专利名称：一种墨水喷头及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种墨水喷头及其制造方法。
背景技术：
现有的喷头主要分成两种，一种是由加热电阻作为源动力来去使喷头喷出墨滴，另一种是是利用压电元件作为源动力来使喷头喷出墨滴。利用压电元件作为致动器把墨水喷出的喷头，主要有以下两种类型。一种是压电元件和振动板置于与排出墨滴相应喷嘴连通的压力产生腔室的外部，通过压电元件和振动板的变形，使得压力产生腔室体积发生变化，从而把墨滴从喷嘴喷出。另一种墨水喷头是通过将振动板设置在压力腔室内部，形成悬臂梁或桥式梁结构，通过向悬臂梁或桥式梁上的压电元件施加电压而使悬臂或桥式梁振动板发生振动，墨水因为振动板的振动而从喷墨口喷出。这种利用悬臂梁式振动板的喷头例如Epson早期公开申请的专利中提到。然而这些早期的专利中提到的制造方法是利用粘接技术把喷头的各个部分合成在一起，难以实现喷嘴的高密度排布，如600dpi，且制造成本较高。所以可以通过MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems的缩写，也叫微电子机械系统)一体成型加工技术来提高喷头的分辨率和减低成本。为了利用MEMS —体成型技术制造如图1所示的喷头，需要在硅基底I上形成一个凹槽来形成供墨腔室21，所以在制造过程中需要对凹槽进行填充，然后在填充平坦的表面上形成振动板和压电元件等。由于形成压电元件时需要对压电陶瓷进行600° C的高温煅烧工艺，所以对填充在凹槽处的填充物有能耐高温、热涨系数小的要求。这些填充物一般需要采用多孔硅、无定形硅、多晶硅、二氧化硅、掺杂磷的二氧化硅(PSG )、掺杂磷和硼的二氧化硅(BPSG)等填充物，而不能采用熔点不高的可溶性有机物作为凹槽的填充物。当采用二氧化硅、掺杂磷的二氧化硅(PSG)、掺杂磷和硼的二氧化硅(BPSG)等填充物时，振动板层42不能采用二氧化硅，因为在清洗填充物时会导致振动板的二氧化硅也洗掉一部分。这时需采用氮化硅等材料作为振动板，但氮化硅的弹性较二氧化硅的小，导致振动板的振动幅度大幅下降，影响喷头的喷墨效果，甚至喷不出墨滴。当采用多孔硅、无定形硅、多晶硅作为凹槽的填充物时，由于硅基底和填充物都是硅材料，所以需要在凹槽的内壁涂覆一层保护膜来保护硅基底在洗掉凹槽的填充物时，硅基底没有被损坏。当采用图1所示的喷头结构来喷墨时，为了提高打印速度和打印质量，可以通过提闻喷头的喷墨频率，这就需要在更短的时间内完成一次墨滴的喷射。所以可以对图1中的供墨腔室21进行疏水处理，使供墨腔室21中的墨水更快流动到墨水腔室22中，在再次供给墨水到压力腔室2时，墨水更容易聚集在墨水腔室22中，从而缩单次墨滴的喷射时间。所以本技术方案提出一种可以利用MEMS —体成型技术制造的压电式喷头的结构和该结构的制造方法，从而实现喷头的高分辨率和低制造成本，高喷射频率。
发明内容
本发明提供一种墨水喷头及其制造方法，以解决现有墨水喷头的低分辨率、高制造成本和喷射频率低的技术问题。为了解决以上技术问题，本发明采取的技术方案是:具体的方案是:一种墨水喷头，包括:硅基板、设置在所述硅基板表面上部的振动板、由所述振动板下表面和硅基板形成的供墨腔室、设置在所述振动板表面的压电元件、设置在所述振动板和压电元件上的墨水腔室、使所述供墨腔室和墨水腔室连通的通孔和与所述墨水腔室连通的喷嘴；其特征是:所述供墨腔室的内壁表面还设置有保护层，所述保护层外还设置有疏水层。所述保护层为金属氧化物组成，所述疏水层为由磷烷基组成的单层膜。所述金属氧化物选自于TiO2, Ta2O5, Nb2O5或ZrO2。所述振动板和压电兀件一端固定。