專利名稱：一種液體噴頭及其制造方法
技術領域：
本發明涉及一種液體噴頭及其制造方法。
背景技術：
現有利用壓電元件作為致動器把墨水噴出的噴頭，主要有以下三種類型，一種是壓電元件和振動板部分構成與排出墨滴相應噴嘴孔連通的壓力腔室，通過壓電元件和振動板的變形，使得壓力腔室體積發生變化，從而把墨水從噴嘴孔噴出。因為需要壓力腔室的體積變化，所以壓電元件和振動板的變形需要很大，壓電元件的變形能量需要足夠大，同時壓力腔室的側壁需要很好的強度和韌性，這樣為了獲得所需要的噴出墨滴大小，壓電元件需要一定的面積才能保證所需要的變形量，壓力腔室的側壁也需要很好的強度和韌性，從而難以實現噴嘴孔的高密度排列(參照中國專利CN02105630.7)。另一種是在將壓電元件和振動板以懸臂梁的形式設置在壓力腔室內，見日本專利JP3-124449(圖6)，圖6中，101硅基板；102腔室；103噴孔；104振動板；105下電極；106壓電膜；107上電極；108儲液室；109邊框。由于壓電懸臂梁僅在梁的一側固定支撐，其它部分為懸空可動，不受襯底的制約，因此，壓電懸臂梁的變形量遠遠大于前述的四周固定的壓電振動板，它能更有效的驅動更多液體從噴嘴孔中噴出，因此，這種噴頭可以在較低的電壓下工作，并且可以在保持噴出液體量不變的情況下，減 小致動器的總體面積，從而實現噴嘴孔的高密度排列。但是，由于壓電懸臂梁只有一端固定，另一端自由可動，這樣，當懸臂梁較長時，懸臂梁結構比較脆弱，會導致噴頭的壽命降低，并且懸浮的自由端非常難控制，這會引起噴出的墨滴大小不一致，從而降低打印質量。最后一種是在將壓電元件和振動板以兩端支持(橋式)梁的形式設置在壓力腔室內，見日本專利JP3-124448(圖7A)和JP1989267047 (圖7B)，圖7A中，201硅基板；202腔室；203噴孔；204振動板；205下電極；206壓電膜；207上電極；208儲液室；209邊框。圖7B*，301噴嘴；302噴嘴板；303下電極；304壓電膜；305上電極。這樣的結構優勢一方面在于橋中間部分不受襯底的制約，因此，橋式梁的變形量遠遠大于四周固定的壓電振動板，它能更有效的驅動更多液體從噴嘴孔中噴出。另一方面，由于壓電兩端支持(橋式)梁的兩端固定，因此，避免了壓電懸臂梁結構中，僅一端固定，而另一端自由可動所引起的結構脆弱、可靠性低、不容易控制等問題。因此，基于壓電兩端支持(橋式)梁的液體噴頭同時克服了基于四周固定的壓電振動板式液體噴頭和基于壓電懸臂梁式液體噴頭的缺點，它既保證了噴頭工作的可靠性，又兼顧了噴頭的工作效率。但是，在日本專利申請JP1989267047提到的壓電兩端支持(橋式)梁的液體噴頭是通過裝配加工方法實現的，由于裝配加工對工裝夾具的精度要求非常高，從而導致制造成本很高；在日本專利申請平3-124448中提到的壓電兩端支持(橋式)梁的液體噴頭是用硅基板作為腔室和噴嘴孔，由于硅基板比較薄并且脆，加工起來很容易產生裂紋，如果要高精度的制造高密度排列的噴嘴孔和壓力腔室很困難。
發明內容
本發明提供一種液體噴頭及其制造方法，以解決現有液體噴頭成品率低、制造成本高和打印質量低的技術問題。為了解決以上技術問題，本發明采取的技術方案是:一種液體噴頭，包括:—個娃基板；設置在所述娃基板表面的液體腔室；設置在所述液體腔室內部的兩端固定的兩端支持梁壓電元件；設置在所述硅基板上的供墨通道；和與所述液體腔室連通的噴嘴孔；其特征是，所述液體腔室和噴嘴孔共同由設置在所述硅基板表面上的一個或多個高分子膜層形成。所述硅基板和壓電元件之間設置有絕緣膜。所述硅基板對應所述壓電元件的下方還設置有凹部。所述兩端支持梁壓電元件的兩端與硅基板相連，作為兩端支持梁的固定端，形成兩端支持梁結構。
