CN1515411A - 压电喷墨头墨水腔结构及其制作方法 - Google Patents

Abstract

一种压电喷墨头墨水腔结构及其制作方法。其结构包括有：一基板；一凹槽形成于上述基板上，其开口的截面积大于其底部的截面积，用以提供作为一墨水腔；一振动层，是形成于上述凹槽的开口上；以及一压电组件，是形成于上述振动层上。

Description

压电喷墨头墨水腔结构及其制作方法

                                技术领域

本发明涉及一种压电喷墨头墨水腔的结构及其制作方法，特别是涉及一种能放大压电组件所施加压力的墨水腔的结构及其制作方法。

                                背景技术

在计算机打印设备的主流产品中，喷墨打印机的打印技术是将精确体积的微量墨水液滴快速地以计算机数值驱动放置于精确的特定位置，不但可提供高分辨率、全彩的图片输出，还可满足电子工业制造技术对自动化、微小化、降低成本、降低时程、减少环境的冲击等的要求与趋势。

压电式喷墨技术为一种已经被成功地商业化的喷墨技术，其原理是利用压电陶瓷因施加电压而产生的形变，使墨水腔变形，导致墨水腔内产生压力，挤压腔内液体而将液体喷出。第1图为一弯曲型压电式喷墨头，其显示一代表性的压电变形机制。

如第1图所示，此压电式喷墨头是由一压电陶瓷片(piezoceramic)10、振动片(diaphragm)11、压力舱(pressure chamber)12、入口(inlet)13、管道(manifold)14及喷嘴(orifice)15所组成。当压电陶瓷片10接受控制电路16所施加的电压，产生变形，但受到振动片11的牵制，因而形成侧向弯曲挤压压力舱12的液体。在喷嘴15处的液体因承受内外压力差而加速运动，形成速度渐增的突出液面。其后虽然作用于压电陶瓷片10的电压在适当时间释放，液体压力下降，喷嘴15处液滴仍因惯性缘故，克服表面张力的牵绊而脱离。

墨水腔的制法，如日本专利公告号为10-286955《喷墨打印机喷墨头及其制造方法》中所提，可在硅基板上直接用微影蚀刻制作过程制作墨水腔，其制作方法如第2a～2f图所示。首先，如第2a图所示，提供一硅基板20，并在其上下表面分别形成热氧化膜22，之后再在其上表面的热氧化膜22上方依序形成共通电极23、压电片24及上电极25。

接着，如第2b图所示，在上电极25上方形成一光阻层26，并利用光罩将光阻层26依预定图案曝光显影，将其加以图案化。

然后，如第2c图所示，以光阻层26作为罩幕，将上电极25及压电片24加以蚀刻后，剥离光阻层26，得压电组件27。

接着，如第2d图所示，在形成压电组件27的相反侧面，形成光阻层28，并利用光罩将光阻层28依预定图案曝光显影，将其加以图案化。

然后，如第2e图所示，以光阻层28作为罩幕，用湿蚀刻制作过程将硅基板20加以蚀刻后，剥离光阻层28，形成墨水腔29等的墨水头机台。

最后，如第2f图所示，在对应墨水压力室29的位置，将具有喷嘴30的喷孔片31利用黏着剂等方式与墨水头机台接和，而形成喷墨头。

然而上述制作过程中遇到下列问题：在蚀刻硅基板20的过程中，若考虑到制作过程的便利性及生产成本的花费，而使用成本较为低廉的湿蚀刻方式，则由于硅芯片本身的晶体结构为(100)方向，将使得蚀刻后得到的墨水腔29凹槽其截面积随蚀刻深度增加而减小，也即其壁部32将无法垂直与凹槽底部33，而成倾斜角度。由于其往喷嘴方向扩大的截面积，使得喷嘴之间的间距必须拉大，在追求提高喷墨性能的分辨率的同时，此为相当不利的缺点。此现象另一导致的缺点为：在墨水腔29经由后续制作过程覆盖上喷孔片31而完成喷墨头后，由于其往喷嘴30方向扩大的截面积，将使压电组件27致动后对墨水腔29施予的压力，无法藉由具有较小截面积的凹槽底部33，有效传递至喷嘴30部位。