所述振动板和压电元件另两端固定。一种墨水喷头的制造方法，包括以下步骤: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护层；三、在凹部填充能耐高温、热膨胀系数小的填充物，将凹部填平。四、在所述填平的凹部表面上形成振动板和压电元件；五、形成墨水腔室和喷嘴；六、除去填充物并在所述保护层上形成疏水层。所述保护层为金属氧化物组成，所述疏水层为由磷烷基组成的单层膜。所述金属氧化物选自于TiO2, Ta2O5, Nb2O5或ZrO2。所述的填充物选自于多晶硅、多孔硅或无定型硅。本发明提供的墨水喷头由于设置了保护层和疏水层，且保护层材料在保护硅基底没有被破坏的同时，可以利用MEMS —体成型技术来制造来提高喷头的分辨率、降低制造成本，可以使喷头的喷射频率加快，提高打印速度和打印质量。解决了现有墨水喷头的低分辨率、高制造成本和喷射频率低的技术问题。
图1没有改良的墨水喷墨头的剖视图。图2为本发明的墨水喷头喷嘴表面的平面视图。图3为本发明的墨水喷墨头沿图2中AC的剖视图。图4a是本发明的墨水喷头在“拉-推-拉”模式下第一次“拉”时桥式梁远离喷嘴变形的示意图。图4b是本发明的墨水喷头在“拉-推-拉”模式下“推”时桥式梁靠近喷嘴变形的示意图。图4c是本发明的墨水喷头在“拉-推-拉”模式下第二次“拉”时桥式梁恢复原形的示意图。
图5a所示是形成本发明喷头的供墨腔室的凹部的步骤中沿图2中DE方向的剖视图。图5b所示是形成本发明喷头的供墨腔室的凹部的步骤中沿图2中AB方向的剖视图。图6a所示是形成本发明喷头的二氧化硅保护层的步骤中沿图2中DE方向的剖视图。图6b所示是形成本发明喷头的二氧化硅保护层的步骤中沿图2中AB方向的剖视图。图7a所示是形成本发明喷头的金属氧化物保护层的步骤中沿图2中DE方向的剖视图。图7b所示是形成本发明喷头的金属氧化物保护层的步骤中沿图2中AB方向的剖视图。图8a所示是对本发明喷头的供墨腔室的凹部进行填充时沿图2中DE方向的剖视图。图Sb所示是对本发明喷头的供墨腔室的凹部进行填充时沿图2中AB方向的剖视图。图9a所示是形成本发明喷头的振动板层和压电元件的步骤中沿图2中DE方向的首1J视图。图9b所示是形成本发明喷头的振动板层和压电元件的步骤中沿图2中AB方向的首1J视图。图1Oa所示是形成本发明喷头的墨水腔室形状的步骤中沿图2中DE方向的剖视图。图1Ob所示是形成本发明喷头的墨水腔室形状的步骤中沿图2中AB方向的剖视图。图1la所示是形成本发明喷头的喷嘴板的步骤中沿图2中DE方向的剖视图。图1lb所示是形成本发明喷头的喷嘴板的步骤中沿图2中AB方向的剖视图。图12a所示形成本发明喷头的喷嘴的步骤中是沿图2中DE方向的剖视图。图12b所示是形成本发明喷头的喷嘴的步骤中沿图2中AB方向的剖视图。图13a所示是形成本发明喷头的公共腔室、清洗填充物形成墨水腔室、通道的步骤中沿图2中DE方向的剖视图。图13b所示是形成本发明喷头的公共腔室、清洗填充物形成墨水腔室、通道的步骤中沿图2中AB方向的剖视图。图14a所示是通过清洗填充物形成本发明喷头的供墨腔室的步骤中沿图2中DE方向的剖视图。图14b所示是通过清洗填充物形成本发明喷头的供墨腔室的步骤中沿图2中AB方向的剖视图。图15a所示是形成本发明喷头的疏水层的步骤中沿图2中DE方向的剖视图。图15b所示是形成本发明喷头的疏水层的步骤中沿图2中AB方向的剖视图。标号说明:1硅基底；2压力腔室，包括供墨腔室21和墨水腔室22 ;31供墨腔室的5102层；32供墨腔室的金属氧化物层；33供墨腔室的疏水层；4桥式梁，包括42振动板和41压电元件；5喷嘴板，51喷嘴；6公共腔室；7通道；23硅类填充物；24树脂类填充物。
