專利名稱：一種基于壓電懸臂梁和柔性薄膜的液體噴頭的制作方法
技術領域：
本發明屬于微電子機械領域，特別涉及采用微加工方法實現的一種基于壓電 懸臂梁和柔性薄膜的液體噴頭。
背景技術：
液體噴頭及液體噴射裝置典型應用于噴墨打印，圖文記錄、印刷和平面廣告 制作等方面，在微細圖形實現等工業制造領域也有應用。采用壓電原理制作的液 體噴頭，.容易控制液滴大小，噴射速度，實現高精度的液滴噴射，噴頭耐用性好。 因此，壓電工作方式是液體噴射裝置采用的重要原理之一。另一方面， 一般采用 壓電原理制作的液體噴射裝置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，以此來降低制造和使用成本。通常，液體噴射裝置 包括液體噴頭、儲液盒、控制電路模塊、支撐架、外殼等部件。但是，液體噴頭 是整個液體噴射裝置中最核心的部分。
一種已有的壓電式液體噴頭，采用多層的壓電叉指作為驅動器，垂直的放置 于微槽道頂部的外表面。當在驅動器上施加電壓時，每個叉指的長度發生伸縮變 化，垂直的擠壓每個微槽道的上壁，從而改變槽道腔內容積的大小，使液體從噴 孔噴射出去。這種壓電噴頭中采用壓電叉指長度的伸縮變化改變槽道容積的大 小。但是，壓電叉指長度的變化較小，增加其長度變化需大大增加叉指的長度， 或大大的增加驅動電壓。這樣會帶來叉指易折斷、組裝困難等一系列問題。另外， 這種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， 制作效率低，成本高。
精工愛普生株式會社公開了 一種壓電式噴頭，在微槽道的上壁制作壓電/彈 性復合振動板，當向壓電振動板上的壓電元件施加電壓時，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。采 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；并且，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，噴射的出液量就越小。為了增加噴射出液量，需要增 加微槽道的尺度。而在形成更高密度的液體噴頭陣列時，微槽道的寬度卻又受到 限制。因此，這種噴頭的驅動方式影響了液體噴出量，妨礙了進一步減少微槽道 的尺寸和提高噴頭的集成度。
最近提出的一種壓電懸臂梁式液體噴頭克服了上述壓電噴頭存在的問題。它 采用壓電懸臂梁在微槽道的上部或中間直接驅動微槽道中的液體從微噴孔中噴 出。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，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微噴孔中噴出。同時，由于壓電懸臂梁在電壓的激勵下產生 的是偏轉形變，其變形量也遠大于壓電叉指在叉指方向的直接伸縮形變。此外， 由于壓電懸臂梁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。或者，由于壓電懸臂梁能實現較大的變形，這樣就可以在保持射出液體 量不變的情況下，減小驅動器的總體面積或微槽道的橫向尺寸，從而實現具有更 高密度噴孔陣列的液體噴頭。
但是，在這種壓電懸臂梁式液體噴頭中，壓電懸臂梁在微槽道的上部或中間 直接驅動微槽道中的液體，壓電懸臂梁直接與液體相接觸。這要求壓電懸臂梁上 的電極及連接線必須覆蓋良好的絕緣介質層，并長期保持其絕緣性能，以防止漏 電。同時，由于壓電懸臂梁周邊存在縫隙，微槽道中的液體會在壓電懸臂梁動作 時，通過懸臂梁周邊的縫隙上下流動，減小了液體驅動的強度。

發明內容
