专利名称：压电喷墨头及其制作方法
技术领域：
本发明涉及一种压电喷墨头及其制作方法，特别涉及可避免烧结气氛与基底作用的压电喷墨头及其制作方法。
背景技术：
喷墨打印技术的主要运作原理分为热泡式(Thermal bubble)及压电式(Piezoelectric)两类。热泡式是利用加热器将墨水瞬间气化，产生高压气泡推动墨水由喷嘴射出，但由于其高温气化的运作原理使得适用液体的选择性低，故其应用领域有限。压电式是利用施加电压方式使压电陶瓷产生形变，经由挤压墨水而产生高压，进而将墨水喷出。相比之下，压电式喷墨头具有下列优点(1)压电式不会因为高温气化产生化学变化，故具有极佳的耐久性。(2)压电陶瓷反应速度快，不会受限于热传导速度，故可提高打印速度。(3)压电式容易控制液滴的大小，可提高打印质量。
根据不同压电产生变形的机制，目前已经商业化的压电式喷墨头可分为弯曲式(bendmode)与推拉式(push mode)两种，其中弯曲型式采用表面弯曲射出(face-shooter)的压电变形机制，而推拉式是采用两端推挤射出(edge-shooter)的压电变形机制。
如图1所示，其显示已知弯曲式的压电喷墨头的剖面示意图。已知弯曲式的压电喷墨头10是由一个致动器单元12以及一个墨水路径单元14所连接构成，其中致动器单元12是由一个多层式的压电陶瓷片(piezo ceramic)16、一个震动片(diaphragm)18、以及一个具有多个相互隔离的墨水腔(pressure chamber)19的基板20所堆栈而成，而墨水路径单元14是由一个设置有墨水槽21、入口通孔与出口通孔23的第一基板22、一个设置有出口信道25的第二基板24、以及一个具有数个喷嘴27的喷孔片26所黏贴而成。当压电陶磁瓷片16承受控制电路所施加的电压而产生收缩变形时，会受到震动片18的牵制而形成侧向弯曲，进而挤压墨水腔19内的墨水，则位于喷嘴27处的墨水会因承受内外压力差而加速运动，进而加速喷出而形成一个墨水滴28。
如图2所示，其显示已知推拉式的压电喷墨头的剖面示意图。已知推拉式的压电喷墨头30是由一个单层的压电陶瓷片32、一个动能转换器(transducer foot)34、一个震动片36、一个具有墨水腔37、墨水槽38、入口信道39与出口信道40的基板42、以及一个具有喷嘴43的喷孔片44所堆栈而成。此外，以无电极电镀镍的方式在墨水腔37侧壁上制作一电极层，并将两个电极接在三个一组的墨水腔37之间。当两个电极之间外加电位相反的电压逐渐增强时，墨水腔37的舱腔瓷壁会向外弯曲而引进墨水。当两个电极的外加电压急速变换时，压电陶磁盘32会产生收缩变形，使得震动片36产生更大的弯曲变形，而其产生的右侧推力可以挤压墨水腔37内的墨水，进而使墨水加速喷出喷嘴43处而形成一个墨水滴46。
然而，已知压电喷墨头技术大多采用积层陶瓷共烧法来成型震动片以及墨水腔等组件，其成型法包含有粉末原料(PZT、ZrO2、PbO、TiO2、其它适当添加物)的合成、混合、干燥、锻烧、粉碎、造粒、压缩、成型、烧结以及极化作用等步骤，且需精密对位才能成型，其制程繁琐复杂、困难度及投资设备都很高。
因此，现在逐渐开发以硅为基底的压电喷墨头制作方法，其方式是利用湿式或干式蚀刻在硅基底中定义墨水腔的位置，避免了积层陶瓷共烧法中容易因对位误差导致优良率下降的因素。
然而目前硅基底压电喷墨头的制作方法中，仍存在一些缺点，例如，在震动层的制作方面，20μm以下厚度的震动层成型技术仍有困难度，另一方面，在硅基底上制作压电组件时，由于必须经由一烧结步骤，而压电组件多以铅锆酸盐-钛酸盐(PZT)为主要材料，PZT在经由烧结后会释放出含氧化铅的气氛，此氧化铅气氛会与硅基底作用形成铅硅玻璃，且由于硅基板具有大面积，在与氧化铅气氛不断作用后，使氧化铅气氛不足而导致压电组件的烧结无法完成。