具体实施例方式下面将通过实施例详细描述本发明专利内容:图2为本发明的墨水喷头喷嘴表面的平面视图，喷嘴沿水平方向呈错位排列。图3为墨水喷墨头沿图2中AC的剖视图。如图3所示，墨水喷头包括:硅基板1、设置在硅基板I表面上部的振动板42、设置在振动板42表面的压电兀件41、设置在娃基板I表面上的用于容纳墨水流体的压力腔室2、通孔、公共墨水腔室6、通道7和喷嘴板5，喷嘴板5开有若干小孔为喷嘴51 ;压力腔室2包括由振动板42下表面和硅基板I形成的供墨腔室21和设置在振动板42和压电元件41上的墨水腔室22、通孔使供墨腔室21和墨水腔室22连通，喷嘴51与墨水腔室22连通，供墨腔室21的内壁表面设置有保护层32，保护层32外设置有疏水层33。压电元件41连接电压使其变形，振动板42通过压电元件的变形产生振动使墨水流动；公共墨水腔室6，用于储存墨水且通过通道7负责向各个压力腔室2输送墨水；墨滴通过所述喷嘴喷出；压电元件41由下电极、压电陶瓷、上电极组成，振动板42和压电元件41位于压力腔室2的内部，且其两端固定于硅基底I上，形成两端支持梁即桥式梁结构4，当然也可以是一端支持梁即悬梁结构，由于供墨腔室21位于桥式梁的下方，其内壁由二氧化硅层31，金属氧化物保护层32和疏水层33组成，而墨水腔室22的内壁没有疏水处理，所以供墨腔室21与墨水腔室22存在表面张力梯度，为了尽量减小表面能，墨滴将自发地从供墨腔室21向墨水腔室22移动，也就是在填充墨水时，墨水优先聚集在墨水腔室22处，从而缩短墨水的填充时间，缩短了墨滴的喷射周期，提高了打印频率。且由于供墨腔室21进行了疏水处理，使得墨水和腔室壁之间的表面张力较没有对供墨腔室21进行了疏水处理时小，从而供墨腔室21内的墨水对桥式梁的阻尼变小，桥式梁在同等电压下的向供墨腔室21内部移动的幅度较大，可以喷出更大的墨滴。结合图4说明喷头在“拉-推-拉”模式下的喷墨工作原理:当压电元件41接收到电压信号后，其瞬间的变形会给振动板42较大的应力，此时，振动板42会和压电元件41一起振动，也就是两端支持梁即桥式梁4产生向供墨腔室21内部移动，形成“拉”这一过程，这时喷嘴板处的喷嘴内部的液面形凹向墨水腔室22，形成“弯月面”，如图4a所示。这第一次“拉”的过程，使桥式梁向的变形远离喷嘴，其变形的大小正比于喷出液滴的大小。接着对压电元件41施加跟“拉”模式相反的电压信号，振动板42会和压电元件41组成的桥式梁4向喷嘴处移动，把压力墨水腔室22内的墨水向喷嘴处挤压，并把墨水排出到喷嘴板外面，形成如图4b所示的“推”这一过程。紧接着对压电元件41施加跟第一次“拉”时相同的电压信号时，桥式梁恢复原形，墨水向腔室内移动，把图4b中挤压在喷嘴板外面的墨水拉断，形成墨滴，如图4c所示。墨滴由于惯性作用喷射到打印介质上，这时完成单个墨滴的喷射。制造方法为: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属氧化物保护层；三、在凹部填充能耐高温、热膨胀系数小的填充物，将凹部填平，填充物选自于多晶娃、多孔娃或无定型娃。
四、在填平的凹部表面上形成振动板和压电元件；五、形成墨水腔室和喷嘴；六、除去填充物并在金属氧化物保护层上形成疏水层，疏水层为由磷烷基组成的单层膜，金属氧化物选自于TiO2, Ta2O5, Nb2O5或ZrO2。具体方法如图5a—图15b所示:图5a—图15a示出了本发明实施例的喷头在各主要制造步骤中形成的沿图2中DE方向的剖视图。图5b—图15b示出了本发明实施例的喷头在各主要制造步骤中形成的沿图2中AB方向的剖视图。—、在娃基板表面形成供墨腔室的凹部,如图5a、图5b所不:1.