一種液體噴頭及其製造方法
2024-03-04 08:35:15
專利名稱：一種液體噴頭及其製造方法
技術領域：
本發明涉及一種列印設備中的液體噴頭以及該液體噴頭的製造方法，尤其涉及一種噴墨列印設備中使用的壓電式噴液頭及其製造方法。
背景技術：
改進現有列印設備的噴液頭裝置，提高噴墨式記錄頭的清晰化程度的要求隨著列印設備的普及而日顯強烈。為了使噴墨式記錄頭高清晰度化，一些相應的改進方案也開始被提出。常見的液體噴頭結構一般包括有壓力室基板、粘接在壓力室基板一面上的噴嘴板，和設置在壓力室基板另一面上的振動板。壓力室基板一般為矽基板(矽晶片)，通過蝕刻工藝在該壓力室基板上形成多個存儲墨水的壓力室(空腔)，使噴嘴板對應各壓力室被粘接，從而在振動板的一面完成噴嘴孔的配置；在振動板的另一面與壓力室相對位置形成壓電元件，即完成噴液頭的加工。執行列印時，壓電元件在施壓下產生體積變化，通過振動板引起壓力室體積變化，由於壓力室中填充墨水，此時墨水會從噴嘴孔中噴出而完成列印。由於壓力室(也稱液體腔室)是在矽晶片上蝕刻形成，為了提高列印的清晰度而減小壓力室的側壁厚度時，必然會導致作為振動板的矽晶片的機械強度下降，在壓力室形成中出現矽晶片的破損而使整個液體噴頭的成品率較低，明顯導致了製造成本的增加；另一方面，由於噴嘴板是利用粘合劑粘接在壓力室基板上，對粘接處理的要求也很高，因為若粘合劑流入壓力室中，也會影響到列印質量。研究結果顯示，通過減小壓力室的寬度、高度及隔離壓力室間的側壁厚度，改進噴液頭結構，是提高噴墨式記錄頭清晰度的關鍵。中國專利申請CN01119993. 8公開了一種壓電噴墨頭的製造方法，具體為一種一體成型的方法，即，採用薄膜層技術來一體形成壓力室和噴孔，由於薄膜材料容易加工且不易碎裂，可以解決現有液體噴頭成品率低、製造成本高等問題；此外，由於不需要粘合劑來粘合噴嘴板，也可以防止粘合時產生的熱應力導致噴嘴層出現分層，及防止粘合劑流入到壓力室中而引起列印質量的惡化等問題。但是現有技術提供的噴墨頭在解決上述問題的同時也帶來了新的問題，參照圖11所示(CN01119993. 8公開文件的圖6)首先，該工藝中形成壓力室14和噴孔15的方法是首先在下電極Ilc和壓電推動片層Ilb上形成第一感旋光性高分子薄膜層，經圖案化曝光，成為壓力室腔壁12及壓力室14，然後在壓力室14的腔壁12上形成第二感旋光性高分子薄膜，進一步利用曝光顯影或雷射加工形成噴孔薄膜層13。可以理解，在已經形成的壓力室腔壁12上再通過曝光顯影或雷射加工得到噴孔薄膜層13，這明顯是不合理的，或至少是需要非常高的加工水準和要求，所以按照該工藝實現噴墨頭的製造顯然難度很大；其次，該工藝製成的噴墨頭的結構中，壓力室是直接形成在壓電元件上，沒有設置振動板，這樣在執行列印工作中會嚴重影響噴射墨滴的質量和效率，因為壓電元件11自身變形是非常小的，其主要是通過自身的變形瞬間產生一很大的應力作用在振動板上，通過振動板的變形使得壓力室變形從而噴出墨滴。
所以，如何使列印設備噴液頭的結構和加工工藝更加科學合理，做到兼顧噴液頭本身的強度等性能和列印質量，成為業內有待解決的課題。
發明內容