因此，如何改良压电喷墨头的成型法以提高制程优良率，成为当前急需研发的重要课题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一压电喷墨头及其制法，其可改善上述制程缺点，提高优良率。
为达上述目的，本发明中由在基底中形成一个凹槽，并将压电组件制作在此凹槽内，在凹槽上方盖上一个档板后即可形成一个密闭空间，可避免烧结时气氛的溢出，且由凹槽内壁及底部形成的一个层阻隔层，可隔绝烧结释出气氛与基底的接触，达到避免气氛会与基底作用的扩散阻隔(diffusion barrier)功能。另外，由于此隔绝层为利用印刷、涂布等方法制作，其厚度可控制到20μm以下，可作为震动层之用。同时，在利用蚀刻方式在硅基板背面定义墨水腔位置时，此阻隔层还可作为蚀刻停止层之用。
依据上述方式，本发明将压电组件制作在此凹槽中，再由凹槽内的阻隔层隔绝，可避免烧结气氛与基底作用，有效提高制程效率及优良率，并可同时轻易制作厚度20μm以下的震动层。
本发明所提供的压电喷墨头包括一个基底，该基底具有相对的一个第一表面及一个第二表面，且第一表面上形成有至少一个第一凹槽；在第一凹槽内壁及底部顺应性覆盖一个阻隔层，用以作为烧结压电材料时的扩散阻隔层(diffusion barrier)，位于第一凹槽底部的阻隔层并可同时作为压电喷墨头的震动层；在第一凹槽底部的阻隔层上形成一个下电极；在下电极上形成至少一个薄膜致动器，此薄膜致动器是由压电材料所构成；在薄膜致动器上形成一个上电极，使第一凹槽可利用上盖一个档板而形成一个密闭空间，在烧结进行时避免气氛溢出；以及在第二表面上形成一个第二凹槽，该第二凹槽位置是对应在第一凹槽内的薄膜致动器，并以薄膜致动器下方的阻隔层为该第二凹槽底部。
本发明所提供的压电喷墨头的制作方法如下首先提供一个基底，该基底具有相对的一个第一表面及一个第二表面，接着在第一表面上形成至少一个第一凹槽，之后在第一凹槽内壁及底部顺应性形成一个阻隔层，用以作为烧结压电材料时的扩散阻隔层(diffusionbarrier)，位于第一凹槽底部的阻隔层并可同时作为压电喷墨头的震动层，接着，在第一凹槽底部的阻隔层上依序形成一个下电极、一个由压电材料所构成的薄膜致动器以及一个上电极，使第一凹槽可利用上盖一个档板而形成一个密闭空间，在烧结进行时避免气氛溢出，最后，在第二表面上形成一个第二凹槽，该第二凹槽位置是对应于上述第一凹槽内的薄膜致动器，并以薄膜致动器下方的阻隔层为该第二凹槽底部。
根据本发明，上述基底可为硅晶元，而第一凹槽及第二凹槽可为利用湿式蚀刻或干式蚀刻所形成，并在蚀刻基底以形成第二凹槽时，利用阻隔层为蚀刻停止层。
根据本发明，阻隔层可为氧化钛或氧化锆；档板可为锆或氧化锆；压电材料例如为铅锆酸盐-钛酸盐(PZT)。
根据本发明，阻隔层可利用刮刀成型法、网印法、或旋转涂布法加以制作，且可控制其厚度在5~20μm之间。
为了让本发明的上述目的、特征和优点更明显易懂，下文特举出较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下
图1所示为已知弯曲式的压电喷墨头的剖面示意图；图2所示为已知推拉式的压电喷墨头的剖面示意图；图3(A)至3(F)所示为本实施例的压电喷墨头成型技术的剖面示意图。
具体的实施方式实施例如图3(A)至3(F)所示，其显示本实施例的压电喷墨头成型技术的剖面示意图。
如图3(A)所示，首先提供一个基底，例如一个硅芯片52，本实施例选用一般规格的硅芯片，厚度介于500～550μm之间。接着利用湿蚀刻法，以KOH为蚀刻液，在硅芯片52表面蚀刻一凹槽520，其纵深可为10～20μm之间。
