CN111278652B - 压电装置及喷墨头的制造方法 - Google Patents

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Abstract

描述了一种压电装置及其制造方法、以及一种喷墨头。在一个实施例中，喷墨打印头包括：多个喷口，其中，多个喷口中的每一个包括喷嘴；压力室，与喷嘴连接；压电体，联接到压力室；以及电极，联接到压电体，以响应于施加到电极的电压而引起压电体的位移将压力施加到压力室；并且其中，多个喷口中的两个或更多个喷口的电极具有不同的尺寸，以使得在将电压施加到电极时，电极相关联的压电体具有统一的位移量。

Description

压电装置及喷墨头的制造方法
技术领域
本发明的实施例涉及打印机领域，并且更特别地，本发明的实施例涉及一种压电装置以及一种从多个喷嘴产生均匀的排出液滴体积的喷墨头。
背景技术
众所周知，一种喷墨记录装置从喷墨头的多个喷嘴排出油墨以在记录介质上记录图像。例如，一种致动器型喷墨头，其中在连接到喷嘴的各压力室内放置在施加电压时变形的压电致动器是众所周知的喷墨头。该喷墨头使用半导体工艺制造，在该半导体工艺中，压力室和分别对应于压力室的压电致动器布置在硅晶片上。
这种类型的喷墨头的一个问题在于，当喷嘴的排出液滴体积不均匀时，在输出图像中会出现浓度分布，从而导致图像质量下降。为了解决该问题，采取了措施来校正油墨排出液滴体积的变化。
例如，解决该问题的技术包括：测量压电体膜的厚度；基于测量的压电体膜的厚度与预设参考厚度之间的偏差量，确定各个电极的宽度；然后形成具有被确定宽度的各个电极，然后利用各个电极的宽度校正压电体膜的厚度变化。
此外，针对该问题的另一种解决方案包括形成切口部分以减小共用电极的面积，该切口部分位于与用于调整排出速率的喷嘴相对应的油墨压力室上，以对应于速率调整量以便减小在该区域中的压电元件的变形量，从而使油墨排出速率均匀。
上述两种解决方案需要测量压电体膜相对于各个元件的厚度变化以及油墨排出速率，因此其校正过程很复杂。另外，也缺少针对改变压电元件的位移分布图的拐点的位置的任何技术构思。
发明内容
描述了一种压电装置及其制造方法、以及一种喷墨头。在一个实施例中，喷墨打印头包括：多个喷口，其中，多个喷口中的每一个包括喷嘴；压力室，与喷嘴连接；压电体，联接到压力室；以及电极，联接到压电体以响应于施加到电极的电压而引起压电体的位移将压力施加到压力室；并且其中多个喷口中的两个或更多个的电极具有不同的尺寸，以使得在将电压施加到电极时，电极相关联的压电体具有统一的位移量。
附图说明
根据下文给出的详细描述和本发明的各个实施例的附图将更全面地理解本发明，然而它们不应被视为将本发明限于特定实施例，而是仅用于解释和理解本发明。
图1为示意性地示出喷墨头模具的一个实施例的配置的示图。
图2示出喷墨头将具有均匀浓度的输入图像数据输出到表单的方面。
图3A至图3B是示出输出图像的浓度分布与压电致动器的位移量分布之间的关系的示图。
图4A至图4C是示出压电致动器的一个实施例的示图。
图5A和图5B是示出通过统一上电极的环宽度来配置的喷墨头模具的示图。
图6A和图6B是示出其中上电极的环宽度已被校正为对应于硅晶片上的面内位置的喷墨头模具的示图。
图7A至图7C是示出压电致动器的一个实施例的示图。
图8A至图8C是示出压电致动器的一个实施例的示图。
图9是示出用于产生曝光掩模的方法的一个实施例的流程图，该曝光掩模具有与压电致动器的位移量对应的校正系数。
图10是示出在膜厚度的值接近的情况下形成有不同的环宽度的压电致动器的示图。
图11是示出环宽度与位移量之间的关系的图表。
图12是示出校正系数的掩模及其环宽度的一个实施例的示图。
图13是示出在硅晶片上的多个喷墨头模具的位置的示图。
图14是示出喷墨头模具中的多个压电致动器的位置的示图。
图15是示出用于在硅晶片的平面内产生校正系数映射的方法的一个实施例的流程图。
图16A至图16C是示出根据一个实施例的针对给定的喷墨头模具按区域计算校正系数的示意图。
图17是示出校正系数的掩模及其突出量的一个实施例的示意图。
图18是示出用于产生硅晶片的校正系数映射的方法的另一方面的一个实施例的流程图。
图19是示出硅晶片的中心以及膜厚度测量点P1、P2、P3和P4的示意图。
图20是示出校正系数与距硅晶片中心的距离之间的关系的一个实施例的示意图。
图21示出了喷墨头模具的每个区域(摘录)的校正系数和距硅晶片中心的距离。
图22是示出具有环型电极的压电致动器的制造方法的一个实施例的流程图。
图23A至图23I是在具有环型电极的压电致动器的制造过程的每个步骤中的硅晶片的截面图。
具体实施方式
在下文的描述中，阐述了许多细节以提供对本发明的更透彻解释。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明。在其它情况下，众所周知的结构和装置以框图形式而不是详细地示出，以避免模糊本发明。
公开了一种喷墨打印头，包括：多个喷口，其中，多个喷口中的每一个包括喷嘴；压力室，与喷嘴连接；压电体，联接到压力室；以及电极(例如，环形电极)，联接到压电体以响应于施加到电极的电压而引起压电体的位移将压力施加到压力室。在一个实施例中，两个或更多个喷口的电极具有不同的尺寸(例如，不同的宽度)，以使得在将电压施加到电极时，电极相关联的压电体具有统一的位移量。
