CN1408549A - 压电式喷墨打印头及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种压电式喷墨打印头，是以一金属层及一具有槽孔的厚膜层取代陶瓷材料制成的振动层及墨腔层，并将压电层及上电极层设计于墨水腔之中，以减少喷墨打印头的厚度，进而缩小喷墨打印头的整体体积。其制造方法是形成一金属层及一下电极层于一基底上，再形成图案化的一压电层及一上电极层于下电极层上，接着形成图案化的一具有槽孔的厚膜层于金属层之上，该厚膜层与金属层构成凹槽，容纳压电层及上电极层，再贴合一具有喷孔的喷孔片于厚膜层上，其中喷孔片与厚膜层及金属层构成一墨水腔，而喷孔片的喷孔则与墨水腔相通。

Description

压电式喷墨打印头及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种压电式喷墨打印头及其制造方法，特别涉及一种以一金属层及一具有槽孔的厚膜层，取代公知的陶瓷材料，以形成压电式喷墨打印头的振动层及墨腔层的结构及其制造方法。

背景技术

传统的喷墨打印技术的主要工作原理可分为热泡式(Thermalbubble)及压电式(Piezoelectric)。热泡式喷墨打印技术是利用加热器(Heater)将墨水瞬间气化，产生高压气泡推动墨水由喷嘴射出。由于热泡式喷墨打印头的制造成本较低，业己由HP及CANON成功地商业化，并形成相当大的喷墨打印机市场。但由于其高温气化的工作原理，使得适用墨水(主要是水系溶剂)选择性低，使其延伸的应用领域有限。

压电式喷墨打印技术是利用压电陶瓷(Piezoelectric ceramic)因施加电压而产生变形，挤压液体产生高压将液体喷出。相对于热泡式喷墨打印头，压电式喷墨打印头具有下列优点：压电式喷墨打印头的墨水不会因为高温气化发生化学变化，影响颜色品质的状况；由于不需使用反复的高热应力，故具有极佳的耐久性；压电式喷墨打印头所使用的压电陶瓷的反应速度快，可提高打印速度，而热泡式喷墨打印头则会受到热传导速度的限制；压电式喷墨打印头是通过控制电压的大小来控制压电陶瓷的变形量，进而控制墨滴的大小，可提高打印的品质。

图1是公知的一种压电式喷墨打印头的剖面示意图。传统压电式喷墨打印头100的制造方法是利用陶瓷厚膜(thick film)制造方法形成的具有上电极层102(upper electrode layer)、压电层104(piezoelectriclayer)、下电极层107(lower electrode layer)、振动层108(vibratinglayer)、墨腔层110、及墨腔底膜112等陶瓷厚膜生胚(green tape)，并依照顺序将不同层的陶瓷厚膜生胚压合粘着在一起后，再进行陶瓷结构的高温烧结。例如EPSON公司所生产的压电式喷墨打印头。

请同样参考图1，压电式喷墨打印头100的工作原理是通过上电极层102及下电极层107施加电压至压电层104，由于压电层104的材质是一压电陶瓷(piezoelectric ceramic)，故压电层104会受到电压的影响而产生瞬间变形，并通过此瞬间变形来推移振动层108，以挤压墨水腔114(pressure chamber)中的墨水，并从出墨口116将墨水高压喷射出以形成墨滴，而到达纸张表面形成图文。

在公知的传统压电式喷墨打印头的制造方法中，除上电极层、下电极层采用金属外，其它器件均以陶瓷厚膜工艺制作完成后，再进行对位压合粘结以及陶瓷结构的高温烧结。然而，传统压电式喷墨打印头的制造方法具有下列缺点：

(1)由于压电式喷墨打印头的结构尺寸相当小，且其结构具有较高的精密度，因而使各层陶瓷厚膜之间进行对位压合粘结的不合格率相对提高；

(2)由于压电式喷墨打印头的结构相当复杂，在高温烧结时往往因为陶瓷材料的收缩量不均匀，造成内部结构的应力破坏，因而使成品的不合格率相对提高；

(3)由于压电式喷墨打印头的结构相当复杂，在高温烧结时会因为陶瓷材料的收缩量不均匀，将致使结构设计越致密的压电式喷墨打印头，其成品的合格率越低，因而无法增加喷墨打印头之间的密度，而限制喷墨打印的分辨率。