之后，如图3(B)所示，利用刮刀成型法、网印法、或旋转涂布法等等方式，在凹槽520内壁及底部顺应性形成一个阻隔层53，用以作为烧结压电材料时的扩散阻隔层(diffusionbarrier)，位于凹槽520底部的阻隔层53并可同时作为压电喷墨头的震动层，其厚度可控制在5~20μm间。阻隔层53的材质可选用氧化钛或氧化锆。
接着，利用网印法、转印法或其它陶瓷印刷技术依序在凹槽520底部的预定位置制作下电极54、薄膜致动器55及上电极56。
首先，如图3(C)所示，利用如网印法在凹槽520底部、阻隔层53上方的预定位置形成一个下电极54层，之后在凹槽520上方开口处覆盖一个档板51，使凹槽520内部形成一个密闭空间，接着进行烧结，烧结完后移除档板51，即完成下电极54。
挡板51可选用任何不会与烧结释出气氛作用的材料，在本实施例中选用锆或氧化锆。
薄膜致动器55及上电极56的制作步骤与下电极54雷同。如图3(D)所示，利用如网印法在下电极54上方的预定位置形成至少一个薄膜致动器55，之后在凹槽520上方开口处覆盖一个档板51，使凹槽520内部形成一个密闭空间，接着进行烧结，烧结完后移除档板51，即完成薄膜致动器55。薄膜致动器55的个数并无限定，可按喷墨头的设计而定。薄膜致动器55为由压电材料所构成的一个压电组件，在本实施例中选用压电材料铅锆酸盐-钛酸盐(PZT)来加以制作，PZT在经由烧结后会释放出含氧化铅的气氛，但在本发明中由凹槽520上方盖上一个档板51，可使凹槽520内形成一个密闭空间，可避免烧结时气氛的溢出，且由凹槽520内壁及底部形成的一个层阻隔层53，可隔绝烧结释出气氛与硅芯片52的接触，达到避免气氛会与硅芯片52作用的扩散阻隔(diffusion barrier)功能。
接着，如图3(E)所示，利用如网印法在薄膜致动器55上方的预定位置形成一个上电极56，之后在凹槽520上方开口处覆盖一个档板51，使凹槽520内部形成一个密闭空间，接着进行烧结，烧结完后移除档板51，即完成上电极56。
在此，阻隔层53、下电极54、薄膜致动器55与上电极56的总和厚度较佳为比凹槽520的纵深小的厚度，使凹槽520可利用上盖一个平面档板51而形成一个密闭空间，在烧结进行时避免气氛溢出。
最后进行墨水腔的制程，如图3(F)所示，利用湿蚀刻法，以KOH为蚀刻液，在硅芯片52形成有凹槽520的另一侧，蚀刻一个凹槽521，以作为墨水腔521之用。凹槽521的位置对应于薄膜致动器55，并以阻隔层53为蚀刻停止层，蚀刻至露出阻隔层53为止。
如图3(F)所示，本发明的压电喷墨头包括一个硅芯片52，其上表面形成有一凹槽520，在凹槽520内壁及底部顺应性覆盖一个阻隔层53，用以作为烧结压电材料时的扩散阻隔层，且位于凹槽520底部的阻隔层53并可同时作为压电喷墨头的震动层；在凹槽520底部的阻隔层53上形成一个下电极54；在下电极54上形成一个薄膜致动器55，薄膜致动器55是由压电材料PZT所构成；在薄膜致动器55上形成一个上电极56，且阻隔层53、下电极54、薄膜致动器55与上电极56的总和厚度比凹槽520的纵深小，使凹槽520可利用上盖一个平面档板51而形成一密闭空间，在烧结进行时避免气氛溢出；以及在硅芯片52的另一侧表面上形成一个凹槽521，凹槽521位置对应于凹槽520内的薄膜致动器55，并以薄膜致动器55下方的阻隔层53为其底部。