本發明的目的是提供一種基于壓電懸臂梁和柔性薄膜的液體噴頭。主要結構 包括壓電懸臂梁、柔性薄膜、微槽道、微噴孔；其特征在于，在噴頭外表面設置-與微槽道相通的微噴孔，柔性薄膜覆蓋于微槽道的頂部，含有壓電薄膜層及其上、 下電極的壓電懸臂梁在微槽道頂部柔性薄膜的外部平行放置或與柔性薄膜的夾 角為銳角，作為微槽道中液體噴射的驅動器；上述與微槽道相通的微噴孔、微槽 道、微槽道頂部的柔性薄膜、壓電懸臂梁相結合構成液體噴射結構；在電壓的驅動下，壓電懸臂梁發生偏轉形變，驅動微槽道頂部的柔性薄膜發生形變，從而改 變微槽道的體積，將微槽道中的液體從與微槽道相通的微噴孔中噴出。
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復合結構，其中至少包含一 層壓電層及其上、下電極層。
所述壓電懸臂梁中的各層，覆蓋整個懸臂梁，或部分地分布于懸臂梁上。
所述柔性薄膜為有機薄膜材料，或摻入添加劑的有機薄膜材料。
所述壓電懸臂梁在微槽道頂部柔性薄膜的外部與柔性薄膜外表面直接相接 觸或不接觸，或通過粘接的方式與柔性薄膜外表面相接。
所述壓電懸臂梁在每個微槽道頂部柔性薄膜的外部至少放置一個，驅動同一 個微槽道中的液體從與之相通的微噴孔中噴出。
所述基于壓電懸臂梁和柔性薄膜的液體噴頭中，包含至少一組與微槽道相通 的微噴孔、微槽道、微槽道頂部的柔性薄膜、壓電懸臂梁，構成基于壓電懸臂梁 和柔性薄膜的陣列式液體噴射結構。
本發明的有益效果是，由于壓電懸臂梁在微槽道頂部柔性薄膜的外部，并不 與微槽道中的液體接觸，這就大大降低了對懸臂梁表面絕緣介質層的性能要求。 而且，由于柔性的有機薄膜具有良好的柔性，它在壓電懸臂梁的驅動下能發生較 大的形變；同時，由于柔性薄膜在微槽道頂的密封作用，防止微槽道中的液體通 過懸臂梁周邊的縫隙上下流動，能更有效地驅動更多液體從微噴孔中噴出，提高 了液體噴頭的工作效率和可靠性。


圖1為液體噴頭的第一種結構示意圖。
圖2為圖1的組裝示意圖。
圖3為液體噴頭的第二種結構示意圖。
圖4為圖3的組裝示意圖。
圖5壓電懸臂梁剖面結構示意圖。
具體實施例方式
本發明提出的基于壓電懸臂梁驅動柔性薄膜的液體噴頭有多種實現方式。圖
1和圖3分別示例了其中兩種可能的實現方式。它們的共同特征都是在噴頭外表 面設置與微槽道相通的微噴孔，柔性薄膜為微槽道的封頂材料，覆蓋于微槽道的 頂部，含有壓電薄膜層及其上、下電極的壓電懸臂梁在微槽道頂部柔性薄膜的外 部平行放置，作為微槽道中液體噴射的驅動器；上述與微槽道相通的微噴孔、微 槽道、微槽道頂部的柔性薄膜、壓電懸臂梁相結合構成液體噴射結構；在電壓的 驅動下，壓電懸臂梁發生偏轉形變，驅動微槽道頂部的柔性薄膜發生形變，從而 改變微槽道的體積，將微槽道中的液體從與微槽道相通的微噴孔中噴出。
在圖l所示的第一種結構示意圖中，由噴孔板100、襯底200、柔性薄膜300 和上襯底400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;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；柔性薄膜300覆蓋于襯底200上表面，成為 襯底200上的微槽道220的封頂材料，并在柔性薄膜300上與襯底200上的儲液 室230相對應處設置開口 330，儲液室230通過開口 330進一步與上襯底400上 的上儲液室430相通，合并在一起，成為一個大的儲液室；壓電懸臂梁410位于 上襯底400上的釋放槽420的底部，并且，上襯底400上的每個壓電懸臂梁410 在襯底200上的每個微槽道220的上方，并相互對應。噴孔板100、襯底200、 柔性薄膜300和上襯底400依次粘結在一起組成壓電懸臂梁驅動柔性薄膜式的液 體噴頭(如圖2所示)。
所述壓電懸臂梁410只有一端固定在襯底400的釋放槽420壁上，其它部分 為懸空可動(如圖2所示)。
所述壓電懸臂梁410上包含壓電層412及其上電極413、下電極層411，在 懸臂梁的表面可以覆蓋絕緣介質層414。該壓電懸臂梁410還可以為由多層壓電 層和多層非壓電層構成的壓電懸臂梁，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的壓電懸臂梁。