本發明所解決的主要技術問題在於提供一種製造液體噴頭的方法，通過改進液體腔室和噴液孔的形成工藝，以解決現有技術中液體噴頭成品率低、製造成本高和噴液質量不高的問題。本發明進一步提供了一種改進的噴液頭，通過對其液體腔室和噴液孔構造改進，利於提高噴墨式記錄頭的列印質量。本發明提供了一種液體噴頭的製造方法，包括以下步驟:在壓電元件的共用電極表面設置絕緣材料層作為振動板；使用可光成像高分子材料在所述絕緣材料層表面設置第一薄膜層，並對該第一薄膜層上確定為液體腔室的區域實施第一次曝光；使用可光成像高分子材料在已實施曝光的第一薄膜層表面設置第二薄膜層，並對該第二薄膜層上確定為噴液孔的區域實施第二次曝光；利用顯影液顯影去除第一薄膜層和第二薄膜層未曝光材料，形成液體腔室和噴液孔。根據本發明提供的液體噴頭的製造方法，通過對依次設置的二個薄膜層分別實施曝光，然後通過一次性顯影同時形成液體腔室和噴液孔，即，液體腔室與噴液頭在製造上一體成型，為高效率、高精度、低成本生產高精度噴液頭提供了有效手段。根據本發明的具體實施方案，其中，用於設置第一薄膜層和第二薄膜層的可光成像高分子材料選自可光成像的環氧樹脂、可光成像的聚合物、光敏性矽樹脂或者光敏性環氧矽氧烷等。為了確定液體腔室和噴液孔的設置區域和位置，可以採用任何可行的手段，優選地，實施第一次曝光和第二次曝光時，分別使用掩膜確定曝光區域。基於液體腔室和噴液孔結構各自的特點，對第一薄膜層的第一次曝光可以採用長波射線，例如採用UV光交聯第一薄膜層的光可成像高分子材料，確定液體腔室的位置，第二次曝光時則適合採用波長較短、穿透能力較強的短波射線，實現更精密的曝光和顯影，即，採用波長較UV光波長短的電磁波射線(例如Y射線)交聯第二薄膜層的光可成像高分子材料，以利於確定噴液孔的位置。本發明的方案中，液體腔室和噴液孔的設置均在已經形成的絕緣材料層上進行，在最終製成的噴液頭中，該絕緣材料層直接作為了振動板，利於在列印時將來自壓電元件的作用應力傳遞到液體腔室(壓力室)，使噴液頭的列印更加精密。所以，作為振動板的絕緣材料層優選具備一定的彈性，可以通過在共用電極表面鍍上SiO2層來實現。根據本發明的製造方法，可以先選擇利用一個基座，初步形成壓電元件，S卩，還可以包括以下步驟:在基座上形成剝離層，並在該剝離層上形成壓電元件；以及在形成液體腔室和噴液孔後，將基座從剝離層剝離。進一步地，所述在剝離層上形成壓電元件的方法包括:
在剝離層上依次形成驅動電極、壓電體層和共用電極；所述使基座從剝離層剝離的方法包括利用光照射基座的裡側以對剝離層產生摩蝕而使基座被剝離。對於基座和剝離層的材料選擇和設置方式，均按照常規技術，例如基座可以選擇具有良好的透光性、耐熱性和耐腐蝕性的材料，例如石英玻璃或鈉鈣玻璃；剝離層的材料則可以是非晶矽、高分子化合物、含矽或含氮化合物，例如非晶矽、金屬(鋁、鈦、鋰等)、高分子化合物(PP、PE、PET等)、氧化矽、氮化矽、氮化鋁或氮化鈦等。根據基座和剝離層的具體材料和性質，可以選擇適當的照射光，最好是可引起剝離層中層內剝離和/或界面剝離的照射光，使剝離層產生摩蝕而將基座剝離，本發明所說的「基座的裡側」是指基座上與剝離層相背的一側，例如，採用X射線、紫外線、可見光、紅外線、毫米波或微波等電磁波照射基座與剝離層相背的一側。