CN114771102A - 一种压电式喷墨打印机喷头及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种压电式喷墨打印机喷头及其制备方法，压电式喷墨打印机喷头，包括相互键合的玻璃基片和硅基片，玻璃基片与硅基片之间构成喷液通路，喷液通路包括沿进液流向依次分布的进液通道、进液储液池、限流通道、喷液储液池和喷嘴，喷液储液池的背面为振动面，振动面之外设有压电层，压电层与驱动电路连接，用于驱动振动面振动；所述喷嘴两侧分别设有切割驱动件，通过延时电路控制切割驱动件驱动喷嘴的两侧以切割喷嘴处的墨滴速度达到最大值的墨滴。本发明利用延时电路和切割驱动件，在喷嘴处挤出墨滴速度达到最大值时将墨滴切割，得到最大速度的墨滴，避免喷墨过程中长尾柱的形成，使得墨滴不会在喷出过程中发生破碎形成卫星液滴。

Description

一种压电式喷墨打印机喷头及其制备方法

技术领域

本发明属于喷墨打印机喷头技术领域，具体涉及一种压电式喷墨打印机喷头及其制备方法。

背景技术

现有各种打印技术的墨滴喷出过程中，墨滴易形成长尾柱，由于瑞利-普拉托不稳定性而发生断裂之后有可能形成卫星墨滴，速度足够快的卫星墨滴可以追上主墨滴并融合为一个墨滴，而速度不够快的卫星墨滴则无法同主墨滴融合，会在主墨滴喷到基底之后抵达基底，对打印图像的精度造成影响。

目前，对于压电式喷墨打印机喷头，长尾柱断裂成主墨滴和卫星墨滴这一过程，主要受到墨滴自身粘性和张力以及施加电压脉冲的影响；通过设置合适的电压脉冲，可以抑制卫星墨滴的产生，但是电压脉冲与墨滴的速度与体积有关，在设计电压脉冲信号来抑制卫星墨滴时难免受到喷出墨滴体积和速度的限制。

发明内容

基于现有技术存在的上述缺陷，本发明的目的是提供一种压电式喷墨打印机喷头及其制备方法。

为了实现以上发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种压电式喷墨打印机喷头，包括相互键合的玻璃基片和硅基片，玻璃基片与硅基片之间构成喷液通路，喷液通路包括沿进液流向依次分布的进液通道、进液储液池、限流通道、喷液储液池和喷嘴，喷液储液池的背面为振动面，振动面之外设有压电层，压电层与一驱动电路连接，用于驱动振动面振动；

所述喷嘴两侧分别设有切割驱动件，通过一延时电路控制切割驱动件驱动喷嘴的两侧以切割喷嘴处的墨滴速度达到最大值的墨滴。

作为优选方案，所述喷液通路的进液储液池、限流通道、喷液储液池位于玻璃基片；

所述喷液通路的进液通道和喷嘴位于硅基片。

作为优选方案，所述喷液通路的进液储液池、限流通道、喷液储液池沿玻璃基片与硅基片的键合面分布，且各自的开口均朝向键合面。

作为优选方案，所述压电层包括依次叠设的第一电极层、第一PZT压电层和第二电极层，第一电极层设于振动面上。

作为优选方案，所述第一PZT压电层包裹第一电极层的一侧，导线分别从压电层的两侧引出。

作为优选方案，所述硅基片具有分别位于喷嘴两侧的切割驱动件安装槽。

作为优选方案，所述切割驱动件包括沿切割驱动件安装槽由内向外依次叠设的第三电极层、第二PZT压电层和第四电极层，第二PZT压电层包裹第四电极层的两侧。

作为优选方案，所述延时电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C1、JFETQ1、NMOS管Q2和PMOS管Q3，电阻R1的一端用于输入脉冲信号，另一端连接JFETQ1的栅极和电阻R2，电阻R2的另一端接地；电阻R3一端连接+5V，另一端与NMOS管Q2的栅极、PMOS管Q3的栅极和JFETQ1的源极相连；电容C1与电阻R4并联，一端连接JFETQ1的漏极，另一端接地；PMOS管Q3的源极和衬底接+5V，其漏极与NMOS管Q2的衬底以及输出相连；NMOS管Q2的源极和衬底接地；

连接压电层的第二电极层的输入信号同时作为延时电路的输入信号，延时电路的输出信号连接到切割驱动件的第三电极层。延时电路可以将输入的梯形波信号转化为延时发生的方波信号，其延时时间可以通过调节电阻R4改变。