发明内容

本发明的目的是解决上述的问题，提供一种压电式喷墨打印头的制造方法，通过由电镀(electroplate)的方式，形成一金属层，以取代公知的以陶瓷形成的振动层，还利用压膜及曝光(photography)、显影(development)的方式，来形成一具有槽孔的厚膜层，以取代公知的以陶瓷材料形成的墨腔层，如此将可提高成品合格率及加工精密度，进而降低制造成本。

基于本发明的目的，本发明提出一种压电喷墨打印头，包括一基底，而一金属层配置于基底之上，并且一下电极层配置于金属层之上。此外，图案化的一压电层配置于下电极层之上，而图案化的一上电极层配置于压电层之上。另外，图案化的一厚膜层配置于金属层之上，其中厚膜层具有至少一槽孔，其贯穿厚膜层，并且厚膜层与金属层构成一凹槽，此凹槽容纳上电极层及压电层。而一喷孔片配置于厚膜层之上，其中喷孔片与厚膜层及金属层构成一墨水腔，并且喷孔片具有至少一喷孔，其与墨水腔相通。其中，压电式喷墨打印头还包括有一钝化层，配置介于下电极层及金属层之间，而钝化层的材质包括钝性金属或绝缘材料。

基于本发明的目的，本发明提出一种压电式喷墨打印头的制造方法，首先提供一基底，其具有一第一面及一第二面，接着以电镀的方式，依次形成一金属层及一下电极层于基底的第一面。之后，以网版印刷的方式，依次形成图案化的一压电层及一上电极层于下电极层之上。接着，以压膜及曝光显影的方式，形成图案化的一厚膜层于金属层之上，其中厚膜层具有至少一槽孔，而槽孔贯穿厚膜层，并且厚膜层与金属层构成一凹槽，而此凹槽容纳上电极层及压电层。最后，贴合一喷孔片于厚膜层之上，其中喷孔片与厚膜层及金属层构成一墨水腔，并且喷孔片具有至少一喷孔，其与墨水腔相通。其中，在形成金属层之后，还包括形成一钝化层于金属层之上，而钝化层的材质包括钝性金属或绝缘材料。此外，在形成压电层之后，还包括一烧结压电层的步骤。

本发明是以电镀的方式，利用金属材料取代公知的陶瓷材料而形成一金属层，作为喷墨打印头的振动层，由于电镀金属层的成本低于陶瓷厚膜对位压合的成本，因此可以用电镀的金属层作为振动层，可降低制造成本。

本发明以曝光显影的方式，在厚膜层上形成槽孔，其与金属层构成凹槽，使得具有槽孔的厚膜层可作为喷墨打印头的墨腔层，由于曝光显影所形成的尺寸精密度相当高，故可借此提高喷墨打印头的墨水腔结构的尺寸精密度。

