壓電噴墨頭及其震動層成型法的製作方法
2023-12-01 07:20:11 1
專利名稱：壓電噴墨頭及其震動層成型法的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種壓電噴墨頭的震動層的成型技術，特別涉及一種使用矽晶片的接合、研磨、蝕刻等技術以使壓電噴墨頭的震動層與墨水腔成型的方法。
背景技術：
噴墨列印技術的主要運作原理分為熱泡式(Thermal bubble)及壓電式(Piezoelectric)兩類。熱泡式乃利用加熱器將墨水瞬間氣化，產生高壓氣泡推動墨水由噴嘴射出，但由於其高溫氣化的運作原理使得適用液體的選擇性低，故其應用領域有限。壓電式是利用施加電壓方式使壓電陶瓷產生形變，經由擠壓墨水而產生高壓，進而將墨水噴出。相比之下，壓電式噴墨頭具有下列優點(1)壓電式不會因為高溫氣化產生化學變化，故具有極佳的耐久性。(2)壓電陶瓷反應速度快，不會受限於熱傳導速度，故可提升列印速度。(3)壓電式容易控制液滴的大小，可提升列印品質。
根據不同壓電產生變形的機制，目前已經商業化的壓電式噴墨頭可分為彎曲式(bend mode)與推拉式(push mode)兩種，其中彎曲型式採用表面彎曲射出(face-shooter)的壓電變形機制，而推拉式是採用兩端推擠射出(edge-shooter)的壓電變形機制。
如圖1所示，其顯示已知彎曲式的壓電噴墨頭的剖面示意圖。已知彎曲式的壓電噴墨頭10是由一致動器單元12以及一墨水路徑單元14所連接構成，其中致動器單元12是由一多層式的壓電陶瓷片(piezo ceramic)16、一振動片(diaphragm)18、以及一具有多個相互隔離的墨水腔(pressure chamber)19的基板20所堆棧而成，而墨水路徑單元14是由一設置有墨水槽21、入口通孔與出口通孔23的第一基板22、一設置有出口信道25的第二基板24、以及一具有複數個噴嘴27的噴孔片26所粘貼而成。當壓電陶瓷片16承受控制電路所施加的電壓而產生收縮變形時，會受到振動片18的牽制而形成側向彎曲，進而擠壓墨水腔19內的墨水，則位於噴嘴27處的墨水會因承受內外壓力差而加速運動，進而加速噴出而形成一墨水滴28。
如圖2所示，其顯示已知推拉式的壓電噴墨頭的剖面示意圖。已知推拉式的壓電噴墨頭30是由一單層的壓電陶瓷片32、一動能轉換器(transducer foot)34、一振動片36、一具有墨水腔37、墨水槽38、入口信道39與出口信道40的基板42、以及一具有噴嘴43的噴孔片44所堆棧而成。此外，以無電極電鍍鎳的方式在墨水腔37側壁上製作一電極層，並將兩個電極接在三個一組的墨水腔37之間。當兩個電極之間外加電位相反的電壓逐漸增強時，墨水腔37的腔壁會向外彎曲而引進墨水。當兩個電極的外加電壓急速變換時，壓電陶瓷片32會產生收縮變形，使得振動片36產生更大的彎曲變形，而其產生的右側推力可以擠壓墨水腔37內的墨水，進而使墨水加速噴出噴嘴43處而形成一墨水滴46。
然而，已知壓電噴墨頭技術大多採用基層積層陶瓷共燒法來成型震動片以及墨水腔等組件，其成型法包含有粉末原料(PZT、ZrO2、PbO、TiO2、其它適當添加物)的合成、混合、乾燥、鍛燒、粉碎、造粒、壓縮、成型、燒結以及極化作用等步驟，但礙於上述製程繁瑣且困難度高，一直存在著合格率低、成本高、不利大量生產等缺點。有鑑於此，如何改良壓電噴墨頭的震動片的成型法以提高製程穩定度，成為當前急需研發的重要課題。
發明內容
本發明的主要目的在於提出一種壓電噴墨頭的震動層及其成型技術，使用矽晶片的接合、研磨、蝕刻等技術，可利用矽晶片表面上的矽層與氧化矽層作為震動層，並可直接在矽晶片背面製作墨水腔，以解決已知技術遭遇到的問題。