相较于已知技术，本发明由在硅芯片52中形成一个凹槽520，并将压电组件(下电极54、薄膜致动器55及上电极56)制作在凹槽520内，在凹槽520上方盖上档板51后即可形成一个密闭空间，可避免烧结时气氛的溢出，且由凹槽520内壁及底部形成的一个层阻隔层53，可隔绝烧结释出气氛与硅芯片52的接触，达到避免气氛会与硅芯片52作用的扩散阻隔(diffusion barrier)功能。另外，由于此阻隔层53为利用印刷、涂布等方法制作，其厚度可控制至20μm以下，可作为震动层之用。同时，在利用蚀刻方式在硅芯片52背面定义墨水腔521位置时，此阻隔层53还可作为蚀刻停止层之用。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，任何熟知此技术者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的权利要求范围所界定者为准。
附图符号说明10~弯曲式的压电喷墨头；12~致动器单元；14~墨水路径单元；16~压电陶瓷片；18~震动片；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~喷嘴；26~喷孔片；28~墨水滴；30~推拉式的压电喷墨头；32~压电陶瓷片；34~动能转换器；36~震动片；37~墨水腔；38~墨水槽；39~入口信道；40~出口信道；42~基板；43~喷嘴；
44~喷孔片；46~墨水滴。
51～挡板；52～硅芯片；520～凹槽；521～凹槽；53～阻隔层；54～下电极；55～薄膜致动器；56～上电极。
权利要求
1.一种压电喷墨头，其特征在于，包括一个基底，所述基底具有相对的一个第一表面及一个第二表面，所述第一表面上形成有至少一个第一凹槽；在所述第一凹槽内壁及底部顺应性覆盖一个阻隔层，用以作为烧结压电材料时的扩散阻隔层(diffusion barrier)，位于所述第一凹槽底部的阻隔层并可同时作为所述压电喷墨头的震动层；在所述第一凹槽底部的阻隔层上形成一个下电极；在所述下电极上形成至少一个薄膜致动器，所述薄膜致动器是由压电材料所构成；在所述薄膜致动器上形成一个上电极；以及在所述第二表面上形成一个第二凹槽，所述第二凹槽位置对应于所述第一凹槽内的薄膜致动器，并以所述薄膜致动器下方的阻隔层为其底部。
2.如权利要求1所述的压电喷墨头，其特征在于，其中所述基底为硅芯片。
3.如权利要求1所述的压电喷墨头，其特征在于，其中所述第一凹槽及第二凹槽为利用湿式蚀刻或干式蚀刻所形成，并在蚀刻所述基底以形成第二凹槽时，利用所述阻隔层为蚀刻停止层。
4.如权利要求1所述的压电喷墨头，其特征在于，其中所述阻隔层为氧化钛或氧化锆。
5.如权利要求1所述的压电喷墨头，其特征在于，其中所述阻隔层的厚度介于5～20μm间。
6.如权利要求1所述的压电喷墨头，其特征在于，其中所述压电材料为铅锆酸盐-钛酸盐(PZT)。
7.如权利要求1所述的压电喷墨头，其特征在于，其中所述下电极、薄膜致动器以及上电极分别利用烧结加以制作。
8.如权利要求1所述的压电喷墨头，其特征在于，其中所述阻隔层、下电极、薄膜致动器与上电极的总和厚度比所述第一凹槽的纵深小，使所述第一凹槽可利用上盖一个平面挡板而形成一个密闭空间，在烧结进行时避免气氛溢出。
9.一种压电喷墨头的制作方法，其特征在于，包括提供一个基底，所述基底具有相对的一个第一表面及一个第二表面；在所述第一表面上形成至少一个第一凹槽；在所述第一凹槽内壁及底部顺应性形成一个阻隔层，用以作为烧结压电材料时的扩散阻隔层(diffusion barrier)，位于所述第一凹槽底部的阻隔层并可同时作为所述压电喷墨头的震动层；在所述第一凹槽底部的阻隔层上形成一个下电极；在所述下电极上形成至少一个薄膜致动器，所述薄膜致动器是由压电材料所构成；在所述薄膜致动器上形成一个上电极，使所述第一凹槽可利用上盖一个档板而形成一个密闭空间，在烧结进行时避免气氛溢出；以及在所述第二表面上形成一个第二凹槽，所述第二凹槽位置对应于所述第一凹槽内的薄膜致动器，并以所述薄膜致动器下方的阻隔层为所述第二凹槽底部。