噴孔板100可以采用金屬材料、有機材料、單晶硅、陶瓷等材料制作。采用激光鉆孔、超聲鉆孔、腐蝕等方法可形成微噴孔iio及其陣列。
襯底200可以采用單晶硅材料。在其上制作微槽道陣列220、儲液室230及 微槽道220與儲液室230之間相連的微槽240。采用雙面拋光硅片，雙面熱氧化 后淀積氮化硅層，背面光刻出結構窗口，刻蝕掉窗口中氮化硅，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硅腐蝕，或采用ICP (電感耦 合等離子體)進行干法刻蝕，形成微槽道220和儲液室230，及它們之間相連的 微槽240。然后，去除微槽道220和儲液室230部分的氧化硅層和氮化硅層，構 成穿通結構。另外，襯底200的材料也可以采用金屬、二氧化硅、陶瓷等材料， 采用其它刻蝕工藝技術制作出上述微結構。
柔性薄膜300為有機薄膜材料，或摻入添加劑的有機薄膜材料，如聚苯硫醚 (PPS)蔣膜等。柔性薄膜300應具有較薄的厚度、良好的柔性。在柔性薄膜300 上與襯底200中儲液室230相對應的部位，采用激光刻蝕、沖壓、腐蝕等方法制 作開口 330。
襯底400可以采用單晶硅材料。在其上制作壓電懸臂梁410和儲液室430。 采用雙面拋光硅片，雙面熱氧化后淀積氮化硅層，背面光刻出結構窗口，刻蝕掉 窗口中氮化硅，漂去露出的熱氧化層。刻蝕去除正面的全部氮化硅層，以原有的 氧化硅層或重新生長適當厚度的熱氧化硅層作為壓電懸臂梁的底層材料和緩沖 層415 (如圖5所示)。接著，在正面進行PZT (鋯鈦酸鉛)復合多層薄膜的制作 工藝。依次淀積下電極層、壓電薄膜、上電極層，并采用物理或化學刻蝕工藝， 依次刻蝕出上電極413、壓電薄膜412、下電極411，最后淀積絕緣介質膜414 (如 圖5所示)，再采用物理或化學刻蝕工藝刻蝕露出上、下電極，作為電極的引出 線連接端。然后，在正面進行光刻并刻蝕出懸臂粱形狀。隨后，保護正面，利用 KOH、 TMAH等各向異性腐蝕技術進行體硅腐蝕，或采用ICP (電感耦合等離子體) 進行干法刻蝕，形成釋放槽420和儲液室430，并釋放懸臂梁結構，形成壓電懸 臂梁410。在對懸臂梁背面材料進行腐蝕時可以按照圖2所示，在每個懸臂梁背 面腐蝕出對應的釋放槽420，也可以將各個懸臂梁背面的釋放槽合并為一個大的 釋放槽。壓電懸臂梁制作完成后，將上襯底400翻轉過來與200襯底對準按照圖2所示的方式進行組裝。在本實施方式中，下電極411可由鈦/鉑復合層或鉑或銥 構成；壓電薄膜412由PZT層或摻雜后的PZT層構成，或為PbTi03等壓電種子層 與上述PZT層的復合層；上電極413可由鈦/鉑復合層或鉑或銥構成。另外，襯 底400的材料也可以采用金屬、二氧化硅、陶瓷等材料。
最后，將噴孔板IOO、襯底200、柔性薄膜300和上襯底400通過鍵合或粘 接的方式組合到一起，形成液體噴頭。
所述基于壓電懸臂梁和柔性薄膜的液體噴頭中，包含至少一組與微槽道相通 的微噴孔、微槽道、微槽道頂部的柔性薄膜、壓電懸臂梁，構成基于壓電懸臂梁 和柔性薄膜的陣列式液體噴射結構。如圖1和圖3所示都可以視為具有陣列式液 體噴射結構的液體噴頭結構示意圖。
在圖3所示的液體噴頭的第二種結構示意圖中，液體噴頭的噴孔板IOO、襯 底200和柔性薄膜300部分與圖1所示相同。與第一種結構不同的是，上襯底400 上無釋放槽420，并將上襯底400上的上儲液室430變為與柔性薄膜300上開口 330相對應的開口 440;同時，上襯底400上的壓電懸臂梁410在襯底200上方 直接與相對應的微槽道220對準，上襯底400不經過翻轉就可以與噴孔板100、 襯底200和柔性薄膜300組合在一起，如圖4所示。采用腐蝕或磨拋減薄方法能 夠實現上述結構，也可采用金屬材料作為上襯底400的材料，在金屬襯底上淀積 下電極、壓電層、上電極等各功能層，再刻蝕或沖壓出壓電懸臂梁410及開口 440 等結構。
