專利名稱：一種墨水噴頭及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種墨水噴頭及其制造方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的噴頭主要分成兩種，一種是由加熱電阻作為源動力來去使噴頭噴出墨滴，另一種是是利用壓電元件作為源動力來使噴頭噴出墨滴。利用壓電元件作為致動器把墨水噴出的噴頭，主要有以下兩種類型。一種是壓電元件和振動板置于與排出墨滴相應噴嘴連通的壓力產(chǎn)生腔室的外部，通過壓電元件和振動板的變形，使得壓力產(chǎn)生腔室體積發(fā)生變化，從而把墨滴從噴嘴噴出。另一種墨水噴頭是通過將振動板設(shè)置在壓力腔室內(nèi)部，形成懸臂梁或橋式梁結(jié)構(gòu)，通過向懸臂梁或橋式梁上的壓電元件施加電壓而使懸臂或橋式梁振動板發(fā)生振動，墨水因為振動板的振動而從噴墨口噴出。這種利用懸臂梁式振動板的噴頭例如Epson早期公開申請的專利中提到。然而這些早期的專利中提到的制造方法是利用粘接技術(shù)把噴頭的各個部分合成在一起，難以實現(xiàn)噴嘴的高密度排布，如600dpi，且制造成本較高。所以可以通過MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems的縮寫，也叫微電子機械系統(tǒng))一體成型加工技術(shù)來提高噴頭的分辨率和減低成本。為了利用MEMS —體成型技術(shù)制造如圖1所示的噴頭，需要在硅基底I上形成一個凹槽來形成供墨腔室21，所以在制造過程中需要對凹槽進行填充，然后在填充平坦的表面上形成振動板和壓電元件等。由于形成壓電元件時需要對壓電陶瓷進行600° C的高溫煅燒工藝，所以對填充在凹槽處的填充物有能耐高溫、熱漲系數(shù)小的要求。這些填充物一般需要采用多孔硅、無定形硅、多晶硅、二氧化硅、摻雜磷的二氧化硅(PSG )、摻雜磷和硼的二氧化硅(BPSG)等填充物，而不能采用熔點不高的可溶性有機物作為凹槽的填充物。當采用二氧化硅、摻雜磷的二氧化硅(PSG)、摻雜磷和硼的二氧化硅(BPSG)等填充物時，振動板層42不能采用二氧化硅，因為在清洗填充物時會導致振動板的二氧化硅也洗掉一部分。這時需采用氮化硅等材料作為振動板，但氮化硅的彈性較二氧化硅的小，導致振動板的振動幅度大幅下降，影響噴頭的噴墨效果，甚至噴不出墨滴。當采用多孔硅、無定形硅、多晶硅作為凹槽的填充物時，由于硅基底和填充物都是硅材料，所以需要在凹槽的內(nèi)壁涂覆一層保護膜來保護硅基底在洗掉凹槽的填充物時，硅基底沒有被損壞。當采用圖1所示的噴頭結(jié)構(gòu)來噴墨時，為了提高打印速度和打印質(zhì)量，可以通過提聞噴頭的噴墨頻率，這就需要在更短的時間內(nèi)完成一次墨滴的噴射。所以可以對圖1中的供墨腔室21進行疏水處理，使供墨腔室21中的墨水更快流動到墨水腔室22中，在再次供給墨水到壓力腔室2時，墨水更容易聚集在墨水腔室22中，從而縮單次墨滴的噴射時間。所以本技術(shù)方案提出一種可以利用MEMS —體成型技術(shù)制造的壓電式噴頭的結(jié)構(gòu)和該結(jié)構(gòu)的制造方法，從而實現(xiàn)噴頭的高分辨率和低制造成本，高噴射頻率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種墨水噴頭及其制造方法，以解決現(xiàn)有墨水噴頭的低分辨率、高制造成本和噴射頻率低的技術(shù)問題。