本发明特别将原本形成于墨水腔之外的压电层及上电极层设计容纳于墨水腔之中，故可减少喷墨打印头的尺寸厚度，以进一步缩小喷墨打印头的整体体积。

附图说明

图1是公知的一种压电式喷墨打印头的剖面示意图；

图2A～2D是本发明实施例的压电式喷墨打印头的制造方法的剖面流程图；

图3是本发明实施例的另一种压电式喷墨打印头的剖面示意图；

图4是本发明实施例的一种具有钝化层的压电式喷墨打印头的剖面示意图；

图5是本发明实施例的另一种具有钝化层的压电式喷墨打印头的剖面示意图；

图6是本发明实施例的一种具有定位框的压电式喷墨打印头的剖面示意图。

图中标记分别为：

100：压电式喷墨打印头    102：上电极层

104：压电层              106：下电极层

108：振动层              110：墨腔层

112：墨腔底膜            114：墨水腔

116：出墨口

200：压电式喷墨打印头    202：基底

204：第一面              206：第二面

207：定位框              208：金属层

210：下电极层            212：压电层

214：上电极层            216：厚膜层

218：槽孔                220：凹槽

222：喷孔片              224：墨水腔

226：喷孔                228：钝化层

具体实施方式

请依次参考图2A～2D，是本发明实施例的压电式喷墨打印头的制造方法的剖面流程图。首先，如图2A所示，提供一基底202，例如一硅芯片(silicon wafer)，其具有一第一面204及对应的一第二面206。并例如以电镀(electroplate)的方式形成一金属层208(metal layer)于基底202的第一面204，再例如以电镀或网版印刷的方式(screenprinting)形成一下电极层210(lower electrode layer)于金属层208之上。再以网版印刷的方式形成一图案化的压电层212(piezoelectriclayer)于下电极层210之上。值得注意的是，压电层212的材质通常为一压电陶瓷(piezoelectric ceramic)，而初次网印上的压电层212为一陶瓷厚膜生胚(green tape)，必须对其进行高温烧结，以使陶瓷厚膜生胚转变成压电陶瓷。其中，压电层212的材质包括铅锆钛掺合物(lead zirconate titanate，PZT)或压电高分子，压电高分子包括聚二氟乙烯(Poly(Vinylidene Fluoride)，PVDF)。

如图2B所示，再以网版印刷的方式形成图案化的一上电极层214(upper electrode layer)于压电层212上，而上电极层214的位置对应压电层212的位置。由于上电极层214是在压电层212经过高温烧结后，才网印上压电层212，因此，上电极层214的材质不需耐高热的导电材料，而可以是熔点低于高温烧结温度的导电材料。

如图2C所示，以压膜及曝光(photography)、显影(development)的方式形成图案化的一厚膜层216于下电极层210之上，其中厚膜层216具有至少一槽孔218，其贯穿厚膜层216，并与下电极层210构成一凹槽220，而凹槽220容纳上电极层214及压电层212。其中厚膜层216的图案化的方法，是通过全面性覆盖一厚膜层216于下电极层210、上电极层214及压电层212之上。接着，再以曝光显影的方式，移除部分厚膜层216，以图案化厚膜层216，而形成至少一槽孔218，其贯穿厚膜层216。

承上所述，厚膜层216的材质例如是干膜光阻、液态光阻、正光阻、负光阻、感旋光性的聚酰亚胺(Polyimide)或感旋光性的环氧树脂(Epoxy)等感旋光性高分子。其中干膜光阻可以直接利用热压合的方式贴合于基材上，而液态光阻在使用时是一具有“可流动性”的液态感旋光性高分子，将其利用涂布的方式形成于下电极层210、压电层212及上电极层214上，之后经过硬化成型，并利用紫外线光源来曝光显影出所需要的图案。此外，压电层212若采用压电陶瓷材料，而需要进行高温烧结时，由于厚膜层216在压电层212经过高温烧结之后才配置于下电极层210之上，因此厚膜层216的材质不需耐高热材料。

如图2D所示，再以贴合的方式，贴合一喷孔片222(nozzle plate)于厚膜层216之上，其中喷孔片222封闭先前图2C所示的凹槽220的开口，而与厚膜层216及下电极层210共同形成墨水腔224(pressurechamber)的封闭空腔结构，其中喷孔片222还具有一个至数个喷孔226(nozzle)，其分别与墨水腔224相通，用以作为墨水的进出口，而完成压电式喷墨打印头200的整体制作过程。值得注意的是，压电层212若采用压电陶瓷，而需要进行高温烧结时，由于喷孔片222是在压电层212经过高温烧结之后，始贴合于厚膜层216之上的，因此喷孔片222的材质不需耐高热材料，而可由金属或聚合物(polymer)的材料制作而成。

请再参考图2D，当压电层212的材质是压电陶瓷材料，而需要进行高温烧结时，为了避免高温烧结时熔化金属层208，因此，金属层208的材质必须选择熔点大于800℃以上的金属。此外，当以电镀的方式形成金属层208时，金属层208内部的残留应力容易造成喷墨打印头在结构上的应力破坏，故金属层208的材质需采用电镀后的残留应力小且延展性好的金属。因此，金属层208的材质可包括镍(Ni)、铜(Cu)、钯(Pd)、及其合金等金属。