10.如权利要求9所述压电喷墨头的制作方法，其特征在于，其中所述第一凹槽及第二凹槽是利用湿式蚀刻或干式蚀刻所形成，并在蚀刻所述基底以形成第二凹槽时，利用所述阻隔层为蚀刻停止层。
11.如权利要求9所述压电喷墨头的制作方法，其特征在于，其中所述阻隔层为氧化钛或氧化锆。
12.如权利要求9所述压电喷墨头的制作方法，其特征在于，其中所述阻隔层为利用刮刀成型法、网印法、或旋转涂布法所制作。
13.如权利要求9所述压电喷墨头的制作方法，其特征在于，其中所述阻隔层的厚度介于5～20μm间。
14.如权利要求9所述压电喷墨头的制作方法，其特征在于，其中所述档板为锆或氧化锆。
15.如权利要求9所述压电喷墨头的制作方法，其特征在于，其中所述压电材料为铅锆酸盐-钛酸盐(PZT)。
16.如权利要求9所述压电喷墨头的制作方法，其特征在于，其中所述下电极、薄膜致动器以及上电极分别利用烧结加以制作。
17.如权利要求9所述压电喷墨头的制作方法，其特征在于，其中所述阻隔层、下电极、薄膜致动器与上电极的总和厚度比所述第一凹槽的纵深小，使所述第一凹槽可利用上盖一个平面挡板而形成一个密闭空间，在烧结进行时避免气氛溢出。
18.一种压电喷墨头的制作方法，其特征在于，包括提供一个硅芯片，所述硅芯片具有相对的一个第一表面及一个第二表面；在所述第一表面上蚀刻成至少一个第一凹槽；在所述第一凹槽内壁及底部顺应性形成一个阻隔层，用以作为烧结压电材料时的扩散阻隔层(diffusion barrier)，位于所述第一凹槽底部的阻隔层并可同时作为所述压电喷墨头的震动层以及蚀刻停止层；在所述第一凹槽底部的阻隔层上形成一个下电极；在所述下电极上形成至少一个薄膜致动器，所述薄膜致动器是由压电材料铅锆酸盐-钛酸盐(PZT)所构成；在所述薄膜致动器上形成一个上电极，其中所述阻隔层、下电极、薄膜致动器与上电极的总和厚度比所述第一凹槽的纵深小，使所述第一凹槽可利用上盖一个平面挡板而形成一个密闭空间，在烧结进行时避免气氛溢出；以及在所述第二表面上以蚀刻方式形成一个第二凹槽，所述第二凹槽位置对应于所述第一凹槽内的薄膜致动器，并以所述薄膜致动器下方的阻隔层为所述第二凹槽底部。
19.如权利要求18所述压电喷墨头的制作方法，其特征在于，其中所述阻隔层为氧化钛或氧化锆。
20.如权利要求18所述压电喷墨头的制作方法，其特征在于，其中所述阻隔层为利用刮刀成型法、网印法、或旋转涂布法所制作。
21.如权利要求18所述压电喷墨头的制作方法，其特征在于，其中所述阻隔层的厚度介于5～20μm间。
22.如权利要求18所述压电喷墨头的制作方法，其特征在于，其中所述档板为锆或氧化锆。
23.如权利要求18所述压电喷墨头的制作方法，其特征在于，其中所述下电极、薄膜致动器以及上电极分别利用烧结加以制作。
全文摘要
本发明公开一种压电喷墨头及其制作方法，其制作方法包括首先提供一基底，该基底具有相对的一个第一表面及一个第二表面，接着在第一表面上形成至少一个第一凹槽，之后在第一凹槽内壁及底部顺应性形成一个阻隔层，用以作为烧结压电材料时的扩散阻隔层(diffusion barrier)，位于第一凹槽底部的阻隔层并可同时作为压电喷墨头的震动层，接着，在第一凹槽底部的阻隔层上依序形成一个下电极、一个由压电材料所构成的薄膜致动器以及一个上电极，使第一凹槽可利用上盖一个挡板而形成一个密闭空间，在烧结进行时避免气氛溢出，最后，在第二表面上形成一个第二凹槽，其位置对应于上述第一凹槽内的薄膜致动器，并以薄膜致动器下方的阻隔层为其底部。
文档编号B41J2/16GK1611358SQ200310104
公开日2005年5月4日 申请日期2003年10月28日 优先权日2003年10月28日
发明者蔡志昌, 陈志明, 杨明勋 申请人:飞赫科技股份有限公司