所述壓電元件由下至上包括下電極、壓電層和上電極，所述壓電元件由設置在所述硅基板表面上的多個壓電元件薄膜層形成。所述壓電元件一個表面設置有絕緣保護層，所述壓電元件另一表面設有振動板，所述絕緣保護層的材料為二氧化硅(SiO2)、碳化硅(SiC)或氮化硅(Si3N4),所述振動板的材料為二氧化硅(SiO2)。所述壓電元件與所述硅基板之間有活動的空間，所述壓電元件與所述噴嘴孔之間有活動的空間。本發明還提供上述液體噴頭的制造方法，其特征是，包括如下步驟:一、在硅基板上形成壓電元件；二、在所述硅基板和壓電元件上面設置一個或多個高分子膜層；三、通過曝光一個或多個高分子膜層，并顯影形成液體腔室以及與所述液體腔室連通的噴嘴孔；四、在硅基板上設置供墨通道。所述步驟一包括以下步驟:(一)在所述硅基板上形成絕緣膜；(二)在絕緣膜表面上形成壓電元件。所述步驟一包括以下步驟:A、在硅基板上形成凹部；B、用填充材料來填平凹部；C、在所述填平凹部的硅基板的一個面上形成絕緣膜；D、在所述絕緣膜的上部形成壓電元件；在所述步驟一之后還進行以下步驟:a、洗去所述的填充材料。所述步驟一中所述壓電元件的形成方法為在所述硅基板表面上設置多個壓電元件薄膜層形成所述的壓電元件。在所述步驟二之前還進行以下步驟:在所述壓電元件另一表面設置振動板。所述的填充材料為多晶硅或PSG。
所述步驟二中的高分子膜層材料是可光成像的高分子材料，包括可光成像的環氧樹脂、光敏性硅樹脂或者光敏性環氧硅氧烷。所述步驟三中采用不同波長的電磁波交聯可成像的高分子膜層。在采用了上述技術方案后，由于液體腔室和噴嘴孔共同由設置在所述硅基板表面上的一個或多個高分子膜層形成，高分子膜層容易加工而且不易碎裂，在制造上一體成型，可以獲得高效率、高精度、低成本的產品，從而可以用低成本來高精度的制造出高密度噴嘴孔排列的兩端支持梁結構的液體噴頭。
圖1是本發明第一實施例的噴頭的剖視圖。圖2是本發明一實施例的噴頭的立體圖。圖3A-圖3N示出了本發明第一實施例的噴頭在各制造步驟中形成的剖視圖。圖4A-圖4B示出了本發明第二實施例的噴頭在各制造步驟中形成的剖視圖。圖5A-圖5C示出了本發明第三實施例的噴頭在各制造步驟中形成的剖視圖。圖6是傳統壓電式懸臂梁結構的液體噴頭示意圖。圖7A-7B是傳統壓電式兩端支持(橋式)梁液體噴頭的示意圖。圖1-5C中標號說明:I娃基板；2凹部；3填充材料；4a、4b娃基板上、下表面；5絕緣膜；6壓電兀件；6a下電極；6b壓電層；6c上電·極；7振動板(絕緣膜)；8a、8b液體腔室高分子膜層；8c噴嘴孔高分子膜層；9a、9b掩膜；10液體腔室；11、1Γ UV光；12、12' Y射線；13噴嘴孔；14、15供墨通道；16兩端支持梁即橋式梁；17縫隙。