根據本發明的實施方案，可以在已經加工好的壓電體元件的共用電極上實施液體腔室和噴液孔的設置加工，得到所要求的液體噴頭；優選的方案是，根據所形成的液體腔室和噴液孔，對壓電元件的形狀再進一步處理，以更好製成所述液體噴頭，即，優選的製造方法還可包括以下步驟將基座剝離後，在暴露出的驅動電極上塗敷抗蝕材料，並在對應於液體腔室的位置進行曝光、顯影而圖形化，隨後利用殘留的抗蝕材料作為掩膜對驅動電極和壓電體層進行蝕刻，形成預定形狀的壓電元件，所述操作中，塗敷的抗蝕材料，以及曝光和顯影處理，均為常規技術。按照本發明的方法可以得到一種改進的液體噴頭，尤其可以為壓電式噴墨頭，其中的液體腔室即為噴墨腔室，噴液孔即為噴墨孔，供噴墨列印設備安裝。所以，本發明還提供了一種液體噴頭以及安裝有該液體噴頭的列印設備，基於所述一體成型噴墨頭的高效率、高精度和低成本的特點，利於顯著提升列印設備的性能和品質。總之，本發明通過對液體腔室和噴液頭形成工藝提出改進，製造過程更加科學合理，液體腔室與噴液頭在製造上一體成型，加工中壓力室和側壁尺寸的減小也不會影響到振動板的機械強度和性能，利於提高噴液頭生產過程中的成品率，而且通過一次顯影是液體腔室與噴液頭一體成型，避免了粘結劑的使用，從而為高效率、高精度、低成本生產高品質噴液頭提供了有效手段。
圖1-圖10是按照本發明實施例的方法製造噴液頭過程中各製造步驟效果示意圖；圖11是傳統噴墨頭的剖視圖。
具體實施例方式以下結合附圖和具體實施例詳細說明本發明實施方案，以幫助閱讀者更好地理解本發明的實質內容和有益效果，但不能理解為對本發明可實施範圍的任何限定。請參照圖1-10，本實施例的製造過程如下
1、在基座I上形成剝離層2基座I和剝離層2的材料選擇以及形成方式均為常規方法，如圖1所示；作為基座1，最好是選擇具有良好的透光性和耐熱性材料製成，以減少光照射過程的能量衰減，有利於後續對剝離層的剝離。基座對照射光的透過率為10%以上較好，在50%以上更好。如果透過率過低，那麼照射光的衰減變大，需要更大的能量來實現剝離層中層內剝離和/或界面剝離；另一方面，由於壓電元件形成過程中需要達到例如400°C-90(TC以上的高溫，也需要底座有良好的耐熱性，那麼在形成壓電元件時，就可以自由地進行溫度設定。基座可以是石英玻璃或鈉鈣玻璃製成，以利於滿足透光性和耐熱性需要，從提供加工強度考慮，基座還應該具有一定厚度，但本發明對此沒有特別的限制，綜合考慮透光率和強度特性，一般選擇厚度在0.5mm-l.5mm左右較好。當然，如果該基座對照射光的透過率較高，在成本許可的前提下可以選擇厚度更大的基座。剝離層2的設置是為了在完成腔室和噴液孔的加工後將基座剝離，二者的剝離方法以及剝離層的設置均按照公知方法實施即可。剝離層2的材料可以是非晶矽、金屬(鋁、鈦、鋰等)、高分子化合物(PP、PE、PET等)、氧化矽、氮化矽、氮化鋁、氮化鈦中的一種，尤其是可以選擇能夠在照射光作用下實現層內或界面剝離的材料。剝離層的厚度通常在40nm-l μ m左右。剝離層的厚度過薄不利於隨後部件加工的薄層均勻性，而如果剝離層的厚度過厚也會增加剝離的難度和成本，例如通過照射剝離時，勢必需要增強照射光功率(光量)。