请同样参考图2D，当压电层212的材质采用压电陶瓷，而需进行高温烧结时，为避免压电层212与金属层208在高温环境下发生化学反应，而破坏压电陶瓷应有的压电特性，可利用以钝性金属(inertmetal)为材质的下电极层210来分隔金属层208及压电层212，以避免压电层212与金属层208两者在高温环境下发生化学反应。同样，为避免下电极层210在高温烧结时熔化，其熔点亦需大于800℃。因此，下电极层210的材质可包括金、银、铜、铂、钯及该等的合金，或是其它导电材料。

请参考图3，是本发明实施例的另一种压电式喷墨打印头的剖面示意图。与图2D不同的是，下电极层210也可图案化形成于压电层212及金属层208之间，因而使厚膜层216直接配置于金属层208之上。

请参考图4，是本发明实施例的一种具有钝化层的压电式喷墨打印头的剖面示意图。为了避免压电层212在高温烧结时，穿过下电极层210而与金属层208发生反应。因此，压电式喷墨打印头200还包括一钝化层228，其配置介于下电极层210及金属层208之间，用以避免压电层212在高温烧结时，穿过下电极层210而与金属层208发生反应。其中钝化层228的材质包括钝性金属，例如为金、银、铜、铂、钯、其合金等金属，且钝化层228的材质还包括绝缘材料，例如为氮化硅、氧化硅及氧化钽等绝缘材料。

请参考图5，是本发明实施例的另一种具有钝化层的压电式喷墨打印头的剖面示意图。与图4不同的是，下电极层210也可图案化形成于压电层212及钝化层228之间，因而使厚膜层216配置于钝化层228之上。

请参考图6，是本发明实施例的一种具有定位框的压电式喷墨打印头的剖面示意图。一般是将多个喷墨打印头200制作在一起，以便同时进行喷墨打印。本发明的实施例是在形成各喷墨器件的过程中或之后，以喷砂(sand blasting)或微影(photolithography)、蚀刻(etching)的方式，或是先喷砂后再微影蚀刻的方式，朝基底202的第二面206的方向，掏空移除部分基底202，以形成一框状的定位框207于多个喷墨打印头200的金属层208的背面四周，使其得以定位于墨水匣之上。

依照本发明的特征，利用金属取代公知的陶瓷材料，而以电镀的方式形成一金属层，用以作为喷墨打印头的振动层。此外，以压膜及曝光显影的方式，形成一具有至少一槽孔的厚膜层，其中此槽孔将与金属层构成一凹槽，使得具有槽孔的厚膜层可作为喷墨打印头的墨腔层，由于电镀及曝光显影所形成的精密度均相当高，故可借此提高喷墨打印头的墨水腔结构的精密度，并提高成品的合格率。

依照本发明的特征，以电镀、压膜及曝光显影的方式，形成金属层、下电极层及一具有槽孔厚膜层，其加工精密度高于公知的以陶瓷厚膜对位压合及高温烧结后的加工精密度，故可进一步增加喷墨打印头之间的密度，以提高喷墨打印的分辨率。

依照本发明的特征，本发明是以钝性金属作为下电极层的材质，以避免在高温烧结时，金属层及压电层之间发生化学变化，因而影响到压电层的应有的压电特性。

依照本发明的特征，本发明形成一钝化层介于下电极层及金属层之间，以避免在高温烧结时，压电层穿过下电极层而与金属层发生化学变化，因而影响到压电层的应有的压电特性

依照本发明之特征，是将原本形成于墨水腔之外的压电层，设计位于墨水腔之中，故可减少喷墨打印头的厚度，以进一步缩小喷墨打印头的整体体积。

综上所述，本发明的压电式喷墨打印头的制造方法具有下列优点：

(1)本发明的压电式喷墨打印头的制造方法，是以金属取代公知的以陶瓷材料制成的振动层，以减少陶瓷材料的使用，由于金属的导热性及延展性均优于陶瓷，故可改善陶瓷在高温烧结时，喷墨打印头的结构发生应力破坏的现象。此外，由于金属层的电镀成本低于公知的陶瓷材料的对位压合及高温烧结的成本，故可降低成品的制造成本。