具體實施例方式下列將通過實施例詳細描述本發明:圖1和圖2分別是本發明一實施例的液體噴頭的剖視圖和立體圖，如圖所示，一種液體噴頭，包括:一個娃基板I ;設置在娃基板表面的若干高分子膜層，壓電兀件薄膜層6a/6b/6c、噴嘴孔板膜層Sc ;所述若干高分子膜層在液體腔室位置處的部分即液體腔室高分子膜層8a/8b形成液體腔室10、壓電元件6和所述若干高分子膜層在噴嘴孔13位置處的部分形成噴嘴孔13 ;壓電元件6由壓電元件薄膜層形成的下電極6a、壓電層6b和下電極6c，所述壓電元件設置在液體腔室10內部，其兩端固定在所述的硅基板I上，形成兩端支持梁即橋式梁結構16 ;所述壓電元件6的下表面極靠著硅基板的那個面覆蓋絕緣保護層5，上表面即靠著噴嘴孔板的那個面設有振動板7 ;所述噴嘴孔13與所述液體腔室10連通；所述供墨通道14與凹部2連通。結合圖1和圖2簡要說明下噴頭噴墨的工作原理:當壓電元件6接收到電信號后，其瞬間的變形會給振動板7 —較大的應力，此時，振動板5會和壓電元件6 —起振動，也就是兩端支持梁即橋式梁16振動，振動產生的壓力波會將墨水從噴嘴孔13擠出，并且墨盒(未畫出)中的墨水會通過供墨通道14和凹槽2，經過兩端支持梁即橋式梁16兩邊的縫隙17補給到腔室10中。所述壓電元件6的非固定端部分與所述的硅基板I和噴嘴孔板薄膜層8c之間都有一定的空間，可以使壓電元件6的非固定端部分在振動時有活動空間。
圖3A-圖3N示出了本發明第一實施例的噴頭在各制造步驟中形成的剖視圖:圖3A:通過離子銑削法在基底硅I上形成一凹部2，基底硅為單晶硅；圖3B:用填充材料3來涂覆凹部2，并進行化學機械拋光(CMP)使填充材料平坦化，其中填充材料可以是多晶娃或PSG。圖3C:在基底硅的一個面4a上形成絕緣膜5，其組分可以是二氧化硅(SiO2)、碳化硅(SiC)或氮化硅(Si3N4),可以通過物理氣相沉積法(PVD)形成，其主要作用是保護下電極不受墨水的腐蝕。圖3D:在絕緣膜5上形成壓電元件6的工序，形成工序依次為:I)下電極6a形成工序在絕緣膜5上通過電子束蒸鍍或濺射法形成下電極6a，其由導電性材料構成，例如由鈦(Ti)層，白金(Pt)層，鈦(Ti)層疊層構成，這種疊層構成下部電極，是為了提高白金層和壓電體層以及白金層和絕緣膜之間的密合性。2)壓電體層6b形成工序對壓電體層6b的制造方法沒有特殊的限定，例如有溶膠-凝膠法、MOD法和水熱法等。作為壓電體層6b的材料，例如優選由以鋯鈦酸鉛[Pb (Zr，Ti) O3: PZT]為主要成分的材料形成，此外也可以使用鈮鎂酸鉛和鈦酸鉛的固溶體[Pb (Mg1/3Nb2/3) O3-PbTiO3:PMN-PT]、鋅鈮酸鉛和鈦酸鉛的固溶體[Pb Znl73Nb273)O3-PbTiO3IPZN-PT]等。無論是哪一種，如果壓電體層6b的材料由鈣鈦礦結構的結晶形成的話，則不限于上述材料。3)上電極6 c形成工序通過電子束蒸鍍法或濺射法，在壓電體層6b上形成上部電極6c，其材料可以是白金(Pt)層或金(Au)層圖3E:振動板7形成工序在上電極6c上鍍上絕緣材料，例如SiO2,形成振動板7。該過程的目的是在壓電元件與液體腔室之間設置一絕緣層，既作為振動板與壓電元件一起振動，又作為絕緣層防止壓電元件被墨水腐蝕，要求其具有一定韌性(也稱彈性)和強度，材料不限于所述的SiO2,可以通過任何可行的方法，例如物理氣相沉積法(PVD)實現鍍膜，厚度可以控制在Iym左右。圖3F:圖案化壓電元件在振動板7表面旋涂抗蝕材料，在相應應形成液體腔室的位置進行曝光(可以利用掩膜)、顯影而圖形化，將未曝光的抗蝕材料去除，而留下的抗蝕材料(對應于液體腔室形成位置，已經被曝光而固化的材料)作為掩膜通過離子研磨等方法蝕刻振動板7、壓電元件6和絕緣膜5，從而形成預定的形狀。