基於壓電懸臂梁的液體噴頭的製作方法

2023-06-05 23:48:11 3

專利名稱：基於壓電懸臂梁的液體噴頭的製作方法
技術領域：
本發明屬於微電子機械領域，特別涉及採用微加工方法實現的一種基於壓電 懸臂梁的液體噴頭。
技術背景液體噴頭及液體噴射裝置最常見、最廣泛、最典型的應用為噴墨式列印，圖 形、圖像記錄和印刷、印染等領域。在液晶顯示、有機發光顯示等多種顯示器以 及生物晶片等其它微製造方面也有廣泛的應用。基於壓電效應的液體噴頭具有液 滴大小可控，噴射速度可控，容易實現高精度的液滴噴射，噴頭使用壽命長等特 點，是液體噴射裝置發展的重要方向。採用壓電原理製作的液體噴射頭成本較高。為降低使用成本， 一般將液體噴 頭和儲液盒設計為可分離式結構，更換液體或儲液盒時不必更換噴頭。 一個完整 的液體噴射裝置應包括液體噴頭、儲液盒、控制電路、支撐架、外殼等部件。但 是，液體噴頭是其中最核心的部分，其設計和製造技術決定著整個液體噴射裝置 的性能。隨著技術的發展，液體噴頭的噴射速度和噴孔陣列密度不斷提高。高性能的 液體噴頭主要決定於液體驅動器、液體微槽道及微噴孔的整體設計和製造技術。一種現有的壓電式液體噴頭，採用體壓電陶瓷製作液體的微槽道，在作為微 槽道側壁的壓電體上施加電壓，槽道壁產生剪切形變，從而擠壓微槽道中液體噴 出。這種壓電式液體噴頭，在製作多排陣列式液體噴射頭時困難較大。另一種已有的壓電式液體噴頭，採用多層的壓電體驅動器作為液體驅動器， 當在驅動器上施加電壓時，驅動器的長度發生變化，擠壓微槽道的上壁，從而改 變槽道腔內容積的大小，使液體從噴孔噴射出去。這種壓電噴頭中壓電驅動器制 作難度較大，驅動器與微槽道等其它部件的組裝困難，要求精度高，製作效率低， 成本高。愛普生公司公開了一種壓電式噴頭，在微槽道的上壁製作壓電/彈性複合振動板，當在壓電振動板上壓電層的上、下電極間施加電壓時，振動板發生凸、凹形 變，從而改變微槽道內的容積，使液體從與微槽道相通的微噴孔中噴射出去。採 用這種工作方式的壓電噴頭，可以製作較高密度的陣列式液體噴射頭。但是，採 用這種方式的壓電振動板硬度較大，使其形變所需驅動力很大；並且，振動板四 周與微槽道壁相連，且受到約束。這兩種原因，嚴重限制了對微槽道中液體驅動。 而且，由于振動板四周邊的約束作用，當振動板的面積越小時，板的形變就越小， 微槽道內的體積變化就越小，噴射出的液體量就越小。在形成更高密度的液體噴 頭陣列時，微槽道在一個方向上的寬度受到限制。因此，影響了液體噴出量，這 種噴頭的驅動方式妨礙了進一步減少微槽道的尺寸和提高噴頭的集成度。 發明內容本發明的目的是提供一種基於壓電懸臂梁驅動的液體噴頭，其主要結構包括 壓電懸臂梁，微槽道，微噴孔；其特徵在於含有壓電薄膜層及其上、下電極的 壓電懸臂梁位於液體微槽道的上部或槽道中，作為微槽道中液體噴射的驅動器； 在噴孔板上設置與襯底上微槽道對應的微噴孔，位於微槽道的上部或槽道中的壓 電懸臂梁、噴孔和微槽道相結合構成液體噴射結構；壓電懸臂梁在電壓的激勵下， 產生偏轉形變，驅動微槽道中的液體從微噴孔中噴出。