(2)本发明的压电式喷墨打印头的制造方法，是以电镀、压膜及曝光显影的方式，形成金属层、下电极层及具有槽孔的厚膜层，再对位贴合一喷孔片以构成喷墨打印头的墨水腔结构，其加工精密度将大于公知的以陶瓷厚膜对位压合及高温烧结后的加工精密度，故可进一步增加喷墨打印头的密度，以提高喷墨打印的分辨率。

(3)本发明的压电式喷墨打印头的制造方法，是将原先位于墨水腔外之压电层及上电极层，设计其位于墨水腔之中，以减少喷墨打印头的厚度，进一步缩小喷墨打印头的整体体积。

虽然本发明已以一较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明的范围，任何熟悉该项技术的人员，在不脱离本发明的精神和范围内所作的更动与润饰，均属于本发明的范围。

Claims (40)

1.一种压电式喷墨打印头，其特征在于：至少包括：

一基底；

一金属层，配置于该基底之上；

一下电极层，配置于该金属层之上；

图案化的一压电层，配置于该下电极层之上；

图案化的一上电极层，配置于该压电层之上；

图案化的一厚膜层，配置于该金属层之上，其中该厚膜层具有至少一槽孔，而该槽孔贯穿该厚膜层，并且该厚膜层与该金属层构成一凹槽，该凹槽容纳该上电极层及该压电层；

一喷孔片，配置于该厚膜层之上，其中该喷孔片与该厚膜层及该金属层构成一墨水腔，并且该喷孔片具有至少一喷孔，而该喷孔与该墨水腔相通。

2.根据权利要求1所述的压电式喷墨打印头，其特征在于：该基底包括一硅芯片。

3.根据权利要求1所述的压电式喷墨打印头，其特征在于：该基底约略呈框状，其位于该金属层的背面四周。

4.根据权利要求l所述的压电式喷墨打印头，其特征在于：该金属层的质是选自于由镍、铜、钯、该等的合金及该等的组合所组成族群中的一种材质。

5.根据权利要求1所述的压电式喷墨打印头，其特征在于：该下电极层的材质包括钝性金属。

6.根据权利要求1所述的压电式喷墨打印头，其特征在于：该下电极层的材质是选自于由金、银、铜、铂、钯、该等的合金及该等的组合所组成族群中的一种材质。

7.根据权利要求1所述的压电式喷墨打印头，其特征在于：还包括一钝化层，配置介于该下电极层及该金属层之间。

8.根据权利要求7所述的压电式喷墨打印头，其特征在于：该钝化层的材质包括钝性金属。

9.根据权利要求7所述的压电式喷墨打印头，其特征在于：该钝化层的材质是选自于由金、银、铜、铂、钯、该等的合金及该等的组合所组成族群中的一种材质。

10.根据权利要求7所述的压电式喷墨打印头，其特征在于：该钝化层的材质包括绝缘材料。

11.根据权利要求7所述的压电式喷墨打印头，其特征在于：该钝化层的材质包括氮化硅、氧化硅及氧化钽其中之一。

12.根据权利要求1所述的压电式喷墨打印头，其特征在于：该压电层的材质包括铅钛锆掺合物。

13.根据权利要求1所述的压电式喷墨打印头，其特征在于：该压电层的材质包括聚二氟乙烯。

14.根据权利要求1所述的压电式喷墨打印头，其特征在于：该厚膜层的材质是选自于由干膜光阻、液态光阻、正光阻、负光阻、感旋光性的聚酰亚胺及感旋光性的环氧树脂所组成族群中的一种材质。