圖3G-圖3M:曝光顯影步驟圖3G:用常規的旋涂方法在壓電元件6的兩側涂覆可交聯的聚合物材料形成層8a，并通過化學機械拋光(CMP)使層8a上表面平坦；該過程使用的可交聯的聚合物材料為公知的可光成像高分子材料，例如可光成像的環氧樹脂(諸如常用的光刻膠SU8等)、光敏性硅樹脂或者光敏性環氧硅氧烷等。圖3H:采用掩膜9a，用常規的電磁波如UV光11交聯被曝光層8a。圖31:用常規的旋涂方法在層8a上涂覆與層8a相同的聚合物材料，形成層Sb，并通過化學機械拋光(CMP)使層Sb上表面平坦。圖3J:采用掩膜9a，用常規的電磁波如UV光11交聯被曝光層8b，其被用來確定液體腔室10的位置、形狀和面積。圖3K:用常規的旋涂方法在層Sb上涂覆與層8a相同的聚合物材料，形成層Sc，并通過化學機械拋光(CMP)使層Sc上表面平坦。圖3L:采用掩膜％，選擇波長盡可能小的電磁波做為曝光源，其目的是利于加工出尺寸較液體腔室更小且內壁光滑的噴嘴孔，可以選擇波長短且穿透力較強的Y射線12交聯被曝光層8c，其被用來確定噴嘴孔13的位置、形狀和面積。圖3M:當填充材料3是多晶硅時，使用混合酸(氫氟酸和硝酸)或KOH清除，當填充材料是PSG時用氫氟酸清除，并用顯影液(如PMEGA液)去除未曝光區域IOa和13a形成液體腔室10和噴嘴孔13。圖3N:供墨通道形成步驟通過濕法蝕刻、干法蝕刻、噴砂開槽或激光法中的一種或幾種在硅基底的一個面4b上開槽形成供墨通道14。圖4A-圖4B示出了本發明第二實施例的噴頭在各制造步驟中形成的剖視圖。與第一實施例在硅基板上形成凹部不同，本實施例是先在硅基板上形成絕緣膜，壓電元件，振動板，腔室和噴嘴孔，然后在硅基板的背面直接開槽形成供墨通道。
圖4A:首先在基底硅I的一個面4a上形成絕緣膜5，再在上面形成壓電元件6，振動板7，液體腔室10以及噴嘴孔13，制造步驟跟上一實施例相同。圖4B:通過濕法蝕刻、干法蝕刻、噴砂開槽或激光法中的一種或幾種在基底的另一面4b上開槽形成供墨通道15。圖5A-圖5C示出了本發明第三實施例的噴頭在各制造步驟中形成的剖視圖。與第一實施例在硅基板上形成多個高分子膜層不同，本實施例是形成一層厚的高分子膜層，通過兩次光照強度不一樣的曝光確定液體腔室和噴嘴孔的位置、形狀和面積，最后顯影形成液體腔室和噴嘴孔。圖5A:在基底硅(單晶硅)I上形成一凹部2并用材料填平，再在基底硅上形成絕緣膜5，壓電元件6，振動板7，最后用常規的旋涂方法在壓電元件6的兩側及上端涂覆可交聯的聚合物材料形成較厚的高分子膜層8，該過程使用的可交聯的聚合物材料為公知的可光成像高分子材料，例如可光成像的環氧樹脂(諸如常用的光刻膠SU8等)、光敏性硅樹脂或者光敏性環氧硅氧烷等。圖5B:米用掩膜9a,用高強度電磁波,如較強的UV光11',交聯被曝光層8,其被用來確定液體腔室10的位置、形狀。圖5C:采用掩膜％，用低強度的電磁波，如較弱的Y射線12'，繼續交聯被曝光層8，其被用來確定噴嘴孔13的位置、形狀和面積，結合步驟圖5B再次確定液體腔室10的面積。最后用顯影液去除未曝光區域IOa和13a形成液體腔室10和噴嘴孔13，通過濕法蝕刻、干法蝕刻、噴砂開槽或激光法中的一種或幾種在硅基底的一個面4b上開槽形成供墨通道14，形成的結構跟圖3N的一樣。在上述的實施例中，將噴出墨水的噴墨頭作為液體噴頭進行描述，但是噴頭的基本結構并不限于上述這些，本發明 的意圖應用于各種噴頭。
權利要求
1.一種液體噴頭，包括 一個娃基板； 設置在所述硅基板表面的液體腔室； 設置在所述液體腔室內部的兩端固定的兩端支持梁壓電元件； 設置在所述硅基板上的供墨通道； 和與所述液體腔室連通的噴嘴孔； 其特征是，所述液體腔室和噴嘴孔共同由設置在所述硅基板表面上的一個或多個高分子膜層形成。