还公开一种压电元件的制造方法以及喷墨头的制造方法，上述方法将压电元件的位移分布图(profile)的拐点的位置设置在合适的位置，并使多个压电元件的位移量统一。在一个实施例中，压电元件的制造方法包括：在基板上形成压电体膜的压电体膜形成操作；在压电体膜的一个表面上形成共用电极的共用电极形成操作；在压电体膜的另一个表面上形成多个单独电极的单独电极形成操作；以及拐点设置操作，其中每个压电元件包括共用电极、压电体膜和单独电极，用于将与多个单独电极对应的多个压电元件的位移分布图的拐点的位置设置在与基板上的多个压电元件的面内位置对应的位置处。
在一个实施例中，当压电元件变形时，位移分布图的拐点指向横截面位移曲线中由正到负或反之亦然(例如，位移曲线的二阶导数改变正负号)的斜率变化发生的位置。查找该拐点的位置的过程的一个实施例包括：在变形期间使用扫描激光多普勒仪测量压电元件的分布图；在面内方向(基板的面内方向)上进行两次微分；然后找到分布图变为0(零)的位置。
在一个实施例中，由于多个压电元件的位移分布图的拐点的位置分别设置在了与基板上的面内位置相对应的位置中，因此使得多个压电元件的位移量统一。
在一个实施例中，单独电极形成操作形成环形的单独电极，并且拐点设置操作将作为与环形状的圆周方向正交的宽度方向上的长度的环宽度设置成与基板上的面内位置对应的宽度。这使得多个压电元件的位移量统一。
在一个实施例中，该方法还包括：绝缘膜形成操作，使得绝缘膜位于压电体膜和单独电极的一部分之间，用于通过具有环形的开口来形成电连接压电体膜和单独电极的绝缘膜；以及拐点设置操作，将作为与环形状的圆周方向正交的宽度方向上的长度的环宽度设置为与基板上的面内位置对应的宽度。这使得多个压电元件的位移量统一。
在一个实施例中，该方法还包括拐点调整层形成操作，用于在单独电极的压电体膜的相对侧上形成拐点调整层，并且拐点设置操作将单独电极与拐点调整层之间的重叠量设置成与基板上的面内位置对应的重叠量。这使得多个压电元件的位移量统一。
在一个实施例中，拐点设置操作包括用于从多个曝光掩模中选择所需的曝光掩模的掩模选择操作，并使用选择的曝光掩模将多个压电元件的位移分布图的拐点的位置分别设置在与基板上的面内位置对应的位置处。这使得多个压电元件的位移量适当地统一。
在一个实施例中，基板被分成多个模具，并且通过步进曝光针对每个模具给定多个曝光区域，并且拐点设置操作为每个曝光区域选择所需的曝光掩模。这使得步进曝光的每个曝光区域的多个压电元件的位移量统一。
在一个实施例中，拐点设置操作选择所需的曝光掩模以与预先计算的校正系数对应。这使得多个压电元件的位移量适当地统一。
在一个实施例中，该方法还包括用于计算基板上每个面内位置的校正系数的校正系数计算操作。这使得多个压电元件的位移量适当地统一。
在一个实施例中，校正系数计算操作包括位移量测量操作，用于测量基板上的每个面内位置的多个压电元件的位移量、对多个压电元件的位移量进行归一化、然后计算归一化值的导数作为校正系数。这使得多个压电元件的位移量适当地统一。
在一个实施例中，校正系数计算操作包括压电体膜测量操作，用于基于距基板的平面内的参考点的距离来测量压电体膜的膜厚度、对每个距离的压电体膜的膜厚度进行归一化、然后计算归一化值的倒数作为校正系数。这以简单的方式使得多个压电元件的位移量统一。
在一个实施例中，参考点为基板的中心。这以简单的方式使得多个压电元件的位移量统一。
在一个实施例中，压电体膜形成操作通过溅射方法层压压电体膜。如下面更详细描述的，通过溅射方法层压压电体膜是有利的。
在另一个实施例中，一种喷墨头的制造方法包括：压力室形成操作，用于形成多个压力室以及连接基板中的多个压力室的路径；以及压电元件形成操作，用于形成分别与多个压力室对应的多个压电元件，其中压电元件形成操作使用压电元件的制造方法，该方法包括：压电体膜形成操作，用于在基板上形成压电体膜；共用电极形成操作，用于在压电体膜的一个表面上形成共用电极；单独电极形成操作，用于在压电体膜的另一表面上形成多个单独电极；以及拐点设置操作，用于将与多个单独电极中的每一个对应的多个压电元件的位移分布图的拐点的位置，设置在与基板上的多个压电元件的每个面内位置对应的位置处，其中，每个压电元件包括共用电极、压电体膜以及单独电极。
在一个实施例中，由于多个压电元件的位移分布图的拐点的位置分别设置在与基板上的面内位置对应的位置中，因此使得分别与多个压力室对应的多个压电元件的位移量统一。
在一个实施例中，压电元件在与对应的压力室相反的方向上呈凸状进行位移驱动。这些技术可以相对于以这种方式驱动位移的压电元件应用。要注意的是，与压力室相反的方向表示增加压力室的体积的方向。
根据一个实施例，多个压电元件的位移量统一。
下面将根据附图给出本发明的实施例的详细描述。
喷墨头的排放液滴体积变化的产生
图1示出喷墨头模具的一个实施例。参照图1，喷墨头模具100包括在二维上布置为与多个压力室132(参见图4A-4C)的位置对应的多个压电致动器110(压电元件的一个示例)。压电致动器列111-1至111-3在垂直方向上，并且每个压电致动器列包含多个压电致动器110。
在一个实施例中，多个压电致动器110是压力产生元件，用于通过与多个压力室连通的喷嘴130(参见图4A-4B)中的每一个排出多个压力室132内的油墨。
图2示出喷墨头输出图像数据。参照图2，在一个实施例中，所示的喷墨头200使用图1的喷墨头模具100。图2示出浓度均匀的输入图像数据通过喷墨头200输出到表单202的状态，并且，在这种情况下，当表单202在相对于喷墨头200的表单供给方向上传送时，图像通过单通道方法输出。如图2所示，在输出图像204中，表单供给正交方向上产生了不均匀的浓度。
图3A是示出输出图像的浓度分布的曲线图，其中横轴表示在输出图像的表单供给正交方向上的位置，纵轴表示输出图像每个位置测量到的光密度(OD)值(8位)。如图3A所示，输出图像在表单供给正交方向上越靠右，浓度越高。