2、在剝離層2上形成壓電元件所述壓電元件的結構及構成方法均按照常規手段完成，包括驅動電極、壓電體層和共用電極的依次設置；例如圖2所示，具體過程可以描述為:I)形成驅動電極3a通過電子束蒸鍍法或濺射法，在剝離層2上形成驅動電極3a，與現有技術相同，採用貴金屬材料形成驅動電極層，例如可以是白金(Pt)或金(Au)等，而形成方式沒有特殊限制；2)在驅動電極3a上形成壓電體層3b可以採用溶膠-凝膠法、MOD法或水熱法等，在驅動電極3a上形成壓電體層3b ；作為壓電體層3b的材料，優選採用鈣鈦礦結構的材料，具體材料種類按照常規技術選擇即可，例如可以採用以鋯鈦酸鉛[Pb (Zr，Ti) O3: PZT]為主要成分的材料，也可以使用鈮鎂酸鉛和鈦酸鉛的固溶體[Pb (Mgl73Nb273) O3-PbTiO3: PMN-PT]、鋅鈮酸鉛和鈦酸鉛的固溶體[PbZn1/3Nb2/3) O3-PbTiO3 = PZN-PT]等；3)形成共用電極3c在壓電體層3b上通過電子束蒸鍍或濺射法等形成驅動電極3c，採用導電性材料，例如形成鈦(Ti)層、白金(Pt)層或鈦層疊層等。為利於後續液體腔室薄膜和噴空薄膜的加工，此時對壓電體元件的設置可以先形成較大尺寸，供後續進一步處理成型為與噴墨腔室相匹配的形狀和尺寸。3、在共用電極3c上形成彈性的絕緣層4在共用電極3c上鍍上絕緣材料，例如SiO2,形成絕緣層4，參見圖3。該過程的目的是在壓電元件與噴墨腔室之間設置能提供一定韌性的絕緣層，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，該絕緣層可以作為壓電式噴墨頭的振動板，所以要求有一定的強度和韌性(也稱彈性)，材料不限於所述的SiO2,厚度可以控制在I μ m左右。4、在絕緣層4上形成第一薄膜層5a參見圖4，用常規的旋塗方法在絕緣層(SiO2)上塗覆可交聯的聚合物材料形成第一薄膜層5a，並通過化學機械拋光(CMP)使該聚合物薄膜層5a的上表面平坦；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)、可光成像的聚合物、光敏性矽樹脂或者光敏性環氧矽氧烷等，因該第一薄膜層5a用於形成噴墨腔室，也稱液體腔室薄膜層。5、在第一薄膜層5a上曝光確定噴墨腔按照噴墨腔室的結構要求，在該第一薄膜層上設定區域實施曝光。參見圖5,可以設置掩膜6a,光固交聯第一薄膜層5a,例如可以米用UV光7a實施第一次曝光，以確定噴墨腔8a的位置、形狀和面積。6、噴墨腔室及噴墨孔的形成在已經被交聯的第一薄膜層上再次塗覆可交聯的聚合物材料，形成第二薄膜層，並按照噴墨孔的設計要求在經第一次曝光的第一薄膜層上設定區域實施第二次曝光，確定噴墨孔的位置、形狀和面積，該第二薄膜層用於形成噴墨孔，所以也稱噴孔薄膜層；利用顯影液顯影去除第一薄膜層和第二薄膜層未曝光材料，從而形成噴墨腔和噴墨孑L °該過程的具體操作如下:參見圖6，用常規的旋塗方法在實施第一次曝光後的第一薄膜層5a上再次塗覆可交聯的聚合物材料，該聚合物材料的選擇標準與第一薄膜層5a相同，為方便操作，一般使用與第一薄膜層5a相同的可光成像高分子材料，形成第二薄膜層5b，同樣地，使該薄膜層表面平坦；參見圖7，根據設定的噴墨孔結構，採用掩膜6b，用相比於UV光波長較短的電磁波射線，選擇波長儘可能小的電磁波，目的是利於加工出尺寸較噴墨腔室更小且內壁光滑的噴墨孔，例如波長短且穿透力較強的Y射線7b交聯第二薄膜層5b，實施第二次曝光，確定嗔墨孔9a的形狀和面積；完成第二次曝光後即可用顯影液(如PMEGA液)顯影，同時去除第一薄膜層5a和第二薄膜層5b的未曝光區域8a和9a的薄膜材料，形成噴墨腔8和噴墨孔9，參見圖8。