212、上电极213、表面绝缘介质层214复合而成。除此实现方式之外，压电桥式梁中二氧化硅层的下面也可保留一定厚度的单晶硅层，与其它层一起构成桥式梁。

在本实用新型的其它实现方式中，也可将与每个微槽道相对应的压电桥式梁设计为不同的形式，或者，在每个微槽道的上部或槽道中以不同方式放置多个压电桥式梁，驱动同一个微槽道中的液体从与之相通的微喷孔中喷出。例如，多个压电桥式梁在同一个微槽道的上部或槽道中并列，其固定支撑端也可位于不同的位置。

本实用新型所述压电桥式梁驱动的液体喷射结构与驱动电路、储液盒、支撑架、外壳等、连接线等部分相组合，可进一步构成完整的液体喷射装置或集成化的液体喷头。

本实用新型所述压电桥式梁驱动的液体喷射结构可广泛应用于喷墨打印，图文记录和微细图形实现等领域，以及具有微细图形实现要求的工业制造领域。

Claims (7)

1.一种压电桥式梁驱动的液体喷射结构，其结构包括：微喷孔、微槽道、压电桥式梁；其特征在于：在液体喷射结构外表面设置与微槽道相通的微喷孔，作为微槽道中液体喷射驱动器的压电桥式梁位于微槽道的上部或槽道中；与微槽道相通的微喷孔、微槽道、微槽道上部或槽道中的压电桥式梁相结合构成液体喷射结构。

2.根据权利要求1所述压电桥式梁驱动的液体喷射结构，其特征在于：所述压电桥式梁的两端与衬底相连，作为桥式梁的固定支撑端，压电桥式梁中间部分的两侧不与衬底相连，形成桥式结构。

3.根据权利要求1所述压电桥式梁驱动的液体喷射结构，其特征在于：所述压电桥式梁包含压电层和非压电层的多层复合结构，其中至少包含一层压电层及其上、下电极层。

4.根据权利要求1所述压电桥式梁驱动的液体喷射结构，其特征在于：所述压电桥式梁中的各层覆盖整个桥式梁，或部分地分布于桥式梁上。

5.根据权利要求1所述压电桥式梁驱动的液体喷射结构，其特征在于：所述压电桥式梁的表面为电绝缘层。

6.根据权利要求1所述压电桥式梁驱动的液体喷射结构，其特征在于：所述压电桥式梁在每个微槽道的上部或槽道中至少放置一个。

7.根据权利要求1所述压电桥式梁驱动的液体喷射结构，其特征在于：所述压电桥式梁驱动的液体喷射结构，包含至少一组相互对应的微喷孔、微槽道、压电桥式梁，构成压电桥式梁驱动的液体喷射结构阵列。

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