根據上述目的，本發明的壓電噴墨頭的震動層的成型法，包括有下列步驟一種壓電噴墨頭的震動層的成型法。首先，提供一第一矽晶片以及一第二矽晶片，然後，分別在該第一矽晶片的貼合面以及該第二矽晶片的貼合面上形成一粘合層，再根據接合技術將該第一矽晶片的底面接合在該第二矽晶片的頂面上。隨後，進行研磨製程，使該第一矽晶片表面殘留的厚度達5～20μm，以提供作為一震動層。然後，提供一硬罩幕層，形成在該第二矽晶片的底面，且包含有複數個開口，用以定義出該墨水腔的預定圖案。最後，進行蝕刻製程，並利用該粘合層作為一蝕刻阻擋層，將該開口內的第二矽晶片移除，以形成複數個隔絕的墨水腔。
本發明的優點之一在於，使用矽晶片的接合、研磨、蝕刻等技術，可利用第一矽層以及第三氧化矽作為壓電噴墨頭的震動層，並可直接蝕刻第二矽層以製作成為墨水腔，因此具有製程步驟簡化、製程困難度低且製程穩定度高等優點，可以使壓電噴墨頭的合格率提高、成本降低、產量增加。
為使本發明的上述和其它目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉出較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下
圖1是已知彎曲式的壓電噴墨頭的剖面示意圖。
圖2是已知推拉式的壓電噴墨頭的剖面示意圖。
圖3A至3F是本發明實施例一的壓電噴墨頭的震動層成型技術的剖面示意圖。
圖4A至4F是本發明實施例二的壓電噴墨頭的震動層成型技術的剖面示意圖。
具體的實施方式本發明揭露一種壓電噴墨頭的震動層及其成型技術，是使用矽晶片的接合及研磨技術以形成壓電噴墨頭的主結構體，再經由蝕刻技術可同時獲得震動層與墨水腔結構，其中矽晶片表面上的矽層以及氧化矽層的組合結構作為一震動層。本發明的壓電噴墨頭的震動層及墨水腔可以應用於壓電變形機制的壓電式噴墨頭中，例如彎曲式(bend mode)與推拉式(push mode)兩種壓電式噴墨頭。
實施例一如圖3A至3F所示，其顯示本發明實施例一的壓電噴墨頭的震動層成型技術的剖面示意圖。
如圖3A所示，提供一第一矽晶片52以及一第二矽晶片54，並進行氧化程序，以在第一矽晶片52的貼合面上形成一第一SiO2層51a，並在第二矽晶片54的貼合面上形成一第二SiO2層51b。
如圖3B所示，進行絕緣層覆矽(silicon-on-insulator，SOI)技術，可將第一矽晶片52的底部與第二矽晶片54的貼合面形成緊密接合。在較佳實施例中，可先以旋轉塗布或噴灑的方式將一含氫鍵的溶劑(如丙酮或酒精)形成在第一矽晶片52與第二矽晶片54的接合面上，使第一SiO2層51b以及第二SiO2層51c暫時貼合成為一SiO2粘著層53，其可當作後續壓力腔成型技術的阻擋層53。隨後，利用晶片的對位、壓合技術將第一矽晶片52的底部向下壓合至第二矽晶片54的表面上。
然後，如圖3C所示，對第一矽晶片52表面進行研磨製程，例如化學機械研磨技術(chemical mechanical polishing，CMP)，使第一矽晶片52的殘留的厚度約達5～20μm，當作本發明壓電噴墨頭的一震動層52A。同時，可對第二矽晶片54的底部進行研磨製程，例如化學機械研磨技術(chemical mechanical polishing，CMP)，以使第二矽晶片54底部殘留厚度達到墨水腔的預定深度。
如圖3D所示，在震動層52A表面上製作一壓電材料層56，然後根據燒結製程，可使壓電材料層56成為一壓電組件。值得注意的是，此步驟也可在完成壓力腔成型技術之後再進行。接著，在第二矽晶片54的底面形成一硬罩幕層58，其材質可為氧化矽(SiO2)或氮化矽(Si3N4)，厚度約為5～20μm。
如圖3E所示，進行微影蝕刻製程，可在硬罩幕層58中形成複數個開口59，用以定義出墨水腔的預定圖案。
如圖3F所示，自第二矽晶片54的背部進行蝕刻製程，可選用乾式蝕刻(dry etching)、溼式蝕刻(wet etching)或其它可施行的蝕刻方式，利用硬罩幕層58的圖案作為罩幕，並利用阻擋層53作為一蝕刻阻擋層以控制蝕刻深度，則可將開口59內的第二矽晶片54去除，以形成複數個隔絕的墨水腔60。
然後可在墨水腔60下方進行墨水槽、通孔以及噴孔片的製作，在此不再加以詳述。