另一方面，图3B是示出设置在喷墨头200的喷墨头模具100中的压电致动器110的位移量分布的曲线图，其中横轴表示压电致动器列111-k(k＝1、2、……、n)在表单供给正交方向上的位置，纵轴表示压电致动器110的位移量(纳米)。在此，将各压电致动器列111-k的位移量的平均值绘制在该曲线图上。
如图3A和图3B所示，喷墨头200的输出图像的浓度不均匀性与喷墨头模具100的压电致动器110的位移量分布相关。即，压电致动器110的位移量分布在喷墨头模具100的平面中，并且由喷嘴130(参见图4A-4C)引起的排出液滴体积变化由该分布产生，从而导致输出图像的浓度不均匀。
注意的是，在一个实施例中，压电致动器110的位移量分布可以认为是由喷墨头模具100的压电膜142(参见图4)的膜厚度的平面内分布引起的。
对于给定的溅射装置，从目标溅射和排出的物质可以更多地沉积在硅晶片120(参见图13)的中央，然后随着距离中心的距离的增大，沉积的物质越来越薄。因此，通过溅射法形成的压电膜142的膜厚度在硅晶片120的中央相对较厚，随着离中心的距离增大而相对较薄，形成同心的膜厚度分布。压电膜142的膜厚度分布影响压电致动器110的位移量分布，从而控制压电膜的不同部分在喷墨头模具100上的位移量。
压电致动器的一个实施例的配置
图4A是压电致动器110的俯视图，并且图4B是沿图4A中的线4B-4B的截面图。
多个喷墨头模具100(在图4中未示出)布置在硅晶片120(基板的示例)上，并且多个喷墨头模具100中的每一个上形成有存储油墨的多个压力室132和连接多个压力室132的油墨流动路径(未示出)。另外，形成分别对应于多个压力室132的多个压电致动器110。此外，硅晶片120的喷墨头模具100和形成喷嘴130的硅晶片122的模具重叠配置连接压力室132和喷嘴130的喷墨头200。
压电致动器110包括下电极140、压电膜142和上电极144。多个压电致动器110共同使用下电极140(共用电极的示例)和压电膜142，并且上电极144中的一个(单独电极的示例)布置为与压电致动器110中的每一个对应。
在一个实施例中，压电膜142(压电体膜的示例)中使用PZT(Pb(Zr，Ti)O3：锆钛酸铅)。
在一个实施例中，上电极144以压力室132的中心132a为中心，并且是具有与压力室132的形状对应的椭圆环形的环型电极。上电极144可被赋予诸如圆形、多边形环形等适当的环形状，以与压力室132的形状对应。
作为与上电极144的环形状的圆周方向正交的宽度方向上的长度的环宽度为x，且上电极144用作具有环宽度x的环型电极。在一个实施例中，上电极144使用氧化物电极，例如，诸如但不限于IrOx(氧化铱)、ITO(氧化铟锡)和RuOx(氧化钌)，以抑制与压电膜142的反应并且提高附着力。
导线150(或其它导体)连接到上电极144。导线150使压电致动器110用作压力产生元件，并因此利用下电极140将信号电压施加到上电极144作为参考电势。
在一个实施例中，以这种方式配置的压电致动器110在油墨排出等待期间将上电极144的电压设置为断开(参考电位)，这有利于延长其耐久性。
此外，在一个实施例中，在油墨排出期间，上电极144的电压设置为接通(施加信号电压)。当上电极144的施加电压被设置为接通时，压电致动器110驱动上电极144的环形状的内径的位置沿图4B中的向上方向(增加压力室132的容积的方向，以下称为压力室132的反方向)呈凸状地移动，以作为位移分布图的拐点。这使得油墨从供应流动路径(未示出)被吸入压力室132内。将电压从该状态设置为断开使得压电致动器110恢复到其初始形状，并且使压力室132内的油墨同时通过喷嘴130排出。
使排出液滴体积变化均匀
通过使上电极144的环宽度x变窄可抑制压电膜142的位移量，从而改变位移分布图的拐点的位置。图4C是类似于图4B的截面图，并且示出了压电致动器110，其中上电极144的环宽度已经精确地变窄了Δx。在这种情况下，上电极144的环形状的外径是固定的，因此，通过将环形状的内径精确地扩大Δx，将上电极144的环宽度设置为(x-Δx)。
当环宽度以这种方式精确地变窄Δx时，上电极144的内径的位置，即压电致动器110的位移分布图的拐点的位置，根据Δx的大小而改变，并且因此位移量减小。在一个实施例中，该特征用于使喷墨头模具100的多个压电致动器110的位移量统一，从而使排出液滴体积均匀。具体地，在原始位移量高的情况下使环宽度相对较窄，在位移量低的情况下使环宽度相对较宽。在一个实施例中，通过使用补偿喷墨头模具100的压电膜142的膜厚度的面内分布的校正系数来校正上电极144的环宽度并且给出环宽度的分布。
图5A是示出喷墨头模具100的示图，其中压电致动器110中的每一个均由上电极144-1配置并且每一个都具有相同的环宽度。此外，图5B是示出通过与图5A中所示的压电致动器110对应的喷嘴130(图5A-5B中未示出)的排出液滴体积的分布的曲线图，其中横轴表示对应于输出图像的表单供给正交方向的压电致动器列111-k(k等于1、2、……、n)的位置，纵轴表示排出液滴体积。在这种情况下，压电致动器列111-k的每四行的排出液滴体积的平均值绘制在该曲线图上。如图5B所示，在这种情况下，压电致动器110的排出液滴体积具有面内分布，并且排出液滴体积的均匀性为+6.6％。