作为优选方案，所述喷液通路有多条且阵列式分布。

本发明还提供如上一方案所述的一种压电式喷墨打印机喷头的制备方法，包括以下步骤：

S1、选取一玻璃基片，在玻璃基片正面依次加工第一电极层、第一PZT压电层和第二电极层；之后，采用金属溅射工艺在玻璃基片背面刻蚀出进液储液池、限流通道、喷液储液池；

S2、选取一硅基片，采用反应离子刻蚀工艺在硅基片背面刻蚀出切割驱动件安装槽；之后采用高温氧化工艺氧化整个硅基片，接着切割驱动件安装槽内依次加工第三电极层、第二PZT压电层和第四电极层；然后在硅基片背面刻蚀出进液通道和喷嘴口；采用反应离子刻蚀工艺刻蚀硅基片正面的氧化层；

S3、采用BOE溶液漂洗硅基片和玻璃基片，之后将玻璃基片与硅基片键合。

与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：

本发明利用延时电路和切割驱动件，在喷嘴处挤出墨滴速度达到最大值时将墨滴切割，得到最大速度的墨滴，避免喷墨过程中长尾柱的形成，使得墨滴不会在喷出过程中发生破碎形成卫星液滴；通过外部结构来控制墨滴的速度和形成，可以避免对于输入电压脉冲和喷头尺寸的限制，在工艺允许下可以进一步缩小喷头尺寸，从而提高喷头排列密度，同时提高墨滴喷出的速度，减少脉冲保持时间，达到高速打印的效果。

附图说明

图1为本发明实施例1的压电式喷墨打印机喷头的平面结构示意图；

图2为本发明实施例1的压电式喷墨打印机喷头的整体结构示意图；

图3为本发明实施例1的压电式喷墨打印机喷头的玻璃基片部分结构示意图；

图4为本发明实施例1的压电式喷墨打印机喷头的硅基片部分结构示意图；

图5为本发明实施例1的压电式喷墨打印机喷头的压电层的电极导线连接示意图；

图6为本发明实施例1的压电式喷墨打印机喷头的切割驱动件的电极导线连接示意图；

图7为本发明实施例1的压电式喷墨打印机喷头的延时电路的电路图；

图8为本发明实施例1的压电式喷墨打印机喷头的延时电路的输入输出波形图；

图9为本发明实施例1的压电式喷墨打印机喷头的制备工艺流程图。

其中：1.玻璃基片；11.第一电极层；12.PZT压电层；13.第二电极层；14.墨滴储液池；15.墨滴限流管；16.振动板；2.硅基片；21.第三电极层；22.PZT推进层；23.第四电极层；24.喷嘴；25.进液管。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

实施例1：

如图1-6所示，本实施例的压电式喷墨打印机喷头，包括相互键合的玻璃基片1和硅基片2，玻璃基片1与硅基片2之间构成阵列式喷液通路，喷液通路包括沿进液流向依次分布的进液通道25、进液储液池14、限流通道15、喷液储液池14和喷嘴24。

其中，喷液通路的进液储液池14、限流通道15、喷液储液池14位于玻璃基片1，喷液通路的进液通道25和喷嘴24位于硅基片2。另外，阵列式喷液通路中的各喷液通路的进液通道共用同一进液通道，各喷液通路的进液储液池14合一构成一个大的进液储液池；限流通道15、喷液储液池14和喷嘴24均是各自独立设置。

喷液通路的进液储液池14、限流通道15、喷液储液池14沿玻璃基片1与硅基片2的键合面分布，且各自的开口均朝向键合面。

本实施例的玻璃基片1和硅基片2上下正对分布的结构在键合后合并形成喷液通路。

喷液储液池14的背面为振动面，振动面之外设有压电层，压电层与驱动电路连接，用于驱动振动面振动。具体地，压电层包括依次叠设的第一电极层11、PZT压电层12、第二电极层13，第一电极层11设于振动面上。其中，如图5所示，压电层的PZT压电层12覆盖第一电极层11的一侧，导线分别从压电层的两侧引出，即从第一电极层11和第二电极层13两侧连出，避免短路。

本实施例在硅基片2的键合面的背面对应于喷嘴的两侧分别设有切割驱动件，通过延时电路驱动切割驱动件切割喷嘴处的墨滴速度达到最大值的墨滴。其中，硅基片2具有分别位于喷嘴两侧的切割驱动件安装槽，用于安装切割驱动件。具体地，切割驱动件包括沿切割驱动件安装槽由内向外依次叠设的第三电极层21、PZT压电层22和第四电极层23，如图6所示，PZT压电层22包裹第四电极层23的两侧，导线从第三电极层21一侧和第四电极层23的下方连出，避免短路。