2.如權利要求I所述的液體噴頭，其特征是，所述硅基板和壓電元件之間設置有絕緣膜。
3.如權利要求I所述的液體噴頭，其特征是，所述硅基板對應所述壓電元件的下方還設置有凹部。
4.如權利要求I所述的液體噴頭，其特征是，所述兩端支持梁壓電元件的兩端與硅基板相連，作為兩端支持梁的固定端，形成兩端支持梁結構。
5.如權利要求I所述的液體噴頭，其特征是，所述壓電元件由下至上包括下電極、壓電層和上電極，所述壓電元件由設置在所述硅基板表面上的多個壓電元件薄膜層形成。
6.如權利要求I所述的液體噴頭，其特征是，所述壓電元件一個表面設置有絕緣保護層，所述壓電元件另一表面設有振動板，所述絕緣保護層的材料為二氧化硅(SiO2)、碳化硅(SiC)或氮化硅(Si3N4),所述振動板的材料為二氧化硅(SiO2)。
7.如權利要求I所述的液體噴頭，其特征是，所述壓電元件與所述硅基板之間有活動的空間，所述壓電元件與所述噴嘴孔之間有活動的空間。
8.—種上述液體噴頭的制造方法，其特征是，包括如下步驟 一、在娃基板上形成壓電兀件； 二、在所述硅基板和壓電元件上面設置一個或多個高分子膜層； 三、通過曝光一個或多個高分子膜層，并顯影形成液體腔室以及與所述液體腔室連通的噴嘴孔； 四、在硅基板上設置供墨通道。
9.如權利要求8所述液體噴頭的制造方法，其特征是，所述步驟一包括以下步驟(一)在所述硅基板上形成絕緣膜；(二)在絕緣膜表面上形成壓電元件。
10.如權利要求9所述液體噴頭的制造方法，其特征是，所述步驟一包括以下步驟:A、在硅基板上形成凹部；B、用填充材料來填平凹部；C、在所述填平凹部的硅基板的一個面上形成絕緣膜；D、在所述絕緣膜的上部形成壓電元件；在所述步驟一之后還進行以下步驟a、洗去所述的填充材料。
11.如權利要求8所述液體噴頭的制造方法，其特征是，所述步驟一中所述壓電元件的形成方法為在所述硅基板表面上設置多個壓電元件薄膜層形成所述的壓電元件。
12.如權利要求8所述液體噴頭的制造方法，其特征是，在所述步驟二之前還進行以下步驟在所述壓電元件另一表面設置振動板。
13.如權利要求10所述液體噴頭的制造方法，其特征是，所述的填充材料為多晶硅或PSG。
14.如權利要求8所述液體噴頭的制造方法，其特征是，所述步驟二中的高分子膜層材料是可光成像的高分子材料，包括可光成像的環氧樹脂、光敏性硅樹脂或者光敏性環氧硅氧烷。
15.如權利要求8所述液體噴頭的制造方法，其特征是，所述步驟三中采用不同波長的電磁波交聯可成像的高分子膜層。
全文摘要
本發明涉及一種液體噴頭及其制造方法，液體噴頭包括硅基板；設置在硅基板表面的液體腔室；設置在液體腔室內部的兩端固定的兩端支持梁壓電元件；設置在硅基板上的供墨通道；和與液體腔室連通的噴嘴孔；液體腔室和噴嘴孔共同由設置在硅基板表面上的一個或多個高分子膜層形成。高分子膜層容易加工而且不易碎裂，在制造上一體成型，可以獲得高效率、高精度、低成本的產品，從而可以用低成本來高精度的制造出高密度噴嘴孔排列的兩端支持梁結構的液體噴頭。解決了現有液體噴頭成品率低、制造成本高和打印質量低的技術問題。
文檔編號B41J2/14GK103252997SQ201210034830
公開日2013年8月21日 申請日期2012年2月16日 優先權日2012年2月16日
發明者周毅, 李越 申請人:珠海納思達電子科技有限公司