此外，图6A是示出喷墨头模具100的示图，其中压电致动器110中的每一个基于硅晶片120的面内位置进行校正，并且由上电极144-1、144-2和144-3配置，每个上电极具有不同的环宽度。此外，图6B是示出通过与图6A中所示的压电致动器110对应的喷嘴130(图6A-6B中未示出)的排出液滴体积的分布的曲线图，其中横轴表示对应于输出图像的表单供给正交方向的压电致动器列111-k(k＝1、2、……、n)的位置，纵轴表示排出液滴体积。在此，压电致动器列111-k的每四行的排出液滴体积的平均值绘制在该曲线图上。如图6B所示，在这种情况下，对压电致动器110的排出液滴体积进行了面内分布校正，并且排出液滴体积的均匀性为-0.36％。以此方式基于硅晶片120的面内位置来调整上电极144的环宽度，使得多个压电致动器110的位移量和通过喷嘴130的排出液滴体积变得均匀。
压电致动器的其它方面
以下描述了压电致动器的其它方面。与压电致动器110共享的部分使用了相同的参考数字，并且省略了其详细描述。
图7A是压电致动器112(压电元件的示例)的俯视图，并且图7B是沿图7A中的7b-7b线的截面图。
多个喷墨头模具100中的每一个上形成有多个压电致动器112。压电致动器112中的每一个分别对应捕获了油墨的压力室132中的一个，并且包括下电极140、压电膜142、绝缘膜146和上电极144。在一个实施例中，多个压电致动器112共同使用下电极140和压电膜142，并且上电极144中的一个布置为与压电致动器112中的每一个对应。
在一实施例中，绝缘膜146处于压电膜142和上电极144之间。在一个实施例中，压力室132的中心132a以上电极144的中心为中心，并且在具有与压力室132的形状相对应的椭圆环形状的绝缘膜146中设置有开口146b。在一个实施例中，开口146b具有适当的环形状，例如，诸如但不限于圆形、多边形环形状，以与压力室132的形状对应。
作为与开口146b的环形状的周向正交的宽度方向上的长度的环宽度为x。此外，上电极144沿着开口146b放置，并且压电膜142和上电极144通过开口146b电连接。因此，上电极144在开口146b中的与压电膜142电连接的部分成为位移驱动部分，因此压电致动器112实质上用作具有电极宽度为x的环状电极的压电元件。此外，导线150连接到上电极144。这样，压电致动器112在油墨排出等待期间将上电极144的电压设置为断开(参考电势)。
而且，在一个实施例中，在油墨排出期间上电极144的电压被设置为接通(施加信号电压)，并且开口146b的环形状的内径位置被驱动沿着图7B中的向上方向(压力室132的反方向)呈凸状地移动，以作为位移分布图的拐点，因此油墨从压力室132内的供应路径(未示出)被吸出。将电压从该状态设置为断开使得压电致动器112恢复到其初始形状，并且压力室132内的油墨通过喷嘴130排出。
通过使压电致动器112中的开口146b的环宽度变窄，抑制了压电膜142的位移量。图7C是类似于图7B的截面图，并且示出了压电致动器112，其中开口146b的环宽度已经精确地变窄了Δx。在这种情况下，开口146b的环形状的外径是固定的，因此，通过扩大环形状的内径，开口146b的环宽度被设置为(x-Δx)。需要注意的是，上电极144的形状没有改变。
当环宽度以这种方式精确地变窄Δx时，开口146b的内径的位置，即压电致动器112的位移分布图的拐点的位置，根据Δx的大小而改变，并且因此位移量减小。这使得喷墨头模具100的多个压电致动器112的位移量统一，从而使得排出液滴体积均匀。
图8A是压电致动器114(压电元件的示例)的俯视图，并且图8B是沿图8A中的8B-8B线的截面图。相对于压电致动器112，压电致动器114包括通过拐点调整层形成步骤在上电极144上(在与上电极144的压电膜142相反的一侧上)的拐点调整层148。即，压电致动器114实质上用作具有电极宽度x的环型电极的压电元件。
在一个实施例中，拐点调整层148层压在由开口146b形成的环形状的外侧的绝缘膜146上，相对于开口146b从环形状外侧向内突出到一个位置(以下简称为压力室132的内壁132b的位置)，在该位置处，压力室132的沿硅晶片120的深度方向的内壁132b延伸到开口146b。拐点调整层148可以是，例如SU-8(由MicroChem公司制造)。这样，压电致动器114在油墨排出等待期间将上电极144的电压设置为断开(参考电势)。此外，在油墨排出期间上电极144的电压被设置为接通(施加信号电压)，并且相对于开口146b突出的拐点调整层148的边缘的位置被驱动沿着图8B中的向上方向(压力室132的反方向)呈凸状地位移，以作为特定位移分布图的拐点，因此油墨从压力室132内的供应路径(未示出)被吸出。将电压从该状态设置为断开使得压电致动器114恢复到其初始形状，并且使得压力室132内的油墨通过喷嘴130排出。
通过使拐点调整层148在压电致动器114中相对于开口146b突出的量变大，抑制了压电膜142的位移量。图8C是类似于图8B的截面图，并且示出了压电致动器114，其中开口146b和拐点调整层148之间的重叠量(从压力室132的内壁132b的位置突出的量)已经精确地增加了Δy。这样，当重叠量精确地扩大Δy时，作为压电致动器114的位移分布图的拐点的位置的拐点调整层148的边缘的位置根据Δy的大小而变化，因此压电致动器114的位移量减小。这使得喷墨头模具100的多个压电致动器114的位移量统一，从而使得排出液滴体积均匀。
用于产生针对校正系数的掩模的示例性方法
图9示出了产生具有用于校正压电致动器的位移量的校正系数的曝光掩模的方法的一个实施例。为了说明该方法，将描述使用压电致动器112的示例。
参照图9，首先，准备具有不同开口146b的环宽度的多个曝光掩模(步骤S1)。如图7C所示，环宽度固定开口146b的环形的外径，因此，通过将环形状的内径精确地加宽Δx，则开口146b的环宽度变窄。因此，可以准备相差Δx的多个曝光掩模。