为避免上述现象发生，改进方法有选择特定晶面的硅芯片作为基板，如具有(110)晶面的硅芯片，但仍无法全面性的形成垂直于凹槽底部的四壁。另一方法为改用干蚀刻方式进行蚀刻制作过程，然而使用干蚀刻制作过程所需的生产成本却高达湿蚀刻方式的20～30倍左右。

有鉴于此，为了有效解决上述问题，亟需开发一种新的墨水腔结构及其制作过程，不仅能将压电组件所施加压力扩大地施加至喷墨孔，且可达降低制作成本以及提高喷孔的积集度等目的。

                                发明内容

本发明的主要目的在于提出一种压电喷墨头墨水腔结构及其制作方法。其不仅能将压电组件所施加压力放大地施加至喷墨孔，且可达降低制作成本以及提高喷孔的积集度等目的。

本发明提出一种压电喷墨头墨水腔结构，包含有一基板；一凹槽形成于上述基板上，其开口的截面积大于其底部的截面积，用以提供作为一墨水腔；一振动层，是形成于上述凹槽的开口上；以及一压电组件，是形成于上述振动层上。

根据上述结构，本发明的一特征在于，所形成的墨水腔具有一截面积大小不同的几何空间，且此截面积在接近压电组件一端较大，而在连接喷孔片一端较小。此呈椎状的几何空间，由于其往喷嘴方向缩小的截面积，将使压电组件致动后对墨水腔施予的压力，藉由具有较大截面积的顶部，有效并扩大地传递至喷嘴部位，提供墨水腔内的墨水更大的压力，而使其由喷嘴喷出。

根据上述结构，本发明的一优点在于，由于墨水腔呈椎状的几何空间，由连接压电组件一端缩小至连接喷孔片一端，且由于有效扩大压电组件施予墨滴的压力，故墨水腔所需的截面积可以减小，而在设计喷墨头时，可提高喷孔的积集度，而帮助提升分辨率。

本发明的另一特征在于，可使用湿蚀刻硅芯片的方式制作墨水腔，不仅可轻易完成本发明所提的压电喷墨头墨水腔结构，也可维持低廉的生产成本，符合商业化的大量生产需求。

                                附图说明

第1图显示现有的一种压电式喷墨头的剖面示意图。

第2a至2f图显示现有的一种压电式喷墨头的制作流程的剖面示意图。

第3a至3d图显示本发明实施例的压电式喷墨头的制作流程剖面示意图。

                              具体实施方式

本发明提出一种压电喷墨头墨水腔结构及其制作方法，其不仅能将压电组件所施加压力扩大地施加至喷墨孔，且可达降低制作成本以及提高喷孔的积集度等目的。至于喷孔的数量、排列方式以及尺寸是属于选择设计，本发明的实施例并未加以限定。此外，有关打印头芯片的喷墨槽的制作，可在制作喷墨腔之前进行，或是在制作完成喷墨腔图案之后进行。以下是以举例说明本发明提出的压电喷墨头墨水腔结构及其制作方法。

请参阅第3a～3d图，其显示本发明的压电喷墨头墨水腔其制作流程的剖面示意图。

首先，如第3a图所示，提供一硅基板20，如为一结晶结构为(100)或(110)方向的硅晶圆。

接着，如第3b图所示，在硅基板20下方表面形成一光阻层26。

然后，如第3c图所示，以光阻层26作为罩幕，用如湿蚀刻等方式将硅基板20由下往上加以蚀穿后，剥离光阻层26，形成墨水腔29。且由于硅芯片具有(100)的晶面结构，故蚀刻后所形成的墨水腔，其具有一呈椎状的几何空间，其截面积由上方一端往下端扩大。