所述壓電懸臂梁的一端或一側與襯底相連，作為懸臂梁的固定支撐端，懸臂 梁其它部分為懸空可動。所述壓電懸臂梁為包含壓電層和非壓電層的多層複合結構，其中至少包含一 層壓電層及其上、下電極層。所述壓電懸臂梁的表面為電絕緣層。所述壓電懸臂梁中的各層，可以覆蓋整個懸臂梁，也可以部分地分布於懸臂梁上。所述在每個微槽道的上部或槽道中以不同方式放置至少一個壓電懸臂梁，驅 動同一個微槽道中的液體從與之相通的微噴孔中噴出。所述壓電懸臂梁驅動的液體噴頭中，包含至少一組壓電懸臂梁、微槽道、微 噴孔，構成以壓電懸臂梁驅動的陣列式液體噴射結構。本發明的有益效果是由於壓電懸臂梁僅在梁的一側固定，其它部分為懸空， 不受襯底的制約，因此，懸臂梁的變形量遠遠大於四周固定的壓電振動板，它能 更有效的驅動更多液體從微噴孔中噴出。由於壓電懸臂能在低電壓下實現大的變 形，因此，這種噴頭可以在較低的電壓下工作。另外，由於壓電懸臂能實現較大 的變形，.這樣就可以在保持射出液體量不變的情況下，減小液體驅動器的面積和 微槽道的尺寸，從而實現具有更高密度噴孔陣列的液體噴頭。本發明採用壓電懸臂梁在微槽道的上部或中間驅動微槽道中的液體，使之從 微噴孔中噴出，增加了液體噴出量，降低液體驅動器的驅動電壓，進一步提高液 體噴頭的集成度。


圖1為液體噴頭的第一種結構示意圖，這種結構中，壓電懸臂梁在微槽道中部。圖2為圖1的組裝示意圖。 圖3為圖1的分體示意圖。圖4為液體噴頭的第二種結構示意圖，這種結構中，壓電懸臂梁在微槽道上部。圖5為液體噴頭的第三種結構示意圖，這種結構中，壓電懸臂梁在微槽道 上部。圖6壓電懸臂梁剖面結構示意圖。圖7 —種壓電懸臂梁在微槽道中或上部放置形式。這種形式中，懸臂梁與 微槽道長度方向平行。圖8 —種壓電懸臂梁在微槽道中或上部放置形式。這種形式中，懸臂梁與 微槽道長度方向垂直。圖9 一種壓電懸臂梁在微槽道中或上部放置形式。這種形式中，懸臂梁與 微槽道長度方向垂直，並且，將圖8中的懸臂梁分開為並列的多個小懸臂梁。圖10 —種壓電懸臂梁在微槽道中或上部放置形式。這種形式中，同一個 微槽道中或上部放置兩個懸臂梁。並且，兩個懸臂梁的固定支撐端相互連接在一起，通過與微槽道長度方向垂直的橋狀結構與襯底兩側相連，作為兩個懸臂梁的支撐端。圖'll 一種壓電懸臂梁在微槽道中或上部放置形式。這種形式中，在同一個微槽道中或上部放置多組圖10中所描述的多對懸臂梁。圖12 —種壓電懸臂梁在微槽道中或上部放置形式。這種形式中，同一個微 槽道中或上部放置兩個懸臂梁。並且，兩個懸臂梁的固定支撐端相互連接在一起， 通過與微槽道平行的橋狀結構與襯底相連，作為兩個懸臂梁的支撐端。圖13 —種壓電懸臂梁在微槽道中或上部放置形式。這種形式中，進一步將 圖12中的懸臂梁分開為並列的多個小懸臂梁。圖14 一種壓電懸臂梁在微槽道中或上部放置形式。這種形式中，平行於微 槽道長度方向，分別放置兩個相對的懸臂梁，每個懸臂梁的固定支撐端分別與微 槽道邊沿相連。圖15 —種壓電懸臂梁在微槽道中或上部放置形式。這種形式中，垂直於微 槽道長度方向，分別放置兩個相對的懸臂梁，每個懸臂梁的固定支撐端分別與微 槽道邊沿相連。圖16 —種壓電懸臂梁在微槽道中或上部放置形式。這種形式中，進一步將 圖15中所描述的懸臂梁分開為並列的多個小懸臂梁。圖17 —種壓電懸臂梁在微槽道中或上部放置形式。這種形式中，將圖10 和圖14中所描述的兩種懸臂梁放置形式組合，把兩種形式的懸臂梁放置於同一 微槽道中或上部。