接着，多个曝光掩模相对于硅晶片120中的每一个用于产生压电致动器112(步骤S2)，然后针对每个环宽度导出压电致动器112的位移量(步骤S3)。在导出每个环宽度的位移量之后，生成对应于校正系数的环宽度(步骤S4)。
图10示出了可能在接近压电膜142(图10中未示出)的膜厚度的位置处形成的压电致动器112的位移量使用已经经过曝光并使用作为其中Δx＝0的参考的曝光掩模(这里是掩模1号的掩模)而形成的压电致动器112和使用已经经过曝光并使用Δx＞0的曝光掩模(新的掩模)而形成的压电致动器112进行比较。在这种情况下，将相同的电压信号施加到压电致动器112中的每一个，然后通过使用扫描激光多普勒仪测量位移量来导出每一个的位移量。重复该操作以找到达到校正系数的环宽度作为目标值(图9的步骤S4)。
图11示出了环宽度和位移量之间几乎呈线性关系。参照图11，随着环宽度的增加，位移量几乎呈线性增加。
图12示出了最终确定的校正系数的示例的掩模的环宽度，并且同时示出了曝光掩模中每一个的位移量测量值和谐振频率。要注意的是，位移量测量值和谐振频率示出了使用曝光掩模1号的值作为参考进行了归一化的值，其中校正系数为1.00(Δx＝0)。这样，在一个实施例中，产生了校正系数在-0.01级中范围为1.00至0.95的曝光掩模1号到6号(多个曝光掩模的示例)。曝光掩模的数量和校正系数步骤可以不限于图12中所描述的那些；可以适当使用和确定其他数量的曝光掩模和校正系数。
要注意的是，在一个实施例中，压电致动器112的谐振频率几乎没有变化，校正系数为1.00的压电致动器112与校正系数为0.95的压电致动器112的谐振频率变化为0.3％。
用于产生校正系数映射的示例性方法
图13是示出在硅晶片120的元件形成表面上的多个喷墨头模具100的位置的示例的示图。在此，硅晶片120被分成标记为模具1至模具10的十个喷墨头模具100。此外，在制造过程的曝光步骤中，喷墨头模具100中的每一个被划分为从区域1到区域4的四个区域，然后步进曝光。即，每个区域是一次步进曝光的曝光区域，并且喷墨头模具100中的一个可以使用每个区域均不同的四个期望的曝光掩模。
此外，如图14所示，在一个实施例中，多个压电致动器112二维地设置在喷墨头模具100上，并且多个压电致动器112沿图的垂直方向分别位于压电致动器列111-k(k＝1、2、……、n)中。此外，压电致动器列111-k在图14的宽度方向上以固定间隔布置。
图15示出了根据一个实施例的产生以此方式配置的硅晶片120上的每个面内位置的校正系数映射的方法。在这种情况下，在一个实施例中，校正系数是按区域(按曝光区域)计算的，该区域是喷墨头模具100的步进曝光的一个曝光区域。
参照图15，统一下电极140、压电膜142、上电极144和绝缘膜146的形状和处理要求，然后在硅晶片120的整个表面上产生压电致动器112(步骤S11)。此时，在压电膜142中的硅晶片120的平面中产生了膜厚度分布。
接着，将相同的电压信号施加到每个区域的多个压电致动器112，然后确定硅晶片120上的压电致动器112的面内位移量的分布。在一个实施例中，该确定通过使用扫描激光多普勒仪测量位移量来进行(步骤S12，位移量测量步骤的示例)。由此得到了压电膜142的膜厚度分布。在图16A中示出了压电致动器112根据给定的喷墨头模具100的区域的位移量的示例。
接着，按区域计算多个压电致动器112的位移量的平均值(平均位移量)，然后使用所有区域的平均位移量的最小值对每个区域的平均位移量进行归一化(步骤S13)。每个区域的平均位移量如图16B所示。参照图16B，区域1的平均位移量为1.00，区域2的平均位移量为1.02，区域3的平均位移量为1.04，区域4的平均位移量为1.05。
最后，在一个实施例中，计算了归一化的平均位移量的倒数，并且完成了以这些值作为区域中的校正系数的校正系数映射(步骤S14，校正系数计算步骤的示例)。
在一实施例中，基于产生的校正系数映射，在实际制造过程的曝光步骤中，按区域选择并使用最接近计算的校正系数的曝光掩模。例如，如图16C所示，区域1的校正系数是1.00。因此，如图12所示，相对于区域1可以使用掩模1号的曝光掩模。同样，区域2、3和4的校正系数分别为0.98、0.96和0.95。因此，如图12所示，相对于区域2、3和4可以分别使用掩模3号、5号和6号的曝光掩模。
以这种方式选择和使用曝光掩模将每个区域的压电致动器112的位移分布图的拐点的位置设置为与硅晶片120上的平面位置相对应，从而使压电致动器112的位移量统一。
用于产生针对校正系数的掩模的另一示例性方法
可以使用用于产生具有与压电致动器的位移量相对应的校正系数的曝光掩模的替代方法。该方法将结合图8A至图8C的压电致动器114来描述。在这种情况下，制备了具有用于拐点调整层148的不同突出量的多个曝光掩模，并且在硅晶片120上产生压电致动器114。如图8C所示，压力室132的内壁132b的位置用作突出量的参考。为了该示例的目的，在一个实施例中，假设拐点调整层148的厚度为10微米。此外，在这种情况下，通过突出量导出压电致动器114的位移量，以找到达到校正系数的突出量作为目标值。
图17示出了最终确定的校正系数的掩模的突出量以及曝光掩模中每一个的位移量测量值和谐振频率的示例。要注意的是，位移量测量值和谐振频率示出了使用曝光掩模1号的值作为参考进行了归一化的值，其中校正系数为1.00。参照图17，已产生了校正系数在-0.01级中范围为1.00至0.95的曝光掩模1号至曝光掩模6号。要注意的是，从具有校正系数为1.00的压电致动器112到具有校正系数为0.95的压电致动器112的谐振频率变化为1.1％，因此，在变化量大于压电致动器112时，发现变化的程度实际上不是问题。