為了解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是:具體的方案是:一種墨水噴頭，包括:硅基板、設(shè)置在所述硅基板表面上部的振動板、由所述振動板下表面和硅基板形成的供墨腔室、設(shè)置在所述振動板表面的壓電元件、設(shè)置在所述振動板和壓電元件上的墨水腔室、使所述供墨腔室和墨水腔室連通的通孔和與所述墨水腔室連通的噴嘴；其特征是:所述供墨腔室的內(nèi)壁表面還設(shè)置有保護層，所述保護層外還設(shè)置有疏水層。所述保護層為金屬氧化物組成，所述疏水層為由磷烷基組成的單層膜。所述金屬氧化物選自于TiO2, Ta2O5, Nb2O5或ZrO2。所述振動板和壓電兀件一端固定。所述振動板和壓電元件另兩端固定。一種墨水噴頭的制造方法，包括以下步驟:一、在硅基板表面形成供墨腔室的凹部；二、在所述供墨腔室的凹部形成保護層；三、在凹部填充能耐高溫、熱膨脹系數(shù)小的填充物，將凹部填平。四、在所述填平的凹部表面上形成振動板和壓電元件；五、形成墨水腔室和噴嘴；六、除去填充物并在所述保護層上形成疏水層。所述保護層為金屬氧化物組成，所述疏水層為由磷烷基組成的單層膜。所述金屬氧化物選自于TiO2, Ta2O5, Nb2O5或ZrO2。所述的填充物選自于多晶硅、多孔硅或無定型硅。本發(fā)明提供的墨水噴頭由于設(shè)置了保護層和疏水層，且保護層材料在保護硅基底沒有被破壞的同時，可以利用MEMS —體成型技術(shù)來制造來提高噴頭的分辨率、降低制造成本，可以使噴頭的噴射頻率加快，提高打印速度和打印質(zhì)量。解決了現(xiàn)有墨水噴頭的低分辨率、高制造成本和噴射頻率低的技術(shù)問題。


圖1沒有改良的墨水噴墨頭的剖視圖。圖2為本發(fā)明的墨水噴頭噴嘴表面的平面視圖。圖3為本發(fā)明的墨水噴墨頭沿圖2中AC的剖視圖。圖4a是本發(fā)明的墨水噴頭在“拉-推-拉”模式下第一次“拉”時橋式梁遠離噴嘴變形的示意圖。圖4b是本發(fā)明的墨水噴頭在“拉-推-拉”模式下“推”時橋式梁靠近噴嘴變形的示意圖。圖4c是本發(fā)明的墨水噴頭在“拉-推-拉”模式下第二次“拉”時橋式梁恢復原形的示意圖。
圖5a所示是形成本發(fā)明噴頭的供墨腔室的凹部的步驟中沿圖2中DE方向的剖視圖。圖5b所示是形成本發(fā)明噴頭的供墨腔室的凹部的步驟中沿圖2中AB方向的剖視圖。圖6a所示是形成本發(fā)明噴頭的二氧化硅保護層的步驟中沿圖2中DE方向的剖視圖。圖6b所示是形成本發(fā)明噴頭的二氧化硅保護層的步驟中沿圖2中AB方向的剖視圖。圖7a所示是形成本發(fā)明噴頭的金屬氧化物保護層的步驟中沿圖2中DE方向的剖視圖。圖7b所示是形成本發(fā)明噴頭的金屬氧化物保護層的步驟中沿圖2中AB方向的剖視圖。圖8a所示是對本發(fā)明噴頭的供墨腔室的凹部進行填充時沿圖2中DE方向的剖視圖。圖Sb所示是對本發(fā)明噴頭的供墨腔室的凹部進行填充時沿圖2中AB方向的剖視圖。圖9a所示是形成本發(fā)明噴頭的振動板層和壓電元件的步驟中沿圖2中DE方向的首1J視圖。圖9b所示是形成本發(fā)明噴頭的振動板層和壓電元件的步驟中沿圖2中AB方向的首1J視圖。