15.根据权利要求l所述的压电式喷墨打印头，其特征在于：该喷孔片的材质包括金属及聚合物其中之一。

16.一种压电式喷墨打印头的制造方法，其特征在于：至少包括下列步骤：

提供一基底；

形成一金属层于该基底之上；

形成一下电极层于该金属层之上；

形成图案化的一压电层于该下电极层之上；

形成图案化的一上电极层于该压电层之上；

形成图案化的一厚膜层于该金属层之上，其中该厚膜层具有至少一槽孔，而该槽孔贯穿该厚膜层，并且该厚膜层与该金属层构成一凹槽，而该凹槽容纳该上电极层及该压电层；

贴合一喷孔片于该厚膜层之上，其中该喷孔片与该厚膜层及该金属层构成一墨水腔，并且该喷孔片具有至少一喷孔，而该喷孔与该墨水腔相通。

17.根据权利要求16所述的压电式喷墨打印头的制造方法，其特征在于：在形成该压电层之后，还包括一烧结该压电层的步骤。

18.根据权利要求16所述的压电式喷墨打印头的制造方法，其特征在于：该基底包括一硅芯片。

19.根据权利要求16所述的压电式喷墨打印头的制造方法，其特征在于：还包括移除部分该基底，以形成一定位框。

20.根据权利要求19所述的压电式喷墨打印头的制造方法，其特征在于：部分该基底的移除方法包括喷砂。

21.根据权利要求19所述的压电式喷墨打印头的制造方法，其特征在于：部分该基底的移除方法包括微影蚀刻。

22.根据权利要求19所述的压电式喷墨打印头的制造方法，其特征在于：部分该基底的移除方法包括依次利用喷砂及微影蚀刻来移除部分该基底。

23.根据权利要求16所述的压电式喷墨打印头的制造方法，其特征在于：该金属层的形成方法包括电镀。

24.根据权利要求16所述的压电式喷墨打印头的制造方法，其特征在于：该金属层的材质是选自于由镍、铜、钯、该等的合金及该等的组合所组成族群中的一种材质。

25.根据权利要求16所述的压电式喷墨打印头的制造方法，其特征在于：该下电极层的形成方法包括电镀。

26.根据权利要求16所述的压电式喷墨打印头的制造方法，其特征在于：该上电极层的形成方法包括网版印刷。

27.根据权利要求16所述的压电式喷墨打印头的制造方法，其特征在于：该下电极层的材质包括钝性金属。

28.根据权利要求16所述的压电式喷墨打印头的制造方法，其特征在于：该下电极层的材质是选自于由金、银、铜、铂、钯、该等的合金及该等的组合所组成族群中的一种材质。

29.根据权利要求16所述的压电式喷墨打印头的制造方法，其特征在于：在形成该金属层之后，还包括形成一钝化层于该金属层之上。

30.根据权利要求29所述的压电式喷墨打印头的制造方法，其特征在于：该钝化层的材质包括钝性金属。

31.根据权利要求29所述的压电式喷墨打印头的制造方法，其特征在于：该钝化层的材质是选自于由金、银、铜、铂、钯、该等的合金及该等的组合所组成族群中的一种材质。

32.根据权利要求29所述的压电式喷墨打印头的制造方法，其特征在于：该钝化层的材质包括绝缘材料。

33.根据权利要求29所述的压电式喷墨打印头的制造方法，其特征在于：该钝化层的材质包括氮化硅、氧化硅及氧化钽其中之一。

34.根据权利要求16所述的压电式喷墨打印头的制造方法，其特征在于：该压电层的形成方法包括网版印刷。

35.根据权利要求16所述的压电式喷墨打印头的制造方法，其特征在于：该压电层的材质包括铅钛锆掺合物。

36.根据权利要求16所述的压电式喷墨打印头的制造方法，其特征在于：该压电层的材质包括聚二氟乙烯。

37.根据权利要求16所述的压电式喷墨打印头的制造方法，其特征在于：该上电极层的形成方法包括网版印刷。

38.根据权利要求16所述的压电式喷墨打印头的制造方法，其特征在于：该厚膜层的材质是选自于由干膜光阻、液态光阻、正光阻、负光阻、感旋光性的聚酰亚胺及感旋光性的环氧树脂所组成族群中的一种材质。

39.根据权利要求16所述的压电式喷墨打印头的制造方法，其特征在于：该厚膜层的图案化的形成方法包括曝光显影。

40.根据权利要求16所述的压电式喷墨打印头的制造方法，其特征在于：该喷孔片的材质包括金属及聚合物其中之一。

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