用于产生校正系数映射的方法的另一种形式
图18示出了用于产生硅晶片120的校正系数映射的方法的另一个实施例。在一个实施例中，产生了与硅晶片120上的参考点的距离对应的校正系数映射。
参照图18，在硅晶片120的整个表面上产生压电膜142，作为形成压电致动器112的过程的一部分(步骤S21)。此时，在所形成的压电膜142中的硅晶片120的平面内产生膜厚度分布。
接着，在从硅晶片120的边缘到中心的多个位置测量压电膜142的膜厚度。这可以使用光学干涉膜厚度测量装置来执行(步骤S22，压电体膜测量步骤的示例)。在图19所示的示例中，在五个点处测量压电膜142的膜厚度，该五个点是硅晶片120的中心120a(参考点的示例)以及测量点P1、P2、P3和P4，它们是距中心120a的距离分别为20、30、40和50(单位：毫米)的位置(根据距参考点的距离的示例)。
在测量压电膜厚度之后，使用最小值对五个测量点的压电膜142的膜厚度进行归一化，并且将归一化值的倒数作为校正系数(步骤S23，校正系数计算步骤的示例)。图20示出了压电膜142到硅晶片120的中心120a的距离和膜厚度，以及使用最小值进行归一化的数值及其倒数(校正系数)。
另外，利用距硅晶片120的中心120a的距离r作为变量，基于距硅晶片120的中心120a的距离以及图20所示的校正系数来导出近似表达式F(r)(步骤S24)。在一个实施例中，使用二次函数，并且该近似表达式通常是充分的，可以表示如下。
F(r)＝a0+a1r+a2r2…(表达式1)
接着，计算从硅晶片120的中心120a到喷墨头模具100的区域的中心的距离r(步骤S25)。根据掩模设计CAD数据计算这些距离r。
最后，利用表达式1计算喷墨头模具100的区域相对于计算的距离r的校正系数(步骤S26)。图21示出了距硅晶片120的中心120a的距离，以及模具4的喷墨头模具100的区域1至4中的校正系数和模具5的喷墨头模具100的区域1和2中的校正系数。
在一个实施例中，基于计算的校正系数，在实际制造过程的曝光步骤中，按区域选择和使用最接近校正系数的曝光掩模。这将每个区域的压电致动器112的位移分布图的拐点的位置设置为与硅晶片120上的面内位置相对应，从而使压电致动器112的位移量统一。
要注意的是，本实施例基于压电膜142的膜厚度与压电致动器112的位移量成比例相关的假设来推导校正系数。压电致动器142的厚度和压电致动器112的位移量之间的关系被确定为更准确地校正位移量。
具有环型电极的压电致动器的制造方法
图22示出了具有环型电极的压电致动器的制造方法的另一实施例。作为示例，图23A至图23I用于说明压电致动器112的制造方法。
参照图22，利用压力室形成步骤通过形成多个压力室132以及将硅晶片120上的多个压力室132连接起来的油墨流动路径来制备硅晶片120(步骤S31，参见图23A)。
接着，形成下电极140作为在硅晶片120上的膜(步骤S32，共用电极形成步骤的示例)。在一个实施例中，这通过溅射方法来执行。
在形成下电极140之后，形成压电膜142作为在已将硅晶片120的下电极140形成为膜的一侧上的膜(步骤S33，压电体膜形成步骤的示例，参见图23B)。在一个实施例中，这通过溅射方法来执行。以这种方式，下电极140形成在压电膜142的一个表面上。
此外，如上所述，在该溅射膜的形成中产生压电膜142的膜厚度分布，这至少部分导致了压电致动器112的位移量分布。
在形成压电膜142之后，形成绝缘膜146作为在硅晶片120的压电膜142已经形成为膜的一侧上的膜(步骤S34，参见图23C)。绝缘膜146可以包括例如SiN(氮化硅)、SiO2(氧化硅)。在可选实施例中，绝缘膜146通过化学气相沉积(CVD)方法或原子层沉积(ALD)方法形成。
在形成绝缘膜146之后施加光刻胶160(步骤S35，光刻处理，参见图23D)。在一个实施例中，通过旋涂法施加光刻胶160，并且在硅晶片120的绝缘膜146已经形成为膜的一侧上进行烘烤。另外，进行曝光(曝光步骤)和显影以去除绝缘膜146的开口146b的区域(步骤S36，参见图23E)。
然后，在绝缘膜146中形成环形开口146b。在一个实施例中，根据光刻胶160中的开口通过干蚀刻法形成环形开口146b(步骤S37，绝缘膜形成步骤的示例，参见图23F)，然后去除光刻胶160(步骤S38，参见图23G)。
在形成环形开口146b之后，将上电极144形成为膜。在一个实施例中，通过溅射方法在硅晶片120的绝缘膜146已经形成为膜的一侧上形成上电极144(与压电体膜的一个表面相对的表面的示例)(步骤S39，参见图23H)。然后，与绝缘膜146一样，施加光刻胶、进行烘烤、曝光和显影，通过干蚀刻法形成所需的形状，并且去除抗蚀剂以形成分别与多个压力室132对应的多个上电极144(步骤S40，单独电极形成步骤的示例，参见图23I)。
在执行图22的方法之后，产生压电致动器112。对于压电致动器112，上电极144实质上用作具有电极宽度x的环型电极，并且该电极宽度x基于绝缘膜146的开口146b的宽度来确定。在步骤S6中，在光刻胶160的曝光步骤中确定开口146b的宽度。通过在曝光步骤中按照喷墨头模具100的区域从多个曝光掩模中选择并使用所需的曝光掩模(拐点设置步骤的示例，以及掩模选择步骤的示例)，给定开口146b所需的宽度。这将压电致动器112的位移分布图的拐点的位置设置在所需的位置，并且使得压电致动器112的位移量统一。