另外，如图7所示，本实施例的延时电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C1、JFETQ1、NMOS管Q2和PMOS管Q3，电阻R1的一端用于输入脉冲信号，另一端连接JFETQ1的栅极和电阻R2，电阻R2的另一端接地；电阻R3一端连接+5V，另一端与NMOS管Q2的栅极、PMOS管Q3的栅极和JFETQ1的源极相连；电容C1与电阻R4并联，一端连接JFETQ1的漏极，另一端接地；PMOS管Q3的源极和衬底接+5V，其漏极与NMOS管Q2的衬底以及输出相连；NMOS管Q2的源极和衬底接地；连接压电层的第二电极层的输入信号同时作为延时电路的输入信号，延时电路的输出信号连接到切割驱动件的第三电极层。

其中，延时电路的R1、R2、R3、R4、C1和Q1构成一个开关，未达到导通电压的时候，在Q1的源极输出高电平，达到导通电压后输出低电平，R1与R2的作用是分压，控制Q1栅极的电压，C1使Q1在导通时短路输出低电平，R3和R4通过控制漏电流来控制Q1的启动电压。输入梯形脉冲，当脉冲上升沿到达启动电压时，Q1源极输出低电平；当脉冲下降沿到达启动电压时，Q1源极输出高电平，同时将梯形脉冲转换为方波脉冲，如图8所示。Q2和Q3构成反相器，使Q1源极输出的方波信号反相，使得输入梯形脉冲，当脉冲上升沿到达启动电压时，电路输出高电平，脉冲下降沿到达启动电压时，电路输出低电平。延时电路通过调节电阻R4即可调节方波信号的延时。

电路制作时，根据输入的梯形波信号选用合适的电阻R4以得到想要的延时，在本实施例中采用脉冲上升时间为150μs，脉冲保持时间为100μs，脉冲下降时间为150微秒，脉冲最大电压为5V的信号，脉冲使得PZT压电层22工作，推动喷嘴24挤压切割墨滴，实现无卫星墨滴产生，提高打印机打印质量。

如图9所示，本实施例的压电式喷墨打印机喷头的制备方法，包括步骤：

S1.选取4inch玻璃基片1，采用金属溅射、光刻工艺在玻璃基片正面制备第一电极层11，

S2.采用光刻工艺和PECVD工艺，在玻璃基片1的第一电极层11正上方沉积PZT压电层12；

S3.采用光刻工艺和金属溅射工艺，在玻璃基片1的PZT压电层12上制备第二电极层13；

S4.采用光刻工艺，将限流通道15图形转移到玻璃基片1背面，并采用反应离子刻蚀工艺，刻蚀制备出限流通道15；

S5.采用光刻工艺，将墨滴储液池14图形转移到玻璃基片1背面，并采用反应离子刻蚀工艺，刻蚀制备出墨滴储液池14；(玻璃基片部分完成)

S6.选取4inch硅基片2，采用光刻工艺，将推进槽图形转移到硅基片2背面，并采用反应离子刻蚀工艺，刻蚀制备出推进槽；

S7.采用高温氧化工艺，氧化整片硅基片；

S8.采用光刻工艺和金属溅射工艺，在硅基片2背面制备第三电极21；

S9.采用光刻工艺和PECVD工艺，在硅基片背面的第三电极层21之外沉积PZT压电层22；

S10.采用光刻工艺和金属溅射工艺，在硅基片2背面的PZT压电层22之外制备第四电极层23；

S11.采用光刻工艺，将进液通道25和喷嘴口24图形转移到硅基片1背面，并采用深反应离子刻蚀工艺，刻蚀制备出进液通道25和喷嘴口24；

S12.采用反应离子刻蚀工艺，刻蚀硅基片2正面的氧化层；

S13.采用BOE溶液漂洗硅基片2正面、玻璃基片1，并采用硅-玻璃键合工艺，完成两片键合。

使用时，当打印信息传送到打印机时，驱动电路在第一电极层11、第二电极层13产生梯形波信号，同时通过延时电路在第三电极层21、第四电极层23产生方波信号，PZT压电层12在梯形波上升沿信号到来时，发生形变，推动振动板振动，使墨水从喷嘴24喷出，在100μs时，墨滴速度达到最大值，方波信号上升沿到来，PZT压电层22发生形变，挤压喷嘴24使墨滴被切割，产生足够小的液滴并避免卫星液滴的产生；在梯形波下降沿到来时，PZT压电层12收缩，推动振动面振动，通过限流通道15从进液储液池14补充墨水，PZT压电层22在梯形波的下降沿到来时收缩，使喷嘴24打开，喷嘴24处墨水被回收。