具體實施方式
本發明提出的基於壓電懸臂梁驅動的液體噴頭有多種結構可以實現。圖1、 圖4、圖5分別示例了其中三種可能的實現結構。它們的共同特徵都是含有壓電 薄膜層及其上、下電極的壓電懸臂梁位於液體微槽道的上部或槽道中，作為微槽 道中液體噴射的驅動器。壓電懸臂梁在電壓的激勵下，產生偏轉形變，驅動微槽 道中的液體從微噴孔中噴出。圖1、圖4、圖5所示都可以視為實現陣列式液體 噴頭的結構示意圖。在圖1所示的第一種結構示意圖中，由嘖孔板100、襯底200和上襯底300 組成。在噴孔板100上設置一排與襯底200上微槽道220對應的微噴孔110;壓 電懸臂梁210位於襯底200上的微槽道220的上部；襯底200上的微槽道220和 上襯底300上的上微槽道320合併在一起，構成一個完整的液體微槽道，在微槽 道220與上微槽道320合併成完整的液體微槽道後，壓電懸臂梁210位於合併成 的液體微槽道的中部；在襯底200上的微槽道220的旁邊設置儲液室230;微槽 道220與儲液室230之間通過微槽240相連通；在上襯底300上與襯底200上的 儲液室230相對應處設置上儲液室330，儲液室230與上儲液室330合併在一起， 成為一個大的儲液室，並在上儲液室330的上部設置進液口 350;在上襯底300 上，上微槽道320與上儲液室330之間通過上微槽340相連通。噴孔板100、襯 底200和上襯底300依次粘結在一起組成壓電懸臂梁驅動的液體噴頭(如圖2、 3 所示)。所述壓電懸臂梁210隻有一端固定在襯底200的微槽道220壁上，其它部分 為懸空可動(如圖3所示)。所述壓電懸臂梁210包含壓電層212及其上電極213、下電極層211，在懸 臂梁的表面可以覆蓋絕緣介質層214，使上、下電極層與微槽道中的液體保持電 絕緣。該壓電懸臂梁210還可以為含有多層壓電層和多層非壓電層的多層複合壓 電懸臂梁；或是以包含兩層或兩層以上極化方向相同或相反的壓電層的形式構成 壓電懸臂梁。所述在每個微槽道的上部或槽道中可以以不同方式放置多個壓電懸臂梁(如 圖7—17所示)，驅動同一個微槽道中的液體從與之相通的微噴孔中噴出。噴孔板100可以採用金屬材料、有機材料、單晶矽、陶瓷等材料製作，採用 雷射鑽孔、超聲鑽孔、腐蝕等方法可形成微噴孔110及其陣列。襯底200可以採用單晶矽材料。在其上製作微槽道陣列的下半部分220、壓 電懸臂梁210、儲液室的下半部分230及微槽道220與儲液室230之間相連的微 槽240。採用雙面拋光矽片，雙面熱氧化後澱積氮化矽層，背面光刻出結構窗口， 刻蝕掉窗口中氮化矽，漂去露出的熱氧化層。刻蝕去除正面的全部氮化矽層，以原有的氧化矽層或重新生長適當厚度的熱氧化矽層作為壓電懸臂梁的底層材料和緩衝層215 (如圖6所示)。