於已知技術相比，本發明使用矽晶片的接合、研磨、氧化、微影、蝕刻等技術，可利用第一矽晶片52的殘留厚度當作震動層52A，並可以蝕刻方式直接在第二矽晶片54背面製作墨水腔60，因此具有製程步驟簡化、製程困難度低且製程穩定度高等優點，可以使壓電噴墨頭的合格率提高、成本降低、產量增加。
實施例二本發明實施例二的壓電噴墨頭的震動層成型技術大致與實施例一所述的步驟相同，不同之處在於晶片粘合方式改成採用接合劑，以取代實施例一的絕緣層覆矽技術，如此可進一步降低製作成本並簡化製作流程。
如圖4A至4F所示，其顯示本發明實施例二的壓電噴墨頭的震動層成型技術的剖面示意圖。
如圖4A所示，提供第一矽晶片52以及第二矽晶片54，並在第一矽晶片52的貼合面上形成一第一接合層51c，並在第二矽晶片54的貼合面上形成一第二接合層51d。在較佳實施例中，第一接合層51c以及第二接合層51d的接合劑材質可為樹脂、磷矽玻璃(phosphosilicate glass，PSG)、旋塗玻璃(spin on glass，SOG)或是幹膜(dry film)等等。
如圖4B所示，將第一矽晶片52的第一接合層51c與第二矽晶片54的第二接合層51d緊密接合成一粘合層55，其可當作以後壓力腔成型技術的阻擋層55。使第一矽晶片52以及第二SiO2層53暫時貼合，再利用晶片的對位、壓合技術將第一矽晶片52的底部向下壓合至第二矽晶片54的表面上。
如圖4C所示，對第一矽晶片52表面進行研磨製程，例如化學機械研磨技術(chemicalmechanical polishing，CMP)，使第一矽晶片52的殘留的厚度約達5～20μm，當作本發明壓電噴墨頭的一震動層52A。同時，可對第二矽晶片54的底部進行研磨製程，例如化學機械研磨技術(chemical mechanical polishing，CMP)，以使第二矽晶片54底部殘留厚度達到墨水腔的預定深度。
如圖4D所示，在震動層52A表面上製作一壓電材料層56，然後根據燒結製程，可使壓電材料層56成為一壓電組件。值得注意的是，此步驟也可在完成壓力腔成型技術之後再進行。接著，在第二矽晶片54的底面形成一硬罩幕層58，其材質可為氧化矽(SiO2)或氮化矽(Si3N4)，厚度約為5～20μm。
如圖4E所示，進行微影蝕刻製程，可在硬罩幕層58中形成複數個開口59，用以定義出墨水腔的預定圖案。
如圖3F所示，自第二矽晶片54的背部進行蝕刻製程，可選用乾式蝕刻(dry etching)、溼式蝕刻(wet etching)或其它可施行的蝕刻方式，利用硬罩幕層58的圖案作為罩幕，並利用阻擋層55作為一蝕刻阻擋層以控制蝕刻深度，則可將開口59內的第二矽晶片54去除，以形成複數個隔絕的墨水腔60。
然後可在墨水腔60下方進行墨水槽、通孔以及噴孔片的製作，在此不再加以詳述。
於已知技術相比，本發明使用矽晶片的接合、研磨、氧化、微影、蝕刻等技術，可利用第一矽晶片52的殘留厚度當作震動層52A，並可以蝕刻方式直接在第二矽晶片54背面製作墨水腔60，因此具有製程步驟簡化、製程困難度低且製程穩定度高等優點，可以使壓電噴墨頭的合格率提高、成本降低、產量增加。
雖然本發明己以一較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，因此本發明的保護範圍當視後附的權利要求為準。
符號說明10彎曲式的壓電噴墨頭 12致動器單元14墨水路徑單元16壓電陶瓷片18振動片 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噴嘴26噴孔片28墨水滴 30推拉式的壓電噴墨頭32壓電陶瓷片 34動能轉換器36振動片 37墨水腔38墨水槽 39入口信道40出口信道42基板43噴嘴44噴孔片46墨水滴 51a第一SiO2層51b第二SiO2層 51c第一接合層51d第二接合層 53SiO2粘著層55粘合層 52第一矽晶片52A震動層 54第二矽晶片56壓電材料層 58硬罩幕層59開 60墨水腔
權利要求