7、剝離基座完成噴墨腔和噴墨孔加工後，將基座從剝離層剝離；本實施例中，具體方法可以有:參見圖9，從基座I的裡側(基座背離剝離層的表面)設置照射光7c，由於基座具有適當的透光率和耐熱性，照射光的能力會對剝離層2產生摩蝕，實現與基座I剝離。作為照射光7c，最好是可引起剝離層中層內剝離和/或界面剝離的照射光，例如可採用X射線、紫外線、可見光、紅外線(熱射線)、毫米波、微波等各波長的電磁波，可以根據基座的性質進行選擇。8、壓電元件的成型
脫除基座後，在暴露出的驅動電極上塗敷抗蝕材料，在對應於噴墨腔室的位置進行曝光、顯影而圖形化，隨後利用殘留的抗蝕材料作為掩膜對驅動電極和壓電體層進行蝕亥|J，最終形成預定形狀的壓電元件。具體地，由於基座的脫除,使驅動電極3a被暴露出，在該驅動電極3a表面旋塗抗蝕材料，在相應應形成噴墨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(對應於噴墨腔室形成位置，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驅動電極3a和壓電體層3b，從而形成預定形狀壓電元件3，參見圖10。經以上過程即完成噴墨列印設備噴液頭的加工，形成的噴墨腔室8成為壓力室，其設置在絕緣層4上，由於絕緣層4為彈性材料膜層，因此在列印設備工作中起到振動板的作用，絕緣膜層4與壓電元件3 —起振動，使噴墨腔室8的體積改變，把墨水從噴墨孔9擠出，完成列印。從列印效果和加工性能考慮，可以選擇在壓電元件的共用電極表面鍍膜SiO2形成彈性絕緣膜層4，並充當振動板。如圖10所示意，該液體噴頭的結構可以包括一個壓電元件3，包括驅動電極3a、壓電體層3b和共用電極3c ；設置在壓電元件3表面的振動板4，該振動板4為彈性絕緣材料膜層，優選為SiO2膜層；設置在振動板4上的若干薄膜層，包括第一薄膜層(噴墨腔室薄膜層)5a和第二薄膜層(噴孔薄膜層)5b，第一薄膜層形成噴墨腔室8，第二薄膜層則形成噴墨孔9。在上述的實施例中，是將噴出墨水的噴墨頭作為液體噴頭進行描述，但是液體噴頭的基本結構並不限於上述這些，但凡應用本發明的基本思想加工壓力室的方案，均應被涵蓋於本發明的保護範圍內，即，本發明的設計思想應用於各種液體噴頭。
權利要求
1.一種液體噴頭的製造方法，包括以下步驟: 在壓電元件的共用電極表面設置絕緣材料層作為振動板； 使用可光成像高分子材料在所述絕緣材料層表面設置第一薄膜層，並對該第一薄膜層上確定為液體腔室的區域實施第一次曝光； 使用可光成像高分子材料在已實施曝光的第一薄膜層表面設置第二薄膜層，並對該第二薄膜層上確定為噴液孔的區域實施第二次曝光； 利用顯影液顯影去除第一薄膜層和第二薄膜層未曝光材料，形成液體腔室和噴液孔。