因此，在一个实施例中，对于已经形成多个压电致动器112的喷墨头模具100(集成电路的示例)，多个压电致动器112的位移分布图的拐点的位置设置在至少一个区域的位置上，该区域为通过步进曝光的一个曝光区域，其位置不同于其他区域。
要注意的是，喷墨头200的制造方法由上述压力室形成步骤以及压电元件形成步骤配置，压电元件形成步骤使用步骤S31至步骤S40所示的压电致动器的制造方法形成分别与多个压力室对应的多个压电致动器112。此外，将形成多个喷嘴130的模具重叠以与多个压力室132对应。
在一实施例中，下电极140、压电膜142以及随后的上电极144层压在硅晶片120的元件形成表面上，以形成压电致动器112；然而，在另一个实施例中，它们层压的顺序为上电极144、压电膜142、然后是下电极140。
装置应用示例
在上述实施例中，描述了应用于用于图形打印的喷墨记录装置的示例；然而，本发明的应用范围不限于这些示例。例如，本文所述的技术可以广泛地应用于使用液体功能材料来绘制各种形状和图案的喷墨装置，例如用于绘制电子电路的布线图案的布线绘制装置、用于制造所有类型的装置的装置、使用树脂溶液作为排出用功能液的抗蚀记录装置、用于制造滤色器的装置以及使用材料沉积用材料形成微结构的微结构形成装置。
以上详细描述的一些部分是根据计算机存储器内的数据位的操作的算法和符号表示来呈现的。这些算法描述和表示是数据处理领域的技术人员用来最有效地将他们工作的实质传达给本领域其他技术人员的手段。这里的算法通常被认为是取得所需结果的自相一致的步骤序列。这些步骤是需要物理量的物理操作的步骤。通常，尽管不是必须的，这些量采用能够被存储、传输、组合、比较和以其他方式操作的电信号或磁信号的形式。有时，主要出于通用的原因，将这些信号称为比特、值、元素、符号、字符、术语、数字等，这已经证明是方便的。
然而，应该记住的是，所有这些和类似术语都将与适当的物理量相关联，仅仅是对这些量应用的方便的标签。除非从以下讨论中明确说明，否则应当理解的是，在整个说明书中，使用诸如“处理”或“电脑运算”或“计算”或“确定”或“显示”等术语的讨论指的是计算机***或类似的电子计算设备的动作和处理，该计算机***或类似的电子计算设备操控在计算机***的寄存器和存储器中以物理(电子)量表示的数据并将其转换成与在计算机***存储器或寄存器或其他诸如信息存储、传输或显示装置中以物理量表示类似的其他数据。
本发明还涉及用于执行本文操作的设备。该设备可以为所需目的而专门建造，或者其可以包括由存储在计算机中的计算机程序选择性地激活或重新配置的通用计算机。这样的计算机程序可以存储在计算机可读存储介质中，例如但不限于任何类型的磁盘，包括软盘、光盘、CD-ROM和磁光盘、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、EPROM、EEPROM、磁卡或光卡、或适用于存储电子指令的任何类型的介质，并且每个介质都与计算机***的总线联接。
本文给出的算法和显示并非固有地与任何特定计算机或其他设备相关。各种通用***可以根据本文的教导与程序一起使用，或者可以证明方便地构建更专业的设备来执行所需的方法步骤。各种这些***所需的结构将从下面的描述中看出。另外，没有参考任何特定的编程语言来描述本发明。应当理解的是，可以使用各种编程语言来实现如本文所述的本发明的教导。
机器可读介质包括用于以机器(例如计算机)可读的形式存储或传送信息的任意机制。例如，机器可读介质包括只读存储器(“ROM”)；随机存取存储器(“RAM”)；磁盘存储介质；光学存储介质；闪速存储器装置；电的、光学、声学或其它形式的传播信号(例如，载波、红外信号、数字信号等)；等等。
尽管在阅读了前述描述之后，本发明的许多改变和修改对于本领域普通技术人员来说无疑将变得显而易见，但是应该理解的是，通过举例的方式示出和描述的任何特定实施例绝无意被视为限制。因此，对各种实施例的细节的参考并不旨在限制权利要求的范围，权利要求本身仅叙述被认为是对本发明必不可少的那些特征。

Claims (31)

1.一种喷墨打印头，包括：
多个喷口，其中所述多个喷口中的每一个包括：
喷嘴；
压力室，与所述喷嘴连接；
压电体，联接到所述压力室；以及
电极，联接到所述压电体以响应于施加到所述电极的电压而引起所述压电体的位移将压力施加到所述压力室；并且
其中，所述多个喷口中的两个或更多个的电极具有不同的尺寸，以使得在将电压施加到所述电极时，所述电极相关联的压电体具有统一的位移量，
其中第一组电极中的油墨喷口的电极具有第一宽度，并且第二组电极中的油墨喷口的电极具有多个电极的第二宽度；其中所述第一宽度与所述第二宽度不同。
2.根据权利要求1所述的打印头，其中所述电极为环形电极。
3.根据权利要求2所述的打印头，其中所述多个喷口中的两个或更多个喷口的所述电极包括具有不同环宽度的环电极。
4.根据权利要求1所述的打印头，其中所述位移量在与其对应的压力室相反的方向上。
5.根据权利要求1所述的打印头，其中所述电极电联接到所述压电体并且具有位于所述压力室上方的部分，并且其中具有不同尺寸的所述多个喷口中的两个或更多个的所述电极的重叠量不同，以使所述多个喷口中的两个或更多个喷口中的至少一个的电极位于与其相关联的压力室上方的程度，比所述两个或更多个喷口中的另一个喷口的电极位于与其相关联的压力室上方的程度更高。
6.根据权利要求1所述的打印头，其中基板形成所述压力室的一部分并且所述压电体包括压电体膜，并且其中所述喷口进一步包括：
位于所述基板顶部的共用电极，并且其中所述压电体膜位于所述共用电极的顶部，所述共用电极由所述多个喷口中的多个喷口使用。
7.一种喷墨打印头，包括：
多个喷口，其中所述多个喷口中的每一个包括：
喷嘴；
压力室，与所述喷嘴连接，并且包括基板；