通过离子铣削法在基底硅I上形成供墨腔室21的凹部，凹部的深度在5-10微米之间，基底娃为单晶娃;二、在所述供墨腔室的凹部形成金属氧化物保护层，如图6a、图6b，图7a、图7b所示:1.在硅基底表面形成二氧化硅层31。可以采用在硅基底上直接氧化形成或通过物理气相沉积法(PVD)形成。二氧化硅的厚度为IOOnm左右。2.在二氧化硅层上形成金属氧化物保护层32，金属氧化物可以是TiO2, Ta2O5,Nb2O5, ZrO2等。金属氧化物的厚度为12nm左右。三、在凹部填充能耐高温、热膨胀系数小的填充物，将凹部填平，如图8a、图Sb所示:1.用填充材料23来涂覆供墨腔室21的凹部，并进行化学机械抛光(CMP)使填充材料平坦化。由于后续步骤中形成压电元件时需要对压电陶瓷进行600° C的高温煅烧工艺，所以对填充在凹部处的填充物有能耐高温、热膨胀系数小的要求，所以填充材料可以是多晶娃、多孔娃、无定型娃等。四、在填平的凹部表面上形成振动板和压电元件，如图9a、图9b所示:1.在在平坦化的填充材料表面振动板42，其组分可以是二氧化硅(SiO2),厚度约为lym，可以通过物理气相沉积法(PVD)形成或等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)等方法形成，其主要作用是作为振动板与压电元件一起振动，挤压压力腔室2，使喷头喷出墨水，又可以作为绝缘层防止压电元件被墨水腐蚀。2.在振动板42上形成压电元件41的工序依次为:形成下电极、压电陶瓷和上电极。下电极通过电子束蒸镀或溅射法形成，其材料由钛(Ti)层，钼(Pt)层，铱(Ir)层叠层构成或钼(Pt)，铱(Ir)单层构成，其厚度约为50-100nm。压电陶瓷可以通过溶胶-凝胶法、脉冲激光沉积物理成膜方法(PLD)和水热法等。作为压电体陶瓷材料，优选由以锆钛酸铅[Pb(ZrTi)O3:PZT]为主要成分的材料形成，此外也可以使用铌镁酸铅和钛酸铅的固溶体[Pb(Mg1/3Nb2/3)03-PbTi03:PMN-PT]、锌铌酸铅和钛酸铅的固溶体[Pb Znl73Nb273)O3-PbTiO3IPZN-PT]等，也可以用铁酸铋(BiFeO3)等无铅压电材料。压电陶瓷的厚度和振动板的厚度相当，约为lym。上电极通过电子束蒸镀或溅射法形成，其材料由钼(Pt)、铱(Ir)、金(Au)等单层构成，其厚度约为50-100nm。对振动板层和压电元件层图案化形成预定的形状。
五、形成墨水腔室和喷嘴，如图10a、图10b，图11a、图11b，图12a、图12b，图13a、图13b所示:1.用常规的旋涂方法在桥式梁4的周围涂覆可交联的聚合物材料形成层24，并通过化学机械抛光(CMP)使层24上表面平坦；该过程使用的可交联的聚合物材料为公知的可光成像高分子材料，例如可光成像的环氧树脂(诸如常用的光刻胶SU8等)、光敏性硅树脂或者光敏性环氧硅氧烷等。其厚度约为20-70 μ m，采用掩膜并用常规的电磁波如UV光交联曝光填充物24，若填充物24为正型光刻胶，则曝光后变为负型光刻胶，若填充物24为负型光刻胶，则曝光后变为正型光刻胶。2.用常规的旋涂方法在填充物24的两侧及上表面涂覆可交联的聚合物材料形成喷嘴板层5，并通过化学机械抛光(CMP)使喷嘴板层5上表面平坦；层5的材料与填充物24的材料相同。其厚度为20-50 μ m。3.采用能形成喷嘴51形状的掩膜和选择波长尽可能小的电磁波作为曝光源，对喷嘴板层5进行曝光。其目的是加工出尺寸更小且内壁光滑的喷嘴，可以选择波长短且穿透力较强的Y射线作为喷嘴板层5的交联被曝光源。并用显影液清洗掉被曝光的区域51形成喷嘴。喷嘴的直径约为10-25 μ m,高度为喷嘴板5的厚度20-50 μ m。