圖1Oa所示是形成本發(fā)明噴頭的墨水腔室形狀的步驟中沿圖2中DE方向的剖視圖。圖1Ob所示是形成本發(fā)明噴頭的墨水腔室形狀的步驟中沿圖2中AB方向的剖視圖。圖1la所示是形成本發(fā)明噴頭的噴嘴板的步驟中沿圖2中DE方向的剖視圖。圖1lb所示是形成本發(fā)明噴頭的噴嘴板的步驟中沿圖2中AB方向的剖視圖。圖12a所示形成本發(fā)明噴頭的噴嘴的步驟中是沿圖2中DE方向的剖視圖。圖12b所示是形成本發(fā)明噴頭的噴嘴的步驟中沿圖2中AB方向的剖視圖。圖13a所示是形成本發(fā)明噴頭的公共腔室、清洗填充物形成墨水腔室、通道的步驟中沿圖2中DE方向的剖視圖。圖13b所示是形成本發(fā)明噴頭的公共腔室、清洗填充物形成墨水腔室、通道的步驟中沿圖2中AB方向的剖視圖。圖14a所示是通過清洗填充物形成本發(fā)明噴頭的供墨腔室的步驟中沿圖2中DE方向的剖視圖。圖14b所示是通過清洗填充物形成本發(fā)明噴頭的供墨腔室的步驟中沿圖2中AB方向的剖視圖。圖15a所示是形成本發(fā)明噴頭的疏水層的步驟中沿圖2中DE方向的剖視圖。圖15b所示是形成本發(fā)明噴頭的疏水層的步驟中沿圖2中AB方向的剖視圖。標號說明:1硅基底；2壓力腔室，包括供墨腔室21和墨水腔室22 ;31供墨腔室的5102層；32供墨腔室的金屬氧化物層；33供墨腔室的疏水層；4橋式梁，包括42振動板和41壓電元件；5噴嘴板，51噴嘴；6公共腔室；7通道；23硅類填充物；24樹脂類填充物。
具體實施例方式下面將通過實施例詳細描述本發(fā)明專利內(nèi)容:圖2為本發(fā)明的墨水噴頭噴嘴表面的平面視圖，噴嘴沿水平方向呈錯位排列。圖3為墨水噴墨頭沿圖2中AC的剖視圖。如圖3所示，墨水噴頭包括:硅基板1、設(shè)置在硅基板I表面上部的振動板42、設(shè)置在振動板42表面的壓電兀件41、設(shè)置在娃基板I表面上的用于容納墨水流體的壓力腔室2、通孔、公共墨水腔室6、通道7和噴嘴板5，噴嘴板5開有若干小孔為噴嘴51 ;壓力腔室2包括由振動板42下表面和硅基板I形成的供墨腔室21和設(shè)置在振動板42和壓電元件41上的墨水腔室22、通孔使供墨腔室21和墨水腔室22連通，噴嘴51與墨水腔室22連通，供墨腔室21的內(nèi)壁表面設(shè)置有保護層32，保護層32外設(shè)置有疏水層33。壓電元件41連接電壓使其變形，振動板42通過壓電元件的變形產(chǎn)生振動使墨水流動；公共墨水腔室6，用于儲存墨水且通過通道7負責向各個壓力腔室2輸送墨水；墨滴通過所述噴嘴噴出；壓電元件41由下電極、壓電陶瓷、上電極組成，振動板42和壓電元件41位于壓力腔室2的內(nèi)部，且其兩端固定于硅基底I上，形成兩端支持梁即橋式梁結(jié)構(gòu)4，當然也可以是一端支持梁即懸梁結(jié)構(gòu)，由于供墨腔室21位于橋式梁的下方，其內(nèi)壁由二氧化硅層31，金屬氧化物保護層32和疏水層33組成，而墨水腔室22的內(nèi)壁沒有疏水處理，所以供墨腔室21與墨水腔室22存在表面張力梯度，為了盡量減小表面能，墨滴將自發(fā)地從供墨腔室21向墨水腔室22移動，也就是在填充墨水時，墨水優(yōu)先聚集在墨水腔室22處，從而縮短墨水的填充時間，縮短了墨滴的噴射周期，提高了打印頻率。