2.根據權利要求1所述的液體噴頭的製造方法，其中還包括以下步驟: 在基座上形成剝離層，並在該剝離層上形成壓電元件；以及 在形成所述液體腔室和噴液孔後，將基座從剝離層剝離。
3.根據權利要求2所述的液體噴頭的製造方法，其中， 在剝離層上形成壓電元件的方法包括在剝離層上依次形成驅動電極、壓電體層和共用電極； 所述使基座從剝離層剝離的方法包括利用光照射基座的裡側以對剝離層產生摩蝕而使基座被剝離。
4.根據權利要求3所述的液體噴頭的製造方法，其中，所述照射光包括選自X射線、紫外線、可見光、紅外線、毫米波或微波的電磁波。
5.根據權利要求2或3所述的液體噴頭的製造方法，其中，所述基座的材料包括石英玻璃或鈉鈣玻璃；所述剝離層的材料選自非晶矽、金屬、高分子材料、氧化矽、氮化矽、氮化鋁或氮化鈦。
6.根據權利要求2或3所述的液體噴頭的製造方法，其中還包括以下步驟: 將基座剝離後，在暴露出的驅動電極上塗敷抗蝕材料，並在對應於液體腔室的位置進行曝光、顯影而圖形化，隨後利用殘留的抗蝕材料作為掩膜對驅動電極和壓電體層進行蝕亥IJ，形成預定形狀的壓電元件。
7.根據權利要求1所述的液體噴頭的製造方法，其中，用於設置第一薄膜層和第二薄膜層的可光成像高分子材料選自可光成像的環氧樹脂、可光成像的聚合物、光敏性矽樹脂或者光敏性環氧矽氧烷。
8.根據權利要求1或7所述的液體噴頭的製造方法，其中，實施第一次曝光和第二次曝光時，分別使用掩膜確定曝光區域。
9.根據權利要求8所述的液體噴頭的製造方法，其中，第一次曝光時採用UV光交聯第一薄膜層的光可成像高分子材料，第二次曝光時採用波長較UV光波長短的電磁波射線交聯第二薄膜層的光可成像高分子材料。
10.根據權利要求9所述的液體噴頭的製造方法，其中，所述波長較UV光波長短的電磁波射線選自短波射線。
11.根據權利要求10所述的液體噴頭的製造方法，其中，所述波長較UV光波長短的電磁波射線包括Y射線。
12.根據權利要求1所述的液體噴頭的製造方法，其中，所述絕緣材料層為SiO2層。
13.一種液體噴頭，該液體噴頭為按照權利要求1-12任一項所述方法製造而成。
14.根據權利要求13所述的液體噴頭，其為壓電噴墨頭，其中的液體腔室為噴墨腔室，噴液孔為噴墨孔。
15.一種列印 設備，其中設置有權利要求13或14所述的液體噴頭。
全文摘要
本發明提供一種液體噴頭及其製造方法，所述液體噴頭的製造方法包括在壓電元件的共用電極表面設置絕緣材料層作為振動板；使用可光成像高分子材料在所述絕緣材料層表面設置第一薄膜層，並對該第一薄膜層上確定為液體腔室的區域實施第一次曝光；使用可光成像高分子材料在已實施曝光的第一薄膜層表面設置第二薄膜層，並對該第二薄膜層上確定為噴液孔的區域實施第二次曝光；利用顯影液顯影去除第一薄膜層和第二薄膜層未曝光材料，形成液體腔室和噴液孔。本發明的液體噴頭通過二次曝光和一次顯影實現液體腔室和噴液頭一體成型，提高了液體腔室的強度，以及成品率，利於提升列印設備的品質。
文檔編號B41J2/14GK103072378SQ2011103273
公開日2013年5月1日 申請日期2011年10月25日 優先權日2011年10月25日
發明者周毅, 李越 申請人:珠海納思達電子科技有限公司