共用电极，形成在所述基板的顶部，所述共用电极被所述多个喷口中的多个喷口使用；
压电体，形成在所述共用电极顶部；以及
环形电极，联接到所述压电体以响应于施加到所述环形电极的电压而引起所述压电体的位移将压力施加到所述压力室；并且
其中所述多个喷口中的两个或更多个的电极包括具有不同环宽度的环电极，以使得在将电压施加到所述电极时，所述电极相关联的压电体具有统一的位移量。
8.根据权利要求7所述的打印头，其中所述环宽度中的每一个是在与所述环形电极的环形状的圆周方向正交的宽度方向上的长度。
9.根据权利要求7所述的打印头，其中第一组电极中的油墨喷口的所述环形电极具有第一宽度，并且第二组电极中的油墨喷口的电极具有多个电极的第二宽度，其中所述第一宽度与所述第二宽度不同。
10.根据权利要求7所述的打印头，其中所述位移量在与其对应的压力室相反的方向上，所述位移量由于凸状位移而增加了相应压力室的体积。
11.根据权利要求7所述的打印头，其中所述环形电极电连接到所述压电体并且具有位于所述压力室上方的部分，并且其中具有不同尺寸的多个喷口中的两个或更多个的所述环形电极的重叠量不同，以使所述多个喷口中的两个或更多个喷口中的至少一个的环形电极位于与其相关联的压力室上方的程度，比所述两个或更多个喷口中的另一个喷口的电极位于与其相关联的压力室上方的程度更高。
12.一种压电元件的制造方法，所述方法包括：
在基板上形成共用电极；
在所述共用电极上形成压电体膜；
在压电体膜的另一个表面上形成多个单独电极，所述多个单独电极中的至少两个单独电极具有不同的尺寸，以使在将电压施加到所述至少两个单独电极时，多个单独电极相关的压电体膜具有统一的位移量。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述至少两个单独电极中的每一个为环形电极。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述至少两个单独电极包括不同环宽度的环电极。
15.根据权利要求12所述的方法，其中所述多个单独电极的第一组单独电极中的电极具有第一宽度，且所述多个单独电极的第二组电极中的电极具有多个电极的第二宽度，其中所述第一宽度与所述第二宽度不同。
16.根据权利要求12所述的方法，其中所述位移量在与对应的压力室相反的方向上。
17.根据权利要求12所述的方法，其中电极电联接到所述压电体并且具有位于由所述基板的至少一部分形成的压力室上方的部分，并且其中具有不同尺寸的多个喷口中的两个或更多个的电极的重叠量不同，以使所述多个喷口中的两个或更多个喷口中的至少一个的单独电极位于与其相关的压力室上方的程度，比所述两个或更多个喷口中的另一个喷口的单独电极位于与其相关的压力室上方的程度更高。
18.根据权利要求12所述的方法，进一步包括：通过将拐点的位置设置在与多个压电元件在所述基板上的面内位置对应的位置上，来设置与所述多个单独电极对应的所述多个压电元件的位移分布图的所述拐点，其中所述压电元件由所述共用电极、所述压电体膜以及所述单独电极组成。
19.根据权利要求18所述的方法，其中形成多个单独电极包括将单独电极形成为具有基于拐点设置成与所述基板上的面内位置对应的宽度的环宽度的环形，其中所述环宽度是在与所述环形的圆周方向正交的宽度方向上的长度。
20.根据权利要求18所述的方法，进一步包括：
形成绝缘膜，其中所述绝缘膜位于所述压电体膜和对应的单独电极之间，且通过具有环形状的开口电连接所述压电体膜和所述单独电极；并且其中
设置拐点将作为在与环形状的圆周方向正交的宽度方向上的长度的环宽度，设置为与所述基板上的面内位置对应的宽度。
21.根据权利要求18所述的方法，进一步包括：
在所述单独电极的所述压电体膜的相对侧上形成拐点调整层，其中，拐点的设置将所述单独电极与所述拐点调整层之间的重叠量设置为与所述基板上的面内位置对应的重叠量。
22.根据权利要求18所述的方法，其中设置拐点包括：从多个曝光掩模之中选择所需的曝光掩模，并且将所述多个压电元件的位移分布图的拐点的位置设置在分别与所述基板上的面内位置对应的位置处。
23.根据权利要求18所述的方法，其中所述基板被分为多个模具，并且通过步进曝光为每个模具提供多个曝光区域，并且其中设置拐点为每个曝光区域选择所需的曝光掩模。
24.根据权利要求23所述的方法，其中设置拐点选择所需的曝光掩模，以与预先计算的校正系数对应。
25.根据权利要求24所述的方法，进一步包括计算所述基板上的每个面内位置的校正系数。
26.根据权利要求25所述的方法，其中计算校正系数包括：测量所述基板上的每个面内位置的所述多个压电元件的位移量，对所述多个压电元件的位移量进行归一化以产生归一化值，并且然后计算所述归一化值的倒数作为所述校正系数。
27.根据权利要求25所述的方法，其中计算校正系数包括：测量距所述基板的面内参考点的各个距离的压电体膜的膜厚度，对各个距离的压电体膜的膜厚度进行归一化以生成归一化值，并且然后计算所述归一化值的倒数作为校正系数。
28.根据权利要求27所述的方法，其中所述参考点为所述基板的中心。
29.根据权利要求18所述的方法，其中形成压电体膜包括通过溅射法层压所述压电体膜。
30.一种喷墨头的制造方法，包括：
形成多个压力室以及连接基板中的所述多个压力室的流动路径；以及
使用根据权利要求13至29的任一项所述的压电元件的制造方法，形成分别与所述多个压力室对应的多个压电元件。
31.根据权利要求30所述的方法，其中，所述压电元件在相应的压力室的相反方向上呈凸状地被位移驱动。
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