且由于供墨腔室21進行了疏水處理，使得墨水和腔室壁之間的表面張力較沒有對供墨腔室21進行了疏水處理時小，從而供墨腔室21內(nèi)的墨水對橋式梁的阻尼變小，橋式梁在同等電壓下的向供墨腔室21內(nèi)部移動的幅度較大，可以噴出更大的墨滴。結(jié)合圖4說明噴頭在“拉-推-拉”模式下的噴墨工作原理:當壓電元件41接收到電壓信號后，其瞬間的變形會給振動板42較大的應力，此時，振動板42會和壓電元件41一起振動，也就是兩端支持梁即橋式梁4產(chǎn)生向供墨腔室21內(nèi)部移動，形成“拉”這一過程，這時噴嘴板處的噴嘴內(nèi)部的液面形凹向墨水腔室22，形成“彎月面”，如圖4a所示。這第一次“拉”的過程，使橋式梁向的變形遠離噴嘴，其變形的大小正比于噴出液滴的大小。接著對壓電元件41施加跟“拉”模式相反的電壓信號，振動板42會和壓電元件41組成的橋式梁4向噴嘴處移動，把壓力墨水腔室22內(nèi)的墨水向噴嘴處擠壓，并把墨水排出到噴嘴板外面，形成如圖4b所示的“推”這一過程。緊接著對壓電元件41施加跟第一次“拉”時相同的電壓信號時，橋式梁恢復原形，墨水向腔室內(nèi)移動，把圖4b中擠壓在噴嘴板外面的墨水拉斷，形成墨滴，如圖4c所示。墨滴由于慣性作用噴射到打印介質(zhì)上，這時完成單個墨滴的噴射。制造方法為:一、在硅基板表面形成供墨腔室的凹部；二、在所述供墨腔室的凹部形成金屬氧化物保護層；三、在凹部填充能耐高溫、熱膨脹系數(shù)小的填充物，將凹部填平，填充物選自于多晶娃、多孔娃或無定型娃。
四、在填平的凹部表面上形成振動板和壓電元件；五、形成墨水腔室和噴嘴；六、除去填充物并在金屬氧化物保護層上形成疏水層，疏水層為由磷烷基組成的單層膜，金屬氧化物選自于TiO2, Ta2O5, Nb2O5或ZrO2。具體方法如圖5a—圖15b所示:圖5a—圖15a示出了本發(fā)明實施例的噴頭在各主要制造步驟中形成的沿圖2中DE方向的剖視圖。圖5b—圖15b示出了本發(fā)明實施例的噴頭在各主要制造步驟中形成的沿圖2中AB方向的剖視圖?！⒃谕藁灞砻嫘纬晒┠皇业陌疾?如圖5a、圖5b所不:1.通過離子銑削法在基底硅I上形成供墨腔室21的凹部，凹部的深度在5-10微米之間，基底娃為單晶娃;二、在所述供墨腔室的凹部形成金屬氧化物保護層，如圖6a、圖6b，圖7a、圖7b所示:1.在硅基底表面形成二氧化硅層31?？梢圆捎迷诠杌咨现苯友趸纬苫蛲ㄟ^物理氣相沉積法(PVD)形成。二氧化硅的厚度為IOOnm左右。2.在二氧化硅層上形成金屬氧化物保護層32，金屬氧化物可以是TiO2, Ta2O5,Nb2O5, ZrO2等。金屬氧化物的厚度為12nm左右。三、在凹部填充能耐高溫、熱膨脹系數(shù)小的填充物，將凹部填平，如圖8a、圖Sb所示:1.用填充材料23來涂覆供墨腔室21的凹部，并進行化學機械拋光(CMP)使填充材料平坦化。由于后續(xù)步驟中形成壓電元件時需要對壓電陶瓷進行600° C的高溫煅燒工藝，所以對填充在凹部處的填充物有能耐高溫、熱膨脹系數(shù)小的要求，所以填充材料可以是多晶娃、多孔娃、無定型娃等。四、在填平的凹部表面上形成振動板和壓電元件，如圖9a、圖9b所示:1.在在平坦化的填充材料表面振動板42，其組分可以是二氧化硅(SiO2),厚度約為lym，可以通過物理氣相沉積法(PVD)形成或等離子體增強化學氣相沉積法(PECVD)等方法形成，其主要作用是作為振動板與壓電元件一起振動，擠壓壓力腔室2，使噴頭噴出墨水，又可以作為絕緣層防止壓電元件被墨水腐蝕。