接著，在正面進行PZT (鋯鈦酸鉛)複合多層薄膜 的製作工藝。依次澱積下電極層，壓電薄膜，上電極層，並採用物理或化學刻蝕 工藝，依次刻蝕出上電極213、壓電薄膜212、下電極211，最後澱積絕緣介質膜 214(如圖6所示)，再採用物理或化學刻蝕工藝刻蝕露出上、下電極引線，作為 電極的引出線連接端。然後，在正面進行光刻並刻蝕出懸臂梁形狀。隨後，保護 正面，利用KOH、 TMAH等各向異性腐蝕技術進行體矽腐蝕，或採用ICP (電 感耦合等離子體)進行幹法刻蝕，形成微槽道220和儲液室230，及它們之間相 連的微槽240，並釋放懸臂梁結構，形成壓電懸臂梁210。在本實施方式中，下 電極211可由鈦/鉑複合層或鉑或銥構成，壓電薄膜212由PZT層或摻雜後的PZT 層構成，或為PbTi03等壓電種子層與上述PZT層的複合層，上電極213可由鈦/ 鉑複合層或鉑或銥構成。另外，襯底材料也可以採用金屬、二氧化矽、陶瓷等材 料。上襯底300可以採用單晶矽材料製作，在其上製作上微槽道320、上儲液室 330及它們之間相連的上微槽340。採用雙面拋光矽片，雙面熱氧化後澱積氮化 矽層，背面光刻出微槽道和儲液室結構窗口，刻蝕掉窗口中氮化矽，漂去露出的 熱氧化層。利用KOH、 TMAH等各向異性腐蝕技術進行體矽腐蝕，或採用ICP (電感耦合等離子體)進行幹法刻蝕，形成上微槽道320和上儲液室330及它們 之間相連的上微槽340。重新進行雙面熱氧化後澱積氮化矽，再在正面進行光刻， 刻蝕形成進液口掩膜窗口。利用KOH、 TMAH等各向異性腐蝕液進行體矽腐蝕， 或採用ICP (電感耦合等離子體)進行幹法刻蝕，刻蝕形成進液口 350。最後，將噴孔板IOO、襯底200和上襯底300三塊襯底通過鍵合或粘接的方 式組合到一起，形成液體噴頭。所述陣列式液體噴頭為在壓電懸臂梁驅動的液體噴頭中，以多個壓電懸臂 梁、微槽道、微噴孔分別排布在各自襯底上，並相互對應，各襯底組合在一起後 就構成以壓電懸臂梁驅動的陣列式液體噴頭。如圖1、圖4、圖5所示都可以視 為陣列式液體噴頭的結構示意圖。在圖4所示的液體噴頭的第二種結構分體示意圖中，壓電懸臂梁在微槽道上 部。液體噴頭的大部分與圖1、圖2、圖3所示一樣，與第一種結構不同的是， 在上襯底300中各個上微槽道間的隔離壁在第二種結構中被去除，形成一個大的 儲液室321,與旁邊原有的上儲液室330通過上微槽340相連。將上述三個襯底 組合在一起後，相當於壓電懸臂梁210位於液體微槽道的頂部(如圖4所示)。在圖5所示的液體噴頭的第三種結構分體示意圖中，壓電懸臂梁也在微槽道 頂部。但是，與第二種結構不同的是，上襯底300上的兩個儲液室在第二種結構 的基礎上合併為一個大的儲液室322。這時，第二種實現方式中進液口 350可以 移至襯底中部，變為進液口351 (如圖5所示)。上述實施例中的壓電懸臂梁210的剖面結構如圖6所示，它由二氧化矽層 215、下電極211、壓電層212、上電極213、表面絕緣介質層214複合而成。