本实施例的压电式喷墨打印机喷头在传统喷墨打印机喷头的基础上，增加了由延时电路控制的切割驱动件，避免了墨滴在喷射过程中产生长尾柱，同时可以增加墨滴的速度、减小墨滴的体积，解决了因喷头尺寸过小而导致墨滴无法喷出的问题，在工艺允许的情况下可以进一步减小喷头尺寸，使喷头的排列更加紧密。

实施例2：

本实施例的压电式喷墨打印机喷头与实施例1的不同之处在于：

阵列式喷液通路中的喷液通路的数量不限于实施例1中图示的5条，还可以根据实际应用需求进行数量调整；

其他结构可以参考实施例1。

以上所述仅是对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种压电式喷墨打印机喷头，其特征在于，包括相互键合的玻璃基片和硅基片，玻璃基片与硅基片之间构成喷液通路，喷液通路包括沿进液流向依次分布的进液通道、进液储液池、限流通道、喷液储液池和喷嘴，喷液储液池的背面为振动面，振动面之外设有压电层，压电层与一驱动电路连接，用于驱动振动面振动；

所述喷嘴两侧分别设有切割驱动件，通过一延时电路控制切割驱动件驱动喷嘴的两侧以切割喷嘴处的墨滴速度达到最大值的墨滴。

2.如权利要求1所述的一种压电式喷墨打印机喷头，其特征在于，所述喷液通路的进液储液池、限流通道、喷液储液池位于玻璃基片；

所述喷液通路的进液通道和喷嘴位于硅基片。

3.如权利要求2所述的一种压电式喷墨打印机喷头，其特征在于，所述喷液通路的进液储液池、限流通道、喷液储液池沿玻璃基片与硅基片的键合面分布，且各自的开口均朝向键合面。

4.如权利要求3所述的一种压电式喷墨打印机喷头，其特征在于，所述压电层包括依次叠设的第一电极层、第一PZT压电层和第二电极层，第一电极层设于振动面上。

5.如权利要求4所述的一种压电式喷墨打印机喷头，其特征在于，所述第一PZT压电层包裹第一电极层的一侧，导线分别从压电层的两侧引出。

6.如权利要求4所述的一种压电式喷墨打印机喷头，其特征在于，所述硅基片具有分别位于喷嘴两侧的切割驱动件安装槽。

7.如权利要求6所述的一种压电式喷墨打印机喷头，其特征在于，所述切割驱动件包括沿切割驱动件安装槽由内向外依次叠设的第三电极层、第二PZT压电层和第四电极层，第二PZT压电层包裹第四电极层的两侧。

8.如权利要求7所述的一种压电式喷墨打印机喷头，其特征在于，其特征在于，所述延时电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C1、JFETQ1、NMOS管Q2和PMOS管Q3，电阻R1的一端用于输入脉冲信号，另一端连接JFETQ1的栅极和电阻R2，电阻R2的另一端接地；电阻R3一端连接+5V，另一端与NMOS管Q2的栅极、PMOS管Q3的栅极和JFETQ1的源极相连；电容C1与电阻R4并联，一端连接JFETQ1的漏极，另一端接地；PMOS管Q3的源极和衬底接+5V，其漏极与NMOS管Q2的衬底以及输出相连；NMOS管Q2的源极和衬底接地；

连接压电层的第二电极层的输入信号同时作为延时电路的输入信号，延时电路的输出信号连接到切割驱动件的第三电极层。

9.如权利要求1-8任一项所述的一种压电式喷墨打印机喷头，其特征在于，其特征在于，所述喷液通路有多条且阵列式分布。

10.如权利要求7所述的一种压电式喷墨打印机喷头的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、选取一玻璃基片，在玻璃基片正面依次加工第一电极层、第一PZT压电层和第二电极层；之后，采用金属溅射工艺在玻璃基片背面刻蚀出进液储液池、限流通道、喷液储液池；

S2、选取一硅基片，采用反应离子刻蚀工艺在硅基片背面刻蚀出切割驱动件安装槽；之后采用高温氧化工艺氧化整个硅基片，接着切割驱动件安装槽内依次加工第三电极层、第二PZT压电层和第四电极层；然后在硅基片背面刻蚀出进液通道和喷嘴口；采用反应离子刻蚀工艺刻蚀硅基片正面的氧化层；

S3、采用BOE溶液漂洗硅基片和玻璃基片，之后将玻璃基片与硅基片键合。

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