1.一種壓電噴墨頭，包括有一第一矽晶片，用以當作該壓電噴墨頭的震動層；一第二矽晶片，其頂面接合在所述第一矽晶片的底面上，且所述第二矽晶片中包含有複數個隔絕的墨水腔；一粘合層，形成在所述第一矽晶片以及所述第二矽晶片的接合表面上，用以接合所述第一矽晶片以及所述第二矽晶片，且用以當作所述複數個墨水腔的蝕刻停止層；一壓電材料層，形成在所述第一矽晶片頂面上；以及一硬罩幕層，形成在所述第二矽晶片的底面，用以當作所述複數個墨水腔的圖案定義層。
2.如權利要求1所述的壓電噴墨頭，其特徵在於，所述第一矽晶片的厚度為5～20μm。
3.如權利要求1所述的壓電噴墨頭，其特徵在於，所述第一矽晶片以及所述第二矽晶片的接合採用絕緣層覆矽(silicon-on-insulator，SOI)技術。
4.如權利要求3所述的壓電噴墨頭，其特徵在於，所述粘合層由氧化矽材質所構成。
5.如權利要求1所述的壓電噴墨頭，其特徵在於，所述粘合層由樹脂、磷矽玻璃(phosphosilicate glass，PSG)、旋塗玻璃(spin on glass，SOG)或是幹膜(dry film)所構成。
6.如權利要求1所述的壓電噴墨頭，其特徵在於，所述硬罩幕層由氧化矽或氮化矽材質所構成。
7.一種壓電噴墨頭的震動層的成型法，包括有下列步驟提供一第一矽晶片以及一第二矽晶片；提供一粘合層，分別形成在所述第一矽晶片的貼合面以及所述第二矽晶片的貼合面；進行接合技術，將所述第一矽晶片的底面接合在所述第二矽晶片的頂面上，以使所述粘合層形成在所述第一矽晶片以及所述第二矽晶片之間；進行研磨製程，使所述第一矽晶片表面殘留的厚度達5～20μm，以提供作為一震動層；提供一硬罩幕層，形成在所述第二矽晶片的底面，且包含有複數個開口，用以定義出所述墨水腔的預定圖案以及進行蝕刻製程，並利用所述粘合層作為一蝕刻阻擋層，將所述開口內的第二矽晶片移除，以形成複數個隔絕的墨水腔。
8.如權利要求8所述的壓電噴墨頭的震動層的成型法，另包含有一步驟在所述第一矽晶片的頂面上形成一壓電材料層。
9.如權利要求8所述的壓電噴墨頭的震動層的成型法，另包含有一步驟在提供所述硬罩幕層之前，進行研磨製程，使所述第二矽晶片的厚度達到一墨水腔的預定深度。
10.如權利要求8所述的壓電噴墨頭的震動層的成型法，其特徵在於，所述第一矽晶片以及所述第二矽晶片的接合採用絕緣層覆矽(silicon-on-insulator，SOI)技術。
11.如權利要求11所述的壓電噴墨頭的震動層的成型法，其特徵在於，所述粘合層由氧化矽材質所構成。
12.如權利要求8所述的壓電噴墨頭的震動層的成型法，其特徵在於，所述粘合層由樹脂、磷矽玻璃(phosphosilicate glass，PSG)、旋塗玻璃(spin on glass，SOG)或是幹膜(dry film)所構成。
13.如權利要求8所述的壓電噴墨頭的震動層的成型法，其特徵在於，所述硬罩幕層由氧化矽或氮化矽材質所構成。
14.如權利要求8所述的壓電噴墨頭的震動層的成型法，其特徵在於，所述研磨製程採用化學機械研磨(chemical mechanical polishing，CMP)方法。
全文摘要
一種壓電噴墨頭的震動層的成型法。首先，提供一第一矽晶片以及一第二矽晶片，然後，分別在該第一矽晶片的貼合面以及該第二矽晶片的貼合面上形成一粘合層，再根據接合技術將該第一矽晶片的底面接合在該第二矽晶片的頂面上。隨後，進行研磨製程，使該第一矽晶片表面殘留的厚度達5～20μm，以提供作為一震動層。然後，提供一硬罩幕層，形成在該第二矽晶片的底面，且包含有複數個開口，用以定義出該墨水腔的預定圖案。最後，進行蝕刻製程，並利用該粘合層作為一蝕刻阻擋層，將該開口內的第二矽晶片移除，以形成複數個隔絕的墨水腔。
文檔編號B41J2/14GK1490161SQ02147348
公開日2004年4月21日 申請日期2002年10月16日 優先權日2002年10月16日
發明者季寶琪, 蔡志昌, 林振華, 楊明勳 申請人:飛赫科技股份有限公司