2.在振動板42上形成壓電元件41的工序依次為:形成下電極、壓電陶瓷和上電極。下電極通過電子束蒸鍍或濺射法形成，其材料由鈦(Ti)層，鉬(Pt)層，銥(Ir)層疊層構(gòu)成或鉬(Pt)，銥(Ir)單層構(gòu)成，其厚度約為50-100nm。壓電陶瓷可以通過溶膠-凝膠法、脈沖激光沉積物理成膜方法(PLD)和水熱法等。作為壓電體陶瓷材料，優(yōu)選由以鋯鈦酸鉛[Pb(ZrTi)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)03-PbTi03:PMN-PT]、鋅鈮酸鉛和鈦酸鉛的固溶體[Pb Znl73Nb273)O3-PbTiO3IPZN-PT]等，也可以用鐵酸鉍(BiFeO3)等無鉛壓電材料。壓電陶瓷的厚度和振動板的厚度相當，約為lym。上電極通過電子束蒸鍍或濺射法形成，其材料由鉬(Pt)、銥(Ir)、金(Au)等單層構(gòu)成，其厚度約為50-100nm。對振動板層和壓電元件層圖案化形成預定的形狀。
五、形成墨水腔室和噴嘴，如圖10a、圖10b，圖11a、圖11b，圖12a、圖12b，圖13a、圖13b所示:1.用常規(guī)的旋涂方法在橋式梁4的周圍涂覆可交聯(lián)的聚合物材料形成層24，并通過化學機械拋光(CMP)使層24上表面平坦；該過程使用的可交聯(lián)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(huán)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(huán)氧硅氧烷等。其厚度約為20-70 μ m，采用掩膜并用常規(guī)的電磁波如UV光交聯(lián)曝光填充物24，若填充物24為正型光刻膠，則曝光后變?yōu)樨撔凸饪棠z，若填充物24為負型光刻膠，則曝光后變?yōu)檎凸饪棠z。2.用常規(guī)的旋涂方法在填充物24的兩側(cè)及上表面涂覆可交聯(lián)的聚合物材料形成噴嘴板層5，并通過化學機械拋光(CMP)使噴嘴板層5上表面平坦；層5的材料與填充物24的材料相同。其厚度為20-50 μ m。3.采用能形成噴嘴51形狀的掩膜和選擇波長盡可能小的電磁波作為曝光源，對噴嘴板層5進行曝光。其目的是加工出尺寸更小且內(nèi)壁光滑的噴嘴，可以選擇波長短且穿透力較強的Y射線作為噴嘴板層5的交聯(lián)被曝光源。并用顯影液清洗掉被曝光的區(qū)域51形成噴嘴。噴嘴的直徑約為10-25 μ m,高度為噴嘴板5的厚度20-50 μ m。4.首先通過背面濕法蝕刻或干法蝕刻硅基底I和二氧化硅層31形成公共腔室6，再通過顯影液清洗掉被曝光的填充物24，形成墨水腔室22和通道7。六、除去填充物并在金屬氧化物保護層上形成疏水層，如圖14a、圖14b，圖15a、圖15b所示:1.通過清洗液清洗掉填充物23形成供墨腔室21，同時形成了供墨腔室和墨水腔室聯(lián)通的通孔，釋放橋式梁。當填充物23為多晶硅、無定形硅時，清洗液可以是是四甲基氫氧化銨(TMAH)。但無論采用何種填充物和清洗液時，清洗液不能和振動板的材料反應，以免造成對振動板的損壞。2.在金屬氧化物的表面形成一層疏水性的薄膜。當采用TiO2, Ta2O5, Nb2O5, ZrO2作為保護膜時往供墨腔室21內(nèi)通過浸入0.5豪摩爾(mmol)濃度的十二基磷銨(ammoniumdodecyl phosphate (CH3(CH2)11PO4 (NH4)2))溶液或十二烷基磷酸酯(DDP04)和羥基十二烷基磷酸(0H-DDP04)混合液中浸泡48小時后用清水沖洗，可以使金屬氧化物的表面形成磷烷基的單層膜，從而具有疏水性(水滴與表面接觸角達110° )。