上述實施例中的壓電懸臂梁410的剖面結構如圖5所示，它由二氧化硅層 415、下電極411、壓電層412、上電極413、表面絕緣介質層414復合而成。除 此實現方式之外，壓電懸臂梁中二氧化硅層的下面也可保留一定厚度的單晶硅 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設計 為不同的形式，對應于每個被驅動的微槽道的壓電懸臂梁的個數至少一個，其固 定支撐端也可位于不同的位置。例如，在噴頭各層襯底部件組裝好后，壓電懸臂 梁的方向與被驅動的微槽道長度方向可以平行，也可以與微槽道長度方向垂直，上述液體噴頭進一步與驅動電路、儲液盒、支撐架、外殼、連接線等相結合 可構成完整的液體噴射裝置或集成化的液體噴頭。
本發明的液體噴頭在噴墨打印，圖文記錄、印刷和平面廣告制作等方面，以 及具有微細圖形實現的工業制造等領域有十分廣泛的應用。
權利要求
1. 一種基于壓電懸臂梁和柔性薄膜的液體噴頭，主要結構包括壓電懸臂梁、柔性薄膜、微槽道、微噴孔；其特征在于，在噴頭外表面設置與微槽道相通的微噴孔，柔性薄膜覆蓋于微槽道的頂部，含有壓電薄膜層及其上、下電極的壓電懸臂梁在微槽道頂部柔性薄膜的外部平行放置或與柔性薄膜的夾角為銳角，作為微槽道中液體噴射的驅動器；上述與微槽道相通的微噴孔、微槽道、微槽道頂部的柔性薄膜、壓電懸臂梁相結合構成液體噴射結構；在電壓的驅動下，壓電懸臂梁發生偏轉形變，驅動微槽道頂部的柔性薄膜發生形變，從而改變微槽道的體積，將微槽道中的液體從與微槽道相通的微噴孔中噴出。
2. 根據權利要求1所述基于壓電懸臂梁和柔性薄膜的液體噴頭，其特征在 于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所述基于壓電懸臂梁和柔性薄膜的液體噴頭，其特征在 于所述壓電懸臂梁為包含壓電層和非壓電層的多層復合結構，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所述基于壓電懸臂梁和柔性薄膜的液體噴頭，其特征在 于所述壓電懸臂梁中的各層，覆蓋整個懸臂梁，或部分地分布于懸臂梁上。
5. 根據權利要求1所述基于壓電懸臂梁和柔性薄膜的液體噴頭，其特征在 于所述柔性薄膜為有機薄膜材料，或摻入添加劑的有機薄膜材料。
6. 根據權利要求1所述基于壓電懸臂梁和柔性薄膜的液體噴頭，其特征在 于所述壓電懸臂梁在微槽道頂部柔性薄膜的外部與柔性薄膜外表面直接相接觸 或不接觸，或通過粘接的方式與柔性薄膜外表面相接。
7. 根據權利要求1所述基于壓電懸臂梁和柔性薄膜的液體噴頭，其特征在 于所述壓電懸臂梁在每個微槽道頂部柔性薄膜的外部至少放置一個，驅動同一 個微槽道中的液體從與之相通的微噴孔中噴出。
8. 根據權利要求1所述基于壓電懸臂梁和柔性薄膜的液體噴頭，其特征在 于所述基于壓電懸臂梁和柔性薄膜的液體噴頭中，包含至少一組與微槽道相通的微噴孔、微槽道、微槽道頂部的柔性薄膜、壓電懸臂梁，構成基于壓電懸臂梁 和柔性薄膜的陣列式液體噴射結構。
全文摘要
本發明公開了屬于微電子機械領域的一種基于壓電懸臂梁和柔性薄膜的液體噴頭。其主要結構包括壓電懸臂梁、柔性薄膜、微槽道、微噴孔；在液體噴射結構外表面設置與微槽道相通的微噴孔，柔性薄膜覆蓋于微槽道的頂部，含有壓電薄膜層及其上、下電極的壓電懸臂梁在微槽道頂部柔性薄膜的外部平行放置或與柔性薄膜的夾角為銳角，作為微槽道中液體噴射的驅動器。降低了對懸臂梁表面絕緣介質層的性能要求。柔性的有機薄膜在壓電懸臂梁的驅動下能發生較大的形變；同時，防止微槽道中的液體通過懸臂梁周邊的縫隙上下流動，能更有效地驅動更多液體從微噴孔中噴出，提高了液體噴射結構的工作效率和可靠性。
文檔編號B05B17/04GK101293234SQ20081011302
公開日2008年10月29日 申請日期2008年5月27日 優先權日2008年5月27日
發明者劉淑芹 申請人:劉淑芹