发明内容
本发明实施例提供一种振动板、液体喷射装置及打印设备,所述振动板不易翘曲变形,同时也可以防止在反复驱动压电元件过程中压电元件的位移变化量降低。
第一方面,本发明实施例提供一种振动板,包括:二氧化硅层和氮化硅层,所述氮化硅层设置于所述二氧化硅层上;
其中,所述二氧化硅层的应力与所述氮化硅层的应力相互抵消,以使所述振动板的合应力为零。
结合第一方面,在第一方面的第一种可能的实现方式中,所述二氧化硅层通过等离子体增强化学气相沉积PECVD法形成的;
所述氮化硅层通过所述PECVD法形成的。
结合第一方面或第一方面的第一种可能的实现方式,在第一方面的第二种可能的实现方式中,所述振动板的杨氏模量为E,且130GPa≤E≤170GPa。
结合第一方面的第二种可能的实现方式,在第一方面的第三种可能的实现方式中,所述振动板的厚度为H,且1.0um≤H≤1.5um。
第二方面,本发明实施例提供一种液体喷射装置,包括:基底、如上述第一方面中任一实现方式所述的振动板、压电元件及喷嘴板;
其中,所述振动板设置在所述基底上,所述喷嘴板设置在所述振动板上;所述喷嘴板与所述振动板之间间隔排列至少一个压力腔室;所述压电元件设置于所述压力腔室内的振动板上;
其中,所述喷嘴板上设置多个喷嘴;其中,所述喷嘴与所述压力腔室一一对应;所述喷嘴板与所述基底之间设置有公共腔室;所述至少一个压力腔室与所述公共腔室之间设置有限流通道,其中,所述限流通道的截面积小于所述压力腔室的截面积;
其中,所述基底为中空结构,作为所述振动板的变形空间。
结合第二方面,在第二方面的第一种可能的实现方式中,所述多个喷嘴呈错位排列。
结合第二方面的第一种可能的实现方式,在第二方面的第二种可能的实现方式中,所述基底的材料为硅。
结合第二方面的第二种可能的实现方式,在第二方面的第三种可能的实现方式,所述压电元件,包括:下电极、压电陶瓷薄膜层以及上电极。
第三方面,本发明实施例提供一种打印设备,包含:如上述第二方面中任一实现方式所述的液体喷射装置、输纸模块以及主控电路。
本发明中提供的振动板,包括二氧化硅层和氮化硅层,所述氮化硅层设置于所述二氧化硅层上;其中,所述二氧化硅层的应力与所述氮化硅层的应力相互抵消,以使所述振动板的合应力为零,从而所述振动板不易翘曲变形,同时也可以防止在反复驱动压电元件过程中压电元件的位移变化量降低。
具体实施方式
图1为振动板受到压应力或张应力或应力为零时的变形示意图。如图1所示,当振动板的内应力为张应力时,振动板会受到张应力的作用而导致振动板的两端高于中部的翘曲变形,当振动板的内应力为零时,振动板处于自然平整的状态,当振动板的内应力为压应力时,振动板会受到压应力的作用而导致振动板的中部高于两端的翘曲变形。
现有制造喷头的过程中,需要高温氧化或高温煅烧和退火工艺,同时由于振动板与压电元件之间、振动板内部、以及压电元件内部各层构成的材料不一样(即各层材料的热膨胀系数不一样),因此,容易导致各层之间发生翘曲变形。
图2为本发明振动板的结构示意图,如图2所示,本发明提供的振动板,包括:二氧化硅层(SiO2)和氮化硅层(Si3N4),所述氮化硅层设置于所述二氧化硅层上;其中,所述二氧化硅层的应力与所述氮化硅层的应力相互抵消,以使所述振动板的合应力为零。
本发明实施例中,当所述振动板的双层结构中的其中一层的应力为张应力,另一层的应力则应该为压应力,以使所述张应力和所述压应力能相互抵消,从而减小所述振动板的弯曲,并可以有效防止振动板在受到压电元件的作用时位移量的减小。