接着，如第3d图所示，在硅基板20下方表面，进行振动片21的贴合。振动片21可为硅晶圆、金属片，或陶瓷片，在此选用硅晶圆。晶圆贴合方式可采用高温加压方式，首先在硅基板20表面涂布含氢键溶剂，用以助于贴合后固定位置，之后再利用压力将硅基板20与作为振动片的硅晶圆21加以贴合。另外也可采用接着剂将硅基板20与作为振动片的硅晶圆21加以贴合，所使用的接着剂较佳为无机系列接着剂，如磷玻璃、硼玻璃等无机系列的玻璃材料(silicate)，用以抵抗烧结时的高温。接着薄化上述硅晶圆21至厚度约为5～20μm，用以作为振动片21。之后再在振动片21上，对应每一墨水腔29的上方位置制作压电组件27：依序形成共通电极23、压电片24以及上电极25，压电片的材质可为铅锆酸盐-钛酸盐(PZT)，最后在经由烧结以形成压电陶瓷。

相比于现有技术的压电喷墨头墨水腔，由本发明提出的压电喷墨头墨水腔，由于其墨水腔呈椎状的几何空间，由连接压电组件一端缩小至连接喷孔片一端，可以有效扩大压电组件施予墨滴的压力，故墨水腔所需的截面积可以减小，而在设计喷墨头时，可提高喷孔的积集度，而帮助提升分辨率。

且由于可使用湿蚀刻硅芯片的方式制作墨水腔，不仅可轻易完成本发明所提的压电喷墨头墨水腔结构，也可维持低廉的生产成本，符合商业化的大量生产需求。

虽然本发明的较佳实施例如上所述，但并不是用以限定本发明，任何熟习相关技术的工人，在不脱离本发明的范围内，可作一些改动与修饰，因此本发明的专利保护范围以本发明的权利要求书为准。

附图标记说明

10压电陶瓷片                  24压电片

11振动片                      25上电极

12压力舱                      26光阻层

13入口                        27压电组件

14管道                        28光阻层

15喷嘴                        29墨水腔

16控制电路                    30喷嘴

20硅基板                      31喷孔片

21振动片                      32凹槽壁部

22热氧化膜                    33凹槽底部

23共通电极

Claims (10)

1、一种压电喷墨头墨水腔结构，其特征在于，包括有：

一基板；

一凹槽形成于上述基板上，其开口的截面积大于其底部的截面积，用以提供作为一墨水腔；

一振动层，是形成于上述凹槽的开口上；以及

一压电组件，是形成于上述振动层上。

2、如权利要求1所述的压电喷墨头墨水腔结构，其进一步特征在于，所述凹槽是用湿蚀刻方式形成的。

3、如权利要求1所述的压电喷墨头墨水腔结构，其进一步特征在于，所述振动层为硅晶圆、金属片或陶瓷片。

4、如权利要求1所述的压电喷墨头墨水腔结构，其进一步特征在于，所述振动层是利用晶圆贴合(wafer-bonding)方式形成于所述凹槽的开口上。

5、如权利要求1所述的压电喷墨头墨水腔结构，其进一步特征在于，所述压电组件的压电陶瓷材料为铅锆酸盐-钛酸盐(PZT)。

6、一种压电喷墨头墨水腔的制作方法，其特征在于，包括下列步骤：

提供一基板；

在该基板的表面形成一凹槽，用以提供作为一墨水腔，其中该凹槽具有一开口及一底部，且该开口的截面积大于该底部的截面积；

在上述凹槽的开口上形成一振动层；以及

在上述振动层上形成一压电组件。

7、如权利要求6所述的压电喷墨头墨水腔的制作方法，其进一步特征在于，所述凹槽是用湿蚀刻方式形成的。

8、如权利要求6所述的压电喷墨头墨水腔的制作方法，其进一步特征在于，所述振动层为硅晶圆、金属片或陶瓷片。

9、如权利要求6所述的压电喷墨头墨水腔的制作方法，其进一步特征在于，所述振动层是利用晶圆贴合(wafer-bonding)方式形成于所述凹槽的开口上。

10、如权利要求6所述的压电喷墨头墨水腔的制作方法，其进一步特征在于，所述压电组件的压电陶瓷材料为铅锆酸盐-钛酸盐(PZT)。

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