除 此實現方式之外，壓電懸臂梁中二氧化矽層的下面也可保留一定厚度的單晶矽 層，與其它層一起構成懸臂梁。在本發明的其它實現方式中，也可將與每個微槽道相對應的壓電懸臂梁微執 行器設計為不同的形式，並且，在每個微槽道的上部或槽道中可以以不同方式放 置多個壓電懸臂梁，驅動同一個微槽道中的液體從與之相通的微噴孔中噴出。例 如，其在同一個微槽道中或上部的個數可多於一個，其固定支撐端也可位於不同 的位置，如圖7——圖17所示為與同一個微槽道相對應的壓電懸臂梁的多種分布 形式。本發明的液體噴射頭可廣泛應用於噴墨列印，圖形、圖像記錄和印刷、印染 等領域以及多種顯示器、生物晶片等其它微製造方面。
權利要求
1. 一種基於壓電懸臂梁驅動的液體噴頭，其主要結構包括壓電懸臂梁，微槽道，微噴孔；其特徵在於含有壓電薄膜層及其上、下電極的壓電懸臂梁位於液體微槽道的上部或槽道中，作為微槽道中液體噴射的驅動器；在噴孔板上設置與襯底上微槽道對應的微噴孔，位於微槽道的上部或槽道中的壓電懸臂梁、噴孔和微槽道相結合構成液體噴射結構；壓電懸臂梁在電壓的激勵下，產生偏轉形變，驅動微槽道中的液體從微噴孔中噴出。
2. 根據權利要求1所述基於壓電懸臂梁驅動的液體噴頭，其特徵在於所述 壓電懸臂梁的一端或一側與襯底相連，作為懸臂梁的固定支撐端，懸臂梁其它部 分為懸空可動。
3. 根據權利要求1所述基於壓電懸臂梁驅動的液體噴頭，其特徵在於所述壓電懸臂梁為包含壓電層和非壓電層的多層複合結構，其中至少包含一層壓電層 及其上、下電極層。
4. 根據權利要求1所述基於壓電懸臂梁驅動的液體噴頭，其特徵在於所述 壓電懸臂梁的表面為電絕緣層。
5. 根據權利要求1所述基於壓電懸臂梁驅動的液體噴頭，其特徵在於所述 的壓電懸臂梁中的各層，可以覆蓋整個懸臂梁，也可以部分地分布於懸臂梁上。
6. 根據權利要求1所述基於壓電懸臂梁驅動的液體噴頭，其特徵在於所述 在每個微槽道的上部或槽道中以不同方式至少放置一個壓電懸臂梁，驅動同一個 微槽道中的液體從與之相通的微噴孔中噴出。
7. 根據權利要求1所述基於壓電懸臂梁驅動的液體噴頭，其特徵在於所述 壓電懸臂梁驅動的液體噴頭中，包含至少一組壓電懸臂梁、微槽道、微噴孔，構 成以壓電懸臂梁驅動的陣列式液體噴射結構。
全文摘要
本發明公開了屬於微電子機械領域的涉及採用微加工方法實現的一種基於壓電懸臂梁的液體噴頭。主要結構包括，壓電懸臂梁，微槽道，微噴孔。含有壓電薄膜層及其上、下電極的壓電懸臂梁位於液體微槽道的上部或槽道中，作為微槽道中液體噴射的驅動器；在噴孔板上設置與微槽襯底上微槽道對應的微噴孔，位於微槽道的上部或槽道中的壓電懸臂梁、噴孔和微槽道相結合構成液體噴射結構；壓電懸臂梁在電壓的激勵下，產生偏轉形變，驅動微槽道中的液體從微噴孔中噴出。這種噴頭的壓電懸臂梁能實現較大的變形，可以在較低的電壓下工作，減小液體驅動器的面積和微槽道的尺寸，從而實現具有更高密度噴孔陣列的液體噴頭。
文檔編號B05B17/04GK101269363SQ200810105868
公開日2008年9月24日 申請日期2008年5月4日 優先權日2008年5月4日
發明者劉淑芹 申請人:劉淑芹