图3为本发明中形成二氧化硅层的结构示意图,如图3所示,本发明实施例中,在基底1上形成二氧化硅层31,该二氧化硅层的厚度约500nm,可选地,所述二氧化硅层可以通过等离子体增强化学气相沉积(Plasma EnhancedChemical Vapor Deposition,简称PECVD)法形成的,具体的生成步骤如下:(1)将作为基底1的硅片进行清洗,按顺序在去离子水--丙酮--去离子水—乙醇--去离子水—碱性溶液--去离子水—酸性溶液--去离子水--5%含量的氢氟酸(HF)溶液--去离子水中清洗,其次烘干,然后将烘干后的硅基底放入PECVD设备的反应腔室中;(2)将该反应腔室抽至5×10-3Pa的真空;(3)将该反应腔室加热到需要的沉积温度如300℃并保持30分钟;(4)向该反应腔室通入反应气体一氧化二氮(N2O)和硅烷(SiH4),并调节流量计至适当参数,其中,化学反应式为:SiH4+N2O→SiO2+H2↑+N2↑;(5)开通射频功率源,将射频功率调节至实验需要的功率,由于实验中会产生一定的反射功率,通过调节匹配器将反射功率调至最低;(6)开始计时至反应结束;(7)对该反应腔室进行降温,完成二氧化硅薄膜的生长。
本发明实施例中,在采用PECVD法沉积二氧化硅时,通过平衡气体成分和射频功率来提高薄膜的性能,需要将N2O:SiH4的流量控制在某一水平,从而使薄膜缺陷降到最低。其中,沉积温度及射频功率对二氧化硅薄膜的物理和化学性质的影响很大,当沉积温度升高时,二氧化硅薄膜的密度直线上升,薄膜变得致密;当射频功率增大时,气体激活效率提高,反应物浓度增大,因此,沉积的二氧化硅薄膜结构致密,提高了薄膜的抗腐蚀性能。但射频功率也不能过大,否则沉积速率过快,使薄膜的均匀性下降(如结构疏松、针孔密度增大),钝化能力退化。
本发明实施例中,利用PECVD设备沉积二氧化硅薄膜的优选工艺条件:沉积温度为300℃,射频功率为200W,气体配比为N2O:SiH4=20:60sccm,压强限度为30Pa。
进一步地,对硅基底1在射频源(高频频率13.56MHz和低频频率100KHz)下进行交替生长二氧化硅薄膜,一般定义射频源的频率低于4MHz为低频功率源,高于4MHz为高频功率源。对二氧化硅薄膜的应力进行分析,列表如表1所示:
表1:二氧化硅薄膜的应力表
高频/低频作用时间(s) |
总时间(min) |
薄膜厚度(nm) |
应力(GPa) |
0/20 |
30 |
500 |
-0.39 |
5/15 |
30 |
500 |
-0.39 |
10/10 |
30 |
500 |
-0.40 |
15/5 |
30 |
500 |
-0.40 |
20/0 |
30 |
500 |
-0.41 |
其中,薄膜的应力指在薄膜内产生的内应力(膜应力),其中,应力σ由薄膜的杨氏弹性模量Y、应变ε和膜厚m表示,即σ=ε×Y×m,应力大小的负号表示薄膜的应力是压应力,反之为张应力。本发明实施例中,高频和低频的作用时间以20s作为一个转换周期,通过表1可知二氧化硅的应力为压应力,大小约0.4GPa,即高频和低频的作用时间的比例对二氧化硅的应力大小没有太大的影响。
本发明实施例中,由于二氧化硅的应力为压应力,则为了使振动板的合应力为零或接近零,因此,氮化硅的应力应该为张应力,且大小和二氧化硅的应力大小趋于相等。
图4为在图3所示结构的基础上形成氮化硅层的结构示意图,如图4所示,本发明实施例中,在二氧化硅层31上形成氮化硅层32,该氮化硅层的厚度约500nm,可选地,所述氮化硅层可以通过PECVD法形成的。其中,形成氮化硅的反应气体为NH3和SiH4,其中,SiH4(用N2稀释到12%)与NH3气体流量比为0.1至4之间;淀积温度为200℃至400℃之间;反应压强为30Pa左右。进一步地,在以上条件下通入反应源气体后,发生一系列化学反应,其中,化学反应式为:
SiH4+NH3→Si3N4+H2↑。
本发明实施例中,可以通过调节上述工艺参数,生成具有不同应力的氮化硅薄膜。通过实验发现:当采用高频频率作为射频功率源时,氮化硅的应力为张应力,当采用低频频率作为射频功率源时,氮化硅的应力为压应力。可选地,当需要生成应力为张应力的氮化硅薄膜时,优选地,可以采用100至300W的高频功率源,且该高频功率源的频率为13.56MH;当需要生成应力为压应力的氮化硅薄膜时,优选地,可以采用100至300W的低频功率源,且该低频功率源的频率为100KHz。由以上分析可知,通过改变PECVD的射频功率源作用时间参数,就能得到所需要的张应力或压应力的氮化硅薄膜。本发明实施例中,为了得到本技术方案需要的应力值(与所述二氧化硅的压应力大小相同),生成氮化硅薄膜的优选工艺条件:沉积温度为350℃,射频功率为300W,压强为30Pa。对氮化硅薄膜的应力进行分析,列表如表2所示:
表1:氮化硅薄膜的应力表
高频/低频作用时间(s) |
总时间(min) |
薄膜厚度(nm) |
应力(GPa) |
0/20 |
35 |
500 |
-0.90 |
5/15 |
35 |
500 |
-0.61 |
10/10 |
35 |
500 |
-0.30 |
15/5 |
35 |
500 |
0.25 |
20/0 |
35 |
500 |
0.60 |
通过表1和表2可知,由于二氧化硅层31的应力为压应力,为了得到零应力的振动板,则氮化硅层32的应力应该为张应力,因此,本发明实施例中,高频射频源作用时间应维持在15-20s之间,相应的低频射频源作用时间维持在5—0s之间,可以获得应力为张应力的氮化硅薄膜,从而所述二氧化硅层的压应力与所述氮化硅层的张应力相互抵消,以使所述振动板的合应力为零,可选地,在实际应用中,所述振动板的合应力大小可以为-10MPa到10MPa之间。本发明实施例中,通过PECVD法生成振动板的二氧化硅层和氮化硅层的过程中,可以有效地控制振动板各层薄膜的应力类型和大小,以使所述振动板的合应力为零。
本发明实施例中,所述二氧化硅层和氮化硅层的厚度都为500nm,但本发明并不以此为限,可选地,所述二氧化硅层31的厚度约500-750nm,氮化硅层32的厚度约500-750nm。其中,可以通过控制薄膜生长的总时间来决定该薄膜的厚度,其中,在沉积薄膜的温度、气体流量、压强等条件一定的情况下,生长的总时间越长,薄膜则越厚。可选地,所述振动板的厚度为H,且1.0um≤H≤1.5um。
本发明实施例中,由于所述振动板由二氧化硅层及氮化硅层组成,因此,振动板的杨氏模量由二氧化硅层薄膜和氮化硅层薄膜的杨氏模量共同决定的。可选地,二氧化硅的杨氏模量约70GPa,氮化硅层的杨氏模量约240GPa,则振动板层的杨氏模量为E,且130GPa≤E≤170GPa,因此,本发明实施例提供的振动板层具有良好的弹性,且由于该振动板的二氧化硅层的应力与氮化硅层的应力相互抵消(即所述振动板的合应力为零),该振动板可以防止由于自身的应力而导致的翘曲变形,同时能够防止在反复驱动压电元件过程中压电元件的位移变化量降低。
本发明实施例中提供的振动板,包括二氧化硅层和氮化硅层,所述氮化硅层设置于所述二氧化硅层上;其中,所述二氧化硅层的应力与所述氮化硅层的应力相互抵消,以使所述振动板的合应力为零,从而所述振动板不易翘曲变形,因此所述振动板的薄膜层不会脱离,同时也可以防止在反复驱动压电元件过程中压电元件的位移变化量降低。
图5A为本发明液体喷射装置的剖面结构示意图一,图5B为本发明液体喷射装置的剖面结构示意图二,其中,图5A的切割方向与图5B的切割方向相互垂直。如图5A及图5B所示,所示液体喷射装置,包括:基底501、振动板502、压电元件503及喷嘴板504;其中,振动板502可以采用本发明上述实施例中振动板的结构。其中,振动板502设置在基底501上,喷嘴板504设置在振动板502上;喷嘴板504与振动板502之间间隔排列至少一个压力腔室508;压电元件503设置于每个压力腔室内的振动板502上;其中,喷嘴板504上设置多个喷嘴509;其中,喷嘴509与压力腔室508一一对应(即每个压力腔室对应一个喷嘴,所述喷嘴用于喷出墨滴);所述喷嘴板与所述基底之间设置有公共腔室510;所述至少一个压力腔室与所述公共腔室之间设置有限流通道511,其中,所述限流通道的截面积小于所述压力腔室的截面积;其中,所述基底为中空结构,作为所述振动板的变形空间512。可选地,所述多个喷嘴呈错位排列,所述基底的材料为硅。
本发明实施例中,压电元件503设置于每个压力腔室内的振动板502上,其中,振动板502包括二氧化硅层5021及氮化硅层5022,压电元件503包括下电极5031、压电陶瓷薄膜层5032及上电极5033。图6A为在振动板502上形成下电极的结构示意图,图6B为在图6A所示结构的基础上形成压电陶瓷薄膜层的结构示意图,图6C为在图6B所示结构的基础上形成上电极的结构示意图。如图6A-6C所示,本发明实施例中,在氮化硅层5022上依次形成下电极5031、压电陶瓷薄膜层5032及上电极5033,其中,具体的步骤如下:
步骤1、形成下极5031的步骤:
如图6A所示,通过溅射法等使铂金(Pt)或铱(Ir)等附着在氮化硅层5022上,形成铂金层、或铱层、或铂金和铱组成的复合层,可选地,所述下电极层的厚度可以为0.1~0.2μm。可选地,为提高下电极5031在氮化硅层5022上的紧密度,可在形成下电极5031之前,先通过溅射法或真空电镀法在氮化硅层5022上形成由钛组成的钛层(图中未示),进一步地,在钛层上形成下电极5031。
步骤2、形成压电陶瓷薄膜层5032的步骤:
本发明实施例中,压电陶瓷薄膜层5032由具有压电特性的薄膜材料形成,厚度约1.0-1.5um,其厚度与振动板层的厚度相当。优选地,压电陶瓷薄膜层5032可由以锆钛酸铅[Pb(Zr,Ti)03:PZT]为主要成分的材料形成,也可由铌镁酸铅和钛酸铅的固溶体[Pb(Mgl/3Nb2/3)03-PbTi03:PMN-PT],或者锌铌酸铅和钛酸铅的固溶体[Pb Zn1/3Nb2/3)O3-PbTi03:PZN-PT]等组成。
如图6B所示,通过在下电极5031上旋涂压电体前驱体膜,通过烧结使压电体前驱体结晶,形成具有压电效应的薄膜晶体层。其中,通过该烧结,压电体前驱体膜由非结晶状态变成菱面体结晶构造,向呈机电转换作用的薄膜变化。由于每次形成压电陶瓷层的厚度约70-200nm,为了形成所需的厚度,可以通过多次重复如上的前驱体膜的形成和烧结工艺。如假设烧结1次涂敷的前驱体膜的膜厚为200nm,将该工艺重复6次,则形成厚度为1.2um的压电陶瓷薄膜层。本发明实施例中,通过多次的薄膜生长,使后一层受到前一层薄膜的结晶取向影响,从而使整个压电体薄膜5032有良好的结晶取向度。
步骤3、形成上电极5033的步骤:
如图6C所示,通过溅射法等使铂金(Pt)或铱(Ir)等附着在压电陶瓷薄膜层5032上,形成铂金层、或铱层、或铂金和铱组成的复合层,可选地,所述压电陶瓷薄膜层5032的厚度可以为50~100nm。
进一步地,图7为在图6C所示结构的基础上形成绝缘保护膜的结构示意图,在形成压电元件503(包括下电极、压电陶瓷薄膜层及上电极)之后,如图7所示,可在上电极5033上旋转涂覆抗蚀材料,以涂覆的抗蚀材料作为掩膜,进行曝光、显影处理,其次采用刻蚀的方法将压电元件503中未涂覆抗蚀材料的部分去掉,形成所需的压电元件的形状,然后在压电元件503的各层及侧边的图案区域用氧化铝或氮氧化物等形成的绝缘保护膜5034覆盖。
可选地,图8为在图7所示结构的基础上形成振动板的变形空间及供墨通道的结构示意图,如图8所示,本发明实施例中,在形成振动板502及压电元件503后和保护膜5034之后,在振动板502的氮化硅层5022上涂覆抗蚀材料,然后进行曝光、显影、刻蚀处理,从而在基底1上形成变形空间512以及供墨通道,其中,所述供墨通道513与公共腔室510联通。
进一步地,需要在振动板502背离变形空间512的一侧形成多个压力腔室、与所述多个压力腔室对应的喷嘴孔,以及与所述多个压力腔室连通的公共腔室,即形成对应图5中的喷嘴板504。
可选地,图9为本发明喷嘴板的结构示意图,如图9所示,先在第二基底上涂覆可交联的聚合物材料,如可光成像的环氧树脂(光刻胶SU8等)、光敏性硅树脂或者光敏性环氧硅氧烷等,以所述聚合物材料作为掩膜进行曝光、显影处理,并刻蚀掉部分材料,从而形成喷嘴509、压力腔室508、公共腔室510等形状,可选地,所述第二基地的材料可以为有机玻璃。
图10为本发明液体喷射装置的结构示意图。可选地,将喷嘴板504粘接在振动板502背离基底501的一侧,如图10所示,形成压力腔室508、公共腔室510及喷嘴509,其中,在各压力腔室508与公共腔室510之间还设置有限流通道511,限流通道511的截面积小于压力腔室508的截面积。可选地,在基底501上背离振动板502的一侧还粘接有盖板514,以增加基底501的机械强度。