4.首先通过背面湿法蚀刻或干法蚀刻硅基底I和二氧化硅层31形成公共腔室6，再通过显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、除去填充物并在金属氧化物保护层上形成疏水层，如图14a、图14b，图15a、图15b所示:1.通过清洗液清洗掉填充物23形成供墨腔室21，同时形成了供墨腔室和墨水腔室联通的通孔，释放桥式梁。当填充物23为多晶硅、无定形硅时，清洗液可以是是四甲基氢氧化铵(TMAH)。但无论采用何种填充物和清洗液时，清洗液不能和振动板的材料反应，以免造成对振动板的损坏。2.在金属氧化物的表面形成一层疏水性的薄膜。当采用TiO2, Ta2O5, Nb2O5, ZrO2作为保护膜时往供墨腔室21内通过浸入0.5豪摩尔(mmol)浓度的十二基磷铵(ammoniumdodecyl phosphate (CH3(CH2)11PO4 (NH4)2))溶液或十二烷基磷酸酯(DDP04)和羟基十二烷基磷酸(0H-DDP04)混合液中浸泡48小时后用清水冲洗，可以使金属氧化物的表面形成磷烷基的单层膜，从而具有疏水性(水滴与表面接触角达110° )。
权利要求
1.一种墨水喷头，包括:硅基板、设置在所述硅基板表面上部的振动板、由所述振动板下表面和硅基板形成的供墨腔室、设置在所述振动板表面的压电元件、设置在所述振动板和压电元件上的墨水腔室、使所述供墨腔室和墨水腔室连通的通孔和与所述墨水腔室连通的喷嘴；其特征是:所述供墨腔室的内壁表面还设置有保护层，所述保护层外还设置有疏水层。
2.按权利要求1所述的墨水喷头，其特征是，所述保护层为金属氧化物组成，所述疏水层为由磷烷基组成的单层膜。
3.按权利要求2所述的墨水喷头，其特征是，所述金属氧化物选自于TiO2,Ta2O5, Nb2O5或 ZrO2 ο
4.按权利要求1或2或3所述的墨水喷头，其特征是，所述振动板和压电元件一端固定。
5.按权利要求1或2或3所述的墨水喷头，其特征是，所述振动板和压电元件另两端固定。
6.一种墨水喷头的制造方法，包括以下步骤: 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护层； 三、在凹部填充能耐高温、热膨胀系数小的填充物，将凹部填平。
四、在所述填平的凹部表面上形成振动板和压电元件； 五、形成墨水腔室和喷嘴； 六、除去填充物并在所述金属氧化物保护层上形成疏水层。
7.按权利要求6所述的墨水喷头的制造方法，其特征是，所述保护层为金属氧化物组成，所述疏水层为由磷烷基组成的单层膜。
8.按权利要求6所述的墨水喷头的制造方法，其特征是，所述金属氧化物选自于TiO2,Ta2O5, Nb2O5 或 ZrO2。
9.按权利要求6所述的墨水喷头的制造方法，其特征是，所述的填充物选自于多晶硅、多孔娃或无定型娃。
全文摘要
本发明涉及一种墨水喷头及其制造方法，包括硅基板、设置在硅基板表面上部的振动板、由振动板下表面和硅基板形成的供墨腔室、设置在振动板表面的压电元件、设置在振动板和压电元件上的墨水腔室、使供墨腔室和墨水腔室连通的通孔和与墨水腔室连通的喷嘴；供墨腔室的内壁表面还设置有保护层，保护层外还设置有疏水层。可以利用MEMS一体成型技术来制造来提高喷头的分辨率、降低制造成本，可以使喷头的喷射频率加快，提高打印速度和打印质量。解决了现有墨水喷头的低分辨率、高制造成本和喷射频率低的技术问题。
文档编号B41J2/14GK103085479SQ20131004420
公开日2013年5月8日 申请日期2013年2月4日 优先权日2013年2月4日
发明者陈晓坤, 佟鑫, 周毅 申请人:珠海纳思达企业管理有限公司