權(quán)利要求
1.一種墨水噴頭，包括:硅基板、設(shè)置在所述硅基板表面上部的振動板、由所述振動板下表面和硅基板形成的供墨腔室、設(shè)置在所述振動板表面的壓電元件、設(shè)置在所述振動板和壓電元件上的墨水腔室、使所述供墨腔室和墨水腔室連通的通孔和與所述墨水腔室連通的噴嘴；其特征是:所述供墨腔室的內(nèi)壁表面還設(shè)置有保護層，所述保護層外還設(shè)置有疏水層。
2.按權(quán)利要求1所述的墨水噴頭，其特征是，所述保護層為金屬氧化物組成，所述疏水層為由磷烷基組成的單層膜。
3.按權(quán)利要求2所述的墨水噴頭，其特征是，所述金屬氧化物選自于TiO2,Ta2O5, Nb2O5或 ZrO2 ο
4.按權(quán)利要求1或2或3所述的墨水噴頭，其特征是，所述振動板和壓電元件一端固定。
5.按權(quán)利要求1或2或3所述的墨水噴頭，其特征是，所述振動板和壓電元件另兩端固定。
6.一種墨水噴頭的制造方法，包括以下步驟: 一、在娃基板表面形成供墨腔室的凹部； 二、在所述供墨腔室的凹部形成保護層； 三、在凹部填充能耐高溫、熱膨脹系數(shù)小的填充物，將凹部填平。
四、在所述填平的凹部表面上形成振動板和壓電元件； 五、形成墨水腔室和噴嘴； 六、除去填充物并在所述金屬氧化物保護層上形成疏水層。
7.按權(quán)利要求6所述的墨水噴頭的制造方法，其特征是，所述保護層為金屬氧化物組成，所述疏水層為由磷烷基組成的單層膜。
8.按權(quán)利要求6所述的墨水噴頭的制造方法，其特征是，所述金屬氧化物選自于TiO2,Ta2O5, Nb2O5 或 ZrO2。
9.按權(quán)利要求6所述的墨水噴頭的制造方法，其特征是，所述的填充物選自于多晶硅、多孔娃或無定型娃。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種墨水噴頭及其制造方法，包括硅基板、設(shè)置在硅基板表面上部的振動板、由振動板下表面和硅基板形成的供墨腔室、設(shè)置在振動板表面的壓電元件、設(shè)置在振動板和壓電元件上的墨水腔室、使供墨腔室和墨水腔室連通的通孔和與墨水腔室連通的噴嘴；供墨腔室的內(nèi)壁表面還設(shè)置有保護層，保護層外還設(shè)置有疏水層。可以利用MEMS一體成型技術(shù)來制造來提高噴頭的分辨率、降低制造成本，可以使噴頭的噴射頻率加快，提高打印速度和打印質(zhì)量。解決了現(xiàn)有墨水噴頭的低分辨率、高制造成本和噴射頻率低的技術(shù)問題。
文檔編號B41J2/14GK103085479SQ20131004420
公開日2013年5月8日 申請日期2013年2月4日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月4日
發(fā)明者陳曉坤, 佟鑫, 周毅 申請人:珠海納思達企業(yè)管理有限公司