图11为本发明液体喷射装置的俯视结构示意图,如图11所示,本发明实施例的液体喷射装置中喷嘴509呈错位排列,可选地,以CD方向对该液体喷射装置的前半部分进行剖分后的结构示意图如图10所示。
图12为图11中液体喷射装置A-B向的剖面结构示意图,如图12所示,本发明实施例的液体喷射装置包括多个压力腔室508,每个压力腔室对应一个喷嘴509,每个压力腔室508内的振动板502上设置一个压电元件503,其中,公共腔室与每个压力腔室都是连通的。可选地,当任一压电元件503收到电压信号时,会给振动板502较大的应力,使振动板502发生形变,从而通过变形将各压力腔室508中的墨水通过喷嘴509挤出。
图13A为本发明液体喷射装置在振动板远离喷嘴时的状态示意图,图13B为本发明液体喷射装置在振动板靠近喷嘴时的状态示意图,图13C为本发明液体喷射装置在振动板恢复原形时的状态示意图。
如图13A所示,当压电元件503接收到电压信号后,该压电元件瞬间的变形会给振动板502较大的应力,振动板502会和压电元件503一起向远离喷嘴509的方向移动,即振动板502会凹向变形空间512,形成“拉”这一过程,同时喷嘴509处的液面凹也会向压力腔室508,形成“弯月面”。其中,第一次“拉”的过程中(振动板502变形并远离喷嘴509),该振动板变形的大小正比于喷嘴喷出液滴的大小。
如图13B所示,当对压电元件503施加跟“拉”模式相反的电压信号,振动板502会和压电元件503一起向靠近喷嘴509的方向移动,从而把压力腔室508内的墨水向喷嘴509处挤压,并把墨水从喷嘴509处排出,形成“推”这一过程。可选地,在这一过程中,墨水除了会向喷嘴509外流动之外,还有部分墨水通过限流通道511向公共腔室510流动,产生回流的墨水,但由于限流通道511的存在,通过限流通道511向公共腔室510流动的墨水将减少,从而有更多的墨水从喷嘴509流出,以减小墨水回流的损失,进而减少了墨水再次填充的时间,也即缩短了墨滴的喷射周期,从而提高了打印频率。另外,由于有更多的墨水从喷嘴509流出,可以减小压电元件503的振动位移同时也能达到喷出相应大小的墨滴,从而提高压电元件503的寿命,使打印头更加持久耐用。
如图13C所示,完成“推”这一过程后,当对压电元件503施加跟第一次“拉”过程相同的电压信号时,振动板502将恢复原形,一部分墨水向各压力腔室508内移动,另外一部分墨水由于惯性继续向喷嘴509处移动,从而把挤压在喷嘴509外面的墨水拉断,形成墨滴,其中,墨滴由于惯性作用会喷射到打印介质上,即完成单个墨滴的喷射过程。可选地,多个墨滴的喷射过程与上述单个墨滴的喷射过程相同,本发明实施例在此不再赘述。
本发明实施例中的液体喷射装置,包括:基底、振动板、压电元件及喷嘴板;其中,所述振动板可以采用本发明上述实施例提供的振动板结构示意图,所述振动板设置在所述基底上,所述喷嘴板设置在所述振动板上;所述喷嘴板与所述振动板之间间隔排列至少一个压力腔室;所述压电元件设置于所述压力腔室内的振动板上;其中,所述喷嘴板上设置多个喷嘴;其中,所述喷嘴与所述压力腔室一一对应;所述喷嘴板与所述基底之间设置有公共腔室;所述至少一个压力腔室与所述公共腔室之间设置有限流通道,其中,所述限流通道的截面积小于所述压力腔室的截面积;其中,所述基底为中空结构,作为所述振动板的变形空间。本发明实施例提供的液体喷射装置中振动板的合应力为零,从而所述振动板不易翘曲变形,也即所述振动板的薄膜层之间不会脱离,同时也可以防止在反复驱动压电元件过程中压电元件的位移的变化量降低,因此,本发明实施例的液体喷射装置更加持久耐用。
图14为本发明实施例中打印设备的结构示意图,如图14所示,本实施例提供的打印设备140,包括:液体喷射装置1401、输纸模块1402以及主控电路1403。其中,液体喷射装置1401可以采用本发明上述实施例中液体喷射装置的结构示意图,其实现原理和技术效果类似,此处不再赘述。
最后应说明的是:以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。